Taguchi-Optimierung und Modellierung der Parameter des Rührgussprozesses in Bezug auf die prozentuale Dehnung von Verbundwerkstoffen aus Aluminium, Bimsstein und kohlensäurehaltiger Kohle

Jun 24, 2023

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 2915 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Aluminiummatrix-Verbundwerkstoffe, eine Unterklasse der Metallmatrix-Verbundwerkstoffe, zeichnen sich durch geringe Dichte, hohe Steifigkeit und Festigkeit, bessere Verschleißfestigkeit, kontrollierte Wärmeausdehnung, größere Ermüdungsbeständigkeit und verbesserte Stabilität bei hohen Temperaturen aus. Wissenschaft und Industrie sind an diesen Verbundwerkstoffen interessiert, da sich aus ihnen vielfältige Komponenten für zukunftsweisende Anwendungen herstellen lassen. In dieser Studie wurde beobachtet, wie sich die Rührgeschwindigkeit, die Verarbeitungstemperatur und die Rührdauer des Rührgussprozesses auf die prozentuale Dehnung von Hybridverbundwerkstoffen aus Al-Bimsstein (PP) und karbonisierten Kohlepartikeln (CCP) auswirkten. Außerdem wurde das optimale Gewicht dieser natürlichen Keramikverstärkungen mithilfe der Taguchi-Optimierungstechnik untersucht. Bei der Optimierung der prozentualen Dehnungseigenschaft wurden bei der Charakterisierung der Verstärkung harte Verbindungen wie Siliciumdioxid, Eisenoxid und Aluminiumoxid entdeckt, was zeigt, dass PP und CCP als Verstärkung in Metallmatrix-Verbundwerkstoffen verwendet werden können. Es zeigte sich, dass der Prozentsatz der Dehnung des Hybridverbundwerkstoffs am stärksten vom PP beeinflusst wird, gefolgt von der Verarbeitungstemperatur, der Rührgeschwindigkeit, dem CCP und der Rührzeit, wobei die Parameter des Rührgussprozesses optimiert wurden. Es wurde beobachtet, dass bei 2,5 Gew.-% Bimssteinpartikeln, 2,5 Gew.-% kohlensäurehaltigen Partikeln, einer Verarbeitungstemperatur von 700 °C, einer Rührgeschwindigkeit von 200 U/min und einer Rührzeit von 5 Minuten der optimale Prozentsatz der Dehnung bei 5,6 % lag 25,43 % niedriger als die prozentuale Dehnung einer Al-Legierung ohne Verstärkung. Die Regressionsstudie entwickelte ein prädiktives mathematisches Modell für die prozentuale Dehnung (PE) als Funktion der Rührgussprozessparameter und bot mit R-Quadrat, R-Quadrat (Adj) und R-Quadrat (Pred) ein hohes Maß an Vorhersage ) Werte von 91,60 %, 87,41 % bzw. 79,32 %.

Derzeit werden für hochmoderne Anwendungen stärkere, leichtere und erschwinglichere Materialien benötigt1. Um diese Kriterien zu erfüllen, konzentrieren sich Forscher nun auf die Entwicklung von Hybridverbundwerkstoffen mit einem starken Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht2. Aufgrund ihres hohen Festigkeits-Gewichts-Verhältnisses, ihrer Wärmeleitfähigkeit, ihrer Bearbeitbarkeit sowie ihrer Guss- und Schmiedeeigenschaften ist eine Aluminiumlegierung die am häufigsten verwendete Legierung zur Entwicklung des Hybridverbundwerkstoffs. Allerdings haben Aluminiumlegierungen gewisse Nachteile, wie etwa geringe Steifigkeit, Zähigkeit, Ermüdungsbeständigkeit, einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten und unzureichende tribologische Eigenschaften. Zu den effektivsten Möglichkeiten, die Eigenschaften von Aluminiumlegierungen zu verbessern, gehört die Herstellung von Hybridverbundwerkstoffen mit zwei oder mehr Verstärkungsarten. Hybridverbundwerkstoffe bieten gegenüber monolithischen, legierten und Verbundwerkstoffen mehrere Vorteile, darunter ein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, überlegene Korrosions- und Verschleißfestigkeit, Festigkeit und Steifigkeit, geringe Wärmeleitfähigkeit und Wärmeausdehnung, geringes Gewicht sowie verbesserte Schlag- und Biegeeigenschaften . insgesamt geringere Verbundkosten3,4. Hybridmaterialien bestehen aus einer Matrix und zwei oder mehr Verstärkungselementen5. Sie werden mit einer Vielzahl von Techniken hergestellt, darunter Pulvermetallurgie, Rührguss, zweistufiger Rührguss und Quetschguss6, um die gewünschten mechanischen Eigenschaften und das tribologische Verhalten zu erreichen: hohe spezifische Festigkeit, einschließlich Steifigkeit, Dichte, Mikrohärte, niedriger Koeffizient von Wärmeausdehnung, hoher Wärmewiderstand und gutes Dämpfungsvermögen7.

