鋳造技術によって作製されたアルミニウムハイブリッドナノコンポジットの微細構造と機械的挙動の特定

この紹介論文は、[Jordan Journal of Mechanical and Industrial Engineering]によって発行された論文「Identify Microstructure and Mechanical Behavior of Aluminum Hybrid Nano Composite Prepared by Casting Technique」の研究内容です。

Figure 1. Various matrix and strengthening materials are utilized for MMC production[25].
Figure 1. Various matrix and strengthening materials are utilized for MMC production[25].

1. 概要:

  • タイトル: Identify Microstructure and Mechanical Behavior of Aluminum Hybrid Nano Composite Prepared by Casting Technique (鋳造技術によって作製されたアルミニウムハイブリッドナノコンポジットの微細構造と機械的挙動の特定)
  • 著者: Khaldun Aldawoudi, Ayad Mohammed Nattah, Nabaa Sattar Radhi, Zainab S. Al-Khafaji, Manar Khaleel Ibrahim
  • 出版年: 2025
  • 掲載ジャーナル/学会: Jordan Journal of Mechanical and Industrial Engineering
  • キーワード: Aluminum Matrix Composites (AMCs), Fe2O3, SiO2 hybrid particles, stir casting method, reinforcement, and Brinell hardness (アルミニウム基複合材料(AMC)、Fe2O3、SiO2ハイブリッド粒子、撹拌鋳造法、強化、ブリネル硬さ).

2. 概要 (Abstract)

アルミニウム基複合金属マトリックス（AMMC）の開発は、軽量、高強度、優れた機械的特性により、エンジニアリングアプリケーションの主要な要件の1つになっています。この研究では、撹拌鋳造によって製造されたアルミニウムマトリックス複合材料の硬度と圧縮強度に対する1.25 wt％SiO2、1.25 wt％Fe2O3、または1.25 wt％SiO2と1.25 wt％Fe2O3ハイブリッド粒子の混合物の添加効果を研究します。試験片の微細構造を調査するために走査型電子顕微鏡を使用しました。硬度と圧縮強度の特性の測定により、補強材の重量パーセンテージが増加するにつれて改善が見られました。 1.25 SiO2、1.25 Fe2O3、または1.25 SiO2と1.25 Fe2O3 wt％の粒子混合物で強化されたアルミニウムの試験片の場合、ブリネル硬度の増加率はそれぞれ25.5％、6.8％、19.3％でした。最後に、鉄または酸化ケイ素の割合が増加するにつれて、降伏点とヤング率は大幅に減少し、1.25％Fe2O3および1.25％SiO2を含む複合材料で最小値に達しました。

3. 研究背景:

研究テーマの背景:

「複合材料」とは、連続相（マトリックス）に分散した個別のコンポーネント（強化材）で構成される材料システムです[1]〜[9]。文献では、金属マトリックス複合材料、特にアルミニウムマトリックス複合材料（AMC）が広く調査されています[15]、[16]。

先行研究の状況:

文献では、金属マトリックス複合材料、特にアルミニウムマトリックス複合材料（AMC）が広く調査されています。炭化ケイ素、酸化アルミニウム、炭化タングステン、炭化チタンは、アルミニウム複合材料を強化するために最も頻繁に利用される材料として広く認識されています[21]。

研究の必要性:

以前の研究では、単一粒子強化を調査しました。この研究では、ハイブリッドナノサイズの補強材の相乗効果が必要です。

4. 研究目的と研究課題:

研究目的:

この研究は、ナノヘマタイト、ナノ酸化ケイ素、ハイブリッドナノヘマタイト、およびナノ酸化ケイ素で強化された（AMC）の機械的挙動と硬度を製造、特定、および特性評価することを目的としています。

主要な研究:

アルミニウムマトリックス複合材料（AMC）内のハイブリッドナノサイズの補強材、特にSiO2およびFe2O3粒子の相乗効果を調査します。

5. 研究方法

この研究では、撹拌鋳造技術、特に2段階撹拌鋳造手順を採用して、アルミニウムマトリックス複合材料を製造しました。

  1. 試験片の準備: 高純度アルミニウムワイヤーをマトリックス材料として使用しました。 強化材（SiO2、Fe2O3、または混合物）をそれぞれ1.25 wt％添加しました（表2）。 アルミニウムを炉で溶融し、温度を熱電対を使用して制御しました。 機械式撹拌機を使用して、溶融アルミニウムと予熱された強化粒子を混合しました。
  2. 強化材の予熱: 強化粒子を300°Cで2時間予熱して、濡れ性を改善し、水分を除去しました。
  3. 2段階撹拌: 2段階撹拌プロセス。 最初の撹拌は半固体状態（620°C）で行われました。 2回目の撹拌は、液相温度750°C以上で行いました。
  4. 鋳造: 溶融した複合材料を予熱した鋼の型に注ぎ、凝固させました。
  5. 熱処理: 鋳造されたサンプルは、均質化と熱応力緩和のために350°Cで5時間熱処理されました。
  6. 微細構造分析: 走査型電子顕微鏡（SEM）を使用して微細構造を調べました（図2）。 X線回折（XRD）を使用して、存在する相を特定しました（図3）。
  7. 機械的試験:
    • ブリネル硬さ試験: 5mmボール圧子と31.25Kgの荷重を使用して、ASTM E10-15aに従って実施しました（図4）。
    • 圧縮試験: ASTM規格（L = 2D）に従って、円筒形試験片（直径12 mm、高さ24 mm）で実施しました（図5）。
    • 摩耗試験：ピンオンディスク方式で動作する摩耗試験機モデルMT-4003、バージョン10.0を使用して実施しました。（図7）。

