알루미나(Al2O3) 및 이붕화티타늄(TiB2) 나노입자가 고압 다이캐스팅용 Al-Si9-Cu3-Fe1 합금의 미세구조 및 특성에 미치는 영향

본 소개 논문은 Université Bordeaux I에서 발행한 논문 "Influence of Alumina (Al2O3) and Titanium Diboride (TiB2) nanoparticulates on the microstructure and properties of Al Si9 Cu3 Fe1 alloys for high pressure die casting applications"의 연구 내용입니다.

1. 개요:

• 제목: 알루미나(Al2O3) 및 이붕화티타늄(TiB2) 나노입자가 고압 다이캐스팅용 Al Si9 Cu3 Fe1 합금의 미세구조 및 특성에 미치는 영향
• 저자: Iban Vicario Gomez
• 출판 연도: 2011
• 발행 저널/학회: Université Bordeaux I (박사 학위 논문)
• 키워드: Al-Si9-Cu3-Fe1, Al2O3, TiB2, 나노입자, 미세구조, 기계적 특성, 열적 특성, 고압 다이캐스팅(HPDC), 결정립 미세화, 강화.

2. 요약

본 연구의 주요 목적은 TiB2 및 Al2O3 나노 입자(최대 1 wt. %)가 고압 다이캐스팅 공정을 통해 가공된 알루미늄 주조 합금의 특성 및 물리적 특징에 미치는 영향을 연구하는 것입니다. [3페이지]

3. 연구 배경:

연구 주제 배경:

• 고압 다이캐스팅(HPDC)은 경합금 부품 생산에 널리 사용되는 공정으로, 특히 자동차, 운송 및 에너지 분야에서 많이 사용됩니다. [2페이지]
• 알루미늄 합금은 우수한 특성과 경량 구조로 인해 HPDC에 일반적으로 사용됩니다. [2페이지]
• Al-Si9-Cu3-Fe1 합금은 HPDC에서 가장 일반적인 합금입니다. [2페이지]

선행 연구 현황:

• 이전 연구는 합금 원소 및 결정립 미세화제(예: Al-Ti-B 마스터 합금)를 사용하여 알루미늄 합금 특성을 개선하는 데 중점을 두었습니다. [7페이지]
• 기계적 특성을 향상시키기 위해 금속 매트릭스 복합재(MMC)가 연구되었습니다. [8페이지]
• 경금속의 구조적 응용을 포함한 다양한 응용 분야에서 나노 입자가 연구되고 있습니다. [8페이지]

연구 필요성:

• 더 높은 온도와 더 높은 사용 압력에서 더 나은 기계적 특성을 가지면서도 무게를 줄인 알루미늄 주조 부품을 개발해야 할 필요성이 있습니다. [2페이지]
• Al-Si9-Cu3-Fe1 합금에서 나노 입자를 미세화 및 강화제로 사용하는 산업적 적용은 제한적입니다. [2페이지]
• Al-Si9-Cu3-Fe1 합금에 대한 특정 결정립 미세화제가 부족합니다. [2페이지]

4. 연구 목적 및 연구 질문:

연구 목적:

• HPDC로 가공된 Al-Si9-Cu3-Fe1 합금의 특성에 대한 TiB2 및 Al2O3 나노 입자(최대 1 wt.%)의 영향을 연구합니다. [3페이지]

핵심 연구:

• Al-Si9-Cu3-Fe1 합금의 응고 및 미세 구조에 대한 TiB2 및 Al2O3 나노 입자의 영향 분석. [3페이지]
• Al-Si9-Cu3-Fe1 합금의 기계적 및 열적 특성에 대한 Al2O3 및 TiB2 나노 입자의 영향 분석. [5페이지]

