Optimización y modelado de Taguchi de los parámetros del proceso de fundición por agitación en el porcentaje de elongación de compuestos de aluminio, piedra pómez y carbón carbonatado

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 2915 (2023) Citar este artículo

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Los compuestos de matriz de aluminio, que son una subclase de los compuestos de matriz metálica, tienen características que incluyen baja densidad, alta rigidez y resistencia, mejor resistencia al desgaste, expansión térmica controlada, mayor resistencia a la fatiga y estabilidad mejorada a altas temperaturas. Las comunidades científica e industrial están interesadas en estos compuestos porque pueden usarse para fabricar una amplia variedad de componentes para aplicaciones de vanguardia. Este estudio ha observado cómo la velocidad de agitación, la temperatura de procesamiento y la duración de la agitación del proceso de fundición por agitación afectaron el porcentaje de elongación de los compuestos híbridos de Al-Pumice (PP)-carbonized Coal Particles (CCP). También analizó el peso óptimo de estos refuerzos de cerámica natural utilizando la técnica de optimización de Taguchi. Mientras se optimizaba la propiedad de elongación porcentual, se descubrieron compuestos duros como sílice, óxido de hierro y alúmina durante la caracterización del refuerzo, lo que demuestra que PP y CCP se pueden usar como refuerzo en compuestos de matriz metálica. Se demostró que el porcentaje de elongación del compuesto híbrido se ve más afectado por el PP, seguido de la temperatura de procesamiento, la velocidad de agitación, el CCP y el tiempo de agitación, utilizando la optimización de parámetros del proceso de fundición por agitación. Se observó que con un 2,5 % en peso de partículas de piedra pómez, un 2,5 % en peso de partículas de carbón carbonatado, una temperatura de procesamiento de 700 °C, una velocidad de agitación de 200 rpm y un tiempo de agitación de 5 min, se descubrió que el porcentaje óptimo de elongación era del 5,6 %, que es 25,43% inferior al porcentaje de elongación de la aleación de Al sin refuerzo. El estudio de regresión desarrolló un modelo matemático predictivo para el porcentaje de elongación (PE) en función de los parámetros del proceso de fundición por agitación y ofreció un alto grado de predicción, con R-Square, R-Square (adj) y R-Square (pred ) valores de 91,60%, 87,41% y 79,32% respectivamente.

Actualmente, se necesitan materiales más fuertes, livianos y asequibles para aplicaciones de vanguardia1. Para lograr estos criterios, los investigadores ahora se están concentrando en desarrollar compuestos híbridos con una fuerte relación resistencia-peso2. La aleación de aluminio es la aleación más utilizada para desarrollar el compuesto híbrido debido a su alta relación resistencia-peso, conductividad térmica, trabajabilidad, fundición y propiedades de forja. Pero las aleaciones de aluminio tienen ciertas desventajas, como baja rigidez, tenacidad, resistencia a la fatiga, un alto coeficiente de expansión térmica y características tribológicas inadecuadas. Entre las formas más efectivas de lograr mejoras en las propiedades de las aleaciones de aluminio se encuentra la creación de compuestos híbridos con dos o más tipos de refuerzo. Los compuestos híbridos brindan varios beneficios sobre los materiales monolíticos, de aleación y compuestos, que incluyen una alta relación resistencia-peso, resistencia superior a la corrosión y al desgaste, resistencia y rigidez, baja conductividad térmica y expansión térmica, bajo peso y mejores características de impacto y flexión. . menor costo compuesto en general3,4. Los materiales híbridos están formados por una matriz y dos o más elementos de refuerzo5. Se fabrican utilizando una variedad de técnicas, que incluyen pulvimetalurgia, fundición por agitación, fundición por agitación en dos pasos y fundición por presión6, para lograr las propiedades mecánicas y el comportamiento tribológico deseados: alta resistencia específica, que incluye rigidez, densidad, microdureza, bajo coeficiente de expansión térmica, alta resistencia térmica y buena capacidad de amortiguación7.

