주조 기술로 제조된 알루미늄 하이브리드 나노 복합재의 미세구조 및 기계적 거동 규명

본 소개 논문은 [Jordan Journal of Mechanical and Industrial Engineering]에서 발행한 논문 ["Identify Microstructure and Mechanical Behavior of Aluminum Hybrid Nano Composite Prepared by Casting Technique"]의 연구 내용입니다.

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. 개요:

  • 제목: Identify Microstructure and Mechanical Behavior of Aluminum Hybrid Nano Composite Prepared by Casting Technique (주조 기술로 제조된 알루미늄 하이브리드 나노 복합재의 미세구조 및 기계적 거동 규명)
  • 저자: Khaldun Aldawoudi, Ayad Mohammed Nattah, Nabaa Sattar Radhi, Zainab S. Al-Khafaji, Manar Khaleel Ibrahim
  • 출판 연도: 2025
  • 발표 저널/학회: Jordan Journal of Mechanical and Industrial Engineering
  • 키워드: Aluminum Matrix Composites (AMCs), Fe2O3, SiO2 hybrid particles, stir casting method, reinforcement, and Brinell hardness (알루미늄 기지 복합재(AMC), Fe2O3, SiO2 하이브리드 입자, 교반 주조법, 강화, 브리넬 경도).

2. 초록

알루미늄 기반 복합 금속 매트릭스(AMMC)의 개발은 낮은 중량, 높은 강도 및 우수한 기계적 특성으로 인해 엔지니어링 응용 분야의 주요 요구 사항 중 하나가 되었습니다. 이 연구에서는 교반 주조로 제작된 알루미늄 매트릭스 복합재의 경도 및 압축 강도에 1.25 wt% SiO2, 1.25 wt% Fe2O3 또는 1.25 wt% SiO2와 1.25 wt% Fe2O3 하이브리드 입자 혼합물의 첨가 효과를 연구합니다. 시편의 미세 구조를 조사하기 위해 주사 전자 현미경을 사용했습니다. 경도 및 압축 강도 특성 측정 결과 강화재 중량 백분율이 증가함에 따라 개선되는 것으로 나타났습니다. 1.25 SiO2, 1.25 Fe2O3 또는 1.25 SiO2와 1.25 Fe2O3 wt% 입자 혼합물로 강화된 알루미늄 시편의 경우 브리넬 경도 증가율은 각각 25.5%, 6.8% 및 19.3%였습니다. 마지막으로, 철 또는 산화규소의 비율이 증가함에 따라 항복점과 영률이 크게 감소했으며, 1.25% Fe2O3 및 1.25% SiO2를 함유한 복합재에서 최소값에 도달했습니다.

3. 연구 배경:

연구 주제 배경:

"복합재"는 연속 상(매트릭스)에 분산된 별개의 구성 요소(강화재)로 구성된 재료 시스템입니다[1]-[9]. 문헌에서는 금속 매트릭스 복합재, 특히 알루미늄 매트릭스 복합재(AMC)를 광범위하게 조사했습니다[15], [16].

선행 연구 현황:

문헌에서는 금속 매트릭스 복합재, 특히 알루미늄 매트릭스 복합재(AMC)를 광범위하게 조사했습니다. 탄화규소, 산화알루미나, 탄화텅스텐 및 탄화티타늄은 알루미늄 복합재를 강화하는 데 가장 많이 사용되는 재료로 널리 알려져 있습니다[21].

연구 필요성:

이전 연구에서는 단일 입자 강화를 탐구했습니다. 이 연구는 하이브리드 나노 크기 강화재의 시너지 효과가 필요합니다.

4. 연구 목적 및 연구 질문:

연구 목적:

이 연구는 나노 헤마타이트, 나노 산화규소, 하이브리드 나노 헤마타이트 및 나노 산화규소로 강화된 (AMC)의 기계적 거동 및 경도를 제작, 식별 및 특성화하는 것을 목표로 합니다.

핵심 연구:

알루미늄 매트릭스 복합재(AMC) 내에서 하이브리드 나노 크기 강화재, 특히 SiO2 및 Fe2O3 입자의 시너지 효과를 탐구합니다.

5. 연구 방법

이 연구에서는 알루미늄 매트릭스 복합재를 제작하기 위해 교반 주조 기술, 특히 2단계 교반 주조 절차를 사용했습니다.