Keramische Partikel wie Bimsstein und verkohlte Kohlepartikel verbessern nachweislich die mechanischen Eigenschaften von Aluminium und seinen Legierungen erheblich, wenn sie als Verstärkung verwendet werden8. Die Härte, Streckgrenze und Zugfestigkeit von Aluminium werden erhöht, aber Duktilität und prozentuale Dehnung werden durch die Zugabe von Partikeln wie Aluminiumoxid, SiC, B4C usw. verringert.9. Im Vergleich zu den in der Keramik verwendeten Grundmaterialien weist Bimsstein einige chemisch vergleichbare Eigenschaften auf10. Die restlichen 60 bis 75 % des Materials, das größtenteils aus Al2O3 und SiO2 besteht, bestehen aus diesen beiden Oxiden8. Wenn seine Zusammensetzung mit der Größe bekannter Lagerstätten kombiniert wird, die sich auf Milliarden Tonnen belaufen, hat Bimsstein, der in seiner Partikelform vorliegen kann (z. B. Bimssteinpartikel-PP), das Potenzial, als keramischer Rohstoff verwendet zu werden10. Aufgrund ihrer zahlreichen vorteilhaften Eigenschaften, wie z. B. ihrer puzzolanischen Eigenschaften, ihrer geringen Partikelgröße, ihrer abrasiven Beschaffenheit und ihrer Mineralogie, haben kohlensäurehaltige Kohlepartikel (CCP) auch das Potenzial für eine bedeutende Verwendung im Bereich der Keramik11,12. Um die Lebensdauer zu verlängern und gleichzeitig das Gewicht zu reduzieren, wurden große Anstrengungen unternommen, um die mechanischen Eigenschaften von Verbundwerkstoffen aus einer Aluminiummatrix zu verbessern13. Auch wenn sich die Leistung anderer mechanischer Qualitäten verbessert hat, besteht der grundlegende Nachteil keramischer Verstärkungsmaterialien in der Verringerung der prozentualen Dehnung der AMCs14. Die Härte und Sprödigkeit von Aluminiumverbundwerkstoffen kann zunehmen, wenn der Legierung Keramikpartikel zugesetzt werden5. Aufgrund dieser Eigenschaft ist die Verwendung solcher Verbundwerkstoffe eine Herausforderung geworden. Untersuchungen der Verstärkungen der Aluminiumlegierung sind notwendig, um deren Leistung in bestimmten Anwendungen zu beurteilen und diese Einschränkungen zu überwinden.

Rührgusstechniken sind derzeit die einfachste und wirtschaftlichste Methode zur Herstellung von Metallmatrix-Verbundwerkstoffen. Bei dieser Methode werden die Verstärkungspartikel mechanisch in einem geschmolzenen Metallbad gemischt und die Mischung dann in eine geformte Form überführt, bis sie vollständig erstarrt15. Der Versuchsaufbau umfasst einen Widerstandsheizofen zum Schmelzen des Grundmetalls, einen Zuführmechanismus für Keramikpartikel und einen mechanischen Rührer, der mit einem Elektromotor gekoppelt ist, um die vorgewärmten Partikel mit der Matrixflüssigkeit zu mischen16. Der jüngste faszinierende Durchbruch ist das Doppelrührgießen oder zweistufige Mischverfahren. Bei diesem Verfahren wird das Matrixmaterial über seine Liquidustemperatur erhitzt und anschließend die Schmelze auf eine Temperatur zwischen Liquidus- und Soliduspunkt (halbfester Zustand) abgekühlt. In diesem Stadium werden vorgewärmte Verstärkungspartikel hinzugefügt und gemischt. Anschließend wird die Aufschlämmung vollständig flüssig erhitzt und noch einmal gründlich gemischt. Die Hauptprobleme bei der Rührgussmethode sind die Agglomeration der Verstärkungspartikel, die Porosität/Gaseinschluss, die Reaktionsviskosität und die Entmischung, die durch das Absetzen der Partikel während der Erstarrung und Partikelagglomeration verursacht wird. Für eine gleichmäßige Verteilung der Verstärkungspartikel stellt die Wahl der Einstellungen für den Rührprozess erhebliche Hürden dar17.

Der Einfluss von Prozessvariablen auf die Dispersion von Verstärkungspartikeln wurde ausführlich untersucht. Die entscheidenden Variablen, die verfolgt wurden, waren die Rührdauer, die Verarbeitungstemperatur und die Geschwindigkeit. Laut Singh et al. Eine Rührgeschwindigkeit von 550 U/min, ein Rührer mit 45°-Blattwinkel und eine Rührdauer von 6 Minuten sind die idealen Einstellungen für die gleichmäßige Dispergierung von Partikeln in Gussproben18. Moses et al.19 fanden heraus, dass die Zugfestigkeit des gegossenen Verbundwerkstoffs beim Rühren bei 300 U/min für 15 Minuten und bei einem Schaufelwinkel von 30° ihren Höhepunkt erreichte. Laut Prabu et al.20 wurde bei einer Rührgeschwindigkeit von 600 U/min und einer Rührdauer von 10 Minuten eine gleichmäßigere Partikelverteilung in den Gussproben beobachtet. Bei derselben Probe stellten sie auch eine höhere Härte fest. Vor dem Eingießen des Verbundwerkstoffes in den Hohlraum der Form ist eine homogene Verteilung der Partikel erwünscht. Durch Fließ- und Erstarrungsphänomene würde die Inhomogenität der abgegossenen Schmelze zunehmen. Die Schwerkraft und die sich ändernden kinetischen Umstände, die beim Übergang von einer Flüssigkeit in einen Feststoff entstehen, wirken sich auf die endgültige Verteilung der Partikel während der Erstarrung aus21.

Studien haben die Eingabeparameter verbessert, die zu einer Ausgabeantwort basierend auf dem Taguchi-Optimierungsansatz22 führen. Mithilfe der Verlustfunktion dieses Ansatzes werden Leistungskennzahlen berechnet, die vom gewünschten Zielwert abweichen. Der Wert dieser Verlustfunktion wird zur Berechnung des Signal-Rausch-Verhältnisses (S/N) verwendet. Im Allgemeinen werden drei Kategorien zur Kategorisierung der Leistung verwendet: „Kleiner, desto besser“, „Nominell, desto besser“ und „Höher, desto besser“-Statistiken23. Ziel und Neuheit dieser Studie ist es, zum ersten Mal den Taguchi-Optimierungsansatz anzuwenden, um die Gewichtszusammensetzung der natürlichen Keramikverstärkung (Bimsstein und kohlensäurehaltige Kohlepartikel) sowie den Einfluss der Rührgussprozessparameter (Rührgeschwindigkeit) zu optimieren , Verarbeitungstemperatur und Rührzeit) auf eine „je höher ist besser“ optimale prozentuale Dehnung von Al-PP-CCP-Hybridverbundwerkstoffen.