Se ha demostrado que las partículas cerámicas como la piedra pómez y las partículas de carbón carbonizado mejoran significativamente las características mecánicas del aluminio y sus aleaciones cuando se utilizan como refuerzo8. La dureza, el límite elástico y la resistencia a la tracción del aluminio aumentan, pero la ductilidad y el porcentaje de elongación se reducen mediante la adición de partículas como alúmina, SiC, B4C, etc.9. Cuando se compara con los materiales fundamentales utilizados en la cerámica, la piedra pómez exhibe algunas cualidades químicamente comparables10. El 60 a 75% restante del material, que está compuesto principalmente por Al2O3 y SiO2, está compuesto por estos dos óxidos8. Cuando su composición se combina con los tamaños de los depósitos conocidos, que suman miles de millones de toneladas, la piedra pómez, que puede estar en su forma de partículas (es decir, partículas de piedra pómez-PP), tiene el potencial de ser utilizada como materia prima cerámica10. Debido a sus numerosos atributos beneficiosos, como sus propiedades puzolánicas, tamaño de partícula diminuto, naturaleza abrasiva y mineralogía, las partículas de carbón carbonatado (CCP) también tienen el potencial para un uso significativo en el campo de la cerámica11,12. Para extender la vida útil y reducir el peso, se ha hecho un gran esfuerzo para mejorar las características mecánicas de los compuestos compuestos por una matriz de aluminio13. Si bien el desempeño de otras cualidades mecánicas ha mejorado, el inconveniente fundamental de los materiales cerámicos de refuerzo es la disminución del porcentaje de elongación de los AMC14. La dureza y la fragilidad de los compuestos de aluminio pueden aumentar si se agregan partículas de cerámica a la aleación5. La utilización de tales compuestos se ha convertido en un desafío debido a esta propiedad. Las investigaciones de los refuerzos de la aleación de aluminio son necesarias para evaluar su desempeño en ciertas aplicaciones y superar estas restricciones.

Las técnicas de fundición por agitación son actualmente el método más simple y comercialmente viable para fabricar compuestos de matriz metálica. Este método implica mezclar mecánicamente las partículas de refuerzo en un baño de metal fundido y luego transferir la mezcla a un molde formado hasta que solidifique por completo15. El montaje experimental incluye un horno de calentamiento por resistencia para fundir el metal base, un mecanismo de alimentación de partículas cerámicas y un agitador mecánico acoplado a un motor eléctrico para mezclar las partículas precalentadas con el líquido matriz16. El avance intrigante más reciente es el colado de doble agitación, o proceso de mezcla de dos pasos. En este proceso, el material de la matriz se calienta por encima de su temperatura de liquidus, luego la masa fundida se enfría a una temperatura entre los puntos de liquidus y solidus (estado semisólido). Las partículas de refuerzo precalentadas se agregan y mezclan en esta etapa. Luego, la suspensión se calienta hasta un estado líquido completo y se mezcla completamente una vez más. Los problemas clave con el método de fundición por agitación son la aglomeración de partículas de refuerzo, la porosidad/atrapamiento de gas, la viscosidad de reacción y la segregación causada por la sedimentación de partículas durante la solidificación y la aglomeración de partículas. Para la dispersión uniforme de las partículas de refuerzo, la elección de los ajustes para el proceso de agitación presenta importantes obstáculos17.

El impacto de las variables del proceso en la dispersión de las partículas de refuerzo ha sido ampliamente investigado. Las variables cruciales que se rastrearon fueron la duración de la agitación, la temperatura de procesamiento y el ritmo. Según Singh et al. una velocidad de agitación de 550 rpm, un agitador con un ángulo de pala de 45° y un período de agitación de 6 min son los ajustes ideales para dispersar partículas de manera uniforme en muestras coladas18. Moses et al.19 encontraron que la resistencia a la tracción del compuesto moldeado estaba en su punto máximo mientras se agitaba a 300 rpm durante 15 min, con un ángulo de pala de 30°. Según Prabu et al.20, se observó una dispersión más uniforme de partículas en las muestras fundidas a una velocidad de agitación de 600 rpm y un período de agitación de 10 min. En el mismo espécimen, también notaron más dureza. Antes de verter el material compuesto en la cavidad del molde, se desea una dispersión homogénea de las partículas. Los fenómenos de flujo y solidificación provocarían un aumento de la falta de homogeneidad en la masa fundida vertida. La gravedad y las circunstancias cinéticas cambiantes que surgen durante la transición de líquido a sólido impactan en la dispersión final de partículas durante la solidificación21.

