이 기술 요약은 Spyridon Tzamtzis가 2011년 Brunel University에서 발표한 박사 학위 논문 “Solidification Behaviour and Mechanical Properties of Cast Mg-alloys and Al-based Particulate Metal Matrix Composites Under Intensive Shearing”을 기반으로 하며, STI C&D의 기술 전문가에 의해 분석 및 요약되었습니다.

키워드

• Primary Keyword: 고강도 전단 용탕 처리 (High-Intensity Shear Melt Conditioning)
• Secondary Keywords: 마그네슘 합금, 알루미늄 복합재, 고압 다이캐스팅(HPDC), 미세구조 미세화, 기계적 특성, 주조 결함, 용탕 컨디셔닝

Executive Summary

• 도전 과제: 기존의 주조 공정으로 생산된 마그네슘 합금 및 알루미늄 기반 복합재는 불균일한 미세구조와 입자 응집, 주조 결함으로 인해 연성과 같은 기계적 특성이 저하되는 한계가 있습니다.
• 해결 방법: 주조 직전에 용융 금속에 고강도 전단을 가하는 새로운 “용탕 컨디셔닝 고압 다이캐스팅(MC-HPDC)” 공정을 적용했습니다.
• 핵심 돌파구: 고강도 전단은 강화재 및 산화물 입자 클러스터를 효과적으로 파괴하고 균일하게 분산시켜, 결정립 미세화, 기공률 감소, 결함 밴드 제거라는 획기적인 결과를 가져왔습니다.
• 핵심 결론: MC-HPDC 공정은 주조 부품의 강도와 연성을 동시에 향상시키며, 고급 마그네슘 스크랩의 물리적 재활용에도 탁월한 잠재력을 보여줍니다.

도전 과제: 이 연구가 CFD 전문가에게 중요한 이유

자동차, 항공우주, 전자 산업에서 경량 소재의 중요성은 날로 커지고 있습니다. 특히 마그네슘(Mg) 합금과 알루미늄 기반 입자 강화 금속 매트릭스 복합재(PMMC)는 뛰어난 비강도로 주목받고 있습니다. 그러나 기존의 주조 기술, 특히 고압 다이캐스팅(HPDC) 공정은 몇 가지 근본적인 문제점을 안고 있습니다.

1. PMMC의 강화재 응집: PMMC의 기계적 특성을 향상시키기 위해 첨가되는 SiC나 흑연 같은 강화 입자들이 용탕 내에서 균일하게 분포되지 않고 덩어리(응집체)를 형성하는 경향이 있습니다. 이 입자 클러스터는 응력 집중 부위로 작용하여 부품의 연성을 크게 저하시키고, 예측보다 낮은 응력에서 파괴를 유발하는 주원인이 됩니다.
2. Mg 합금의 불균일한 미세구조: Mg 합금은 주조 시 조대하고 불균일한 수지상 조직을 형성하기 쉽습니다. 특히 HPDC 공정에서는 샷 슬리브에서 형성된 외부 응고 결정(ESC)이 주조 중심부에 집중되고, 그 주위로 용질과 기공이 풍부한 ‘결함 밴드(defect band)’가 형성되는 고질적인 문제가 있습니다. 이러한 미세구조적 불균일성과 기공은 부품의 신뢰성과 기계적 성능을 저하시킵니다.

이러한 문제들은 고성능 경량 부품의 양산을 가로막는 기술적 장벽이었습니다. 따라서 주조 공정 자체를 혁신하여 용탕 단계에서부터 미세구조를 제어하고 결함을 억제할 수 있는 새로운 기술이 절실히 요구되었습니다.

접근 방식: 연구 방법론 분석

본 연구는 기존 주조 공정의 한계를 극복하기 위해 ‘용탕 컨디셔닝 고압 다이캐스팅(MC-HPDC)’이라는 혁신적인 접근법을 채택했습니다. 이 방법론의 핵심은 특수 설계된 MCAST(Melt Conditioning by Advanced Shear Technology) 장치를 기존 HPDC 기계에 결합한 것입니다.

• 핵심 장비 (MCAST): MCAST 장치는 서로 맞물려 같은 방향으로 회전하는 한 쌍의 트윈 스크류(twin-screw)로 구성됩니다. 용융 금속은 이 트윈 스크류 장치를 통과하면서 매우 높은 전단율(high shear rate)과 강한 난류(high intensity of turbulence)를 겪게 됩니다. 이 과정이 바로 ‘고강도 전단 용탕 처리’입니다.
• 연구 설계: 연구는 두 가지 주요 흐름으로 진행되었습니다.
  1. 기존 공정과의 비교: LM24, LM25 알루미늄 합금에 SiC 및 흑연 입자를 강화한 PMMC와 AZ91D, AM60B, AJ62 마그네슘 합금을 기존의 HPDC 공정과 MC-HPDC 공정으로 각각 주조하여 그 미세구조와 기계적 특성을 비교 분석했습니다.
  2. 공정 변수 최적화: 특히 AM 계열 Mg 합금 스크랩의 재활용 가능성을 탐구하기 위해, MC-HPDC 공정의 주요 변수(전단 온도, 전단 시간, 다이 온도, 증압 시점 등)가 최종 주조물의 품질에 미치는 영향을 체계적으로 분석하여 최적의 공정 조건을 도출했습니다.
• 데이터 분석: 주조된 시편의 미세구조는 광학 현미경(OM)과 주사 전자 현미경(SEM)을 통해 정성적, 정량적으로 분석되었습니다. 강화 입자의 분포는 Quadrat 분석과 같은 통계적 방법을 사용하여 균일성을 평가했으며, 기계적 특성은 인장 시험 및 경도 측정을 통해 평가되었습니다.

이러한 체계적인 접근을 통해 고강도 전단 처리가 용탕의 응고 거동과 최종 부품의 품질에 미치는 영향을 명확히 규명할 수 있었습니다.

돌파구: 주요 발견 및 데이터

고강도 전단 용탕 처리는 PMMC와 Mg 합금 모두에서 기존의 통념을 뛰어넘는 획기적인 미세구조 개선 효과를 보여주었습니다.

발견 1: PMMC 강화 입자의 완벽한 균일 분산 달성

기존 HPDC 공정으로 제작된 PMMC는 강화 입자들이 불균일하게 응집된 미세구조를 보였습니다. 그러나 MC-HPDC 공정을 적용하자 이러한 입자 클러스터가 거의 완벽하게 해체되고 개별 입자들이 매트릭스 전체에 균일하게 분산되었습니다.

• Quadrat 통계 분석 결과(Figure 4.18), 기존 HPDC 시편의 입자 분포는 클러스터링을 의미하는 ‘음이항 분포(negative binomial distribution)’를 따랐지만, MC-HPDC 시편은 균일한 무작위 분포를 의미하는 ‘푸아송(Poisson)’ 또는 ‘이항 분포(binomial)’에 가깝게 변화했습니다.
• 이러한 미세구조 개선은 기계적 특성 향상으로 직결되었습니다. LM24-10 vol.% SiC 복합재의 경우(Figure 4.24), MC-HPDC 공정을 통해 인장강도(UTS)와 연신율이 동시에 약 25% 증가하는 놀라운 결과를 보였습니다. 이는 강도와 연성이 상충 관계에 있다는 일반적인 재료 공학의 상식을 뛰어넘는 결과입니다.

발견 2: 마그네슘 합금의 획기적인 결정립 미세화 및 균일화

고강도 전단 처리는 Mg 합금의 응고 거동을 근본적으로 변화시켰습니다.

• AZ91D 합금을 650°C에서 주조했을 때(Figure 5.1), 기존 공정에서는 평균 690µm의 조대한 결정립이 형성된 반면, MC-HPDC 공정에서는 평균 175µm의 미세하고 균일한 결정립이 형성되었습니다. 이는 용탕 내에 존재하는 미세한 산화물(주로 MgO) 입자들이 고강도 전단에 의해 효과적으로 분산되어 이종 핵생성 사이트(potent nucleation sites)로 활성화되었기 때문입니다.
• 또한, 기존 HPDC에서 관찰되던 조대한 수지상 조직이 완벽하게 사라지고, 미세한 구형의 초정 Mg 입자가 균일하게 분포하는 미세구조(Figure 5.7)를 얻었습니다.

발견 3: 고질적인 주조 결함(결함 밴드, 기공)의 효과적 억제

MC-HPDC 공정은 HPDC의 대표적인 결함인 결함 밴드와 기공을 크게 감소시켰습니다.

• AZ91D 주조품의 단면 분석 결과(Figure 5.8), 기존 HPDC에서 뚜렷하게 나타났던 결함 밴드가 MC-HPDC 시편에서는 거의 관찰되지 않았습니다. 이는 미세하고 균일한 초정 입자들이 응고 과정에서 용탕의 유동성을 개선하여 결함 밴드 형성 메커니즘을 억제한 결과입니다.
• 기공률 또한 획기적으로 감소했습니다. 이미지 분석 결과(Figure 5.11), 기존 HPDC 시편의 기공률이 1.25-1.44%였던 것에 비해, MC-HPDC 시편의 기공률은 0.35-0.41%로 약 70% 이상 감소했습니다.

R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점

본 연구 결과는 경량 합금 부품을 다루는 다양한 분야의 엔지니어들에게 중요한 실용적 가이드를 제공합니다.

• 공정 엔지니어: 이 연구는 고강도 전단 용탕 처리가 고품질 주조품 생산을 위한 강력한 도구임을 시사합니다. 특히 Mg 합금 스크랩 재활용 시 문제가 되는 핫 크랙(hot cracking)과 같은 결함은 액상선 온도 바로 위(예: TL + 5°C)에서 용탕을 처리하고, 증압 시점을 앞당겨(intensifier position 감소) 캐비티 충전 시간을 단축함으로써 효과적으로 제어할 수 있습니다.
• 품질 관리팀: 논문의 Figure 5.32는 최적화된 MC-HPDC 공정으로 생산된 부품의 기계적 특성(UTS, 연신율)이 매우 일관성 있게 나타남을 보여줍니다. 이는 미세구조의 균일성이 곧 제품 성능의 신뢰성으로 이어진다는 것을 의미하며, 새로운 품질 검사 기준으로 미세구조 균일성 평가를 도입할 수 있음을 시사합니다.
• 설계 엔지니어: 고강도 전단 처리를 통해 확보된 향상된 용탕 유동성과 결함 억제 능력은 더 복잡하고 얇은 벽(thin-walled)을 가진 부품 설계의 자유도를 높여줍니다. 기존 공법으로는 성형이 어려웠던 디자인도 구조적 무결성을 유지하며 구현할 수 있는 가능성을 열어줍니다.