5. 연구 방법

• 연구 설계: 실험 연구.
• 재료:
  • 기본 합금: Al-Si9-Cu3-Fe1. [3페이지]
  • 강화 나노 입자: TiB2(상업용 및 SHS 생산, ~200 nm 및 메쉬 325) 및 Al2O3(15-40 nm). [2페이지]
• 데이터 수집:
  • 응고 곡선을 위한 시차 열 분석(DTA). [3페이지]
  • 미세 구조 분석을 위한 광학 현미경(OM), 주사 전자 현미경(SEM), 투과 전자 현미경(TEM) 및 원자력 현미경(AFM). [5페이지]
  • 나노 입자의 영향을 연구하기 위한 이미지 분석 및 원소 분석(EDS, WDS). [5페이지]
  • 실온 및 200°C에서의 인장 시험. [5페이지]
  • 열전도율 측정. [5페이지]
  • 알루미늄 협회의 결정립 미세화 시험 (TP1). [9페이지]
• 분석 방법: 강화 합금과 비강화 합금 간의 응고 곡선, 미세 구조 특징, 기계적 특성 및 열적 특성 비교. 기계적 및 열적 특성 계산을 위한 기존 모델과 비교. [5페이지]
• 샘플 준비:
  고압 다이캐스팅 기계에서 두 가지 다른 강화 나노 입자(Al2O3 및 TiB2) 샘플을 제작했습니다. [2페이지]

6. 주요 연구 결과:

주요 연구 결과 및 제시된 데이터 분석:

• TiB2 및 Al2O3 나노 입자는 Al-Si9-Cu3-Fe1 합금의 응고 거동에 영향을 미쳐 결정립 미세화제 역할을 하고 미세 구조를 수정합니다. [122페이지]
• 나노 입자를 첨가하면 일반적으로 핵 생성 온도가 증가하고 과냉각이 감소합니다. [71페이지]
• TiB2 입자는 Al2O3 입자보다 결정립 미세화 효과가 더 뚜렷합니다. [82페이지]
• 나노 입자는 기공 크기와 양을 줄입니다. [123페이지]
• 강화 합금의 미세 구조는 더 미세한 수지상 간 간격(SDAS)과 더 미세한 공융 구조를 나타냅니다. [93페이지]
• 기계적 특성(UTS, 연신율)은 일반적으로 나노 입자, 특히 TiB2를 첨가하면 향상됩니다. [129페이지]
• 나노 입자를 첨가하면 전기 전도도가 감소합니다. [117페이지]

그림 목록:

• Fig.2.1: 냉각 챔버 고압 다이캐스팅 그림. [10페이지]
• Fig.2.2: 기공 가스 가둠으로 인한 블리스터링 과정. [12페이지]
• Fig.2.3. (a) 및 Fig.2.3. (b): 온도/시간의 응고 다이어그램 [Ask 03]. [16페이지]
• Fig.2.4: 임계 반경 결정 [Ask 03]. [17페이지]
• Fig.2.5: 균질 및 불균일 핵 생성 간의 과냉각 변화. [18페이지]
• Fig.2.6.: 입자 직경의 함수로 필요한 과냉각 [Que 04-02]. [21페이지]
• Fig.2.7: AMC 처리 경로 [Mor 01]. [22페이지]
• Fig.2.8: AMC의 강화 형상 분류 [Mor 01]. [24페이지]
• Fig.2.9.: 회사 수에 따른 MMC에 사용되는 재료 [Mor 01]. [25페이지]
• Fig.2.10.: 응력 – 변형률 다이어그램. [32페이지]
• Fig.2.11.: TiB2의 결정 구조 체계. [36페이지]
• Fig.2.12.: Al2O3의 결정 구조 체계 [Wik 11]. [39페이지]
• Fig.2.13.: 입자 크기와 경도 간의 관계 [Sch 01]. [44페이지]
• Figures 3.3: SHS와 반응기로 얻은 TiB2의 SEM 이미지. [55페이지]
• Figures 3.4: SHS와 반응기로 얻은 TiB2의 입자 크기 분포. [55페이지]
• Figures 3.5: SHS 밀링 재료의 SEM 이미지. [56페이지]
• Figures 3.6.: 상업용 밀링 재료의 SEM 이미지. [56페이지]
• Figures 3.7.: 알루미늄으로 밀링된 나노 상업용 TiB2의 SEM 이미지. [57페이지]
• Fig. 3.8: Al-Si 상 다이어그램 [Zol 07]. [58페이지]
• Fig. 3.9: Fe 상 결정. [58페이지]
• Fig. 3.10.: 시험 절차. [64페이지]
• Figure 3.11.- HPDC 시험봉. [65페이지]
• Figure 3.12.- DTA 결정을 위한 상업용 모래 컵. [67페이지]
• Figure 4.1.- 핵형성 구역에서 T=f(t) 곡선 양상 및 주요 매개변수. [71페이지]
• Figure 4.2.- 핵형성(영역 1) 및 변태(영역 2) 곡선 및 정지. [72페이지]
• Figure 4.3.- 주요 반응이 확인된 T=f(t) 및 dT/dt 곡선. [73페이지]
• Figure 4.4.- 주요 반응이 확인된 T=f(t) 및 dT/dt 곡선. [74페이지]
• Figure 4.5.- 핵형성 온도(Tn) 및 시간(tn) 결정. [74페이지]
• Figure 4.6.- 5차 도함수를 이용한 액상선 시작점(N) 결정. [75페이지]
• Figure 4.7.- 공융 반응 특성 매개변수. [75페이지]
• Figures 4.8. A 및 B- Thermo-calc를 이용한 액상선 온도 및 석출물 결정. [77페이지]
• Figure 4.9.- Al2Cu 및 Al5Mg8Cu2Si6 시작점 및 영역 결정. [78페이지]
• Figure 4.10.- Al Si9 Cu3 + 0.15% 나노 TiB2 샘플의 DTA 응고. [79페이지]
• Figure 4.11.- Al Si9 샘플의 DTA 응고. [80페이지]
• Figure 4.12.- 0.2% SHS-TiB2의 DTA 응고. [81페이지]
• Figure 4.13.- 0.2% 상업용 TiB2 브리켓의 DTA 응고. [81페이지]
• Figure 4.14.- 0.1% 감마 Al2O3 브리켓의 DTA 응고. [84페이지]
• Figure 4.15.- 0.17% 알파 Al2O3 브리켓의 DTA 응고. [85페이지]
• Figure 4.16.- 온도 변화 그래프. [90페이지]
• Figure 4.17.- 샘플 간 과냉 비교. [91페이지]
• Figure 4.18.- 샘플 간 변태 비교. [92페이지]
• Figure 4.19.- Al Si9 Cu3 합금 TP1 에세이 OM 거시그래프 분석. [95페이지]
• Fig. 4.20.: Al Si 9 Cu3 OM 현미경 사진. [96페이지]
• Figure 4.21.- Al Si9 Cu3 일반적인 SEM 현미경 사진. [96페이지]
• Figure 4.22.- SHS-TiB2 강화 합금 TP1 에세이 OM 거시그래프 분석. [97페이지]
• Fig. 4.23: 중심 및 주변 영역에서 입자 및 석출물에 대한 OM 연구. [98페이지]
• Fig. 4.24.: SHS-TiB2 강화 합금의 SEM 연구. [99페이지]
• Figure 4.25.- EDS 및 SEM에 의한 SHS-TiB2 강화 합금의 상 결정. [100페이지]
• Figure 4.26.- 0.1 wt.% γ-Al2O3 강화 합금 TP1 에세이 OM 거시그래프 분석. [101페이지]
• Figures 4.27.: 중심 및 주변 영역에서 입자 및 석출물에 대한 OM 연구. [102페이지]
• Figure 4.28.- γ-Al2O3 강화 합금에서 EDS 및 SEM에 의한 상 결정. [102페이지]
• Figures 4.29. A,B,C,D 및 E.- EDS 및 SEM에 의한 Al2O3 입자 검출. [103페이지]
• Figures 4.30. A,B 및 C.- EDS 및 SEM에 의한 Al2O3 입자 검출. [105페이지]
• Figures 4.31.- WDS에 의한 주변 Al 수지상 조성 결정. [106페이지]
• Figures 4.32.- WDS에 의한 중심 Al 수지상 조성 결정. [107페이지]
• Figures 4.33. A 및 B는 침상 입자가 두 영역에서 발견되는 샘플의 중심으로 가져온 일반적인 미세 구조를 보여줍니다. [108페이지]
• Figure 4.33.- A 및 B : 주조 샘플의 중심부, 즉 침상 입자 영역의 일반적인 미세 구조에 대한 TEM 현미경 사진. 각 TEM 현미경 사진(명시야 이미지)은 4개의 해당 EDS 맵(Al, Cu, Si 및 Fe)과 연결됩니다. [109페이지]
• Figure 4.34.- 주조 샘플 가장자리의 일반적인 미세 구조에 대한 TEM 현미경 사진. [110페이지]
• Figures 4.35. A) 및 a B)는 작은 입자 영역이 발견되는 샘플의 주변 영역으로 가져온 일반적인 미세 구조를 보여줍니다. 각 명시야 현미경 사진은 TEM 분석 영역 내에서 Al, Cu, Si 및 Fe 원소의 분포를 분석하기 위해 EDS 맵과 연결됩니다. [111페이지]
• Figure 4.35. A) 및 B).- 주조 샘플 가장자리, 즉 작은 입자 영역의 일반적인 미세 구조에 대한 TEM 현미경 사진. 각 TEM 현미경 사진(명시야 이미지)은 4개의 해당 EDS 맵(Al, Cu, Si 및 Fe)과 연결됩니다. [112페이지]
• Figure 4.36.- 강화 합금 중심부의 침상 수지상 영역 상세. [114페이지]
• Figure 4.37.- 2차 수지상 간 간격 결정. [114페이지]
• Figures 4.38.- 2차 수지상 간 간격 결정. [115페이지]
• Figure 4.39.: SDAS와 IACS 간의 비교 다이어그램. [120페이지]
• Figure 5.1: 강화 및 기본 Al Si9 Cu 합금의 실온 UTS. [130페이지]
• Fig. 5.2: 강화 및 기본 Al Si9 Cu 합금의 실온 YS. [131페이지]
• Fig. 5.3 강화 및 기본 Al Si9 Cu 합금의 실온 연신율. [131페이지]
• Fig. 5.4: 강화 및 기본 Al Si9 Cu 합금의 200ºC UTS. [133페이지]
• Fig. 5.5: 강화 및 기본 Al Si9 Cu 합금의 200ºC YS. [133페이지]
• Fig. 5.6 강화 및 기본 Al Si9 Cu 합금의 200ºC 연신율. [134페이지]
• Figure 5.7: 기본 합금의 파괴 분석. [136페이지]
• Figure 5.8: 0.02% SHS TiB2 강화 합금의 파괴 분석. [136페이지]
• Figure 5.9: 0.1% Al2O3 감마 알루미나 강화 합금의 파괴 분석. [137페이지]