Los estudios han mejorado los parámetros de entrada que dan como resultado una respuesta de salida basada en el enfoque de optimización de Taguchi22. Utilizando la función de pérdida de este enfoque, se calculan las medidas de rendimiento que se desvían del valor objetivo deseado. El valor de esta función de pérdida se utiliza para calcular la relación señal/ruido (S/N). En general, se utilizan tres categorías para categorizar el desempeño: "más pequeño, mejor", "nominal, mejor" y "más alto, mejor" estadísticas23. El objetivo y la novedad de este estudio es, por primera vez, aplicar el enfoque de optimización de Taguchi para optimizar la composición en peso del refuerzo cerámico natural (partículas de piedra pómez y carbón carbonatado), así como el impacto de los parámetros del proceso de fundición por agitación (velocidad de agitación). , temperatura de procesamiento y tiempo de agitación) en un porcentaje óptimo de elongación "más alto es mejor" de los compuestos híbridos Al-PP-CCP.

Se emplearon polvo de aluminio, piedra pómez y carbón en la producción de compuestos híbridos Al-PP-CCP. Mientras que el carbón se obtuvo de la mina de carbón Dangote en Effeche-Akpalli, estado de Benue, Nigeria, la piedra pómez se extrajo localmente bajo tierra en ubicaciones mineras en Biu, estado de Borno, Nigeria.

El aluminio 6061 es parte de la serie 6xxx de aleaciones de aluminio, que tienen magnesio y silicio como elementos principales de aleación. Tiene una buena relación resistencia-peso, conductividad térmica, soldabilidad, trabajabilidad, fundición, maquinabilidad, propiedades de forja y resistencia a la corrosión. Sus aplicaciones van desde componentes automotrices y aeroespaciales hasta envases de alimentos y bebidas, productos electrónicos, etc.

Para eliminar la humedad y la suciedad, la piedra pómez se lavó y se secó en un horno a 100 °C durante 48 h después de extraerla de las minas locales subterráneas en el estado de Borno, Nigeria. Los grumos agregados luego se procesaron en polvos finos moliéndolos primero con un mortero de laboratorio. Esta técnica de fabricación es consistente con la investigación de24,25. Se obtuvieron partículas de piedra pómez (PP) de un tamaño de 90 μm tamizando más el polvo de piedra pómez. La Figura 1a muestra las partículas de carbón carbonatado producidas.

Refuerzos y compuestos fundidos (a) piedra pómez en bruto y en polvo (b) carbón carbonatado en bruto y en polvo (c) compuesto de aluminio híbrido fundido.

Usando una máquina trituradora, el carbón que se recuperó de la mina de carbón de Dangote primero se partió en grumos más pequeños. Los grumos se colocaron en un crisol de grafito y se calentaron a 1100 °C durante 8 h en un horno eléctrico sin aire. El carbón carbonizado se limpió con agua para eliminar las impurezas y se secó para minimizar el contenido de humedad después de normalizarse en el horno. Luego, el carbón carbonizado se pulverizó y trituró en un mortero de laboratorio para convertir los grandes trozos de carbón en pequeños gránulos. Los estudios de26,27 avalan esta técnica. Para lograr partículas de carbón carbonizado (CCP) de 90 μm de tamaño, el carbón carbonizado producido se sometió a un tamizado adicional. La figura 1b muestra las partículas de carbón carbonatado producidas.

El compuesto híbrido Al-PP-CCP se creó utilizando el método de fundición con agitación por vertido inferior y metalurgia líquida. Según28, el PP y el CCP producidos se calentaron en el horno durante dos horas a 500 °C con la intención de oxidar y calcinar las superficies de las partículas. Luego, para garantizar que la aleación se funde por completo, los lingotes de Al se cargaron en un crisol en un horno eléctrico y se calentaron a 690 °C (30 °C por encima de la temperatura de liquidus). Se usó un skimmer revestido calentado para eliminar la escoria que se había formado en la superficie del aluminio fundido. Para aumentar la humectabilidad entre la matriz y las fases de refuerzo y para eliminar los gases del fundido, se añadieron 0,01 % de polvo de NaCl-KCl y 1 % en peso de magnesio (que actúa como tensioactivo) antes de la integración de las partículas calentadas según los métodos de 29 ,30.