논문 정보

Solidification Behaviour and Mechanical Properties of Cast Mg-alloys and Al-based Particulate Metal Matrix Composites Under Intensive Shearing

1. 개요:

• 제목: Solidification Behaviour and Mechanical Properties of Cast Mg-alloys and Al-based Particulate Metal Matrix Composites Under Intensive Shearing
• 저자: Spyridon Tzamtzis
• 발행 연도: 2011
• 발행 학술지/학회: Brunel University (PhD thesis)
• 키워드: Magnesium alloys, Metal Matrix Composites, Intensive Shearing, Solidification, High Pressure Die Casting, Mechanical Properties, Microstructure

2. 초록:

마그네슘 합금은 가장 가벼운 구조용 금속 재료이며, 알루미늄 기반 입자 강화 금속 매트릭스 복합재(PMMC)는 금속과 세라믹의 특성을 통합하여 자동차, 항공우주, 전자 및 레크리에이션 산업에서 관심이 증가하고 있습니다. PMMC의 현재 공정 기술은 미세 강화재의 균일한 분포를 달성하지 못하고 연성 매트릭스에 응집된 입자를 생성하여 연성에 해롭습니다. 동시에, 용융 마그네슘 합금은 불순물과 산화물을 포함하며, 기존 방식으로 주조될 때 최종 부품은 일반적으로 다양한 주조 결함과 함께 조대하고 불균일한 미세구조를 나타냅니다. 본 논문의 핵심 아이디어는 용융물에 존재하는 고체 입자를 분산시키고 독특한 응고 거동, 향상된 유동성 및 주조 중 다이 충전성을 제공할 수 있는 충분한 전단 응력을 적용하는 새로운 고강도 용탕 컨디셔닝 공정을 채택하는 것이었습니다.

용탕 컨디셔닝 고압 다이캐스팅(MC-HPDC) 공정은 합금 용탕에 직접 고강도 전단을 가한 후 기존 HPDC 공정으로 주조하는 방식으로, PMMC 및 마그네슘 합금 주조품 생산에 사용되었습니다. PMMC에 대한 MC-HPDC 공정은 매트릭스 내 강화재의 균일한 분산을 유도하며, 이는 정량적 통계 분석으로 확인되었고, 복합재의 경도 및 인장 특성 증가로 나타나는 기계적 성능 향상으로 이어졌습니다. 우리는 알루미늄을 포함하는 마그네슘 합금에 대한 응고 경로를 설명하며, 주조 전 고강도 전단이 고체 산화물 입자의 효과적인 분산을 유도하여 마그네슘 결정립의 핵생성 사이트로 효과적으로 작용함으로써 상당한 결정립 미세화를 초래합니다. MC-HPDC로 처리된 마그네슘 주조품은 기공 수준 및 주조 결함이 감소된 매우 미세한 미세구조를 가집니다. 주조품의 기계적 특성 평가는 고강도 전단의 유익한 효과를 보여줍니다. 신중한 최적화 후, MC-HPDC 공정은 고순도 마그네슘 다이캐스팅 스크랩의 직접 재활용에 유망한 잠재력을 보여주며, 1차 마그네슘 합금과 비슷한 기계적 특성을 가진 주조품을 생산합니다.

3. 서론:

전 세계 운송 및 레크리에이션 산업은 최종 제품의 성능, 효율성 및 비용 절감을 지속적으로 추구하고 있습니다. 동시에, 전반적인 연료 효율성 및 CO2 배출 감소를 위한 까다로운 안전 규정 및 환경 법규가 존재하며, 이는 경량 재료에 대한 관심을 증대시켰습니다. 모든 구조용 금속 재료 중 가장 가벼운 마그네슘 합금과 금속 및 세라믹 특성의 통합된 조합을 제공하는 알루미늄 기반 입자 강화 금속 매트릭스 복합재(PMMC)는 광범위한 응용 분야에 이상적인 후보로 부상했습니다.

4. 연구 요약:

연구 주제의 배경:

경량화 요구에 따라 마그네슘 합금과 알루미늄 복합재(PMMC)의 수요가 증가하고 있으나, 기존 주조 공정은 재료의 잠재력을 최대한 발휘하지 못하게 하는 미세구조적 한계를 가지고 있습니다. PMMC에서는 강화 입자의 응집이, Mg 합금에서는 조대하고 불균일한 조직 및 결함 발생이 주된 문제입니다.

이전 연구 현황:

PMMC의 입자 분산을 위해 다양한 교반 방법이 시도되었으나, 미세 입자의 클러스터를 효과적으로 파괴하기에는 전단력이 부족했습니다. Mg 합금의 결정립 미세화를 위해 탄소나 지르코늄을 첨가하는 화학적 방법이나, 과열처리, 초음파 진동과 같은 물리적 방법이 연구되었으나, 산업적 적용에는 한계가 있었습니다.

연구 목적:

본 연구의 목적은 ‘고강도 전단 용탕 처리’라는 새로운 물리적 접근법을 통해 PMMC와 Mg 합금의 근본적인 주조 문제를 해결하는 것입니다. 구체적으로, 고강도 전단이 용탕 내 고체 입자(강화재, 산화물) 분산, 응고 거동, 최종 미세구조 및 기계적 특성에 미치는 영향을 규명하고, 이를 통해 고품질 부품 생산 및 스크랩 재활용을 위한 새로운 공정 기술의 가능성을 제시하고자 합니다.

핵심 연구:

1. PMMC: 기존 교반 공정과 MC-HPDC 공정으로 Al-SiC, Al-Graphite 복합재를 제조하고, 강화 입자 분포의 균일성과 기계적 특성(경도, 인장강도, 연신율) 변화를 정량적으로 비교 분석.
2. Mg 합금: AZ91D, AM60B, AJ62 합금에 고강도 전단을 적용하여 결정립 미세화 효과를 평가. 특히 AZ91D 합금을 대상으로 MC-HPDC 공정을 적용하여 결함 밴드, 기공률 등 주조 결함 감소 효과와 그에 따른 기계적 특성 향상을 분석.
3. Mg 합금 스크랩 재활용: AM 계열 스크랩을 MC-HPDC 공정으로 재활용할 때 발생하는 문제점(숄더 크랙)을 규명하고, 공정 변수 최적화를 통해 이를 해결하여 신재(virgin alloy)와 동등한 수준의 기계적 특성을 확보하는 가능성을 탐구.

5. 연구 방법론

연구 설계:

비교 실험 설계를 기반으로, 기존 공정(교반 캐스팅, HPDC)과 제안된 신규 공정(MCAST, MC-HPDC)의 결과를 직접 비교했습니다. 재료 시스템은 PMMC(LM24/LM25 + SiC/Graphite)와 Mg 합금(AZ91D, AM60B, AJ62, AM 스크랩)으로 다양화하여 공정의 범용성을 평가했습니다.

데이터 수집 및 분석 방법:

• 미세구조 분석: 광학 현미경(OM)과 편광을 이용해 결정립 크기를 측정하고, 주사 전자 현미경(SEM) 및 에너지 분산형 X선 분광법(EDX)으로 개재물과 입자의 형태 및 성분을 분석했습니다.
• 입자 분포 정량화: Lacey Index와 Quadrat 방법을 사용하여 강화 입자 분포의 균일성을 통계적으로 평가하고, 특히 분포의 비대칭성을 나타내는 왜도(skewness) 값을 핵심 지표로 사용했습니다.
• 기계적 특성 평가: 만능 인장 시험기를 사용하여 인장강도(UTS), 항복강도, 연신율을 측정하고, 비커스 경도 시험을 수행했습니다.
• 결함 분석: Prefil® 가압 여과 기술을 사용하여 용탕 내 미세한 산화물 및 개재물을 포집하고 분석했습니다.

연구 주제 및 범위:

본 연구는 고강도 전단이 (1) Al 기반 PMMC의 강화 입자 분산 및 기계적 특성, (2) Mg 합금의 결정립 미세화, (3) HPDC 공정에서의 주조 결함 형성, (4) Mg 합금 스크랩의 물리적 재활용 가능성에 미치는 영향을 중심으로 다룹니다.

6. 주요 결과:

주요 결과:

• MC-HPDC 공정은 PMMC의 강화 입자(SiC, 흑연)를 매우 균일하게 분산시켜, 인장강도와 연신율을 동시에 15~25% 향상시켰습니다.
• 고강도 전단 처리는 AZ91D, AM60B, AJ62 등 다양한 Mg 합금에서 일관되게 상당한 결정립 미세화 효과를 보였습니다.
• MC-HPDC 공정은 AZ91D 합금의 HPDC 주조 시 발생하는 고질적인 결함 밴드를 억제하고, 기공률을 70% 이상 감소시켰습니다.
• 고강도 전단은 Mg 합금 스크랩에 포함된 산화물 필름(MgO)을 수백 나노미터 크기의 미세 입자로 파쇄 및 분산시켜, 이들이 효과적인 이종 핵생성 사이트로 작용하게 함을 확인했습니다.
• MC-HPDC 공정 변수(증압 시점, 다이 온도, 용탕 온도)를 최적화함으로써, Mg 합금 스크랩 재활용 시 발생하던 숄더 크랙 결함을 완전히 제거하고 신재와 동등한 수준의 안정적인 기계적 특성을 확보했습니다.

