Taguchi アルミニウム、軽石、炭酸石炭複合材料の伸び率に関する撹拌鋳造プロセスパラメータの最適化とモデリング

Jun 24, 2023

Scientific Reports volume 13、記事番号: 2915 (2023) この記事を引用

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1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

金属基複合材のサブクラスであるアルミニウム基複合材は、低密度、高い剛性と強度、優れた耐摩耗性、制御された熱膨張、優れた耐疲労性、および高温での安定性の向上などの特性を備えています。 これらの複合材料は、最先端の用途向けのさまざまなコンポーネントの製造に使用できる可能性があるため、科学界および産業界はこれらの複合材料に関心を持っています。 これは、撹拌速度、処理温度、撹拌鋳造プロセスの撹拌時間が、Al-軽石（PP）-炭化石炭粒子（CCP）ハイブリッド複合材料の伸び率にどのように影響するかを観察した研究です。 また、Taguchi 最適化手法を使用して、これらの天然セラミック強化材の最適な重量も調べました。 伸び率特性を最適化しながら、強化材の特性評価中にシリカ、酸化鉄、アルミナなどの硬質化合物が発見され、PP と CCP が金属マトリックス複合材の強化材として使用できることが示されました。 撹拌鋳造プロセスパラメータの最適化を使用すると、ハイブリッド複合材料の伸び率は PP に最も影響され、次に加工温度、撹拌速度、CCP、撹拌時間の影響を受けることが示されました。 軽石粒子 2.5 wt%、炭酸炭粒子 2.5 wt%、処理温度 700 °C、撹拌速度 200 rpm、撹拌時間 5 分の条件で観察されたところ、最適な伸び率は 5.6% であることがわかりました。強化なしの Al 合金の伸び率より 25.43% 低い。 回帰研究では、撹拌鋳造プロセス パラメーターの関数として伸び率 (PE) の予測数学モデルを開発し、R-2 乗、R-2 乗 (adj)、および R-2 乗 (pred) を使用して高度な予測を提供しました。 ) の値はそれぞれ 91.60%、87.41%、79.32% でした。

現在、最先端の用途には、より強く、より軽く、より手頃な価格の材料が必要とされています1。 これらの基準を達成するために、研究者は現在、高い強度重量比を備えたハイブリッド複合材料の開発に集中しています2。 アルミニウム合金は、その高い強度重量比、熱伝導率、加工性、鋳造、鍛造特性により、ハイブリッド複合材料の開発に最も広く使用されている合金です。 しかし、アルミニウム合金には、低い剛性、靭性、耐疲労性、高い熱膨張係数、不十分なトライボロジー特性などのいくつかの欠点があります。 アルミニウム合金の特性を改善する最も効果的な方法の 1 つは、2 種類以上の強化材を使用したハイブリッド複合材料の作成です。 ハイブリッド複合材料は、モノリシック材料、合金材料、複合材料に比べて、高い強度重量比、優れた耐食性と耐摩耗性、強度と剛性、低い熱伝導率と熱膨張、軽量、衝撃特性と曲げ特性の改善など、いくつかの利点を提供します。 。 全体的に複合材コストが低い3,4。 ハイブリッド材料は、1 つのマトリックスと 2 つ以上の強化要素で構成されています5。 これらは、粉末冶金、撹拌鋳造、二段階撹拌鋳造、絞り鋳造6などのさまざまな技術を使用して製造され、剛性、密度、微小硬度、低い係数などの高い比強度など、望ましい機械的特性と摩擦学的挙動を実現します。熱膨張、高い熱抵抗、優れた減衰能力7.

軽石や炭化石炭粒子などのセラミック粒子を強化材として使用すると、アルミニウムとその合金の機械的特性が大幅に改善されることが証明されています8。 アルミニウムの硬度、降伏強さ、引張強さは向上しますが、アルミナ、SiC、B4C などの粒子を添加すると延性と伸び率が低下します9。 セラミックに使用される基礎材料と比較すると、軽石は化学的に同等の品質を示します10。 材料の残りの 60 ～ 75% は、主に Al2O3 と SiO2 で構成されており、これら 2 つの酸化物で構成されています8。 その組成と合計数十億トンの既知の堆積物のサイズを組み合わせると、粒子状（つまり軽石粒子-PP）の軽石はセラミック原料として使用できる可能性があります10。 炭酸石炭粒子 (CCP) は、ポゾラン特性、小さな粒子サイズ、研磨性、鉱物学などの多くの有益な特性により、セラミックスの分野でも重要な用途に使用できる可能性があります 11,12。 重量を軽減しながら耐用年数を延ばすために、アルミニウムマトリックスで構成される複合材料の機械的特性を改善することに多大な努力が払われてきました13。 たとえ他の機械的品質の性能が向上したとしても、セラミック強化材料の根本的な欠点は、AMC の伸び率の低下です14。 セラミック粒子を合金に添加すると、アルミニウム複合材料の硬度と脆性が増加する可能性があります5。 この特性により、このような複合材料の利用は困難になっています。 特定の用途におけるアルミニウム合金の性能を評価し、これらの制限を超えるには、アルミニウム合金の強化材の調査が必要です。