Bei der Herstellung der Al-PP-CCP-Hybridverbundwerkstoffe wurden Aluminiumpulver, Bimsstein und Kohle eingesetzt. Während die Kohle aus der Kohlemine Dangote in Effeche-Akpalli, Bundesstaat Benue, Nigeria, stammte, wurde Bimsstein lokal unter der Erde an Bergbaustandorten in Biu, Bundesstaat Borno, Nigeria, abgebaut.

Aluminium 6061 gehört zur 6xxx-Reihe von Aluminiumlegierungen, deren Hauptlegierungselemente Magnesium und Silizium sind. Es verfügt über ein gutes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, Wärmeleitfähigkeit, Schweißbarkeit, Bearbeitbarkeit, Gießbarkeit, Bearbeitbarkeit, Schmiedeeigenschaften und Korrosionsbeständigkeit. Seine Anwendungen reichen von Automobil- und Luft- und Raumfahrtkomponenten bis hin zu Lebensmittel- und Getränkeverpackungen, elektronischen Produkten usw.

Um Feuchtigkeit und Schmutz zu entfernen, wurde der Bimsstein gewaschen und 48 Stunden lang in einem Ofen bei 100 °C getrocknet, nachdem er aus unterirdischen lokalen Minen im Bundesstaat Borno, Nigeria, abgebaut wurde. Die aggregierten Klumpen wurden dann zu feinen Pulvern verarbeitet, indem sie zunächst mit einem Labormörser und Pistill gemahlen wurden. Diese Herstellungstechnik steht im Einklang mit der Forschung von24,25. Durch weiteres Sieben des Bimsmehls wurden Bimssteinpartikel (PP) mit einer Größe von 90 µm erhalten. Abbildung 1a zeigt die erzeugten karbonisierten Kohlepartikel.

Verstärkungen und gegossener Verbundwerkstoff (a) roher und pulverförmiger Bimsstein (b) rohe und pulverförmige karbonisierte Kohle (c) gegossener Hybrid-Aluminium-Verbundwerkstoff.

Mithilfe einer Zerkleinerungsmaschine wurde die in der Kohlemine Dangote gewonnene Kohle zunächst in kleinere Klumpen zerkleinert. Die Klumpen wurden in einen Graphittiegel gegeben und 8 Stunden lang in einem Elektroofen ohne Luft auf 1100 °C erhitzt. Die verkohlte Kohle wurde mit Wasser gereinigt, um Verunreinigungen zu entfernen, und nach der Normalisierung im Ofen getrocknet, um den Feuchtigkeitsgehalt zu minimieren. Die verkohlte Kohle wurde dann pulverisiert und in einem Labormörser und Stößel zerkleinert, um die großen Kohleklumpen in winzige Körnchen zu verwandeln. Die Studien von26,27 unterstützen diese Technik. Um verkohlte Kohlepartikel (CCP) mit einer Größe von 90 μm zu erhalten, wurde die produzierte verkohlte Kohle einer weiteren Siebung unterzogen. Abbildung 1b zeigt die erzeugten karbonisierten Kohlepartikel.

Der Al-PP-CCP-Hybridverbundwerkstoff wurde mithilfe der Bodengieß-Rührgussmethode und der Flüssigmetallurgie hergestellt. Laut28 wurden die hergestellten PP und CCP im Ofen zwei Stunden lang auf 500 °C erhitzt, mit der Absicht, die Partikeloberflächen zu oxidieren und zu kalzinieren. Um sicherzustellen, dass die Legierung vollständig schmilzt, wurden die Al-Barren anschließend in einen Tiegel in einem Elektroofen geladen und auf 690 °C (30 °C über der Liquidustemperatur) erhitzt. Ein beheizter, beschichteter Skimmer wurde verwendet, um die Krätze zu entfernen, die sich auf der Oberfläche des geschmolzenen Aluminiums gebildet hatte. Um die Benetzbarkeit zwischen der Matrix- und der Verstärkungsphase zu erhöhen und Gase aus der Schmelze zu entfernen, wurden 0,01 % NaCl-KCl-Pulver und 1 Gew.-% Magnesium (das als Tensid fungiert) vor der Integration der erwärmten Partikel gemäß den Methoden von29 zugegeben ,30.

Ein beschichteter Rührer aus rostfreiem Stahl wurde in den Ofen geworfen, um die Schmelze zu rühren und einen Wirbel zu bilden, während die flüssige Legierung im Ofen auf einen halbfesten Zustand bei einer Temperatur von etwa 600 °C abkühlte. Zu diesem Zeitpunkt wurden innerhalb einer Minute die erhitzten Partikel mit einer Gewichtszusammensetzung von jeweils 2,5–10 Gew.-% langsam der geschmolzenen Aufschlämmung zugesetzt31,32. Danach wurde die Verbundaufschlämmung auf verschiedene Parameter des Rührgussprozesses erhitzt, darunter Rührgeschwindigkeit (SS) (200–500 U/min), Verarbeitungstemperatur (PT) (700–850 °C) und Rührzeit (ST) (5–500 U/min). 20 min) entsprechend dem Versuchsdurchlauf. Zusätzlich wurde nach der Methode von Aynalem33 die Form auf eine Temperatur von etwa 550 °C erhitzt, bevor die Aufschlämmung in die Form gegossen wurde. Als Kontrollprobe wurde auch eine Al-Legierung ohne Verstärkung hergestellt, um die Auswirkungen der Verstärkung zu vergleichen. Der hergestellte Hybrid-Aluminium-Verbund ist in Abb. 1c dargestellt.

Die Versuche in dieser Studie wurden unter Verwendung des orthogonalen Arrays (OA) von Taguchi gemäß der Empfehlung von34 konzipiert. Für diese Untersuchung wurden fünf Verarbeitungsfaktoren mit vier Designebenen verwendet. Tabelle 1 zeigt die Variablen und Werte, die bei der Herstellung von Al-PP-CCP-Hybridverbundwerkstoffen verwendet werden, während Tabelle 2 die orthogonale Anordnung der L16-Versuchsläufe zeigt, die vom Statistikprogramm Minitab erstellt wurden.