Figure List:

• Figure 2.1 Classification of composites depending on size and shape of reinforcement [Rohatgi 2001].
• Figure 2.2 Schematic diagram of a liquid drop on a solid surface showing interfacial forces and wetting angle [Oh et al. 1989].
• Figure 2.3 Schematic illustration of MMC mixing set-up during the stir casting process [Aniban et al. 2002].
• Figure 2.4 Different designs of mechanical stirrers [Harnby et al. 1997].
• Figure 2.5 Twin screw design; (a) co-rotating, (b) fully intermeshing and (c) self wiping screws [Fan et al. 1999].
• Figure 2.6 Schematic illustrations of flow pattern in a closely intermeshing, self-wiping and co-rotating twin screw mechanism; (a) ‘figure 8’ flow pattern in screw channels and (b) Movement of the melt from one screw to the other [Fan et al. 2001].
• Figure 2.7 Back-scattered Field Emission Gun (FEG) SEM image showing small (X) and large (Y) clusters of TiB2 particles in a commercial purity Al-matrix [Watson et al. 2005].
• Figure 2.8 A schematic illustration of the forces acting on a particle in the vicinity of the solid–liquid interface [Youssef et al. 2005].
• Figure 2.9 Magnesium unit cell crystal. (a) Principal [1 2 1 0] planes , basal plane, face plane (b) Principal [1 1 0 0] planes. (c) Principal directions [Polmear 1995].
• Figure 3.1 SiC particle size distribution used in this study.
• Figure 3.2 Schematic diagram of the distributive mixing equipment.
• Figure 3.3 Schematic illustration of the geometry of (a) the clay graphite crucible and (b) the stainless steel impeller used for distributive mixing.
• Figure 3.4 Schematic illustration of the twin-screw mechanism used in the MCAST process.
• Figure 3.5 Schematic diagram of TP-1 grain refining test mould ladle [The Aluminium Association 1990].
• Figure 3.6 Schematic illustration of the Prefil® equipment used for the pressurised filtration of the Mg-alloys in this study.
• Figure 3.7 A schematic illustration of the cold chamber high pressure die-casting (HPDC) set-up.
• Figure 3.8 Schematic illustration of the die-cast component produced by the HPDC machine, showing the two tensile test specimen (labelled A and C) and the two fatigue test specimen (labelled B and D).
• Figure 3.9 Schematic illustration of the MC-HPDC process.
• Figure 3.10 Identification of the locations where the cast tensile specimen where cut for the preparation of metallographic specimen for microstructural characterisation.
• Figure 3.11 Schematic representation of the quadrat method, using four quadrats.
• Figure 3.12 Application of the Quadrat method performed on the microstructure of a LM25 – 5 vol. % SiCp composite.
• Figure 3.13 Schematic representation of the mean line intercept method performed on the microstructure of an AJ62 casting.
• Figure 4.1 Typical microstructures of distributive mixed LM25 – 5 vol. % SiCp composites cast at 630 ºC.
• Figure 4.2 Higher magnification of a typical microstructure of LM25 – 5 vol. % SiC PMMC produced with the HPDC process at 630 ºC, revealing the presence of SiC particle clusters.
• Figure 4.3 Representative optical micrographs of PMMC castings produced with the HPDC process at 610 ºC.
• Figure 4.4 Typical optical microstructure of LM24 – 5 vol. % graphite composite produced with the conventional HPDC process at 610 ºC.
• Figure 4.5 Fluid flow characteristics during distributive mixing.
• Figure 4.6 Typical microstructures of dispersive mixed LM25 – 5 vol. % SiCp composites with the implementation of intensive shearing at 630 ºC.
• Figure 4.7 Higher magnification of a typical microstructure of LM25 – 5 vol. % SiCp produced with (a) the MC-HPDC process and (b) the HPDC process.
• Figure 4.8 Microstructure of a MC-HPDC at 630 ºC LM25 – 5 vol. % SiCp composite.
• Figure 4.9 SEM microstructure of LM25 – 5 vol. % SiC PMMC produced with the MC-HPDC at 630 ºC.
• Figure 4.10 Representative optical micrographs of PMMC castings produced with the MC-HPDC process at 610 ºC.
• Figure 4.11 Typical optical microstructure of LM24 – 5 vol. % graphite composite samples produced by MC-HPDC at 610 ºC.
• Figure 4.12 SEM micrograph of LM24 – 5 vol. % graphite composite produced by MC-HPDC at 610 ºC.
• Figure 4.13 A schematic illustration of the high shear zones at the intermeshing regions of the screws and the fluid flow during intensive mixing.
• Figure 4.14 Fluid flow patterns inside the twin screw machine.
• Figure 4.15 The Lacey Index M of LM25 – 5 vol. % SiC PMMCs processed with or without the implementation of intensive shearing.
• Figure 4.16 Experimental results from the Quadrat analysis for HPDC and MC-HPDC processed LM25 – 5 vol. % SiC PMMCs.
• Figure 4.17 The effect of shearing time on the skewness β of the particle distribution in HPDC and MC-HPDC processed LM25 – 5 vol. % SiC PMMCs.
• Figure 4.18 Experimental results from the Quadrat analysis for HPDC and MC-HPDC processed LM24 – 10 vol. % SiCp PMMCS.
• Figure 4.19 The effect of intensive shearing speed on the skewness of the reinforcement distribution of LM24 – SiCp composites.
• Figure 4.20 The effect of shearing time at various processing temperatures of LM24 – 5 vol. % SiCp composites.
• Figure 4.21 Experimental results from the Quadrat analysis for HPDC and MC-HPDC processes for LM24 – 5 vol. % C composites.
• Figure 4.22 Comparison of the tensile properties of LM25 – 5 vol. % SiC PMMCs produced with the HPDC and MC-HPDC processes.
• Figure 4.23 Hashin-Shtrikman bounds and measured average values of the Young’s modulus for LM25 – 5 vol. % SiC PMMCs.
• Figure 4.24 Comparison of the tensile properties of LM24 – 10 vol. % SiCp composites.
• Figure 4.25 Hashin-Shtrikman bounds and measured values of the Young’s modulus for LM24 – SiC PMMCs.
• Figure 4.26 Fractograph of LM24- 5 % volume fraction SiC PMMC produced with the MC-HPDC process.
• Figure 4.27 Comparison of mechanical properties of LM24 – 5 vol. % graphite composites.
• Figure 5.1 Microstructure of AZ91D alloy cast in a TP1 mould at 650 °C.
• Figure 5.2 The effect of intensive shearing on the average grain size of AZ91D magnesium alloy.
• Figure 5.3 Microstructure of AM60B magnesium alloy cast in a TP1 mould at 650 °C.
• Figure 5.4 The effect of intensive shearing on the average grain size of AM60B magnesium alloy.
• Figure 5.5 Microstructure of AJ62 magnesium alloy cast in a TP1 mould at 650 °C.
• Figure 5.6 The effect of intensive shearing on the average grain size of AJ62 magnesium alloy.
• Figure 5.7 Polarised optical micrographs showing the detailed solidification microstructure of AZ91D alloy.
• Figure 5.8 Cross-sectional micrographs of an AZ91D alloy cast component.
• Figure 5.9 Variation of the primary Mg grains volume fraction as a function of the distance from the centre of the sample for AZ91D Mg-alloy.
• Figure 5.10 Porosity in AZ91D alloy castings produced at different temperatures by HPDC and MC-HPDC processes.
• Figure 5.11 The levels of porosity in AZ91D alloy produced by HPDC and MC-HPDC processes.
• Figure 5.12 Relative area fraction of primary Mg grains depending on their grain size, for both HPDC and MC-HPDC processes.
• Figure 5.13 Comparison of the mechanical properties of AZ91D alloy produced by HPDC and MC-HPDC processes.
• Figure 5.14 Al8Mn5 intermetallic particles in the non-sheared AM series alloy scrap.
• Figure 5.15 High magnification backscattered electron SEM micrograph showing the two different types of oxide inclusions in the non-sheared AM series alloy scrap.
• Figure 5.16 High magnification backscattered electron SEM micrograph showing the MgAl2O4 (spinel) particles.
• Figure 5.17 High magnification backscattered electron SEM micrograph showing the large MgO particle clusters and the ingot skins.
• Figure 5.18 Al8Mn5 intermetallic particles in the sheared AM series alloy scrap.
• Figure 5.19 The Al8Mn5 intermetallic particle size distributions of the non-sheared and sheared AM series alloy scrap.
• Figure 5.20 High magnification backscattered electron SEM micrograph showing the two different types of oxide inclusions in the sheared AM series alloy scrap.
• Figure 5.21 High magnification backscattered electron SEM micrograph showing the MgAl2O4 (spinel) particles.
• Figure 5.22 Backscattered electron SEM micrograph, showing the MgO particles, present in the sheared AM series alloy scrap.
• Figure 5.23 High magnification backscattered electron SEM micrograph of the MgO particles in the sheared AM series alloy scrap.
• Figure 5.24 The variation of mechanical properties of MC-HPDC recycled AM series scrap.
• Figure 5.25 Visual examination revealed the presence of dark line on the sample surface.
• Figure 5.26 (a) Shoulder crack; (b) The detailed structure of a shoulder crack.
• Figure 5.27 Relationships between Mg die-casting defects and casting parameters.
• Figure 5.28 The casting defective rate determined by visual examination, as a function of the intensifier position.
• Figure 5.29 The casting defective rate determined by visual and microstructural examination, as a function of the die temperature.
• Figure 5.30 The casting defective rate determined by visual and microstructural examination, as a function of the processing temperature.
• Figure 5.31 Polarised optical micrographs showing the detailed solidification microstructures of AM-series recycled alloy scrap.
• Figure 5.32 Consistency of the mechanical properties after the process optimization.

7. 결론:

본 연구는 고강도 전단 용탕 처리 기술이 Al 기반 PMMC와 Mg 합금의 주조 품질을 획기적으로 개선할 수 있는 강력한 대안임을 입증했다. 주요 결론은 다음과 같다.

• PMMC: 기존 교반 공정은 강화 입자의 심각한 응집을 유발하지만, MC-HPDC 공정의 고강도 전단은 입자 클러스터를 효과적으로 파괴하여 균일한 분산을 달성한다. 이는 기계적 특성의 현저한 향상으로 이어진다.
• Mg 합금: 고강도 전단은 용탕 내 고유의 산화물 입자를 미세하게 분산시켜 이종 핵생성 사이트로 활성화함으로써, 별도의 첨가제 없이도 상당한 결정립 미세화 효과를 달성한다.
• 주조 품질: MC-HPDC 공정은 미세하고 균일한 미세구조를 형성하여 HPDC 공정의 고질적인 문제인 결함 밴드 형성을 억제하고 기공률을 크게 감소시킨다. 이는 강도와 연성을 동시에 향상시키는 결과로 나타난다.
• 재활용: MC-HPDC 공정은 공정 변수 최적화를 통해 고품질 Mg 합금 스크랩의 물리적 재활용에 탁월한 잠재력을 보여주며, 신재와 동등한 수준의 기계적 특성을 가진 부품을 안정적으로 생산할 수 있다.