Se dejó caer un agitador de acero inoxidable revestido en el horno para agitar la masa fundida y formar un vórtice mientras la aleación líquida se enfriaba en el horno hasta un estado semisólido a una temperatura de aproximadamente 600 °C. En este punto, en un minuto, las partículas calentadas, cada una con una composición en peso de 2,5 a 10 % en peso, se agregaron lentamente a la suspensión derretida31,32. Después de eso, la suspensión compuesta se calentó a varios parámetros del proceso de fundición con agitación, incluida la velocidad de agitación (SS) (200–500 rpm), la temperatura de procesamiento (PT) (700–850 °C) y el tiempo de agitación (ST) (5– 20 min) según la corrida experimental. Además, según el método de Aynalem33, el molde se calentó a una temperatura de alrededor de 550 °C antes de verter la suspensión en el molde. La aleación de aluminio sin refuerzo también se hizo como muestra de control para comparar los efectos del refuerzo. El compuesto de aluminio híbrido producido se muestra en la Fig. 1c.

Los ensayos de este estudio se diseñaron utilizando el arreglo ortogonal (OA) de Taguchi, siguiendo la recomendación de34. Para esta investigación se utilizaron cinco factores de procesamiento con cuatro niveles de diseño. La Tabla 1 muestra las variables y los niveles empleados en la producción de compuestos híbridos Al-PP-CCP, mientras que la Tabla 2 muestra la matriz ortogonal de corridas experimentales L16 producidas por el programa estadístico Minitab.

Las morfologías de los polvos de aleación de Al, PP y CCP se investigaron en un microscopio electrónico de barrido (SEM) de ultra alto vacío y alta resolución con rayos X de dispersión de energía (EDX) que funciona a 16,0 kV. Las muestras se ordenaron utilizando una tasa de deposición baja para pulverizar oro sobre sus superficies.

Utilizando un espectrómetro de fluorescencia de rayos X Philips, modelo PW 2400, se investigaron las composiciones elementales de la aleación de Al, PP y CCP. Los espectrómetros de fluorescencia de rayos X (XRF) pudieron identificar la fluorescencia emisiva de varias sustancias dentro de las muestras al diferenciar entre los rayos X de entrada y los rayos gamma de salida.

Los patrones estructurales de los polvos de PP y CCP se determinaron utilizando un método de difracción de rayos X en polvo (XRD) usando un tubo de cobre (1.5418 A) producido a un voltaje de 40 kV y una corriente de 30 mA en un Difractómetro Rigaku Miniflex a través de un Rango 2theta de 5°–80°35.

El porcentaje de elongación del compuesto híbrido Al-PP-CCP se realizó de conformidad con la norma ASTM E8M-91. Usando una máquina de prueba computarizada (Zwick/Roell Z100) en especímenes con una dimensión estándar de diámetro de 12,7 mm y una longitud calibrada de 50,8 mm, se obtuvo el porcentaje de elongación. Para cada espécimen, la prueba de elongación se realizó tres veces para asegurar la repetibilidad y confiabilidad de los datos obtenidos36.

La propiedad de elongación porcentual experimental de los compuestos híbridos Al-PP-CCP desarrollados se analizó mediante la optimización de Taguchi, el análisis de varianza (ANOVA) y el análisis de interacción con la ayuda de Minitab (Versión 16.1, Minitab Inc.) y Origin (Versión 2020, software OriginLab). Una técnica común para evaluar la fuerza de la conexión entre secuencias se basa en la relación señal-ruido.

En esta investigación, se eligieron valores de elongación de alto porcentaje para las propiedades generales del material compuesto. Como resultado, en la etapa experimental, las calificaciones se crearon utilizando el criterio de normalización "más grande es mejor" de optimización de Taguchi37. El mejor nivel de este parámetro de proceso es el que tiene la mayor relación S-N22. La ecuación (1) describe el enfoque de preprocesamiento de datos lineales de criterio más grande es mejor que se utilizó en este trabajo para calcular el porcentaje de elongación del material compuesto bajo investigación en función de la relación S/R de la función.

donde n es el tamaño de la muestra y yi es el porcentaje de elongación de la corrida.

