Mg濃縮の相乗効果

Scientific Reports volume 12、記事番号: 20053 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

Mg-Al-Zn 合金は、高い剛性重量比、軽量、高い強度重量比、低密度、鋳造性、高温機械的特性、機械加工性、高強度などの優れた特性を考慮して、多くの用途で広く好まれています。耐腐食性と優れた減衰性。 このような合金の特性を改善することは、その六方晶系の結晶構造やその他の合金化の制限により困難です。 この研究は、純マグネシウム（対照試料）に合金元素8.3重量％のAl、0.35重量％のZnを組み込むことにより、Mg-Al-Zn合金を合成することを目的としています。 次に、撹拌鋳造プロセスを通じて一定の固体潤滑剤 BN (3 wt%) とともに 3 つの重量比率 (3 wt%、6 wt%、9 wt%) で B4C を強化することにより、Mg-Al-Zn/BN/B4C ハイブリッド複合材料を合成します。 ハイブリッド複合材サンプルの特性を評価し、対照サンプルの性能と比較しました。 結果は、9 wt% B4C 強化サンプルが、対照サンプルと比較して、引張強度 28.94%、圧縮強度 37.89%、降伏強度 74.63%、硬度 14.91% の向上を記録することにより、優れた性能を発揮したことを明らかにしました。 これとは別に、対照試験片と比較して、腐食領域 (37.81%) が減少し、密度 (0.03% 増加) および気孔率 (0.01% 減少) の変化は無視できる程度であることがわかりました。 サンプルは、SEM、XRD、および EDAX 装置を使用して特性評価されました。