8. 참고문헌:

• [Abramov 1994] Abramov OV (1994). Ultrasound in Liquid and Solid Metals, Boca Raton, FL: CRC Press.
• [Akhalaghi et al. 2004] Akhalaghi F, Lajevardi A, Maghanaki HM (2004), ‗Effects of casting temperature on the microstructure and wear resistance of compocast A356/SiCp composites: a comparison between SS and SL routes‘. Journal of Materials Processing Technology, 155–156 pp. 1874–1880.
• [Aniban et al. 2002] Aniban N, Pillai RM, Pai BC (2002), ‗An analysis of impeller parameters for aluminium metal matrix composites synthesis‘. Materials Design, 23 pp. 553-556.
• [Antrekowitsch et al. 2002] Antrekowitsch H, Hanko G, Ebner P (2002), ‗Recycling of different types of magnesium scrap‘. In: Kaplan, H.I. (Ed.), Magnesium Technology 2002, pp. 43–49.
• [Asthana 1998(a)] Asthana R (1998), ‗Processing effects on the engineering properties of cast metal matrix composites‘. Advanced Performance Materials, 5 pp. 213-255.
• [Asthana 1998(b)] Asthana R (1998): ‗Reinforced cast metals -Part II Evolution of the interface‘. Journal of Materials Science, 33 pp. 1959-1980.
• [Aune and Westengen 1992] Aune T, Westengen H (1992), ‗Mechanical properties of pressure die cast Mg-alloys‘. In: Mordike BL, Hechmann F (Eds.) Magnesium alloys and their applications, pp. 221-228
• [Avedasian and Baker 1999] Avedasian MM, Baker H (1999). ASM Specialty Handbook ® – Magnesium and Magnesium Alloys, Materials Park, OH: ASM International.
• [Balasundaram and Gokhale 2001] Balasundaram A, Gokhale AM (2001), ‗Quantative characterization of spatial arrangement of shrinkage and gas (air) pores in cast magnesium alloys‘. Materials Characterization, 46 pp. 419–426.
• [Bamberger 2001] Bamberger M (2001), ‗Structural refinement of cast magnesium alloys‘. Materials Science and Technology, 17 pp. 15-24.
• [Bamberger and Dehm 2008] Bamberger M, Dehm G (2008), ‗Trends in the development of new Mg alloys‘. Annual Review of Materials Research, 38 pp. 505-533.
• [Baril et al. 2003] Baril E, Labelle P, Pekguleryuz MO (2003), ‗Elevated temperatureMg-Al-Sr: creep resistance mechanical properties and microstructure‘. JOM, 55 pp. 34-39.
• [Bartos et al. 2007] Bartos S, Laush C, Scharfenberg J, Kantamaneni R (2007), ‗Reducing greenhouse gas emissions from magnesium diecasting‘. Journal of Cleaner Production, 15 pp. 979-987.
• [Beck et al. 1991] Beck W, Forschner P, Junghanns R, Klatt D, Philipp G, Sauter F, et al. (1991), Handbook of Mixing Technology. Schopfheim: EKATO Ruhr- und Mischtechnik GmbH.
• [Bezdek and Wendling 2005] Bezdek RH, Wendling RM (2005). ‗Fuel efficiency and the economy‘. American Scientist, 93 pp. 132-139.
• [Bhaduri et al. 1996] Bhaduri A, Gopinathan V, Ramakrishnan P, Miodownik AP (1996), ‗Processing and properties of SiC particulate reinforced A1-6.2Zn-2.5Mg-I.7Cu alloy (7010) matrix composites prepared by mechanical alloying‘. Materials Science and Engineering A, 221 pp. 94-101.
• [Bindumadhavan et al. 2001] Bindumadhavan PN, Chia TK, Chandrasekaran M, Wah HK, Lam LN, Prabhakar O (2001), ‗Effect of particle-porosity clusters on tribological behaviour of cast aluminium alloy A356–SiCp metal matrix composites‘. Materials Science and Engineering A, 315 pp. 217–226.
• [Boselli et al. 1998] Boselli J, Pitcher PD, Gregson PJ, Sinclair I (1998), ‗Quantitative assessment of particle distribution effects on short crack growth in SiCp reinforced Al-alloys‘. Scripta Materialia, 38(5) pp. 839-844.
• [Brandes 1983] Brandes EA (1983). Smithells Metals Reference Book, 6 th edition, London, UK: Butterworths.
• [Brungs 1997] Brungs D (1997), ‗Light weight design with light metal castings‘. Materials & Design, 18(6) pp. 285-291.
• [Cahn et al. 2005] Cahn RW, Haasen P, Kramer EJ (Eds.) (2005). Materials Science and Technology: A Comprehensive Treatment, Weinheim: Wiley-VCH.
• [Cao and Kou 2006] Cao G, Kou S (2006), ‗Hot cracking of binary Mg-Al alloy castings‘. Materials Science and Engineering A, 417 pp. 230-238.
• [Cao et al. 2004] Cao P, Qian M, StJohn DH (2004), ‗Effect of iron on grain refinement of high-purity Mg-Al alloys‘. Scripta Materialia, 51(2) pp. 125-129.
• [Cao et al. 2006] Cao P, Qian M, StJohn DH (2006), ‗Effect of manganese on grain refinement of Mg-Al based alloys‘. Scripta Materialia, 54 pp. 1853-1858.
• [Cao et al. 2007] Cao P, Qian M, StJohn DH (2007), ‗ Mechanism for grain refinement of magnesium alloys by superheating‘. Scripta Materialia, 56 pp. 633-636.
• [Chawla 1998] Chawla KK (1998). Composite Materials, 2 nd edition. New York: Springer.
• [Chawla and Chawla 2006] Chawla N, Chawla KK (2006), ‗Metal matrix composites in ground transportation‘. JOM, 58(11) pp. 67-70.
• [Chernyshova and Kobeleva 1985] Chernyshova TA, Kobeleva LI (1985), ‗Products of interaction in the Al-Si alloy-carbon fiber system‘. Journal of Materials Science, 20, 10 pp. 3524-3528.
• [Clyne 1997] Clyne TW (1997), ‗The effect of interfacial characteristics on the mechanical performance of particulate, fibrous and layered metal matrix composites – a review of some recent work‘. Key Engineering Materials, 127-131 pp. 81-98.
• [Clyne and Mason 1987] Clyne TW, Mason JF (1987), ‗The squeeze infiltration process for fabrication of metal-matrix composites‘. Metallurgical Transactions A, 18 pp. 1519-1530.
• [Clyne and Withers 1993] Clyne TW, Withers PJ (1993). An introduction to metal matrix composites, 1 st edition. Cambridge: Cambridge University Press.
• [Clyne et al. 1985] Clyne TW, Bader MG, Cappleman GR, Hubert PA (1985), ‗The use of a δ-alumina fibre for metal-matrix composites‘. Journal of Materials Science, 20 pp. 85-96.
• [Cole 2007] Cole GS (2007), ‗Summary of Magnesium vision 2020: a North Americal automotive strategic vision for magnesium‘. In: Beals, S., Luo, A.A., Neelameggham, N.R., Pekguleryuz, M.O. (Eds.), Magnesium Technology 2007, pp. 35-40.
• [Curtis and McIntosh 1950] Curtis JT, McIntosh RP (1950), ‗The interrelations of certain analytic and synthetic phytosociological characters‘. Ecology, 31 pp. 434-455.
• [Dahle and StJohn 1999] Dahle AK, StJohn DH (1999), ‗Rheological behaviour of the mushy zone and its effect on the formation of casting defects during solidification‘. Acta Materialia, 47 pp. 31-41.
• [Dahle et al. 2001(a)] Dahle AK, Lee YC, Nave MD, Schaffer PL, StJohn DH (2001), ‗Development of the as-cast microstructure in magnesium–aluminium alloys‘. Journal of Light Metals, 1 pp. 61-72.
• [Dahle et al. 2001(b)] Dahle AK, Sannes S, StJohn DH, Westengen H (2001), ‗Formation of defect bands in high pressure die cast magnesium alloys‘. Journal of Light Metals, 1 pp. 99–103.
• [Das et al. 1989] Das S, Prasad V, Ramachandran TR (1989), ‗Microstructure and wear of cast (Al-Si alloy)-graphite composites‘. Wear, 133 pp. 173-187.
• [Dasgupta and Meenai 2005] Dasgupta R, Meenai H (2005), ‗SiC particulate dispersed composites of an Al–Zn–Mg–Cu alloy: Property comparison with parent alloy‘. Materials Characterization, 54 pp. 438– 445.
• [Delannay et al. 1987] Delannay F, Froyen L, Deruyttere A (1987), ‗The wetting of solids by molten metals and its relation to the preparation of metal-matrix composites‘. Journal of Materials Science, 22 pp. 1-16.
• [Deng and Chawla 2006] Deng X, Chawla N (2006), ‗Modeling the effect of particle clustering on the mechanical behaviour of SiC particle reinforced Al matrix composites‘. Journal of Materials Science, 41 pp. 5731-5734.
• [Dieringa et al. 2007] Dieringa H, Bohlen J, Hort N, Letzig D, Kainer KU (2007). ‗Advances in manufacturing processes for magnesium alloys‘. In: Beals S, Luo AA, Neelameggham NR, Pekguleryuz MO (Eds.), Magnesium Technology 2007, pp. 3-8.
• [Du et al 2008] Du J, Yang J, Kuwabara M, Li W, Peng J (2008), ‗Improvement in grain refining efficiency for M-Al alloy modified by the combination of carbon and calcium‘. Journal of Alloys and Compounds, 470(1-2) pp. 134-140.
• [Dupré 1869] Dupre A (1869). Theorie Mecanique de la Chaleur. Paris: Gauthier-Villars.
• [Easton et al. 2006] Easton MA, Schiffl A, Yao JY, Kaufmann H (2006), ‗Grain refinement of Mg-Al(-Mn) alloys by SiC additions‘. Scripta Materialia, 55 pp. 379-382.
• [El-Kaddah and Chang 1991] El-Kaddah NK, Chang E (1991), ‗On the dispersion of SiC-Al slurries in rotating flows‘. Materials Science and Engineering A, 144 pp. 221-227.
• [Eliezer et al. 1998] Eliezer D, Aghion E, (Sam) Froes FH (1998), ‗Magnesium science, technology and applications‘. Advanced Performance Materials, 5 pp. 201-212.
• [Emley 1966] Emley EF (1966). Principles of Magnesium Technology, Oxford, UK: Pergamon Press.
• [Eskin et al. 2004] Eskin DG, Suyitno, Katgerman L (2004), ‗Mechanical properties in the semisolid state and hot tearing of aluminium alloys‘. Progress in Materials Science, 49 pp. 629-711.
• [Eustathopoulos et al. 1974] Eustathopoulos N, Joud JC, Desre P, Hicter JM (1974), ‗The wetting of carbon by aluminum and aluminum alloys‘. Journal of Materials Science, 9 pp. 1233-1242.
• [Falk and Langer 1998] Falk ML, Langer JS (1998), ‗Dynamics of viscoplastic deformation in amorphous solids‘. Physical Reviews E, 57 pp. 7192–7205.
• [Fan 2002] Fan Z (2002), ‗Semisolid metal processing‘. International Materials Reviews, 47 pp. 49-85.
• [Fan 2005] Fan Z (2005), ‗Development of the rheo-diecasting process for magnesium alloys‘. Materials Science and Engineering A, 413-414 pp. 72-78
• [Fan and Liu 2005] Fan Z, Liu G (2005), ‗Solidification behaviour of AZ91D under intensive forced convection in the RDC process‘. Acta Materialia, 53 pp. 4345-4357.
• [Fan et al. 1999] Fan Z, Bevis MJ, Ji S (1999), PCT Patent WO 01/21343 A1.
• [Fan et al. 2001] Fan Z, Ji S, Zhang J (2001), ‗Processing of immiscible metallic alloys by rheomixing process‘. Materials Science and Technology, 17 pp. 837-842.
• [Fan et al. 2005] Fan Z, Fang X, Ji S (2005), ‗Microstructure and mechanical properties of rheo-diecast (RDC) aluminium alloys‘. Materials Science and Engineering A, 412 pp. 298-306