La microestructura y EDS de la aleación de Al, PP y CCP se representan en la Fig. 2a, b. Los granos primarios de la solución sólida de Al se representan en la Fig. 2a, junto con las regiones eutécticas interdiméricas de Al-Si que contienen una variedad de fases intermetálicas, incluidos los precipitados del compuesto intermetálico Mg2Si. Esta solución sólida se crea como resultado del sobreenfriamiento durante la solidificación. El análisis EDS se representa en la Fig. 2b con picos para aluminio (Al), oxígeno (O), carbono (C), hierro (Fe), silicio (Si), calcio (Ca), sodio (Na) y magnesio (Mg). Estos componentes respaldaron los hallazgos de XRF y verificaron que la aleación utilizada era la aleación Al 6061.

SEM y EDX de matriz y refuerzos: (a) SEM de aleación de Al, (b) EDX de aleación de Al, (c) SEM de PP, (d) EDX de PP, (e) SEM de CCP, (f) EDX de PCCh.

La microestructura del PP se describió en la Fig. 2c y comprende laminillas con una estructura amorfa, fases igualmente dispersas y límites que muestran que el material es extrusivo y tiene una distribución uniforme de poros. Esto indica que uno de los atributos clave del PP es su capacidad para promover la transmisión de tensiones en aplicaciones de compuestos híbridos al ofrecer una fuerte adhesión de interfaz de matriz de partículas con aluminio. Esto mejora varias cualidades mecánicas38. En la Fig. 2d se pueden ver picos de carbono, oxígeno, hierro, silicio, aluminio, titanio, calcio y potasio. Estas sustancias son componentes derivados de la piedra pómez y su presencia indica la existencia de SiO2, Al2O3, K2O, Fe2O3 y MgO. Los análisis XRF y XRD concuerdan con esta conclusión.

La microestructura del CCP, que se compone de espacios porosos angulares e irregulares y una textura rugosa, también se reveló en la Fig. 2e. Algunas de las partículas del PCCh son esféricas, mientras que otras parecen palomitas de maíz. Debido a sus superficies ásperas, esta característica distintiva demuestra la capacidad del material para proporcionar una fuerte adhesión de interfaz matriz-partículas con el aluminio, lo que ayudará a mejorar la humectabilidad con la matriz y, como resultado, las cualidades mecánicas del compuesto resultante39. El EDS del CCP se muestra en la Fig. 2f, y muestra picos de silicio (Si), carbono (C) y oxígeno (O) (Si). Estos componentes, que son los principales componentes del carbón carbonatado, SiO2 y grafito, demostraron su presencia. Los análisis XRF y XRD concuerdan con esta conclusión.

Mediante el uso de análisis XRF, los polvos de Al, PP y CCP que componen los compuestos híbridos Al-PP-CCP se sometieron a análisis químico. Los resultados se muestran en las tablas 3 y 4.

El resultado que se muestra en la Tabla 3 reveló que la aleación tiene una cantidad significativa de aluminio (98,18% de su peso), lo que es consistente con otras investigaciones que han analizado los compuestos de aleación hechos de aluminio40,41. Además, el estudio XRF que se muestra en la Tabla 4 indicó que los elementos principales del CCP eran SiO2, Al2O3, SO3, Fe2O3, TiO2, MgO y CaO, mientras que los principales componentes del PP eran SiO2, Fe2O3, Al2O3, CaO, K2O y TiO. Los hallazgos de 38,42 para PP y 43 para CCP son consistentes con este resultado. Además, el estudio XRF reveló que la composición química de PP y CCP es comparable a otros desechos agrícolas utilizados en compuestos de matriz metálica en este momento, como el bagazo, las cenizas de desechos de algarrobo, las cenizas de cáscara de arroz y las cenizas volantes38,40,44. La sílice, el óxido de hierro y la alúmina se encuentran entre los materiales más duros y38 afirman que son apropiados para el refuerzo en una variedad de matrices metálicas debido a su presencia en PP y CCP.

La Figura 3 muestra los resultados de la caracterización XRD de PP y CCP. El resultado muestra los distintivos picos de piedra pómez a 23° y 28° que pertenecían al material de zeolita natural dachiardita [(Ca, Na, K, Mg)4, (Si, Al)24O48,13H2O], anortita (CaAl2Si2O8) albita ( NaAlSi3O8), clorito-serpentina. Además, la línea de fondo aumentó en el rango de 20° a 30° 2Theta, lo que indica la existencia de material de cuarzo amorfo en PP45. Se comparó el polvo de CCP y los resultados revelaron la existencia de fases de cuarzo, grafito, montmorillonita, moscovita y clorita.

