電気的純アルミニウムの微細構造進化に対するキャビティ形状の影響

Jun 20, 2023

Scientific Reports volume 13、記事番号: 3382 (2023) この記事を引用

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金属材料において結晶粒の微細化は重要な課題です。 等軸粒子を得る新しい技術の 1 つは、凝固中に液体金属に電流を流すことです。 この観点から、この論文では、金型のさまざまなキャビティ形状における凝固挙動に及ぼす電流の影響を調査しました。 同様のキャビティ容積を持つように設計された円柱形、立方体形、および直方体形のキャビティが使用されました。 液体アルミニウムの凝固中に電流を流すことにより、3 種類のキャビティすべてで粒子が効果的に微細化され、粒径は約 350 µm になりました。 液体アルミニウムの循環流は、3 つのタイプのキャビティすべてで同様のせん断速度強度を持つことが観察されました。これは、樹状突起の断片化を誘発して新たに生成された核を引き起こすのに十分に高い (数百 s-1 以上) ことが知られています。 未凝固アルミニウム上の核の分散はキャビティの形状に応じて異なって現れ、それが精製ゾーンの最終形状に影響を与える。 精製帯の面積率は凝固完了時間と通電時間の相対関係に影響される。 この研究は、複雑な形状を持つ実際の製品に電気支援凝固を適用する場合のプロセスパラメータの制御に関する洞察を提供します。

高強度と良好な延性を得るには、液体金属加工における凝固挙動の理解に基づいた微細構造の制御が不可欠です1、2、3。 液体金属の凝固挙動は、液体金属の組成、凝固系内の熱流、品質などのさまざまな要因によって影響されます。 特に、凝固中の冷却速度は凝固構造を決定するための重要なパラメータです4,5。 たとえば、金型のキャビティのサイズや形状を変更すると、材料の合金組成がまったく同じであっても、冷却速度の変化により異なる凝固構造が生じる可能性があります。 凝固構造に影響を与える熱場勾配の考慮も、さまざまなサイズの鋳造部品で複雑な形状を製造するためには不可欠です。

鋳造業界では凝固構造を制御するために、化学添加剤 6、7、8 や急速冷却法 9、10 などのさまざまな技術が使用されてきました。 化学添加剤は、相を精製または変更するための一般的な技術と考えられてきました。 微細な凝固組織を得るために急冷法もよく採用されます。 ただし、前者には、添加剤の色褪せや、細孔や金属間化合物などの望ましくない欠陥の形成といういくつかの欠点があります11、12。 後者は、金型材質や製品形状、作業環境などにより冷却速度を上げるのに限界があります。 これらの欠点を克服するために、機械的振動13、14、15、電磁撹拌16、17、18、19、超音波振動20、21、22などの外部エネルギーを使用した液体金属の処理が導入されており、これらは機械的振動を得る代替方法となり得る。最終製品の要件を満たす特性。 最近、外部エネルギー源として電流を使用する鋳造方法が提案されています 23,24,25,26。 この方法では、凝固中に電極を介して液体金属に直接電流が印加されます。 液体金属に電流を印加すると、結晶粒の微細化や相の変化が主な効果となることが知られています。 特に、結晶粒微細化は、この技術が最初に報告された 1985 年以来、多くの以前の研究 27、28、29 で確認されています 30。 Pb-Sn 合金 31、32、33 や Cu-Bi-Sn 合金 34、35 を含むさまざまな金属では、凝固中に電流を印加することによって粒子が効果的に微細化されました。 たとえば、鋳放しのSn-Bi合金の粒径は1700μmでしたが、凝固中に電流を流すと約400μmまで減少しました。 現在、材料の軽量化への需要の高まりから、アルミニウム合金の結晶粒微細化に関する研究が注目を集めています。 純アルミニウム (Al)27、28、29、36 および Al-Si 合金 37、38 の α-Al の粒径は、凝固中に電流を流すことによって大幅に減少します。 Raiger et al.29 は、電流を印加すると、電流を印加しない場合と比較して、純アルミニウムの粒径が約 82% 減少すると報告しました。