• [Fan et al. 2009(a)] Fan Z, Xia M, Zhang H, Liu G, Patel JB, Bian Z, Bayandorian I, Wang Y, Li HT, Scamans GM (2009), ‗Melt conditioning by advanced shear technology (MCAST) for refining solidification microstructures‘. International Journal of Cast Metal Research, 22, pp. 103-107.
• [Fan et al. 2009(b)] Fan Z, Wang Y, Xia M, Arumuganathar S (2009), ‗Enhanced heterogeneous nucleation in AZ91D alloy by intensive melt shearing‘. Acta Materialia, 57(16) pp. 4891-4901.
• [Fang et al. 2007] Fang, X., Shao, G., Liu, Y.Q., Fan, Z. (2007), ‗Effects of intensive forced melt convection on the mechanical properties of Fe containing Al–Si based alloys‘. Materials Science and Engineering A, 445–446 pp. 65–72.
• [Farbenindustrie 1931] Farbenindustrie IG (1931). British Patent GB359,425.
• [Farbenindustrie 1942] Farbenindustrie IG (1942). Belgian Patent 444757.
• [Fechner et al. 2007] Fechner D, Hort N, Blawert C, Kainer KU (2007), ‗ Development of a magnesium recycling alloy based on the AM alloy system‘. In: Beals S, Luo AA, Neelameggham NR, Pekguleryuz MO (Eds.), Magnesium Technology 2007, pp. 287-291.
• [Fredriksson et al. 2005] Fredriksson H, Haddad-Sabzevar M, Hansson K, Kron J (2005), ‗Theory of hot crack formation‘. Materials Science and Technology, 21 pp. 521-529.
• [Ganguly and Poole 2002] Ganguly P, Poole WJ (2002), ‗Characterisation of reinforcement distribution inhomogeneity in metal matrix composites‘. Materials Science and Engineering A, 332 pp. 301-310.
• [Gourlay et al. 2004] Gourlay CM, Laukli HI, Dahle AK (2004), ‗Segregation band formation in Al-Si die castings‘. Metalurgical and Materials Transaction A, 35 pp. 2881-2891.
• [Gourlay et al. 2007] Gourlay CM, Laukli HI, Dahle AK (2007), ‗Defect Band Characteristics in Mg-Al and Al-Si High-Pressure Die Castings‘. Metalurgical and Materials Transaction A, 38 pp. 1833–1844.
• [Greer et al. 2000] Greer AL, Bunn AM, Tronche A, Evans PV, Bristow DJ (2000), ‗Modeling of inoculation of metallic melts: application to grain refinement of aluminium by Al-Ti-B‘. Acta Materialia, 48 pp. 2823–2835.
• [Guang et al. 2009] Guang H, Xiangfa L, Haimin D (2009), ‗Grain refinement of Mg–Al based alloys by a new Al–C master alloy‘. Journal of Alloys and Compounds, 467 pp. 202-207.
• [Gupta et al. 1996] Gupta M, Lai MO, Soo CY (1996), ‗Effects of type of processing on the microstructure features and mechanical properties of Al–Cu/SiC metal matrix composites‘. Materials Science and Engineering A, 210 pp. 114–122.
• [Hall 1951] Hall EO (1951), ‗The deformation and ageing of mild steel: III Discussion of results‘. Proceeding of the Physical Society B, 64(9) pp. 747-753.
• [Hansen et al. 1998] Hansen S, Khakhar DV, Ottino M (1998), ‗Dispersion of solids in nonhomogeneous viscous flows‘. Chemical Engineering Science, 53(10) pp. 1803-1817.
• [Harnby et al. 1997] Harnby N, Edwards MF, Nienow AW (1997). Mixing in the process industries, 2 nd edition. Oxford, UK: Butterworth-Heinemann.
• [Hashim et al. 1999] Hashim J, Looney L, Hashmi MSJ (1999). ‗Metal Matrix Composites: Production by the Stir casting method‘. Journal of Materials Processing Technology, 92-93 pp. 1-7.
• [Hashim et al. 2002(a)] Hashim J, Looney L, Hashmi MSJ (2002), ‗Particle distribution in cast metal matrix composites Part-I‘. Journal of Materials Processing Technology, 123 pp. 251-257.
• [Hashim et al. 2002(b)] Hashim J, Looney L, Hashmi MSJ (2002), ‗Particle distribution in cast metal matrix composites Part-II‘. Journal of Materials Processing Technology, 123 pp. 258-263.
• [Hong et al. 2003] Hong SJ, Kim HM, Huh D, Chun BS, Suryanarayana C (2003), ‗Effect of clustering on the mechanical properties of SiC particulate-reinforced aluminium alloy 2024 metal matrix composites‘. Materials Science and Engineering A, 347(1-2) pp. 198-204.
• [Housecroft and Sharpe 2007] Housecroft CE, Sharpe AG (2007). Inorganic Chemistry: Solutions manual, 3 rd edition, Harlow, UK: Pearson Prentice Hall.
• [Hull and Clyne 1996] Hull D, Clyne TW (1996). An introduction to composite materials, 2 nd edition, Cambridge, UK: Cambridge University Press.
• [Hunt Jr 2009] Hunt Jr WH (2009), ‗Metal Matrix Composites: Applications‘. In. Buschow KHJ, Cahn R, Flemings MC, Ilschner B, Kramer EJ, Mahajan S, Veyssiere P (Eds.), Encyclopedia of Materials: Science and Technology, pp. 5442-5446.
• [Ibrahim et al. 1991] Ibrahim IA, Mohamed FA, Lavernia EJ (1991), ‗Particulate reinforced metal matrix composites – A review‘. Journal of Materials Science, 26 pp. 1137- 1156.
• [Janssen 1978] Janssen LPBM (1978). Twin screw extrusion, Netherlands: Elsevier Scientific Publishing Company.
• [Javaid et al. 2006] Javaid A, Essadiqi E, Bell S, Davis B (2006), ‗Literature review on magnesium recycling‘. In: Luo AA, Neelameggham NR, Beals RS (Eds.), Magnesium Technology 2006, pp. 7–12.
• [Ji et al. 2001] Ji S, Fan Z, Bevis MJ (2001), ‗Semi-solid processing of engineering alloys by a twin screw rheomoulding process‘. Materials Science and Engineering A, 299, 120 pp. 210–217.
• [Ji et al. 2005] Ji S, Zhen Z, Fan Z (2005), ‗Effects of rheodiecasting process on the microstructure and mechanical properties of am50 magnesium alloy ‗. Materials Science and Technology, 21, pp. 1019-1024.
• [Jia 2000] Jia DC (2000), ‗Influence of SiC particulate size on the microstructural evolution and mechanical properties of Al–6Ti–6Nb matrix composites‘. Materials Science and Engineering A, 289 pp. 83–90.
• [Kainer and Von Buch 2003] Kainer KU, Von Buch F (2003), ‗The current state of technology and potential for further development of magnesium applications‘. In: Kainer KU (Ed.) (2003). Magnesium Alloys and Technology, Weineim, Germany: Wiley-VCH.
• [Karnezis et al. 1998] Karnezis PA, Durrant G, Cantor B (1998), ‗Characterization of reinforcement distribution in cast Al-alloys/SiCp composites‘. Materials Characterization, 40 pp. 97-109.
• [Kaczmar et al. 2000] Kaczmar JW, Pietrzak K, Wlosinski W (2000), ‗The production and application of metal matrix composite materias‘. Journal of Materials Processing Technology, 106 pp. 58-67.
• [Kelly 1989] Kelly A (1989). Concise Encyclopedia of Composite Materials, Oxfrod, UK: Pergamon Press.
• [Kendall 1988] Kendall K (1998), ‗Agglomerate strength‘. Powder Metallurgy, 31(1) pp. 28-31.
• [Kennedy and Wyatt 2000] Kennedy AR, Wyatt SM (2000), ‗Effect of processing on the mechanical properties and interfacial strength of aluminium TiC MMCs‘. Composites Science and Technology, 60(2) pp. 307-314.
• [Kim et al. 2007(a)] Kim YM, Yim CD, You BS (2007), Grain refining mechanism in Mg-Al base alloys with carbon addition‘. Scripta Materialia, 57 pp. 691-694.
• [Kim et al. 2007(b)] Kim YM, Yim CD, Kim YH, You BS (2007), ‗The role of carbon for grain refinement in Mg-Al base alloys‘. In: Beals, R.S., Luo, A.A., Neelameggham, N.R., Pekguleryuz, M.O. (Eds.), Magnesium Technology 2007, pp. 121-126.
• [Kim et al. 2010] Kim YM, Wang L, You BS (2010), ‗Grain refinement of Mg-Al cast alloy by the addition of manganese carbonate‘. Journal of alloys and compounds, 490 pp. 695-699
• [Kirkwood 1994] Kirkwood DH (1994), ‗Semisolid metal processing‘. International Materials Reviews, 39(5) pp. 173-189.
• [Kooi et al. 2006] Kooi BJ, Palasantzas G, De Hosson JThM (2006), ‗Gas-phase synthesis of magnesium nanonparticles: A high-resolution transmission electron microscopy study‘. Applied Physics Letters, 89 pp. 161914/1-3.
• [Krishnan et al. 1981] Krishnan BP, Surappa MK, Rohatgi PK (1981), ‗The UPAL process: A direct method of preparing cast aluminum alloy-graphite particle composites‘. Journal of Materials Science, 16(5) pp. 1209-1216.
• [Krishnan et al. 1983] Krishnan BP, Raman N, Narayanaswamy K, Rohatgi PK (1983), ‗Performance of aluminum alloy graphite bearings in a diesel engine‘. Tribology International, 16(5) pp. 239-244.
• [Kurzydlowski and Ralph 1995] Kurzydlowski KJ, Ralph B (1995). The quantitative description of the microstructures of materials, 1 st edition, Florida: CRC Press.
• [Lacey 1943] Lacey PMC (1943), ‗The mixing of solid particles‘. Transactions of the Institution of Chemical Engineers, 21 pp. 53-59.
• [Lacey 1954] Lacey PMC (1954), ‗Developments in the theory of particulate mixing‘. Journal of Applied Chemistry, 4 pp. 257-268.
• [Landry et al. 1998] Landry K, Kalogeropoulou S, Eustathopoulos N (1998), ‗Wettability of carbon by aluminum and aluminum alloys‘. Materials Science and Engineering A, 254 pp. 99-111.
• [Laurent et al. 1987] Laurent V, Chatain D, Eustathopoulos N (1987), ‗Wettability of SiC by aluminum and Al-Si alloys‘. Journal of Materials Science, 22 pp. 244-250.
• [Lee 2007(a)] Lee CD (2007), ‗Dependence of tensile properties of AM60 magnesium alloy on microporsity and grain size‘. Materials Science and Engineering A, 454-455, pp. 575-580.
• [Lee 2007(b)] Lee CD (2007), ‗Effect of grain size on the tensile properties of magnesium alloy‘. Materials Science and Engineering A, 459 pp. 355-360.
• [Lee 2007(c)] Lee CD (2007), ‗Tensile properties of high-pressure die-cast AM60 and AZ91 magnesium alloys on microporosity variation‘, Journal of Materials Science, 42 pp. 10032–10039.
• [Lee et al. 1993] Lee YJ, Feke DL, Manas-Zloczower I (1993), ‗Dispersion of titanium dioxide agglomerates in viscous media‘. Chemical Engineering Science, 48(19) pp. 3363–3372.
• [Lee et al. 1998] Lee JC, Byun JY, Park SB, Lee HI (1988), ‗Prediction of Si contents to suppress the formation of Al4C3 in the SiCp/Al composite‘. Acta Materialia, 46 pp. 1771–1780.
• [Lee et al. 2000] Lee YC, Dahle AK, StJohn DH (2000), ‗The Role of Solute in Grain Refinement of Magnesium‘. Metallurgical and Materials Transactions A, 31 pp. 2895-2906.
• [Lin et al. 1998] Lin CB, Ma CL, Chung YW (1998), ‗Microstructure of A380-SiCp composites for die casting‘. Journal of Materials Processing Technology, 48 pp. 236-246.
