50년간의 주조 금속 복합재료 생산 및 미래 기회들

본 논문 요약은 ['2019 AFS Proceedings of the 123rd Metalcasting Congress']에서 발행한 ['50 Years of Foundry Produced Metal Matrix Composites and Future Opportunities'] 논문을 기반으로 작성되었습니다.

1. 개요:

  • 제목: 50년간의 주조 금속 복합재료 생산 및 미래 기회들 (50 Years of Foundry Produced Metal Matrix Composites and Future Opportunities)
  • 저자: 프라딥 로하트기, 아제이 쿠마 P., 데이비드 와이스 (Pradeep Rohatgi, Ajay Kumar P., David Weiss)
  • 발행 연도: 2019년
  • 발행 저널/학술 단체: 2019 AFS Proceedings of the 123rd Metalcasting Congress
  • 키워드: 금속 복합재료, 기계적 성질, 주조, 폼, 자동차 (Metal matrix composites, mechanical properties, castings, foam, automotives)
Figure 1. Global MMC market review 2019.3
Figure 1. Global MMC market review 2019.3

2. 초록 또는 서론

본 논문은 1969년 AFS 논문 "용융 금속 주입을 통한 알루미늄 주물 내 흑연 입자 분산 (Dispersion of Graphite Particles in Aluminum Castings through Injection of the Melt)"의 금 50주년 기념 논문입니다. 본 논문은 지난 50년간 주조 금속 복합재료 (Cast Metal Matrix Composites, MMCs)의 발전을 검토합니다.

자동차, 철도, 우주, 컴퓨터 하드웨어 및 레크리에이션 장비에서 MMC 부품의 속성 동기 및 현재 사용 현황을 제시합니다. 주조 MMC 주요 생산 업체를 포함한 MMC 산업 정보와 MMC 산업의 총 생산량을 나열합니다. 논의된 일부 주조 MMC에는 알루미늄-흑연, 알루미늄-탄화규소, 알루미늄-알루미나 및 알루미늄-플라이애시가 포함됩니다.

주조 나노 복합재료, 기능성 경사 재료, 신텍틱 폼, 자가 치유 및 자가 윤활 복합재료 생산을 포함한 주조 MMC의 현재 및 미래 방향을 제시합니다. Al-흑연 및 Al-흑연-SiC 복합재료에서 압축기, 피스톤 및 로터리 엔진용 경량 자가 윤활 실린더 라이너 제조의 최근 진행 상황을 논의합니다. 미래의 주조 생산 금속 복합재료 전망을 제시합니다.

3. 연구 배경:

연구 주제 배경:

대부분의 응용 분야에서 경량, 고성능 및 재활용 가능한 재료에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 금속 복합재료 (Metal Matrix Composites, MMCs)는 엔지니어링 재료이며 최상의 대안 솔루션 중 하나를 제공합니다. MMC는 둘 이상의 재료로 구성되며 그 중 하나는 금속이어야 합니다. MMC는 이미 여러 기존 재료를 대체했으며 항공 우주, 자동차 및 방위 산업에서 사용되고 있습니다. 일반적으로 금속 복합재료는 금속 합금 매트릭스에 분산된 연속 또는 불연속 섬유, 위스커 또는 미립자로 구성됩니다. 이러한 강화재는 단일 합금에서는 달성할 수 없는 속성을 복합재료에 제공합니다.