Análisis XRD de polvos de PP y CCP.

Con base en las corridas experimentales asociadas con este estudio, como se muestra en las Tablas 1, 5 proporciona el porcentaje de elongación de los compuestos híbridos Al-PP-CCP producidos, así como el porcentaje de elongación de la aleación de Al de control. El resultado mostró que el porcentaje máximo de elongación del 5,6 % se obtuvo con un 2,5 % en peso de PP, un 2,5 % en peso de CC, una velocidad de agitación de 200 rpm, una temperatura de procesamiento de 700 °C y un tiempo de agitación de 5 min. Se obtuvo un porcentaje mínimo de elongación de 2,09 % con PP al 10 % en peso, CCP al 2,5 % en peso, velocidad de agitación de 500 rpm, temperatura de procesamiento de 750 °C y tiempo de agitación de 15 min. De este resultado se puede inferir que el porcentaje de elongación del compuesto híbrido Al-PP-CCP disminuye en comparación con el aluminio fundido que tiene un porcentaje de elongación del 7,51%. La disminución en el porcentaje de elongación puede estar asociada con la presencia de refuerzo duro y quebradizo en la matriz dúctil de Al, resultando una barrera en el flujo plástico del compuesto. Estudios similares de 46,47,48 entre otros, coincidieron con este hallazgo.

Utilizando la técnica de diseño de Taguchi, los parámetros del proceso de fundición por agitación se ajustaron en función de la relación S/N de las corridas experimentales que se muestran en la Tabla 5. La tabla de respuesta para la relación S/N y la media, según los diversos factores y niveles tomados en consideración en esta investigación, se muestra en la Tabla 6. Se muestra que el porcentaje de elongación de los compuestos híbridos Al-PP-CCP está influenciado por cada parámetro del proceso de fundición por agitación en este resultado, que también clasifica los factores en función de la relación S/N relación para ilustrar qué factor tiene el mayor impacto. Como consecuencia, el PP tiene los mayores efectos, seguido de la temperatura de procesamiento, la velocidad de agitación, el CCP y el tiempo de agitación.

El efecto de PP, CCP, velocidad de agitación, temperatura de procesamiento y tiempo de agitación en el porcentaje de elongación se muestra en la figura 4. La figura 4a muestra el efecto de PP en el porcentaje de elongación del compuesto de matriz metálica de aluminio reforzado. Se observó que el porcentaje de elongación disminuyó a medida que la composición en peso de PP aumentó desde el máximo de 2,5 a 10% en peso. La disminución en el porcentaje de elongación se puede atribuir a la presencia de un refuerzo de piedra pómez más duro y rígido, que contiene cuarzo, anortita y albita, como se muestra en el análisis XRF. Este hallazgo es consistente con los estudios de Nagaral et al.49 y Anbuchezhiyan et al.50, quienes observaron que el porcentaje de elongación de los compuestos de matriz metálica disminuye al aumentar el contenido de refuerzo.

Variación del porcentaje de alargamiento con adición de refuerzo; (a) polvo de piedra pómez frente a porcentaje de elongación, (b) partículas de carbón carbonatado frente a porcentaje de elongación.

La Figura 4b muestra el efecto de CCP en el porcentaje de elongación del compuesto híbrido Al-PP-CCP reforzado, y se observó que el porcentaje de elongación del compuesto aumenta de 3,38 % a 3,99 % con un aumento en la composición en peso de CCP de 2,5 % en peso a 7,5 % % en peso, y más allá de este punto, la tendencia se invierte. El aumento de resistencia se puede atribuir a la dispersión homogénea del refuerzo CCP en la matriz. La inversa en el porcentaje de elongación obtenido después del 7,5% en peso se atribuye a la mala humectabilidad que aumenta con el aumento de la composición en peso de CCP. Este hallazgo es similar al trabajo de Muni et al.51, quienes observaron un aumento en el porcentaje de elongación como resultado de la dispersión uniforme del refuerzo.