• [Lin et al. 1999] Lin CB, Wu CL, Chiang CH (1999), ‗Analysis of mold flow and microstructures of die casting in Al alloy/SiCp composites‘. Journal of Materials Science, 34 pp. 2229-2240.
• [Ling et al. 1995] Ling CP, Bush MB, Perera DS (1995), ‗The Effect of Fabrication Techniques on the Properties of A1-SiC Composites‘. Journal of Materials Processing Technology, 48 pp. 325-331
• [Liu et al. 2008(a)] Liu SF, Liu LY, Kang LG, ‗Refinement role of electoemagnetic stirring and strontium in AZ91 magnesium alloy‘. Journal of Alloys and Compounds, 450 pp. 546-550.
• [Liu et al. 2008(b)] Liu X, Osawa Y, Takamori S, Mukai T (2008), ‗Microstructure and mechanical properties of AZ91 alloy produced with ultrasonic vibration‘. Materials Science and Engineering A, 487 pp. 120-123.
• [Liu et al. 2008(c)] Liu G, Wang Y, Fan Z (2008), ‗A physical approach to the direct recycling of Mg-alloy scrap by the rheo-diecasting process‘. Materials Science and Engineering A, 472 pp. 251–257
• [Llorca and Gonzalez 1998] Llorca, J., Gonzalez, C. (1998), ‗Microstructural factors controlling the strength and ductility of particle-reinforced metal-matrix composites‘. Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 46 pp. 1-28.
• [Lloyd 1991] Lloyd DJ (1991), ‗Aspects of fracture in particulate reinforced metal matrix composites‘. Acta Metallurgica et Materialia, 39(1) pp. 59-71.
• [Lloyd 1994] Lloyd DJ (1994), ‗Particle reinforced aluminum and magnesium matrix composites‘. International Materials Reviews 39(1) pp. 1-23.
• [Lu et al. 2006] Lu L, Dahle AK, StJohn DH (2006), ‗Heterogeneous nucleation of Mg-Al alloys‘. Scripta Materialia, 54 pp. 2197-2201.
• [Luo 2002] Luo AA (2002), ‗Magnesium: Current and Potential Automotive Applications‘. JOM, 56(2) pp. 42-48.
• [Luo and Pekguleryuz 1994] Luo A, Pekguleryuz MO (1994). ‗Cast magnesium alloys for elevated temperature applications‘. Journal of materials science, 29 pp. 5259 – 5271.
• [Ma et al. 1994] Ma ZY, Ning XG, Lu YX, Li JH, Bi J, Zhang YZ (1994), ‗Microstructure and properties of Sic whisker reinforced Al-8.5Fe- 1.3V- 1.7Si alloy composite‘. Materials Letters, 21 pp. 69-72.
• [Mabuchi et al. 2000] Mabuchi M, Yamada Y, Shimojima K, Wen CE, Chino Y, Nakamura M (2000), ‗The Grain Size Dependence of Strength in the Extruded AZ91 Mg Alloy‘. In: Kainer, K.U. (Ed.). Magnesium alloys and their applications. Weinheim: Wiley-VCH.
• [Mada and Ajersch 1996(a)] Mada M, Ajersch F (1996), ‗Rheological model of semi-solid A356-SiC composite alloys. Part-I: Dissociation of agglomerate structure during shear‘. Materials Science and Engineering A, 212 pp. 157-170.
• [Mada and Ajersch 1996(b)] Mada M, Ajersch F (1996), ‗Rheological model of semi-solid A356-SiC composite alloys. Part-II: Reconstitution of agglomerate structure at rest‘. Materials Science and Engineering A, 212 pp. 171-177.
• [Majumdar et al. 1984] Majumdar BS, Yegneswaran AH, Rohatgi PK (1984), ‗Strength and fracture behaviour of metal matrix particulate composites‘. Materials Science and Engineering, 68 pp. 85-96.
• [Matthews and Rawlings 1994] Matthews FL, Rawlings RD (1994). Composite Materials: Engineering and Science, 1 st edition. Oxford, UK: Chapman & Hall.
• [Mayer et al. 2003] Mayer H, Papakyriacou M, Zettl B, Stanzl-Tschegg SE, ‗Influence of porosity on the fatigue limit of die cast magnesium and aluminium alloys‘. International Journal of Fatigue, 25 pp. 245–256.
• [Mayr 2006] Mayr SG (2006), ‗Activation energy of shear transformation zones – a key for understanding rheology of glasses and liquids‘. Physical Review Letters, 97 p. 195501.
• [Metcalfe 1974] Metcalfe AG (1974). Composite materials, Volume 1: Interfaces in Metal Matrix Composites, 1 st edition. London, UK: Academic Press.
• [Miracle 2005] Miracle DB (2005), ‗Metal matrix composites – From science to technological significance‘. Composites Science and Technology, 65 pp. 2526-2540.
• [Modi et al. 1992] Modi OP Yegneswaran AH, Asthana R, Rohatgi PK (1992), ‗Thermomechanical processing of aluminum-based particulate composites‘. Journal of Materials Science, 23(1) pp. 83-92.
• [Mondolfo 1976] Mondolfo LF (1976). Aluminum alloys: Structure and properties. London: Butterworths.
• [Mordike and Ebert 2001] Mordike BL, Ebert T (2001), ‗Magnesium: Properties – applications – potential‘. Materials Science & Engineering A, 302 pp. 37-45.
• [Murphy et al. 1998] Murphy AM, Howard SJ, Clyne TW (1998), ‗Characterisation of severity of particle clustering and its effect on fracture of particulate MMCs‘. Materials Science and Technology, 14 pp. 959-968.
• [Nagarajan et al. 1999] Nagarajan S, Dutta B, Surappa MK (1999), ‗The effect of SiC particles on the size and morphology of eutectic silicon in cast A356/SiCp composites‘. Composites Science and Technology, 59 pp. 897–902.
• [Nagata 1975] Nagata S (1975). Mixing principles and applications. New York: Wiley.
• [Naher et al. 2003] Naher S, Brabazon D, Looney L (2003), ‗Simulation of the stir casting process‘. Journal of Materials Processing Technology, 143–144 pp. 567–571.
• [Naher et al. 2005] Naher S, Brabazon D, Looney L (2005), ‗ Development and assessment of a new quick quench stir caster design for the production of metal matrix composites‘, Journal of Materials Processing Technology, 166 (3) pp. 430–439.
• [Naher et al. 2007] Naher S, Brabazon D, Looney L (2007), ‗Computational and experimental analysis of particulate distribution during Al–SiC MMC fabrication‘. Composites Part A, 38 pp. 719–729.
• [Nair et al. 1985] Nair SV, Tien JK, Bates RC (1985), ‗SiC-reinforced aluminium metal matrix composites‘, International Metals Reviews, 30 pp. 275-290.
• [Narendranath et al. 1986] Narendranath CS, Rohatgi PK, Yegneswaran AH (1986), ‗Observation of graphite structure under optical and scanning electron microscopes‘. Journal of Materials Science Letters, 5(6) pp. 592-594.
• [Ogel and Gurbuz 2001] Ogel B, Gurbuz R (2001), ‗Microstructural characterization and tensile properties of hot pressed Al–SiC composites prepared from pure Al and Cu powders‘. Materials Science and Engineering A, 301 pp. 213–220.
• [Oh et al. 1989] Oh SY, Cornie JA, Russell KC (1989), ‗Wetting of ceramic particulates with liquid aluminum alloys: Part I. Experimental techniques‘. Metallurgical Transactions A, 20 pp. 527-532.
• [Ohno et al. 2006(a)] Ohno M, Mirkovic D, Schmid-Fetzer R (2006), ‗Phase equilibria and solidification of Mg-rich Mg-Al-Zn alloys‘. Materials Science and Engineering A, 421(1-2) pp. 328-337.
• [Ohno et al. 2006(b)] Ohno M, Mirkovic D, Schmid-Fetzer R (2006), ‗Liquidus and solidus temperatures of Mg-rich Mg-Al-Mn-Zn alloys‘. Acta Materialia, 54 pp. 3883-3891.
• [Ono et al. 2004] Ono N, Nowak R, Miura S (2004), ‗Effect of deformation temperature on Hall-Petch relationship registered for polycrystalline magnesium‘. Materials Letters, 58 pp. 39-43.
• [Ourdjini et al. 2001] Ourdjini A, Chew KC, Khoo BT (2001), ‗Settling of silicon carbide particles in cast metal matrix composites‘. Journal of Materials Processing Technology, 116 pp. 72-76.
• [Pai et al. 1995] Pai BC, Ramani G, Pillai RM, Satyanarayana KG (1995). ‗Role of magnesium in cast aluminium alloy matrix composites‘. Journal of Materials Science, 30(8) pp. 1903-1911.
• [Pekguleryuz and Baril 2001] Pekguleryuz MO, Baril E (2001), ‗Development of creep resistant Mg-Al-Sr alloys‘. In: Hryn J (Ed.) (2001). Magnesium Technology. New Orleans, TMS 2001.
• [Petch 1953] Petch NJ (1953), ‗ The cleavage strength of polycrystals‘. Journal of the Iron and Steel Institute, 174 pp. 25-28.
• [Pierrat and Caram 1997] Pierrat P, Caram HS (1997), ‗Tensile strength of wet granular materials‘. Powder Technology, 91 pp. 83-93.
• [Pillai et al. 1987] Pillai UTS, Pandey RK, Rohatgi PK (1987), ‗Effect of volume fraction and size of graphite particulates on fracture behaviour of Al-graphite composites‘. Engineering Fracture Mechanics, 28(4) pp. 461-477.
• [Pillai et al. 1995] Pillai UTS, Pai BC, Satyanarayana KG, Damodaran AD (1995), ‗Fracture behaviour of pressure die-cast aluminum-graphite composites‘. Journal of Materials Science, 30(6) pp. 1455-1461.
• [Polmear 1995] Polmear IJ (1995). Light alloys: Metallurgy of the light metals. 3 rd edition, Oxford: Butterworth-Heinmann.
• [Powell et al. 2001] Powell BR, Rezhets V, Luo AA (2001), US Patent No. 6,264,763.
• [Qian and Cao 2005] Qian M, Cao P (2005), ‗Discussions on grain refinement of magnesium alloys by carbon inoculation‘. Scripta Materialia, 52 pp. 415-419.
• [Qian and Das 2006] Qian M, Das A (2006), ‗Grain refinement of magnesium alloys by zirconium: Formation of equiaxed grains‘. Scripta Materialia, 54 pp. 881-886.
• [Quaak and Kool 1994] Quaak CJ, Kool WH (1994), ‗Properties of semisolid aluminum matrix composites‘. Materials Science and Engineering A, 188 pp. 277-282.
• [Quaak et al. 1994] Quaak CJ, Horsten MG, Kool WH (1994), ‗Rheological behaviour of partially solidified matrix composites‘. Materials Science and Engineering A, 183 pp. 247-256.
• [Quested and Greer 2004] Quested TE, Greer AL (2004), ‗The effect of the size distribution of inoculant particles on as-cast grain size in aluminium alloys‘. Acta Materialia, 52 pp. 3859-3868.
• [Rajan et al. 1998] Rajan TPD, Pillai RM, Pai BC (1998), ‗Reinforcement coatings and interfaces in aluminium metal matrix composites‘. Journal of Materials Science, 33(14) pp. 3491-3503.
• [Ramirez et al. 2008] Ramirez A, Qian M, Davis B, Wilks T, StJohn DH (2008), ‗Potency of high-intensity ultrasonic treatment for grain refinement of magnesium alloys‘. Scripta Materialia, 59 pp. 19-22
• [Rana et al. 1989] Rana F, Dhindaw BK, Stefanescu DM (1989), ‗Optimisation of SiC particles dispersion in aluminium metal matrix composites‘. AFS Transactions, 1989 pp. 255-264.
• [Rauwendaal 1994] Rauwendaal C (1994). Polymer extrusion, 3 rd revised edition. New York: Hanser Publisher.