기존 연구 현황:

Global MMC Market Report 2019에 따르면 MMC 생산량은 선형적으로 성장했습니다. MMC 생산량은 2012년 이후 5백만 킬로그램에서 7백만 킬로그램으로 증가했으며 수익은 2억 2,880만 USD에서 4억 USD로 증가했습니다 (그림 1). 2004년에는 350만 킬로그램의 MMC가 사용되었으며 연간 6% 이상의 성장률로 증가하고 있습니다. MMC에 대한 논문 출판물은 그림 2에서 볼 수 있듯이 기하급수적으로 증가했습니다. 주조 금속 복합재료는 주조 산업에서 널리 제조됩니다. Al-Si 합금은 상 다이어그램 (그림 3a)에 따라 알루미늄에 실리콘 액체 용액의 응고에 의해 생성되는 제자리 복합재료라고 할 수 있습니다. 일반적으로 생산되는 주조 복합재료의 또 다른 예는 구상 흑연 주철 (그림 3b)이며, 여기서 흑연 구상 흑연은 페라이트 매트릭스에 분산됩니다. 주조 금속 복합재료 합성에 대한 최초의 발견은 1965년 International Nickel Company의 Merica Laboratory에서 Badia와 Rohatgi에 의해 이루어졌습니다. 1965년 초기 연구 이후 주조 금속 복합재료 분야에서 상당한 진전이 있었습니다.

연구의 필요성:

Al-Si 합금 및 구상 흑연 주철은 두 상의 부피 백분율에 제한이 있으며 상 다이어그램에 의해 예측된 좁은 범위로 제한됩니다. 강화재의 형태 및 공간 배열은 합성적으로 생산된 복합재료만큼 자유롭게 변경할 수 없습니다. 본 논문은 주조 금속 복합재료의 역사적 관점을 검토하고 금속 복합재료 사용에 대한 속성 동기를 논의하고 현재 개발 중이거나 이미 사용 중인 부품을 논의합니다. 주조 금속 복합재료의 미래 연구 과제 및 가능성도 제시합니다.

4. 연구 목적 및 연구 질문:

연구 목적:

본 논문은 1969년 Badia와 Rohatgi의 AFS 논문부터 시작하여 지난 50년간 주조 금속 복합재료 (MMC)의 발전을 검토하는 것을 목표로 합니다. 속성 동기, 현재 응용 분야, 산업 성장 및 주조 생산 MMC의 미래 방향을 탐구합니다. 본 연구는 또한 다양한 유형의 주조 MMC와 제조 공정을 논의합니다.

주요 연구:

본 논문에서 탐구된 주요 연구 분야는 다음과 같습니다:

  • 1965년 이후 주조 MMC의 역사적 발전.
  • 다양한 산업 분야에서 주조 MMC의 속성 동기 및 응용 분야.
  • 알루미늄-흑연, 알루미늄-탄화규소, 알루미늄-알루미나 및 알루미늄-플라이애시 복합재료와 같은 다양한 유형의 주조 MMC.
  • 나노 복합재료, 기능성 경사 재료, 신텍틱 폼, 자가 치유 및 자가 윤활 복합재료를 포함한 주조 MMC 연구의 현재 및 미래 방향.
  • 교반 주조, 스퀴즈 주조, 레오캐스팅 및 용융 침투를 포함한 금속 복합재료의 응고 공정.
  • 주조 생산 MMC의 비용 효율성 및 제조 기술.

연구 가설:

본 논문은 검토 논문이며 연구 가설을 명시적으로 언급하지 않습니다. 그러나 암묵적으로 논문은 다음과 같은 전제하에 작동한다고 추론할 수 있습니다:

  • 주조 금속 복합재료는 초기 개발 이후 50년 동안 상당한 발전과 다양화를 이루었습니다.
  • 주조 생산 방법은 다양한 응용 분야를 위한 MMC 제조에 실행 가능하고 비용 효율적인 경로를 제공합니다.
  • 주조 MMC의 미래 연구 개발은 맞춤형 속성을 가진 고급 재료를 만드는 데 상당한 잠재력을 가지고 있습니다.

5. 연구 방법론

연구 설계:

본 논문은 역사적 및 기술적 연구 설계를 채택한 검토 논문입니다. 지난 50년간 주조 생산 금속 복합재료와 관련된 기존 문헌, 연구 결과 및 산업 응용 분야를 조사하고 종합합니다.