Die Morphologien der Al-Legierungs-, PP- und CCP-Pulver wurden mit einem hochauflösenden Ultrahochvakuum-Rasterelektronenmikroskop (REM) mit energiedispersiver Röntgenstrahlung (EDX) bei 16,0 kV untersucht. Die Proben wurden angeordnet, indem mit einer niedrigen Abscheidungsrate Gold auf ihre Oberflächen gesputtert wurde.

Mit einem Philips-Röntgenfluoreszenzspektrometer, Modell PW 2400, wurden die Elementzusammensetzungen der Al-Legierung, PP und CCP untersucht. Röntgenfluoreszenzspektrometer (XRF) waren in der Lage, die emittierende Fluoreszenz verschiedener Substanzen in den Proben zu identifizieren, indem sie zwischen Eingangs-Röntgenstrahlen und Ausgangs-Gammastrahlen unterschieden.

Die Strukturmuster von PP- und CCP-Pulvern wurden mithilfe einer Röntgenpulverbeugungsmethode (XRD) unter Verwendung eines Kupferrohrs (1,5418 A) bestimmt, das bei einer Spannung von 40 kV und einem Strom von 30 mA in einem Diffraktometer Rigaku Miniflex über a hergestellt wurde 2Theta-Bereich von 5°–80°35.

Die prozentuale Dehnung des Al-PP-CCP-Hybridverbundwerkstoffs wurde gemäß der Norm ASTM E8M-91 ermittelt. Unter Verwendung einer computergesteuerten Prüfmaschine (Zwick/Roell Z100) wurde an Proben mit einem Standarddurchmesser von 12,7 mm und einer Messlänge von 50,8 mm die prozentuale Dehnung ermittelt. Für jede Probe wurde der Dehnungstest dreimal durchgeführt, um die Wiederholbarkeit und Zuverlässigkeit der erhaltenen Daten sicherzustellen36.

Die experimentelle prozentuale Dehnungseigenschaft der entwickelten Al-PP-CCP-Hybridverbundwerkstoffe wurde mithilfe von Taguchi-Optimierung, Varianzanalyse (ANOVA) und Interaktionsanalyse mit Hilfe von Minitab (Version 16.1, Minitab Inc.) und Origin (Version 2020, OriginLab)-Software. Eine gängige Technik zur Beurteilung der Stärke der Verbindung zwischen Sequenzen basiert auf dem Signal-Rausch-Verhältnis.

Bei dieser Untersuchung wurden hohe prozentuale Dehnungswerte für die Gesamteigenschaften des Verbundwerkstoffs gewählt. Als Ergebnis wurden im experimentellen Stadium Noten mithilfe der Taguchi-Optimierungs-Normalisierungskriterien „größer ist besser“ erstellt37. Das beste Niveau dieses Prozessparameters ist das mit dem größten Signal-Rausch-Verhältnis22. Gleichung (1) beschreibt den linearen Datenvorverarbeitungsansatz nach dem Kriterium „Größer ist besser“, der in dieser Arbeit verwendet wurde, um die prozentuale Dehnung des untersuchten Verbundwerkstoffs auf der Grundlage des S/N-Verhältnisses der Funktion zu berechnen.

Dabei ist n die Stichprobengröße und yi die prozentuale Verlängerung des Laufs.

Die Mikrostruktur und das EDS der Al-Legierung, PP und CCP sind in Abb. 2a, b dargestellt. Primärkörner aus fester Al-Lösung sind in Abb. 2a dargestellt, zusammen mit interdimeren eutektischen Al-Si-Regionen, die eine Vielzahl intermetallischer Phasen enthalten, einschließlich Ausscheidungen der intermetallischen Verbindung Mg2Si. Diese feste Lösung entsteht durch Unterkühlung während der Erstarrung. Die EDS-Analyse ist in Abb. 2b dargestellt und weist Peaks für Aluminium (Al), Sauerstoff (O), Kohlenstoff (C), Eisen (Fe), Silizium (Si), Kalzium (Ca), Natrium (Na) und Magnesium auf (Mg). Diese Komponenten stützten die RFA-Ergebnisse und bestätigten, dass es sich bei der verwendeten Legierung um eine Al 6061-Legierung handelte.

SEM und EDX von Matrix und Verstärkungen: (a) SEM von Al-Legierung, (b) EDX von Al-Legierung, (c) SEM von PP, (d) EDX von PP, (e) SEM von CCP, (f) EDX von KPCh.

Die Mikrostruktur des PP wurde in Abb. 2c offenbart und besteht aus Lamellen mit amorpher Struktur, gleichmäßig verteilten Phasen und Grenzen, die zeigen, dass das Material extrusiv ist und eine gleichmäßige Porenverteilung aufweist. Dies weist darauf hin, dass eine der Haupteigenschaften von PP seine Fähigkeit ist, die Spannungsübertragung in Hybridverbundanwendungen zu fördern, indem es eine starke Haftung zwischen Partikel und Matrix an der Grenzfläche mit Aluminium bietet. Dadurch werden mehrere mechanische Eigenschaften verbessert38. In Abb. 2d sind Spitzen von Kohlenstoff, Sauerstoff, Eisen, Silizium, Aluminium, Titan, Kalzium und Kalium zu sehen. Bei diesen Substanzen handelt es sich um aus Bimsstein gewonnene Bestandteile, und ihr Vorhandensein weist auf die Existenz von SiO2, Al2O3, K2O, Fe2O3 und MgO hin. Die RFA- und XRD-Analysen stimmen mit dieser Schlussfolgerung überein.

Die Mikrostruktur des CCP, die aus eckigen, unregelmäßigen porösen Räumen und einer rauen Textur besteht, wurde ebenfalls in Abb. 2e offenbart. Einige der CCP-Partikel sind kugelförmig, während andere Popcorn ähneln. Aufgrund seiner rauen Oberflächen zeigt dieses Unterscheidungsmerkmal die Fähigkeit des Materials, eine starke Adhäsion der Partikel-Matrix-Grenzfläche mit dem Aluminium zu gewährleisten, was zur Verbesserung der Benetzbarkeit mit der Matrix und damit der mechanischen Eigenschaften des resultierenden Verbundwerkstoffs beiträgt39. Das EDS des CCP ist in Abb. 2f dargestellt und zeigt Silizium- (Si), Kohlenstoff- (C) und Sauerstoff- (O) Peaks (Si). Diese Komponenten, die die Hauptbestandteile von kohlensäurehaltiger Kohle, SiO2 und Graphit sind, haben ihr Vorhandensein nachgewiesen. Die RFA- und XRD-Analysen stimmen mit dieser Schlussfolgerung überein.