• [Ravi et al. 2007] Ravi KR, Sreekumar VM, Pillai RM, Mahato C, Amaranathan KR, Arul Kumar R, Pai BC (2007), ‗Optimization of mixing parameters through a water model for metal matrix composites synthesis‘. Materials Design, 28 pp. 871-881.
• [Ravi et al. 2008] Ravi KR, Pillai RM, Amaranathen KR, Pai BC, Chakraborty M (2008), ‘Fluidity of aluminium alloys and composites: A review‘. Journal of Alloys and Compounds, 456(1-2) pp. 201-210.
• [Rawal 2001] Rawal S (2001), ‗Metal-matrix composites for space applications‘. JOM, 53 pp. 14-17.
• [Ray 1993] Ray S (1993), ‗Review – Synthesis of cast metal matrix particulate composites‘. Journal of Materials Science, 28 pp. 5397-5413.
• [Revzin et al. 1996] Revzin B, Fuks D, Pelleg J (1996), ‗Influence of alloying on the solubility of carbon fibers in aluminium-based composites: non-empirical approach‘. Composites Science and Technology, 56 pp. 3-10.
• [Richardson and Zaki 1954] Richardson JF, Zaki WN (1954), ‗Sedimentation and fluidisation. Part 1‘. Transactions of the Institution of Chemical Engineers, 32 pp. 35-53.
• [Ricketts et al. 2003] Richetts N, Cashion S, Bailey R (2003). ‗Industrial trials with the AM-cover gas system for magnesium melt protection‘. In: Dahle A (Ed.). Proceedings of the 1 st International Light Metals Technology Conference, Brisbane, Australia.
• [Rogers 1974] Rogers A (1974). Statistical analysis of spatial dispersions: the quadrat method, London, UK: Pion.
• [Rohatgi 1993] Rohatgi PK (1993), ‗Metal-matrix composites‘. Defence Science Journal, 43(4) pp. 323-349.
• [Rohatgi 2001] Rohatgi PK (2001), ‗Cast metal matrix composites: Past, present and future‘. AFS Transactions, 109, 01-133 pp. 1-25
• [Rohatgi and Surappa, 1984] Rohatgi PK, Surappa MK (1984), ‗Deformation of graphite during hot extrusion of cast aluminum-silicon-graphite particle composites‘. Materials Science and Engineering, 62 pp. 159-162.
• [Rohatgi et al. 1986] Rohatgi PK, Asthana R, Das S (1986), ‗Solidification, structure and properties of metal-ceramic particle composites‘. International Metals Review, 31(3) pp. 115-139.
• [Rohatgi et al. 1993] Rohatgi PK, Ray S, Asthana R, Narendranath CS (1993). ‗Interfaces in cast metal-matrix composites‘. Materials Science and Engineering A, 162 pp. 163-174.
• [Rohatgi et al. 1998] Rohatgi PK, Sobczak J, Asthana R, Kim JK (1998), ‗Inhomogeneities in silicon carbide distribution in stirred liquids—a water model study for synthesis of composites‘. Materials Science and Engineering A, 252 pp. 98-108.
• [Rohatgi et al. 2005] Rohatgi PK, Thakkar RB, Kim JK, Daoud A (2005), ‗Scatter and statistical analysis of tensile properties of cast SiC reinforced A359 alloys‘. Materials Science and Engineering A, 398 pp. 1-14.
• [Rumpf 1962] Rumpf H (1962). The strength of granules and agglomerates, In Knepper, W.A., editor. Agglomeration. New York: Interscience Publishers.
• [Schaffer et al. 2007] Schaffer PL, Miller DN, Dahle AK (2007), ‗Crystallography of engulfed and pushed TiB2 particles in aluminium‘. Scripta Materialia, 57 pp. 1129-1132.
• [Scharf 2003] Scharf C (2003), ‗ Recycling of Magnsium alloys‘. In: Kainer, K.U. (Ed.), Magnesium alloys and technologies’. Weinheim: Wiley – VCH.
• [Scharf et al. 2004] Scharf C, Blawert C, Ditze A (2004), ‗Application of remelted post consumer scrap for structural magnesium parts‘. In: Kainer KU (Ed.). Magnesium, Weinheim:Wiley-VCH.
• [Schuh and Lund 2003] Schuh CA, Lund AC (2003), ‗Atomistic basis for the plastic yield criterion of metallic glass‘. Physical Review Letters, 2 pp. 449–52.
• [Schwartz 1984] Schwartz MM (1984). Composite Materials Handbook, USA: McGraw-Hill Book Company.
• [Segurado et al. 2003] Segurado J, Gonzalez C, Llorca J (2003), ‗A numerical investigation of the effect of particle clustering on the mechanical properties of composites‘. Acta Materialia, 51 pp. 2355-2369.
• [Sevik and Kurnaz 2006] Sevik H, Kurnaz S (2006), ‗Properties of alumina particulate reinforced aluminum alloy produced by pressure die casting‘. Materials Design, 27 pp. 676-683.
• [Song 2009] Song M (2009), ‗Effects of volume fraction of SiC particles on mechanical properties of SiC/Al composites‘. Transactions of the Nonferrous Metals Society of China, 19 pp. 1400-1404.
• [Song et al. 2008] Song J, Xiong SM, Li M (2008), ‗The correlation between microstructure and mechanical properties of high pressure die-cast AM50 alloy‘. Journal of Alloys and Compounds, 477 pp. 863-869.
• [Srivatsan et al. 2003] Srivatsan TS, Al-Hajri M, Smith C, Petraroli M (2003), ‗The tensile and fracture behaviour of 2029 aluminum alloy metal matrix composite‘. Materials Science and Engineering A, 346 pp. 91-100.
• [Staiger et al. 2006] Staiger MP, Pietak AM, Huadmai J, Dias G (2006), ‗Magnesium and its alloys as orthopedic biomaterials: A review‘. Biomaterials, 27 pp. 1728-1734.
• [Stefanescu et al. 1988] Stefanescu DM, Dhindaw BK, Kacar SA, Moitra A (1988), ‗Behaviour of ceramic particles at the solid-liquid metal interface in metal matrix composites‘. Metallurgical Transactions A, 19 pp. 2847-2855.
• [Stefanescu et al. 1990] Stefanescu DM, Moitra A, Kacar AS, Dhindaw BK (1990), ‗The influence of buoyant forces and volume fraction of particles on the particle pushing/entrapment transition during directional solidification of Al/SiC and Al/graphite composites‘. Metallurgical and Materials Transactions A, 21 pp. 231- 239.
• [StJohn et al. 2005] StJohn DH, Ma Qian, Easton MA, Cao P, Hildebrand ZM (2005), ‗Grain Refinement of Magnesium Alloys‘. Metallurgical and Materials Transactions A, 36 pp. 1669-1679.
• [Street 1977] Street AC (1977), The Diecasting Book, 1 st edition. Redhill, England: Portcullis Press Ltd.
• [Surappa and Rohatgi 1981] Surappa MK, Rohatgi PK (1981), ‗Heat diffusivity criterion for the entrapment of particles by moving solid-liquid interface‘. Journal of Materials Science Letters, 16(2) pp. 562-564.
• [Tamura et al. 2003] Tamura Y, Yagi J, Haitani T, Motegi T, Kono N, Tamehiro H, Saito H (2003), ‗Observation of manganese-bearing particles in molten AZ91 magnesium alloy by rapid solidification‘. Materials Transactions, 44 pp. 552-557.
• [Taya and Arsenault 1989] Taya M, Arsenault RJ (1989), Metal matrix composites: Thermomechanical behaviour, 1 st edition. Oxford, UK: Pergamon Press.
• [Tham et al. 2001] Tham LM, Gupta M, Cheng L (2001), ‗Effect of limited matrix– reinforcement interfacial reaction on enhancing the mechanical properties of aluminium–silicon carbide composites‘. Acta Materialia, 49 pp. 3243-3253.
• [The Aluminium Association 1990] The Aluminum Association (1990). Standard Test Procedure for aluminium alloy grain refiners: TP-1. Washington DC, USA.
• [Tomas 2007] Tomas J (2007), ‗Adhesion of ultrafine particles – A micromechanical approach‘. Chemical Engineering Science, 62 pp. 1997-2010.
• [USGS 2008] United States Geological Survey (USGS) (2008). 2007 Minerals Yearbook, Volume I – Metals & Minerals. Washington: United States Government Printing Office.
• [Uhlmann et al. 1964] Uhlmann R, Chalmers B, Jackson KA (1964), ‗Interaction between particles and a solid–liquid interface‘. Journal of Applied Physics, 35 pp. 2986-2993.
• [Villars and Calvert 1991] Villars P, Calvert LD (Eds) (1991). Pearson’s Handbook of crystallographic data for intermetallic phases, 2 nd edition. Materials Park, Ohio: ASM International.
• [Wang et al. 2010] Wang Y, Xia M, Fan Z, Zhou X, Thompson GE (2010), ‗The effect of Al8Mn5 intermetallic particles on grain size of as-cast Mg-Al-Zn AZ91D alloy‘. Intermetallics, 18 pp. 1683-1689.
• [Watson et al. 2005] Watson IG, Forster MF, Lee PD, Dashwood RJ, Hamilton RW, Chirazi A (2005), ‗Investigation of the clustering behaviour of titanium diboride particles in aluminum‘. Composites: Part A, 36 pp. 1177-1187.
• [Watt 1997] Watt IM (1997), The principles and practice of electron microscopy, 2 nd edition. Cambridge, England: Cambridge University Press.
• [Weiler et al. 2005] Weiler JP, Wood JT, Klassen RJ, Maire E, Berkmortel R, Wang G, (2005), ‗Relationship between internal porosity and fracture strength of die-cast magnesium AM60B alloy‘. Materials Science and Engineering A, 395 pp. 315–322.
• [White 1990] White JL (1990). Twin screw extrusion: Technology and principles, Munich, Germany: Hanser Publisher.
• [Xia et al. 2009] Xia M, Wang Y, Li H, Arumuganathar S, Zuo Y, Scamans GM, Fan Z (2009), ‗Refinement of Solidification Microstructure by MCAST Process‘. In: Nyberg EA, Agnew SR, Neelameggham NR, Pekguleryuz MO (Eds.). Magnesium Technology 2009, pp. 135-140.
• [Yang et al. 2008(a)] Yang Z, Li JP, Zhang JX, Lorimer GW, Robson J (2008), ‗Review on research and development of magnesium alloys‘. Acta Metallurgica Sinica (English Letters), 21(5) pp. 313-328.
• [Yang et al. 2008(b)] Yang M, Pan F, Cheng R, Tang A (2008), ‗Effect of Mg-10Sr master alloy on grain refinement of AZ31 magnesium alloy‘. Materials Science and Engineering Ai, 491 pp. 440-445.
• [Youssef et al. 2005] Youssef YM, Dashwood RJ, Lee PD (2005), ‗Effect of clustering on particle pushing and solidification behaviour in TiB2 reinforced aluminium PMMCs‘. Composites Part A, 36 pp. 747–763.
• [Zhang et al. 2005] Zhang MX, Kelly PM, Qian M, Taylor JA (2005), ‗Crystallography of grain refinement in Mg-Al based alloys‘. Acta Materialia, 53(11) pp. 3261-3270.
• [Zhang et al. 2007(a)] Zhang Z, Chen XG, Charette A (2007), ‗Particle distribution and interfacial reactions of Al–7%Si–10%B4C die casting composite‘. Journal of Materials Science, 42 pp. 7354-7362.
• [Zhang et al. 2007(b)] Zhang ZQ, Le QC, Cui JZ (2007), ‗Ultrasonic treatment of magnesium alloy melts and its effects on solidification microstructures‘. Materials Science Forum, 546– 549 pp. 129–132.
• [Zhao et al. 1991] Zhao Z, Zhijian S, Yingkun X (1991), ‗Effect of microstructure on the mechanical properties of an A1 alloy 6061-SIC particle composite‘. Materials Science and Engineering A, 132 pp. 83-88.