7. 결론:

주요 결과 요약:

• 나노 크기의 TiB2 및 Al2O3 입자는 Al-Si9-Cu3-Fe1 합금에서 결정립 미세화제 역할을 하여 응고 거동과 미세 구조를 변화시킵니다. [142페이지]
• TiB2는 Al2O3보다 더 강력한 결정립 미세화 효과를 나타냅니다. [142페이지]
• 나노 입자는 기공 크기와 양을 줄이며, Al2O3가 TiB2보다 더 효과적입니다. [142페이지]
• 나노 입자를 첨가하면 일반적으로 극한 인장 강도(UTS)와 연신율이 향상되며, 특히 실온에서 그렇습니다. [143페이지]
• 항복 강도(YS)는 실온에서 나노 입자 첨가와 함께 약간 감소하지만 200°C에서는 증가합니다. [143페이지]
• 나노 입자를 첨가하면 전기 전도도가 감소합니다. [142페이지]

연구 결과 요약, 연구의 학문적 의의, 연구의 실제적 의미

• Al-Si 합금에 나노 입자를 첨가하면 응고 곡선이 변하여 더 나은 핵 생성을 촉진합니다. [122페이지]
• TiB2 입자는 알루미늄 합금의 응고 및 얻어진 미세 구조에 큰 영향을 미칩니다. [3페이지]
• Al Si9 Cu3 Fe1에 Al Ti5 B1, Al Ti3 B1 및 Al Ti C와 같은 결정립 미세화제를 첨가하면 내부 기공률이 감소하고 부품 내 기공률 분포가 개선되는 것으로 보고되었습니다. [4페이지]
• 강화 합금의 미세 구조 및 조성은 광학 현미경, 주사 전자 현미경(SEM), 투과 전자 현미경(TEM) 및 원자력 현미경(AFM)을 통해 철저히 연구되었습니다. [5페이지]
• 열적 및 기계적 특성은 DC 및 HPDC 공정으로 얻은 샘플로 수행되었습니다. [5페이지]
• 실험 결과는 세라믹 입자로 강화된 재료의 기계적 및 열적 특성을 계산하고 합금 특성의 예상되는 개선을 확인하는 데 사용되는 모델과 비교되었습니다. [5페이지]

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