전기적으로 순수 알루미늄의 미세 구조 진화에 대한 공동 형태의 영향

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 3382(2023) 이 기사 인용

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결정립 미세화는 금속 재료에서 중요한 문제입니다. 등축 입자를 얻기 위한 새로운 기술 중 하나는 응고 중에 액체 금속에 전류를 가하는 것입니다. 이러한 관점에서 본 논문에서는 다양한 캐비티 형태의 금형에서 전류가 응고거동에 미치는 영향을 조사하였다. 유사한 캐비티 부피를 갖도록 설계된 원통형, 입방체형 및 직육면체 모양의 캐비티가 사용되었습니다. 액체 알루미늄을 응고하는 동안 전류를 인가함으로써 세 가지 유형의 공동 모두에서 약 350μm의 입자 크기로 입자가 효과적으로 미세화되었습니다. 액체 알루미늄의 순환 흐름은 세 가지 유형의 공동 모두에서 비슷한 전단 속도 강도를 갖는 것으로 관찰되었으며, 이는 새로 생성된 핵을 생성하는 수상돌기 조각화를 유도할 만큼 충분히 높은 것으로 알려져 있습니다(수백 s-1 이상). 응고되지 않은 알루미늄의 핵 분산은 공동의 형태에 따라 다르게 나타나며, 이는 최종 정제대의 형태에 영향을 미칩니다. 정련영역의 면적분율은 응고완료시간과 통전시간의 상대적인 관계에 영향을 받았다. 이 연구는 전기 보조 응고가 복잡한 형상을 가진 실제 제품에 적용될 때 공정 매개변수 제어에 대한 통찰력을 제공할 것입니다.

높은 강도와 우수한 연성을 얻기 위해서는 액체 금속 가공의 응고 거동에 대한 이해를 바탕으로 미세 구조 제어가 필수적입니다. 액체 금속의 응고 거동은 조성, 응고 시스템의 열 흐름, 액체 금속의 품질과 같은 다양한 요인의 영향을 받습니다. 특히, 응고 중 냉각 속도는 응고 구조를 결정하는 핵심 매개 변수입니다. 예를 들어, 금형 캐비티의 크기나 모양을 변경하면 재료가 완전히 동일한 합금 조성을 가지고 있어도 냉각 속도의 변화로 인해 응고 구조가 달라질 수 있습니다. 다양한 크기의 주조 부품을 사용하여 복잡한 형상을 생산하려면 응고 구조에 영향을 미치는 열장 구배를 고려하는 것도 필수적입니다.

주조 산업에서 응고 구조를 제어하기 위해 화학 첨가제6,7,8 및 급속 냉각 방법9,10과 같은 다양한 기술이 사용되었습니다. 화학 첨가제는 상을 정제하거나 수정하는 일반적인 기술로 간주되어 왔습니다. 미세한 응고구조를 얻기 위해 급속냉각법도 자주 채택된다. 그러나 전자에는 첨가제 퇴색, 기공 및 금속간 화합물과 같은 바람직하지 않은 결함 형성 등 몇 가지 단점이 있습니다. 후자는 금형 재질, 제품 형상, 작업 환경에 따라 냉각 속도를 높이는 데 한계가 있습니다. 이러한 단점을 극복하기 위해 기계적 진동13,14,15, 전자기 교반16,17,18,19 및 초음파 진동20,21,22을 포함한 외부 에너지를 이용한 액체 금속 처리가 도입되었으며, 이는 기계적 획득을 위한 대체 방법이 될 수 있습니다. 최종 제품의 요구 사항을 충족하는 속성. 최근에는 전류를 외부 에너지원으로 이용한 주조법이 제안되었다23,24,25,26. 이 방법에서는 응고 중에 전극을 통해 액체 금속에 전류가 직접 적용됩니다. 액체금속에 전류를 가할 때 결정립의 미세화나 상의 변형이 주된 효과로 알려져 있다. 특히, 결정립 미세화는 이 기술이 처음 보고된 1985년 이후 많은 이전 연구27,28,29에 의해 확인되었습니다. Pb-Sn 합금31,32,33 및 Cu-Bi-Sn 합금34,35을 포함한 다양한 금속에서 응고 중에 전류를 가하여 입자가 효과적으로 미세화되었습니다. 예를 들어, 주조된 Sn-Bi 합금의 결정립 크기는 1700μm로 응고 중에 전류를 가하여 약 400μm로 감소했습니다. 최근 경량화 소재에 대한 수요가 증가함에 따라 알루미늄 합금의 결정립 미세화에 대한 연구가 주목받고 있습니다. 순수 알루미늄(Al)27,28,29,36 및 Al-Si 합금37,38의 α-Al의 입자 크기는 응고 중에 전류를 적용함으로써 크게 감소됩니다. Raiger 등29은 전류를 인가하지 않은 경우에 비해 전류를 인가한 경우 순수 알루미늄의 입자 크기가 약 82% 감소한다고 보고했습니다.

99.7%) were melted in a high-frequency melting furnace using a graphite crucible. When the temperature of the liquid aluminum reached 760 °C, degassing was conducted. After stabilizing for 5 min, liquid aluminum was poured into a sand mold, and electrodes were inserted. The sand mold and electrodes were preheated to 150 °C to prevent the formation of a solid shell from the surface due to rapid solidification. In electrically-assisted solidification (hereafter, EA solidification), when the temperature of liquid aluminum reached 665 °C at the mid-height of the mold, which is near the melting temperature, a direct current of 300 A was applied for 108 s. To reflect the effect of the inserted electrodes in the liquid metal, the electrode was inserted even during solidification without applying electric current, (hereafter, non-EA solidification). All casting experiments were completed in one day to minimize experimental deviations caused by various environmental factors such as mold conditions, environmental temperature, and humidity. For this reason, the number of repetitive experiments was set to two for each experimental condition./p> cube-shaped cavity > cylinder-shaped cavity. However, solidified unit volume per time (${\raise0.7ex\hbox{${V_{{unit}} }$} \!\mathord{\left/ {\vphantom {{V_{{unit}} } t}}\right.\kern-\nulldelimiterspace} \!\lower0.7ex\hbox{$t$}}$) is the highest in cuboid-shaped cavity, while it is the lowest in cylinder-shaped cavity due to the difference in cooling rate. Finally, the number of nuclei per unit volume (${\raise0.7ex\hbox{${N_{{nuclei}} }$} \!\mathord{\left/ {\vphantom {{N_{{nuclei}} } {V_{{unit}} }}}\right.\kern-\nulldelimiterspace} \!\lower0.7ex\hbox{${V_{{unit}} }$}}$) can be derived by considering ${\raise0.7ex\hbox{${N_{{nuclei}} }$} \!\mathord{\left/ {\vphantom {{N_{{nuclei}} } t}}\right.\kern-\nulldelimiterspace} \!\lower0.7ex\hbox{$t$}}$ and ${\raise0.7ex\hbox{${V_{{unit}} }$} \!\mathord{\left/ {\vphantom {{V_{{unit}} } t}}\right.\kern-\nulldelimiterspace} \!\lower0.7ex\hbox{$t$}}$, and this value is expected to be similar for all three types of cavities as shown in Fig. S4. The similar ${\raise0.7ex\hbox{${N_{{nuclei}} }$} \!\mathord{\left/ {\vphantom {{N_{{nuclei}} } {V_{{unit}} }}}\right.\kern-\nulldelimiterspace} \!\lower0.7ex\hbox{${V_{{unit}} }$}}$ is expected to have a major influence on the similar grain size in all three types of cavity shapes in EA solidification./p>