La figura 5a muestra el efecto de la velocidad de agitación sobre el porcentaje de elongación del compuesto de matriz metálica de aluminio reforzado. Se observó que a medida que aumenta la velocidad de agitación, el porcentaje de elongación disminuye desde un valor máximo de 4,275 % a una velocidad de agitación de 200 rpm hasta un mínimo de 3,12 % a una velocidad de agitación de 500 rpm. La disminución se puede atribuir a una mayor severidad de agitación de la lechada, lo que da como resultado la agrupación de las partículas de refuerzo y promueve el atrapamiento de gases en la lechada, lo que provoca una alta porosidad y agujeros de soplado. Estos resultados concuerdan con algunos estudios relacionados de52, quienes observaron que las velocidades de agitación más altas imponían una falta de uniformidad considerable en la distribución de partículas debido a la mayor severidad de agitación de la suspensión, lo que resultaba en la acumulación de partículas y la absorción de gas en la suspensión.

Variación del porcentaje de elongación con el parámetro del proceso de agitación; (a) velocidad de agitación frente a porcentaje de elongación, (b) temperatura de procesamiento frente a porcentaje de elongación (c) tiempo de agitación frente a porcentaje de elongación.

La figura 5b muestra que al aumentar la temperatura de vertido, el porcentaje de elongación disminuyó del 4,327 % a 700 °C al 2,945 % a 850 °C. La disminución se puede atribuir a la distribución no uniforme del refuerzo en la lechada y la absorción de gases en la masa fundida, lo que puede causar porosidad. La agitación a una temperatura alta por encima del valor óptimo también podría ser la causa de la reducción porque la agitación a una temperatura más alta dará como resultado la formación de nuevas fases intermetálicas perjudiciales y orificios de soplado en el material compuesto fabricado. Este hallazgo es consistente con los estudios realizados por53, quienes observaron que un aumento de la temperatura de agitación por encima de la óptima provocaba una distribución menos homogénea de las partículas y la formación de fases no deseadas, que tienen un efecto adverso sobre el composite.

La variación del porcentaje de elongación con el tiempo de agitación (ST) para el compuesto híbrido Al-PP-CCP se muestra en la Fig. 5c. A partir del resultado, se observó que el porcentaje de elongación aumentó hasta un valor óptimo de 3,87 % con un tiempo de agitación de 15 min y luego siguió disminuyendo hasta llegar al tiempo de agitación de 20 min. El aumento se puede atribuir a la excelente mezcla de los refuerzos, lo que condujo a su justa distribución en la matriz. Por el contrario, la disminución en el porcentaje de elongación con un aumento en el tiempo de agitación se puede atribuir a una mayor duración de agitación, lo que conduce a la absorción de gas y la oxidación en la matriz de aluminio líquido. Este resultado es consistente con los estudios de Azadi et al.54 quienes observaron que aumentar la duración del tiempo de agitación por encima del valor óptimo indudablemente aumentará la absorción de gas y la oxidación de los compuestos preparados, lo que disminuirá sus propiedades mecánicas.

Para examinar la relación entre la variable de respuesta y dos variables de control, se usaron gráficos de contorno como se muestra en la Fig. 6.

Gráficas de contorno de interacción de porcentaje de alargamiento (PE) con parámetros de proceso en varias adiciones de refuerzo: (a) PE frente a CC, PP, (b) PE frente a PT, PP, (c) PE frente a SS, PP, (d) PE frente a ST, PP, (e) PE frente a SS, CC, (f) PE frente a PT, CC, (g) PE frente a ST, CC, (h) PE frente a PT, SS, (i) PE frente a ST, SS, (j) PE frente a PT, ST.