Mittels RFA-Analyse wurden die Al-, PP- und CCP-Pulver, aus denen die Al-PP-CCP-Hybridverbundwerkstoffe bestehen, einer chemischen Analyse unterzogen. Die Ergebnisse sind in den Tabellen 3 und 4 dargestellt.

Das in Tabelle 3 gezeigte Ergebnis zeigte, dass die Legierung einen erheblichen Anteil an Aluminium enthält (98,18 % ihres Gewichts), was mit anderen Untersuchungen übereinstimmt, die sich mit Legierungsverbundwerkstoffen aus Aluminium befasst haben40,41. Darüber hinaus zeigte die in Tabelle 4 gezeigte RFA-Studie, dass die Hauptelemente des CCP SiO2, Al2O3, SO3, Fe2O3, TiO2, MgO und CaO waren, während die Hauptbestandteile des PP SiO2, Fe2O3, Al2O3, CaO, K2O waren und TiO. Die Ergebnisse von 38,42 für PP und 43 für CCP stimmen mit diesem Ergebnis überein. Darüber hinaus ergab die RFA-Studie, dass die chemische Zusammensetzung von PP und CCP mit anderen landwirtschaftlichen Abfällen vergleichbar ist, die derzeit in Metallmatrix-Verbundwerkstoffen verwendet werden, wie z. B. Bagasse, Johannisbrot-Abfallasche, Reisschalenasche und Flugasche38,40,44. Siliciumdioxid, Eisenoxid und Aluminiumoxid gehören zu den härtesten Materialien und38 behaupten, dass sie sich aufgrund ihrer Anwesenheit in PP und CCP zur Verstärkung in einer Vielzahl von Metallmatrizen eignen.

Abbildung 3 zeigt die Ergebnisse der XRD-Charakterisierung von PP und CCP. Das Ergebnis zeigt die charakteristischen Bimssteinspitzen bei 23° und 28°, die zum natürlich vorkommenden Zeolithmaterial Dachiardit [(Ca, Na, K, Mg)4, (Si, Al)24O48,13H2O], Anorthit (CaAl2Si2O8) Albit ( NaAlSi3O8), Chlorit-Serpentin. Darüber hinaus stieg die Hintergrundlinie im 2Theta-Bereich von 20° bis 30° an, was auf das Vorhandensein von amorphem Quarzmaterial in PP45 hinweist. Das CCP-Pulver wurde abgeglichen und die Ergebnisse zeigten das Vorhandensein von Quarz-, Graphit-, Montmorillonit-, Muskovit- und Chloritphasen.

XRD-Analyse von PP- und CCP-Pulvern.

Basierend auf den mit dieser Studie verbundenen Versuchsläufen, wie in den Tabellen 1, 5 gezeigt, sind die prozentuale Dehnung der hergestellten Al-PP-CCP-Hybridverbundwerkstoffe sowie die prozentuale Dehnung der Kontroll-Al-Legierung angegeben. Das Ergebnis zeigte, dass die maximale prozentuale Dehnung von 5,6 % bei 2,5 Gew.-% PP, 2,5 Gew.-% CC, einer Rührgeschwindigkeit von 200 U/min, einer Verarbeitungstemperatur von 700 °C und einer Rührzeit von 5 Minuten erreicht wurde. Eine minimale prozentuale Dehnung von 2,09 % wurde bei 10 Gew.-% PP, 2,5 Gew.-% CCP, einer Rührgeschwindigkeit von 500 U/min, einer Verarbeitungstemperatur von 750 °C und einer Rührzeit von 15 Minuten erreicht. Aus diesem Ergebnis lässt sich schließen, dass die prozentuale Dehnung des Al-PP-CCP-Hybridverbundwerkstoffs im Vergleich zum Gussaluminium abnimmt, das eine prozentuale Dehnung von 7,51 % aufweist. Die Abnahme der prozentualen Dehnung kann mit dem Vorhandensein einer harten und spröden Verstärkung in der duktilen Al-Matrix verbunden sein, was zu einer Barriere im plastischen Fluss des Verbundwerkstoffs führt. Ähnliche Studien von unter anderem46,47,48 stimmten mit dieser Feststellung überein.

Mithilfe der Taguchi-Entwurfstechnik wurden die Parameter des Rührgussprozesses basierend auf dem S/N-Verhältnis der in Tabelle 5 gezeigten Versuchsläufe angepasst. Die Antworttabelle für das S/N-Verhältnis und den Mittelwert hängt von den verschiedenen Faktoren und Werten ab Die bei dieser Untersuchung berücksichtigten Parameter sind in Tabelle 6 aufgeführt. Die prozentuale Dehnung der Al-PP-CCP-Hybridverbundwerkstoffe wird in diesem Ergebnis nachweislich von jedem Parameter des Rührgussprozesses beeinflusst, wobei die Faktoren auch auf der Grundlage des S/N-Verhältnisses eingestuft werden Verhältnis, um zu veranschaulichen, welcher Faktor den größten Einfluss hat. Folglich hat das PP den größten Einfluss, gefolgt von der Verarbeitungstemperatur, der Rührgeschwindigkeit, dem CCP und der Rührzeit.