6. 主要な研究結果:

主要な研究結果と提示されたデータ分析:

  1. 微細構造: SEM画像（図2）は、アルミニウムマトリックス内のナノ粒子の分布を示しています。 XRD分析（図3）は、Al、SiO2、およびFe2O3相の存在を確認しました。
  2. ブリネル硬さ: ナノ粒子の添加により硬度が増加しました。ブリネル硬度は、（1.25 SiO2、1.25 Fe2O3、および1.25 SiO2-1.25 Fe2O3）wt。％の粒子試験片でそれぞれ強化されたアルミニウムに対して、（25.5％）、（6.8％）、および（19.3％）の増加率を示しました（図4）。
  3. 圧縮強度: Al + 1.25％Fe2O3試験片は、純粋なアルミニウムと比較して最大165％の増加を示しました（図5）。
  4. ヤング率: ヤング率の値は、補強材の割合が増加するにつれて減少し、Al +（1.25 SiO2 + 1.25 Fe2O3）の場合は（47 Gpa）でした（図6）。
  5. 摩耗率: 摩耗率は、1.25％Fe2O3で強化されたアルミニウムで（46.4）％減少しました（図7）。
Figure 2. SEM a) 1.25 wt%Fe2O3, b) 1.25 wt%SiO2, c)1.25 wt%Fe2O3+1.25 wt%SiO2.
Figure 2. SEM a) 1.25 wt%Fe2O3, b) 1.25 wt%SiO2, c)1.25 wt%Fe2O3+1.25 wt%SiO2.
Figure 3. XRD pattern of a: Al-(1.25 wt.%) Fe2O3 b: Al-(1.25 wt.%) SiO2.
Figure 3. XRD pattern of a: Al-(1.25 wt.%) Fe2O3 b: Al-(1.25 wt.%) SiO2.
Figure 4. The Brinell hardness magnitudefordifferent Al alloys.
Figure 4. The Brinell hardness magnitudefordifferent Al alloys.
Figure 5: Compressive strength magnitude of different Al alloys.
Figure 5: Compressive strength magnitude of different Al alloys.
Figure 6: Shows the Young modulus vs Al percentage.
Figure 6: Shows the Young modulus vs Al percentage.

図の名称リスト:

  • 図1. MMC製造に利用されるさまざまなマトリックスと強化材[25]。
  • 図2. SEM a）1.25 wt％Fe2O3、b）1.25 wt％SiO2、c）1.25 wt％Fe2O3 + 1.25 wt％SiO2。
  • 図3. XRDパターンa：Al-（1.25 wt。％）Fe2O3 b：Al-（1.25 wt。％）SiO2。
  • 図4.さまざまなAl合金のブリネル硬さ。
  • 図5：さまざまなAl合金の圧縮強度。
  • 図6：ヤング率vs Alパーセンテージ。
  • 図7：定常状態でのAl試験片の摩耗率（時間= 20分）。

7. 結論:

主要な調査結果の要約:

  1. SEMおよびXRDの結果は、アルミニウムマトリックスで妨げられたナノ粒子とXRDパターンのピークのシフトを示しています。
  2. 10 Nでの最高の摩耗率はAlサンプルであり、摩耗率は1.25％Fe2O3で強化されたアルミニウムで（46.4）％減少することがわかりました。
  3. ブリネル硬度の増加率は、1.25 SiO2、1.25 Fe2O3、および（1.25 SiO2、1.25 Fe2O3）wt。％の粒子試験片でそれぞれ強化されたアルミニウムに対して、（25.5％）、（6.8％）、および（19.3％）です。
  4. Al + 1.25 Fe2O3試験片の最大の改善は、圧縮強度で26.5％と記録されました。
  5. ヤング率の値は、補強材の割合が増加するにつれて減少します。

今後の拡大研究の可能性のある分野:

粒子の濡れ性を改善し、凝集を最小限に抑えるために、撹拌鋳造パラメーターをさらに最適化することをお勧めします。 さまざまな重量パーセンテージとハイブリッド補強の組み合わせを調査します。 疲労試験と長期環境暴露研究。

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9. 著作権:

  • この資料は、「Khaldun Aldawoudi, Ayad Mohammed Nattah, Nabaa Sattar Radhi, Zainab S. Al-Khafaji, Manar Khaleel Ibrahim」による論文「Identify Microstructure and Mechanical Behavior of Aluminum Hybrid Nano Composite Prepared by Casting Technique」に基づいています。
  • 論文の出典: https://doi.org/10.59038/jjmie/190112

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