低密度材料は、密度が低く、エネルギー効率が高いため、自動車、航空宇宙、船舶の用途でより一般的になりつつあります。 他の金属や合金と比較して、マグネシウムとその合金は、その密度が低く、圧縮強度が高いため、注目を集めています。 さらに、マグネシウムはリサイクル可能であり、CO2 排出量が削減されることも、機能的用途を満たすもう 1 つの重要な理由です1。 これらの材料は、優れた物理的特性にもかかわらず、強度、弾性率、耐摩耗性が低く、反応性が高く、高温での耐クリープ性が低いため、用途が限られています2。 これらの欠点は、希望の加工方法を順守し、合金元素や強化材を追加することで取り除くことができます3。 提示された結果に基づいて、炭化ケイ素、酸化アルミニウム、炭化ホウ素、窒化ケイ素、二酸化チタン、窒化アルミニウム、窒化チタン、酸化イエットリウム、炭化チタンなどのセラミックスが、マグネシウム複合材料で構成される粒子を強化するために使用されてきました4.セラミック補強材はマトリックス材料でカプセル化される可能性があるため、制限が生じます。 マトリックス材料中の独自のセラミック強化粒子の重量割合を増やすと、硬度、密度、靱性、および脆性が増加しましたが、延性と伸び率の低下が観察されました5。 これは、マトリックス合金に強化粒子が均一に分布しているためですが、凝集により特性が低下します6。 文献研究により、母材に二次セラミック微粒子を含めると、粒径の縮小を通じて材料が強化され、複合材の機械的特性が決定され、ハイブリッド複合材であることが確認されています。 さまざまな加工方法と強化材を使用してマグネシウムハイブリッド複合材料を合成することについて、数多くの研究が行われてきました7。 粉末冶金のアプローチは、マグネシウム複合材料の磨耗性能を特徴付けるために使用されました。 グラファイトを含めることで、ハイブリッド混合物の耐摩耗性が向上し、微小硬度特性が低下しました8。 半固体撹拌法を採用して、マグネシウムハイブリッドナノ複合材料の動的引張挙動を開発しました。 ナノスケール SiC と MWCNT を強化に使用した場合、ひずみ速度硬化は異なる温度で明確であることが観察されました9。 SiC 粒子を含めると、短繊維が強化され、スクイーズキャスティング法 10 を使用して鋳造された複合材料が強化されるため、合成複合材料の摩耗率が効果的に改善されました。 液体冶金は、炭化ホウ素の機械的特性とグラファイトの強化マグネシウム混合複合体の開発に使用されています。 マトリックス合金にグラファイトを組み込むと、摩耗特性が低下します11。 強化部品として二ホウ化チタンと窒化ホウ素を使用し、耐摩耗性を向上させながら濡れ性を向上させる主な目的である BN を添加して、アルミニウム複合複合材料の微細構造と物理的特性を調べました12。 文献に基づいて、密度がマグネシウム合金ハイブリッド複合材料を合成するための強化材の選択に大きな影響を与えていると結論付けられています。 そうしないと、そのような組み合わせの密度が増加し、機能的用途の軽量化特性と一致しなくなります13。 提案されている革新的な研究の一環として、マグネシウム合金ハイブリッド複合材料の継続的な開発のために、低密度材料を使用したセラミック強化材が選択されました。 説明的な研究ギャップについて文献研究が実施され、この研究に対するいくつかの意味が要約されました。 Mg-Al-Zn 合金は六方晶系の結晶構造を持ち、靭性、柔軟性、その他の特性などの基本的な特性に影響を与えます。 それとは別に、この材料の表面エネルギーは、アルミニウムや亜鉛などの他の軽量材料と比較して高いです。 ただし、アルミニウムに比べて耐食性や耐摩耗性は劣ります。 また、マグネシウム合金では、10 wt% Al が固溶強化を高めることで引張強さ、硬度、鋳造性を向上させ、0.35% Zn が粒界に沿って MgZn2 相を形成し、優れた時効硬化をもたらし特性が向上することも観察されました。 。 ただし、合金元素の添加は、材料の環境適合性にとって不可欠であるため、ベースとなるマグネシウム合金に限定されます14。 ホウ化物、炭化物、窒化物などのセラミック強化粒子を添加するだけで、Mg-Al-Zn 合金の特性が向上することがわかりました。 ハイブリッド複合材料を強化するための粒子強化粒子としての炭化ホウ素および窒化ホウ素と Mg-Al-Zn 合金との濡れ性に関するさらなる研究が不足していることが判明しました。 マグネシウムは反応性が高く、大気にさらされると酸化マグネシウムを形成するため、これがこのような合金の大きな欠点です。 異なるベース材料の組み合わせに低密度の強化材を追加することにより、複合材料の密度が回復し、その機械的特性が著しく改善されることが予測されました 15。 文字通りの分析により、さまざまな粒子サイズの B4C 強化材を含めることで、材料の機械的強度が向上することがわかりました。 B4C16 よりも密度が低いにもかかわらず、BN の強化には限界があります。 また、炭化ホウ素と窒化ホウ素は、Mg-Al-Zn 合金ベースのハイブリッド複合材料を強化するための粒子強化粒子として広く研究されていないと推測されました。 補強材として推奨される微粒子は、他のセラミック補強材よりも密度が低く、炭化ホウ素と窒化ホウ素では 2.5 g/cm3、2.1 g/cm3 です。 異なるベース材料にこの強化材の組み合わせを追加することにより、最終材料 (複合材料) の密度が回復し、その機械的特性がさらに向上しました。 この効果は、B4C を 3 つのレベル (3 wt%、6 wt%、9 wt%) で一定の​​割合で強化することにより、Mg-Al-Zn 合金 (純マグネシウム 91.35 wt%、アルミニウム 8.3 wt%、亜鉛 0.35 wt%) の特性を強化します。固体潤滑剤BN 3wt%。 今のところまだ報告されていません。 BNは二硫化モリブデンやグラファイトと同様に層状構造をしているため、これらに比べて優れた固体潤滑剤です。 この要因により、二次強化材として BN が好まれており、本調査ではその重量パーセントは一定に保たれています。 したがって、この研究では、Mg-Al-Zn/BN/B4C ハイブリッド複合材料サンプルの合成、特性評価、およびテストを行い、その性能を鋳造 Mg-Al-Zn 合金として合成されたもの (対照試験片) と比較することに取り組みます。