Die Auswirkung von PP, CCP, Rührgeschwindigkeit, Verarbeitungstemperatur und Rührzeit auf die prozentuale Dehnung ist in Abb. 4 dargestellt. Abbildung 4a zeigt die Auswirkung von PP auf die prozentuale Dehnung des verstärkten Aluminium-Metallmatrix-Verbundwerkstoffs. Es wurde beobachtet, dass die prozentuale Dehnung abnahm, wenn die Gewichtszusammensetzung von PP von maximal 2,5 auf 10 Gew.-% anstieg. Die Abnahme der prozentualen Dehnung kann auf das Vorhandensein einer härteren und steiferen Bimssteinverstärkung zurückgeführt werden, die Quarz, Anorthit und Albit enthält, wie in der RFA-Analyse gezeigt. Dieser Befund steht im Einklang mit den Studien von Nagaral et al.49 und Anbuchezhiyan et al.50, die beobachteten, dass die prozentuale Dehnung von Metallmatrix-Verbundwerkstoffen mit zunehmendem Verstärkungsgehalt abnimmt.

Variation der prozentualen Dehnung bei Verstärkungszugabe; (a) Bimssteinpulver vs. prozentuale Dehnung, (b) kohlensäurehaltige Kohlepartikel vs. prozentuale Dehnung.

Abbildung 4b zeigt die Auswirkung von CCP auf die prozentuale Dehnung des verstärkten Al-PP-CCP-Hybridverbundwerkstoffs. Es wurde beobachtet, dass die prozentuale Dehnung des Verbundwerkstoffs mit einer Erhöhung der Gewichtszusammensetzung von CCP von 2,5 Gew.-% auf 7,5 um 3,38 % auf 3,99 % zunimmt Gew.-%, und jenseits dieses Punktes kehrt sich der Trend um. Die Festigkeitssteigerung ist auf die homogene Verteilung der CCP-Verstärkung in der Matrix zurückzuführen. Die Umkehrung der prozentualen Dehnung nach 7,5 Gew.-% wird auf die schlechte Benetzbarkeit zurückgeführt, die mit zunehmender Gewichtszusammensetzung von CCP zunimmt. Dieser Befund ähnelt der Arbeit von Muni et al.51, die einen Anstieg der prozentualen Dehnung als Folge der gleichmäßigen Verteilung der Verstärkung beobachteten.

Abbildung 5a zeigt den Einfluss der Rührgeschwindigkeit auf die prozentuale Dehnung des verstärkten Aluminium-Metallmatrix-Verbundwerkstoffs. Es wurde beobachtet, dass mit zunehmender Rührgeschwindigkeit die prozentuale Dehnung von einem Maximalwert von 4,275 % bei einer Rührgeschwindigkeit von 200 U/min auf ein Minimum von 3,12 % bei einer Rührgeschwindigkeit von 500 U/min abnimmt. Der Rückgang kann auf eine stärkere Rührstärke der Aufschlämmung zurückgeführt werden, was zu einer Ansammlung der Verstärkungspartikel führt und den Einschluss von Gasen in der Aufschlämmung begünstigt, was zu hoher Porosität und Blasen führt. Diese Ergebnisse stimmen mit einigen verwandten Studien von52 überein, die beobachteten, dass höhere Rührgeschwindigkeiten aufgrund der stärkeren Rührstärke der Aufschlämmung zu einer erheblichen Ungleichmäßigkeit der Partikelverteilung führten, was zu einer Ansammlung der Partikel und einer Gasabsorption in der Aufschlämmung führte.

Variation der prozentualen Dehnung mit dem Rührprozessparameter; (a) Rührgeschwindigkeit vs. prozentuale Dehnung, (b) Verarbeitungstemperatur vs. prozentuale Dehnung (c) Rührzeit vs. prozentuale Dehnung.

Abbildung 5b zeigt, dass durch Erhöhung der Gießtemperatur die prozentuale Dehnung von 4,327 % bei 700 °C auf 2,945 % bei 850 °C abnahm. Der Rückgang ist auf die ungleichmäßige Verteilung der Verstärkung in der Aufschlämmung und die Aufnahme von Gasen in die Schmelze zurückzuführen, die zu Porosität führen können. Das Rühren bei einer hohen Temperatur über dem optimalen Wert könnte ebenfalls die Ursache für die Reduzierung sein, da das Rühren bei einer höheren Temperatur zur Bildung schädlicher neuer intermetallischer Phasen und Lunker im hergestellten Verbundwerkstoff führt. Dieser Befund steht im Einklang mit den Studien von53, die beobachteten, dass eine Erhöhung der Rührtemperatur über das Optimum hinaus zu einer weniger homogenen Verteilung der Partikel und zur Bildung unerwünschter Phasen führte, die sich negativ auf den Verbundstoff auswirken.

Die Variation der prozentualen Dehnung mit der Rührzeit (ST) für den Al-PP-CCP-Hybridverbundstoff ist in Abb. 5c dargestellt. Anhand des Ergebnisses konnte beobachtet werden, dass die prozentuale Dehnung bei einer Rührzeit von 15 Minuten auf einen optimalen Wert von 3,87 % anstieg und dann weiter abnahm, bis sie die Rührzeit von 20 Minuten erreichte. Der Anstieg ist auf die hervorragende Mischung der Verstärkungen zurückzuführen, die zu einer gleichmäßigen Verteilung in der Matrix führte. Im Gegensatz dazu ist die Abnahme der prozentualen Dehnung mit zunehmender Rührzeit auf eine längere Rührdauer zurückzuführen, die zu einer Gasaufnahme und Oxidation in der flüssigen Aluminiummatrix führt. Dieses Ergebnis steht im Einklang mit den Studien von Azadi et al.54, die beobachteten, dass eine Erhöhung der Rührzeit über den optimalen Wert hinaus zweifellos die Gasabsorptionsfähigkeit und Oxidation der hergestellten Verbundwerkstoffe erhöht, was ihre mechanischen Eigenschaften verringert.

Um die Beziehung zwischen der Antwortvariablen und zwei Kontrollvariablen zu untersuchen, wurden Konturdiagramme wie in Abb. 6 verwendet.