자료 수집 방법:

자료 수집 방법은 다음으로부터 정보를 검토하고 편집하는 것을 포함합니다:

  • 주조 금속 복합재료와 관련된 학술 출판물 및 연구 논문.
  • MMC 생산 및 응용 분야에 대한 산업 보고서 및 시장 분석.
  • MMC 제조 공정과 관련된 특허 및 기술 문서.
  • 자동차, 항공 우주 및 기타 분야에서 MMC 응용 분야의 사례 연구 및 예시.

분석 방법:

분석 방법은 주로 질적이며 다음을 포함합니다:

  • 주조 MMC의 발전 타임라인에 대한 역사적 분석, 주요 이정표 및 발전 식별.
  • 다양한 유형의 주조 MMC, 속성, 제조 방법 및 응용 분야에 대한 기술적 분석.
  • MMC 생산을 위한 다양한 주조 기술의 비교 분석.
  • MMC 시장 성장 및 미래 연구 방향에 대한 추세 분석.

연구 대상 및 범위:

연구 대상은 주조 생산 금속 복합재료 (MMC)입니다. 검토 범위는 다음을 포함합니다:

  • 교반 주조, 스퀴즈 주조, 레오캐스팅 및 용융 침투와 같은 다양한 주조 기술을 사용하여 생산된 주조 MMC.
  • 다양한 유형의 매트릭스 재료 (예: 알루미늄, 마그네슘, 구리) 및 강화재 (예: 흑연, 탄화규소, 알루미나, 플라이애시).
  • 자동차, 항공 우주, 전자 및 기타 산업 분야에서 주조 MMC의 응용 분야.
  • 1965년부터 2018년까지 주조 MMC의 연구 개발 노력.

6. 주요 연구 결과:

주요 연구 결과:

  • 본 논문은 초기 알루미늄-흑연 복합재료 연구부터 시작하여 지난 50년간 주조 MMC 기술의 상당한 발전을 강조합니다.
  • MMC 시장의 성장과 해당 분야의 출판물 수의 증가를 보여주며, 이는 성장하는 관심과 연구 활동을 나타냅니다.
  • 다양한 주조 기술, 특히 교반 주조, 스퀴즈 주조 및 침투 공정이 MMC 생산을 위해 개발 및 개선되었습니다.
  • 특정 응용 분야에 맞게 조정된 다양한 매트릭스 재료 (Al, Mg, Cu 등) 및 강화재 (흑연, SiC, Al2O3 등)를 사용하여 광범위한 주조 MMC가 개발되었습니다.
  • 주조 MMC의 응용 분야는 자동차 (피스톤, 실린더 라이너, 브레이크 로터), 항공 우주 (구조 튜브, 전자 패키징) 및 레크리에이션 장비를 포함한 다양한 분야로 확장되었습니다.
  • 최근 연구는 성능과 기능성을 더욱 향상시키기 위해 나노 복합재료, 신텍틱 폼, 자가 윤활 및 자가 치유 복합재료와 같은 고급 주조 MMC에 초점을 맞추고 있습니다.
  • 플라이애시 및 폐기물 모래와 같은 저비용 강화재를 사용하는 비용 효율적인 생산 방법이 모색되고 있습니다.

제시된 데이터 분석:

  • 그림 1은 2019년 글로벌 MMC 시장 검토를 보여주며, 2012년부터 2019년까지 생산량과 수익 모두에서 선형 성장을 보여줍니다.
  • 그림 2는 1988년부터 2018년까지 주조 MMC에 대한 논문 출판물 수의 기하급수적인 증가를 보여주며, 이는 해당 분야에 대한 연구 관심이 확대되고 있음을 나타냅니다.
  • 그림 5는 다양한 MMC 유형 및 강화 방법의 비용 비교를 제시하여 분말 야금 및 확산 접합에 비해 교반 주조와 같은 액체 금속 공정의 비용 효율성을 강조합니다.
  • 표 1은 주조 금속 복합재료를 만드는 데 사용되는 선택된 매트릭스-분산재 조합의 포괄적인 목록을 제공하여 재료 및 조성의 다양성을 보여줍니다.
  • 표 2는 1965년부터 2018년까지 주조 금속 복합재료 개발의 선택된 랜드마크를 나열하여 주요 연구 기여 및 관련 조직을 간략하게 설명합니다.
  • 표 3은 우주, 자동차, 항공 우주, 열 관리 및 레크리에이션 분야에서 MMC 사용을 나열하여 광범위한 응용 분야를 보여줍니다.
  • 표 4는 자동차 산업에서 MMC 제조업체 및 응용 분야 목록을 제공하여 주조 MMC의 산업적 관련성을 나타냅니다.
  • 표 5는 실린더 슬리브 재료의 비교 분석을 제공하여 Al-SiC-흑연 복합재료가 다양한 성능 기준에서 높은 등급을 받았음을 보여줍니다.

그림 목록:

Figure 2. Number of papers on Cast MMCs published from 1988 to 2018. 3
Figure 2. Number of papers on Cast MMCs published from 1988 to 2018.3
Figure 3. The phase diagram restricted metal composites (a) Al-Si alloy and (b) Ductile cast iron. 2
Figure 3. The phase diagram restricted metal composites (a) Al-Si alloy and (b) Ductile cast iron.2
Figure 4. Classification of metal matrix composites depending on size, arrangement, and shape of the reinforcement.
Figure 4. Classification of metal matrix composites depending on size, arrangement, and shape of the reinforcement.
Figure 5. Cost and type of reinforcements used in MMCs. 2
Figure 5. Cost and type of reinforcements used in MMCs. 2
Figure 8. Dispersion of graphite particles in an Al9.2Si-4.7Ni-base. 6
Figure 8. Dispersion of graphite particles in an Al9.2Si-4.7Ni-base. 6
Figure 9. (a) Aluminum-graphite piston (b) Aluminumgraphite liners used in Alpha Romeo and Ferrari automobiles in Formula One races (c) Aluminum graphite connecting rod (d) aluminum graphite liner die cast in place, in a small engine (e) centrifugally cast aluminum-graphite liner (f) Liner in from picture (e) in a small engine block. 2
Figure 9. (a) Aluminum-graphite piston (b) Aluminumgraphite liners used in Alpha Romeo and Ferrari automobiles in Formula One races (c) Aluminum graphite connecting rod (d) aluminum graphite liner die cast in place, in a small engine (e) centrifugally cast aluminum-graphite liner (f) Liner in from picture (e) in a small engine block. 2
Figure 13. The rheoformed cylindrical part of 7075 aluminum matrix composite reinforced with nanosized SiC particles. 60
Figure 13. The rheoformed cylindrical part of 7075 aluminum matrix composite reinforced with nanosized SiC particles. 60
Figure 25. MMC uses in automotive applications as cylinder liners, brake rotors, intake and exhaust valves, and driveshaft etc.
Figure 25. MMC uses in automotive applications as cylinder liners, brake rotors, intake and exhaust valves, and driveshaft etc.
Figure 35. A356-10vol%SiC-4vol%Gr composite components
Figure 35. A356-10vol%SiC-4vol%Gr composite components
Figure 36 (a) Microstructure of A356-10vol% fly ash composite (b) Intake manifold made of Al-10% fly ash.
Figure 36 (a) Microstructure of A356-10vol% fly ash composite (b) Intake manifold made of Al-10% fly ash.
  • Figure 1. Global MMC market review 2019.3
  • Figure 2. Number of papers on Cast MMCs published from 1988 to 2018.3
  • Figure 3. The phase diagram restricted metal composites (a) Al-Si alloy and (b) Ductile cast iron.2
  • Figure 4. Classification of metal matrix composites depending on size, arrangement, and shape of the reinforcement.
  • Figure 5. Cost and type of reinforcements used in MMCs.2
  • Figure 6. Injection of nickel-coated graphite in molten aluminum alloys in an initial experiment on casting aluminum-graphite particle composites by Rohatgi. (Merica Laboratory, International Nickel Company, 1965).6
  • Figure 7. Injection of nickel-coated graphite in molten aluminum alloys in an initial experiment on casting aluminum-graphite particle composites by Badia. (Merica Laboratory, International Nickel Company, 1965).6
  • Figure 8. Dispersion of graphite particles in an Al-9.2Si-4.7Ni-base.6
  • Figure 9. (a) Aluminum-graphite piston (b) Aluminum-graphite liners used in Alpha Romeo and Ferrari automobiles in Formula One races (c) Aluminum graphite connecting rod (d) aluminum graphite liner die cast in place, in a small engine (e) centrifugally cast aluminum-graphite liner (f) Liner in from picture (e) in a small engine block.2
  • Figure 10. Schematic views of the stir casting process.
  • Figure 11. (a) microstructure of Al-Si/Saffil Fiber (b) A356/SiC composites (c) Al-Si/20 vol% spherical Al2O3p (d) Silicon carbide particle reinforced aluminum composite (e-f) Al-Si/20vol%.-graphite particle composite.2
  • Figure 12. SEM micrographs of as-cast composites: (a, b) Al6061-9 wt%. TiB2.
  • Figure 13. The rheoformed cylindrical part of 7075 aluminum matrix composite reinforced with nano-sized SiC particles.60
  • Figure 14. Schematic of the casting experimental set-up used by X.Li. 57
  • Figure 15. (a) A high magnification SEM image from Mg-TiC nanocomposites (b) Microhardness measurements with varying amount of TiC in the matrix.
  • Figure 16. Schematic of the solidification nano processing method. The nanoparticles were first ultrasonic pre-processed with molten salt at room temperature and then incorporated into molten Al assisted by molten salt and mechanical stir 57.
  • Figure 17. Experimental setup of salt assisted nanoparticle incorporation (a) and melt pressing using a hydraulic press (b).
  • Figure 18. Schematic of the experimental methods.
  • Figure 19. SEM images of the WC nanoparticle dispersion in Zinc. 54
  • Figure 20. SEM micrograph of carbon short fibers used (a) uncoated (b) Ni-P coated (c) Picture an as-cast sample (d) Distribution of uncoated CSFs in composite C3 samples (e) Distribution of coated CSFS in composite CE3 samples (f) SEM micrograph of an agglomerated fiber region in sample CE3.54
  • Figure 21. Formation of the composite during non-isothermal infiltration of a fiber preform by liquid metal.
  • Figure 22. Schematic of Advanced Pressure Infiltration Casting (APICTM) Process. 68
  • Figure 23. Physical and mechanical properties of composites as compared with the two most commonly used alloy, i.e. steel and aluminum.
  • Figure 24. Comparison of specific properties of aluminum and magnesium matrix composites indicating the increase of stiffness and strength with respect to the matrix.
  • Figure 25. MMC uses in automotive applications as cylinder liners, brake rotors, intake and exhaust valves, and driveshaft etc.
  • Figure 26. A359/20 vol% SiCp composite brake rotor for an electric vehicle.
  • Figure 27. Al-SiC composites as heat-spreader plates of an electronics cooling device for the world's first hybrid vehicle, the Prius.
  • Figure 28. MMC crankshaft pulley made by infiltration of SIALON preform with aluminum.
  • Figure 29. REL AI-MMC for (a) brake drum, (b) motorcycle brake rotor, and (c) automotive rotor.
  • Figure 30. Al-SiC Graphite piston cylinder made by Eck Industries.
  • Figure 31. MMC uses in space industries.
  • Figure 32. Discontinuously reinforced aluminum MMCs for electronic packaging applications: (a-top) SiCp/Al electronic package for a remote power controller (photo courtesy of Lockheed Martin Corporation), and (b-bottom) cast Grp/Al components (photo courtesy of MMCC, Inc.).
  • Figure 33 Train rotor made from Duralcan.
  • Figure 34. Montage of lead-free copper- graphite composite castings.
  • Figure 35. A356-10vol%SiC-4vol%Gr composite components.
  • Figure 36 (a) Microstructure of A356-10vol% fly ash composite (b) Intake manifold made of Al-10% fly ash.
  • Figure 37. Foam material created by introducing gas in Al-SiC melt.
  • Figure 38. (a) Fly Ash -Cenospheres, (b) Fly Ash Cenospheres (Hollow) in a-Al Matrix (c) Al- foam Aluminum-fly ash Cenosphere syntactic foam (micrograph inset) within a steel frame (d). (Courtesy of Bob Purgert.)