  1. 시편 준비: 고순도 알루미늄 와이어를 매트릭스 재료로 사용했습니다. 강화 재료(SiO2, Fe2O3 또는 혼합물)를 각각 1.25 wt%씩 첨가했습니다(표 2). 알루미늄을 용광로에서 용융하고 온도는 열전대를 사용하여 제어했습니다. 기계식 교반기를 사용하여 용융 알루미늄과 예열된 강화 입자를 혼합했습니다.
  2. 강화재 예열: 강화 입자를 300°C에서 2시간 동안 예열하여 습윤성을 개선하고 수분을 제거했습니다.
  3. 2단계 교반: 2단계 교반 공정. 첫 번째 교반은 반고체 상태(620°C)에서 수행했습니다. 두 번째 교반은 액상 온도 750°C 이상에서 수행했습니다.
  4. 주조: 용융된 복합재를 예열된 강철 주형에 부어 응고시켰습니다.
  5. 열처리: 주조된 샘플은 균질화 및 열 응력 완화를 위해 350°C에서 5시간 동안 열처리했습니다.
  6. 미세구조 분석: 주사 전자 현미경(SEM)을 사용하여 미세구조를 조사했습니다(그림 2). X선 회절(XRD)을 사용하여 존재하는 상을 확인했습니다(그림 3).
  7. 기계적 시험:
    • 브리넬 경도 시험: 5mm 볼 압입자와 31.25 Kg 하중을 사용하여 ASTM E10-15a에 따라 수행했습니다(그림 4).
    • 압축 시험: ASTM 표준(L=2D)에 따라 원통형 시편(직경 12mm, 높이 24mm)에 대해 수행했습니다(그림 5).
    • 마모 시험 : 핀-온-디스크 방식으로 작동하는 마모 시험기 모델 MT-4003, 버전 10.0을 사용하여 수행했습니다. (그림7).

6. 주요 연구 결과:

주요 연구 결과 및 제시된 데이터 분석:

  1. 미세구조: SEM 이미지(그림 2)는 알루미늄 매트릭스 내 나노 입자의 분포를 보여줍니다. XRD 분석(그림 3)은 Al, SiO2 및 Fe2O3 상의 존재를 확인했습니다.
  2. 브리넬 경도: 나노 입자 첨가는 경도를 증가시켰습니다. 브리넬 경도는 (1.25 SiO2, 1.25 Fe2O3 및 1.25 SiO2-1.25 Fe2O3)wt.% 입자 시편으로 각각 강화된 알루미늄에 대해 (25.5%), (6.8%) 및 (19.3%)의 증가율을 보였습니다(그림 4).
  3. 압축 강도: Al+ 1.25% Fe2O3 시편은 순수 알루미늄에 비해 최대 165% 증가를 보였습니다(그림 5).
  4. 영률: 영률 값은 강화재 비율이 증가함에 따라 감소했으며 Al+(1.25 SiO2+1.25 Fe2O3)의 경우 (47Gpa)였습니다(그림 6).
  5. 마모율: 마모율은 1.25% Fe2O3로 강화된 알루미늄에서 (46.4)% 감소했습니다(그림 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.

그림 이름 목록:

  • 그림 1. MMC 생산에 활용되는 다양한 매트릭스 및 강화 재료[25].
  • 그림 2. SEM a) 1.25 wt%Fe2O3, b) 1.25 wt%SiO2, c)1.25 wt%Fe2O3+1.25 wt%SiO2.
  • 그림 3. XRD 패턴 a: Al-(1.25 wt.%) Fe2O3 b: Al-(1.25 wt.%) SiO2.
  • 그림 4. 다양한 Al 합금에 대한 브리넬 경도.
  • 그림 5: 다양한 Al 합금의 압축 강도.
  • 그림 6: 영률 대 Al 백분율.
  • 그림 7: 정상 상태에서 Al 시편의 마모율(시간=20분).

7. 결론:

주요 결과 요약:

  1. SEM 및 XRD 결과는 알루미늄 매트릭스에 나노 입자가 방해되고 XRD 패턴의 피크가 이동하는 것을 보여줍니다.
  2. 10N에서 가장 높은 마모율은 Al 샘플에서 나타났으며, 마모율은 1.25% Fe2O3로 강화된 알루미늄에서 (46.4)% 감소했습니다.
  3. 브리넬 경도 증가율은 1.25 SiO2, 1.25 Fe2O3 및 (1.25 SiO2, 1.25 Fe2O3) wt.% 입자 시편으로 각각 강화된 알루미늄에 대해 (25.5%), (6.8%) 및 (19.3%)입니다.
  4. Al+1.25 Fe2O3 시편의 최대 개선은 압축 강도에서 26.5%로 기록되었습니다.
  5. 영률 값은 강화재 비율이 증가함에 따라 감소합니다.

향후 확장 연구 가능 분야:

입자 습윤성을 개선하고 응집을 최소화하기 위해 교반 주조 매개변수를 추가로 최적화하는 것이 좋습니다. 다양한 중량 백분율 및 하이브리드 강화 조합 탐구. 피로 시험 및 장기 환경 노출 연구.

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9. 저작권:

  • 본 자료는 "Khaldun Aldawoudi, Ayad Mohammed Nattah, Nabaa Sattar Radhi, Zainab S. Al-Khafaji, Manar Khaleel Ibrahim"의 논문: "Identify Microstructure and Mechanical Behavior of Aluminum Hybrid Nano Composite Prepared by Casting Technique"을 기반으로 합니다.
  • 논문 출처: https://doi.org/10.59038/jjmie/190112

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