전문가 Q&A: 주요 질문과 답변

Q1: 고강도 전단을 구현하기 위해 왜 특별히 트윈 스크류(twin-screw) 메커니즘을 선택했습니까?

A1: 트윈 스크류 메커니즘은 용탕 전체에 걸쳐 균일하고 강한 전단을 가하는 데 매우 효과적이기 때문입니다. 논문의 3.2.3절에서 설명하듯이, 서로 맞물려 회전하는 스크류는 용탕에 높은 전단율, 강한 난류, 그리고 ‘정량 이송(positive displacement)’ 효과를 동시에 부여합니다. 이는 용탕이 정체 구간 없이 강제적으로 혼합되도록 하여, 기존의 임펠러 교반 방식으로는 불가능했던 미세 입자 클러스터의 완벽한 파괴와 분산을 가능하게 합니다.

Q2: 논문에서 MgAl2O4와 MgO라는 두 종류의 산화물 개재물이 언급되었습니다. 고강도 전단은 이 둘에 각각 어떻게 다른 영향을 미쳤습니까?

A2: 매우 중요한 질문입니다. 5.4.1절과 5.5.1절에 따르면, 고강도 전단은 두 산화물에 다른 영향을 미쳤습니다. 상대적으로 크고 각진 형태의 MgAl2O4(스피넬) 입자는 전단 후에도 크기나 형태에 큰 변화가 없었습니다. 하지만 잉곳 스킨이나 클러스터 형태로 존재하던 MgO는 고강도 전단에 의해 100-200nm 크기의 매우 미세한 개별 입자로 효과적으로 파쇄되고 분산되었습니다. 바로 이 미세하게 분산된 MgO 입자들이 이후 응고 과정에서 Mg 결정립의 핵생성 사이트로 작용하여 획기적인 결정립 미세화를 이끌어낸 핵심 요인입니다.

Q3: MC-HPDC 공정은 기존 HPDC에서 나타나는 ‘결함 밴드’를 구체적으로 어떻게 방지합니까?

A3: 결함 밴드는 주조품 내 고상 분율(solid fraction)의 불균일한 구배 때문에 발생합니다. 5.5.3절의 논의에 따르면, 기존 HPDC에서는 샷 슬리브에서 형성된 크고 불균일한 외부 응고 결정(ESC)이 중심부에 몰리면서 급격한 고상 분율 구배를 만듭니다. MC-HPDC 공정은 고강도 전단을 통해 훨씬 더 작고 균일하며 구형에 가까운 ESC를 소량 생성합니다. 이 균일한 입자들은 용탕 내에 고르게 분포하여 전체적으로 완만한 고상 분율 구배를 형성하고, 결함 밴드가 형성되는 전단 평면 자체의 생성을 억제하는 것입니다.

Q4: Mg 합금 스크랩을 핫 크랙 없이 성공적으로 재활용하는 데 있어 핵심적인 공정 조건은 무엇이었습니까?

A4: 5.4.2.3절과 5.5.4절에서 설명하듯이, 공정 최적화가 핵심이었습니다. 가장 중요한 세 가지 요소는 (1) 증압 시점, (2) 다이 온도, (3) 용탕 처리 온도였습니다. 특히, 증압 시점을 기존보다 앞당겨(intensifier position 180mm) 캐비티 충전 시간을 단축하고, 다이 온도를 180°C로 낮춰 냉각 속도를 높였습니다. 또한, 용탕 처리 온도를 액상선 바로 위(TL + 5°C)로 설정하여 미세하고 균일한 결정립 구조를 유도한 것이 핫 크랙 발생을 억제하고 안정적인 기계적 특성을 확보하는 데 결정적인 역할을 했습니다.

Q5: 이 연구에서는 강도와 연신율이 동시에 증가하는 결과가 나타났습니다. 이는 일반적인 재료의 거동과 다른데, 어떻게 이것이 가능합니까?

A5: 맞습니다. 일반적으로 강도와 연성은 상충 관계에 있습니다. 그러나 본 연구의 결과(5.5.5절 참조)는 두 가지 메커니즘의 시너지 효과로 설명할 수 있습니다. 첫째, 홀-페치(Hall-Petch) 관계에 따라, 고강도 전단으로 인한 결정립 미세화는 재료의 강도를 직접적으로 향상시킵니다. 둘째, 동시에 MC-HPDC 공정은 기공, 조대한 수지상 조직, 입자 클러스터와 같은 결함들을 제거합니다. 이러한 결함들은 균열의 시작점으로 작용하여 연성을 저하시키는 주된 요인이므로, 이를 제거함으로써 재료의 연성이 크게 향상된 것입니다. 즉, 결함 제거를 통한 연성 향상 효과가 매우 커서 강도 증가와 동시에 나타날 수 있었습니다.

결론: 더 높은 품질과 생산성을 향한 길

본 연구는 기존 주조 공정의 한계를 명확히 보여주고, 고강도 전단 용탕 처리라는 혁신적인 기술이 마그네슘 합금 및 알루미늄 복합재의 품질을 한 차원 높일 수 있음을 증명했습니다. 용탕 단계에서 미세구조를 근본적으로 제어함으로써, 강화 입자의 완벽한 분산, 획기적인 결정립 미세화, 고질적인 주조 결함 억제가 가능해졌습니다. 그 결과, 강도와 연성이 동시에 향상되는 이상적인 기계적 특성을 구현했으며, 고부가가치 스크랩 재활용의 길을 열었습니다.

STI C&D는 최신 산업 연구 결과를 적용하여 고객이 더 높은 생산성과 품질을 달성할 수 있도록 돕는 데 전념하고 있습니다. 이 논문에서 논의된 과제가 귀사의 운영 목표와 일치한다면, 저희 엔지니어링 팀에 연락하여 이러한 원칙을 귀사의 부품에 어떻게 구현할 수 있는지 논의해 보시기 바랍니다.

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저작권 정보

• 이 콘텐츠는 Spyridon Tzamtzis의 논문 “Solidification Behaviour and Mechanical Properties of Cast Mg-alloys and Al-based Particulate Metal Matrix Composites Under Intensive Shearing”을 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.
• 출처: https://bura.brunel.ac.uk/handle/2438/5488

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