7. 결론:

주요 연구 결과 요약:

본 논문은 주조 금속 복합재료가 지난 50년간 크게 발전하여 상당한 산업으로 성장했다고 결론 내립니다. 비용 및 가공 어려움과 같은 장벽에도 불구하고 MMC는 향상된 속성을 제공하며 자동차, 항공 우주 및 기타 분야의 다양한 부품에 활용됩니다. 탄화규소, 알루미나, 흑연 및 플라이애시와 같은 알루미늄 매트릭스 복합재료가 두드러집니다. 교반 주조 및 침투와 같은 주조 기술은 MMC 생산의 핵심입니다. 현재 연구는 나노 복합재료, 신텍틱 폼 및 자가 기능 복합재료를 발전시켜 MMC 응용 분야의 추가 성장을 약속합니다.

연구의 학문적 의의:

본 검토 논문은 주조 금속 복합재료에 대한 포괄적인 역사적 개요를 제공하여 50년간의 연구 개발을 통합합니다. MMC 재료, 가공 기술 및 응용 분야의 발전을 강조하여 재료 과학, 제조 및 야금 분야의 연구원 및 전문가에게 귀중한 통찰력을 제공합니다. 본 논문은 또한 주요 연구 동향과 미래 방향을 식별하여 MMC 기술에 대한 학문적 이해에 기여합니다.

실용적 의미:

본 연구의 실용적 의미는 경량 고성능 재료를 찾는 산업에 중요합니다. 본 논문은 특히 자동차 및 항공 우주 엔지니어링에서 다양한 응용 분야에 주조 생산 MMC의 타당성을 보여줍니다. 특정 MMC 생산 방법의 비용 효율성과 저비용 강화재 사용 가능성을 강조합니다. 본 검토는 제조 기술, 재료 선택 및 미래 연구 기회를 다루어 산업 응용 분야에서 주조 MMC의 추가 채택을 장려합니다.

연구의 한계 및 향후 연구 분야:

검토 논문으로서 본 연구는 검토된 문헌의 범위에 의해 제한됩니다. 본 논문은 다음과 같은 미래 연구 방향을 제시합니다:

  • MMC에서 강화재의 응집 방지.
  • 균일한 강화재 분포 및 강력한 계면 결합 달성.
  • 저비용 재료 및 공정을 통한 MMC 생산 비용 절감.
  • MMC 가공 단순화.
  • MMC 부품 설계를 위한 포괄적인 속성 데이터베이스 개발.
  • 대규모 MMC 생산을 위한 강력한 공급망 및 제조 능력 구축.
  • 수명이 다한 MMC 부품의 재활용 경로 생성.
  • 자가 치유 및 자가 윤활 기능과 같은 스마트 MMC 재료 개발.
  • 다양한 응용 분야에서 MMC 부품의 장기 성능 테스트.
  • 그래핀 및 탄소 나노튜브 강화재를 사용한 초고성능 MMC 탐구.

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9. 저작권:

  • 본 자료는 "[Pradeep Rohatgi, Ajay Kumar P., David Weiss]"의 논문: "[50 Years of Foundry Produced Metal Matrix Composites and Future Opportunities]"을 기반으로 합니다.
  • 논문 출처: [DOI URL은 영어 원본 요약본을 참고]

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