Wechselwirkungskonturdiagramme der prozentualen Dehnung (PE) mit Prozessparametern bei verschiedenen Verstärkungszusätzen: (a) PE vs. CC, PP, (b) PE vs. PT, PP, (c) PE vs. SS, PP, (d) PE vs. ST, PP, (e) PE vs. SS, CC, (f) PE vs. PT, CC, (g) PE vs. ST, CC, (h) PE vs. PT, SS, (i) PE vs. ST, SS, (j) PE vs. PT, ST.

In Abb. 6a wurde beobachtet, dass unter Beibehaltung anderer Prozessparameter eine maximale prozentuale Dehnung von 5,6 % durch eine Wechselwirkung zwischen PP bei 2,5 Gew.-% und CCP bei 2,5 Gew.-% erreicht werden kann. Abbildung 6b zeigt, dass durch eine Wechselwirkung von PP bei 2,5 Gew.-% und PT bei 700 °C eine maximale prozentuale Dehnung von 5,6 % erreicht werden kann. Abbildung 6c zeigt, dass die Wechselwirkung von 2,5 Gew.-% PP und einer SS von 200 U/min eine maximale prozentuale Dehnung von 5,6 % ergibt. Wie in Abb. 6d gezeigt, kann die maximale prozentuale Dehnung von 5,6 % bei der Wechselwirkung von 2,5 Gew.-% PP-Gehalt und 5 Minuten ST-Dauer erreicht werden. Abbildung 6e zeigt, dass bei der Wechselwirkung von 2,5 Gew.-% CC-Gehalt und 200 U/min SS eine maximale prozentuale Dehnung von 5,6 % erreicht werden kann. Abbildung 6f zeigt, dass bei einer Wechselwirkung von 2,5 Gew.-% CCP und einer Verarbeitungstemperatur von 700 °C eine maximale prozentuale Dehnung von 5,6 % erreicht werden kann. Abbildung 6g zeigt, dass die maximale prozentuale Dehnung von 5,6 % mit einer Wechselwirkung von 2,5 Gew.-% CCP und einer ST von 5 Minuten erreicht werden kann. Abbildung 6h zeigt, dass bei einer Rührgeschwindigkeit von 200 U/min und einer Verarbeitungstemperatur von 700 °C eine höhere prozentuale Dehnung von 5,6 % erreicht werden konnte. Abbildung 6(i) zeigt, dass die Aufschlämmung 5 Minuten lang mit 200 U/min gerührt werden muss, um eine maximale prozentuale Dehnung von 5,6 % zu erreichen, wobei andere Parameter konstant gehalten werden müssen. Abbildung 6j zeigt, dass eine maximale prozentuale Dehnung von 5,6 % im Zusammenspiel von Verarbeitungstemperatur bei 700 °C und Saitendauer von 5 Minuten erreicht werden könnte, wenn andere Parameter konstant gehalten werden.

Aus Tabelle 6 und Abb. Wie aus den 4 und 5 hervorgeht, sind die höchsten mittleren S/N-Verhältnisse, die für die prozentuale Dehnung in Bezug auf die Parameter des Rührgussverfahrens erhalten wurden, PP bei 2,5 Gew.-%, CCP bei 7,5 Gew.-%, Rührgeschwindigkeit bei 200 U/min, Verarbeitungstemperatur bei 700 °C und Rühren Zeit bei 10 Minuten, entsprechend PP1–CC3–SS1–PT1–ST2. Unter Verwendung der optimalen Einstellungen des Rührgussprozessparameters (PP1–CC3–SS1–PT1–ST2) kann eine optimale prozentuale Dehnung für den Hybrid-Aluminium-Verbundwerkstoff mithilfe von Gleichung (1) vorhergesagt werden. (2) und Tabelle 6.

wobei Tm der Gesamtmittelwert oder das S/N-Verhältnis aus Tabelle 5 ist, Tm = 3,6065 %; \({(T}_{ik}{)}_{max}\) ist der Mittelwert bei optimalem Niveau i des Faktors k, T1PP = 4,486 %, T3CC = 3,993 %, T1SS = 4,275 %, T1PT = 4,327 %, und T2ST = 3,873 %, in Tabelle 6 fett dargestellt, und \({k}_{n}\) ist die Anzahl der Hauptdesignfaktoren, die die Reaktion beeinflussen, was gleich 5 ist. Dies ergab die optimale prozentuale Dehnung von 6,51 %.

Zur Validierung der von Taguchi vorhergesagten optimalen Bedingungen; Ein neuer Al-PP-CCP-Verbundwerkstoff wurde unter Verwendung der optimalen Werte der Faktoren (PP1–CC3–SS1–PT1–ST2) gegossen und an der hergestellten Probe wurden in drei Wiederholungen Tests zur Bestätigung der prozentualen Dehnung gemäß ASTM-Standard durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 7 aufgeführt. Die Bestätigung der prozentualen Dehnung ergab einen Wert von 7,12 %.

Die lineare Regressionsanalyse wurde mit der Minitab-Software durchgeführt. Diese Analyse generierte eine ANOVA, die die Faktoren und ihre Wechselwirkungen berücksichtigte, um das Signifikanzniveau jedes Verarbeitungsparameters zu bestimmen. Das erhaltene Ergebnis ist in Tabelle 8 dargestellt, in der beim signifikanten Niveau von 0,05, dem Regressionsmodell, PP, SS und PT signifikant sind und PP den höchsten prozentualen Beitrag zur prozentualen Dehnung des Hybridverbundwerkstoffs leistet. Die Regressionsanalyse ergab ein prädiktives mathematisches Modell für die prozentuale Dehnung (PE) als Funktion der Rührgussprozessparameter, das ein hohes Maß an Vorhersage lieferte, mit R-Quadrat, R-Quadrat (adj) und R-Quadrat (voreingestellt). Werte von 91,60 %, 87,41 % bzw. 79,32 %. Laut55,56 gilt ein R-Quadrat-Wert von mehr als 75 % als ausreichend, was auf eine gute Übereinstimmung zwischen den Antworten und den Prozessparametern schließen lässt. Das Regressionsmodell ist in Gl. angegeben. (3).

Abbildung 7 vergleicht die vorhergesagte und die experimentelle prozentuale Verlängerung der in dieser Studie berücksichtigten Versuchsläufe. Der Vergleich dieser Diagramme innerhalb des Konfidenzintervallbereichs (CI) der Modellvorhersage zeigt die Akzeptanz der optimalen prozentualen Dehnungsvorhersage innerhalb des Konfidenzintervalls von 95 %.

Vorhergesagte vs. experimentelle Darstellung der prozentualen Dehnung des Al-PP-CCP-Hybridverbundwerkstoffs.

Für diese Studie wird erwartet, dass der experimentelle Wert innerhalb dieses Bereichs liegt;

Dabei ist TSpredictive der vorhergesagte oder optimale Gesamtdehnungsprozentsatz, TSexperimental der experimentelle Wert nach dem Bestätigungstest und CI das Konfidenzintervall.

Gleichung (4) wurde zur Bewertung des Konfidenzintervalls verwendet.

wobei \({F}_{\alpha }\left(1, {F}_{e}\right)\)= F-Verhältnis erforderlich für α = Risiko; Fe = Fehler-DOF; aus Tabelle 4.5 Fe = 10 ∴ aus F-Tabelle \({F}_{\alpha }\left(1, {F}_{e}\right)\)= \({F}_{0.05}\) (1,10) = 4,96, Ve = Fehlervarianz, aus der ANOVA-Tabelle 8 Ve = 1,3215; W = entspricht der Anzahl der Replikationen zum Ausführen des Bestätigungstests = 3; U = effektive Anzahl von Replikationen.

wobei N die Gesamtzahl der Ergebnisse = 48 und T der Gesamtfreiheitsgrad der kontrollierten Faktoren = 5 ist. Durch Einsetzen dieser Werte in Gl. (5).

\(\also U=\) 8.

Einsetzen der Werte von \({f}_{\alpha \left(1, de\right)}, {v}_{e}, U und w\) in Gleichung. (4)

∴ CI = 1,733.

Der aus dem Bestätigungstest erhaltene Gesamtdehnungsprozentsatzwert zeigt, dass der experimentelle Wert innerhalb des Konfidenzintervallbereichs des Gesamtdehnungsprozentsatzes liegt, sodass:

In diesem Fall ist PEpredictive = 6,51.

Die Studie berücksichtigte die Verwendung des Taguchi-Optimierungsansatzes zur Optimierung der Gewichtszusammensetzung der natürlichen Keramikverstärkung (Bimsstein und karbonisierte Kohlepartikel) sowie den Einfluss der Rührgussprozessparameter auf die prozentuale Dehnung von Al-PP-CCP-Hybridverbundwerkstoffen . Die härtesten Bestandteile, Siliziumdioxid, Eisenoxid und Aluminiumoxid, wurden bei der Charakterisierung der Verstärkung gefunden, was darauf hindeutet, dass PP und CCP für die Verwendung als Verstärkung in einer Vielzahl von Metallmatrizen geeignet sind, obwohl sie die prozentuale Dehnungseigenschaft verringern. Durch die Optimierung der Rührgussprozessparameter wurde festgestellt, dass das PP den größten Einfluss auf die prozentuale Dehnung des Hybridverbundwerkstoffs hat, gefolgt von der Verarbeitungstemperatur, der Rührgeschwindigkeit, dem CCP und der Rührdauer. Aufgrund des Vorhandenseins einer zäheren und steiferen PP-Verstärkung wurde festgestellt, dass die prozentuale Dehnung mit abnehmender Gewichtszusammensetzung des PP zunahm und bei 2,5 Gew.-% ein Maximum erreichte. Die beste prozentuale Dehnung lag bei 5,6 %, was 25,43 % weniger ist als die prozentuale Dehnung einer Al-Legierung ohne Verstärkung bei 2,5 Gew.-% PP, 2,5 Gew.-% CCP, 700 °C PT, 200 U/min SS und 5 min. ST-Zeit. Der aus dem Bestätigungstest erhaltene prozentuale Dehnungswert zeigt, dass der experimentelle Wert innerhalb des Konfidenzintervallbereichs der prozentualen Dehnung liegt. Mit R-Quadrat- und R-Quadrat-Werten (adj) von 91,60 % bzw. 87,41 % erstellte die Regressionsanalyse ein prädiktives mathematisches Modell für die prozentuale Dehnung (PE) als Funktion der Rührgussprozessparameter und lieferte einen hohen Grad der Vorhersage.

Bewertung der tribologischen und thermischen Eigenschaften des Hybridverbundwerkstoffs.

Die zur Reproduktion dieser Ergebnisse erforderlichen Roh-/verarbeiteten Daten können derzeit nicht weitergegeben werden, da die Daten auch Teil einer laufenden Studie (Doktorarbeit) sind.

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Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Federal University Wukari, Taraba, Nigeria

Mein Name ist Kogi Ibrahim

Abteilung für Maschinenbau, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Ahmadu Bello University, Zaria, Nigeria

Tanimu Kogi Ibrahim, Danjuma Saleh Yawas und Bashar Dan-asabe

Büro des Shell JV Professorial Chair, Abteilung Maschinenbau, Ahmadu Bello University, Zaria, Nigeria

Danjuma Saleh Yawas

Abteilung für Metallurgie und Werkstofftechnik, Fakultät für Lufttechnik, Air Force Institute of Technology, Kaduna, Nigeria

Adetayo Abdulmumin Adebisi

Abteilung für Metallurgie und Werkstofftechnik, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Ahmadu Bello University, Zaria, Nigeria

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Korrespondenz mit Tanimu Kogi Ibrahim.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Ibrahim, TK, Yawas, DS, Dan-asabe, B. et al. Taguchi-Optimierung und Modellierung der Parameter des Rührgussprozesses in Bezug auf die prozentuale Dehnung von Verbundwerkstoffen aus Aluminium, Bimsstein und kohlensäurehaltiger Kohle. Sci Rep 13, 2915 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-29839-8

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Eingegangen: 14. November 2022

Angenommen: 10. Februar 2023

Veröffentlicht: 20. Februar 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-29839-8

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