Se observó en la Fig. 6a que, mientras se mantienen constantes otros parámetros del proceso, se puede obtener un porcentaje máximo de elongación del 5,6 % a través de una interacción entre PP al 2,5 % en peso y CCP al 2,5 % en peso. La figura 6b muestra que se puede obtener un porcentaje máximo de elongación del 5,6 % mediante una interacción de PP al 2,5 % en peso y PT a 700 °C. La Figura 6c muestra que la interacción de 2,5% en peso de PP y SS de 200 rpm da un porcentaje máximo de elongación de 5,6%. Como se muestra en la Fig. 6d, el porcentaje máximo de elongación del 5,6 % se puede obtener con la interacción del 2,5 % en peso de contenido de PP y 5 min de duración de ST. La Figura 6e indicó que en la interacción de 2,5% en peso de contenido de CC y 200 rpm de SS, se puede obtener un porcentaje máximo de elongación de 5,6%. La figura 6f observó que se puede obtener un porcentaje máximo de elongación del 5,6 % con una interacción del 2,5 % en peso de CCP y una temperatura de procesamiento de 700 °C. La Figura 6g muestra que el porcentaje máximo de elongación del 5,6 % se puede obtener con una interacción del 2,5 % en peso de CCP y una ST de 5 min. La Figura 6h muestra que se podría lograr un mayor porcentaje de elongación del 5,6 % a una velocidad de agitación de 200 rpm y una temperatura de procesamiento de 700 °C. La figura 6(i) muestra que para obtener un porcentaje máximo de elongación del 5,6 %, la suspensión debe agitarse a 200 rpm durante 5 min, manteniendo constantes los demás parámetros. La Figura 6j muestra que se podría obtener un porcentaje máximo de elongación del 5,6 % en la interacción de la temperatura de procesamiento a 700 °C y el tiempo de la cadena de 5 min si los demás parámetros se mantienen constantes.

De la Tabla 6 y las Figs. 4 y 5, las relaciones S/N medias más altas obtenidas para el alargamiento porcentual en términos de parámetros del proceso de fundición con agitación son PP al 2,5 % en peso, CCP al 7,5 % en peso, velocidad de agitación a 200 rpm, temperatura de procesamiento a 700 °C y temperatura de agitación a 700 °C. tiempo a los 10 min, correspondiente a PP1–CC3–SS1–PT1–ST2. Usando la configuración óptima del parámetro del proceso de fundición por agitación (PP1–CC3–SS1–PT1–ST2), se puede predecir un alargamiento porcentual óptimo para el compuesto de aluminio híbrido usando la ecuación. (2) y Tabla 6.

donde Tm es la media global o relación S/N obtenida de la Tabla 5, Tm = 3,6065 %; \({(T}_{ik}{)}_{max}\) es la media en el nivel óptimo i del factor k , T1PP = 4,486 %, T3CC = 3,993 %, T1SS = 4,275 %, T1PT = 4,327 %, y T2ST = 3,873 % en negrita en la Tabla 6, y \({k}_{n}\) es el número de factores de diseño principales que afectan la respuesta, que es igual a 5. Esto produjo el porcentaje de elongación óptimo de 6,51 %.

Validar las condiciones óptimas predichas de Taguchi obtenidas; se fundió un nuevo compuesto Al-PP-CCP utilizando los niveles óptimos de los factores (PP1–CC3–SS1–PT1–ST2), y se realizaron pruebas de confirmación de elongación porcentual según la norma ASTM en la muestra producida con tres repeticiones; los resultados se muestran en la Tabla 7. El porcentaje de elongación de confirmación resultó en un valor de 7,12%.

El análisis de regresión lineal se realizó utilizando el software Minitab. Este análisis generó un ANOVA que consideró los factores y sus interacciones para determinar el nivel de significación de cada parámetro de procesamiento. El resultado obtenido se muestra en la Tabla 8 en la que en el nivel significativo de 0,05, el modelo de regresión, PP, SS y PT son significativos, y PP tiene la mayor contribución porcentual al porcentaje de elongación del compuesto híbrido. El análisis de regresión produjo un modelo matemático predictivo para el porcentaje de elongación (PE) en función de los parámetros del proceso de fundición por agitación que dio un alto nivel de predicción, con R-Square, R-Square (adj) y R-Square (pred) valores de 91,60%, 87,41% y 79,32%, respectivamente. Según55,56, un valor de R-Square superior al 75% se considera adecuado, lo que implica un buen ajuste entre las respuestas y los parámetros del proceso. El modelo de regresión se da en la ecuación. (3).

La Figura 7 compara el porcentaje de elongación previsto y experimental de las corridas experimentales consideradas en este estudio. A partir de la comparación de estos gráficos dentro del rango del intervalo de confianza (IC) de la predicción del modelo, se muestra la aceptabilidad de la predicción de elongación porcentual óptima dentro del intervalo de confianza del 95 %.

Gráfico previsto frente a experimental del porcentaje de elongación del compuesto híbrido Al-PP-CCP.

Para este estudio, se espera que el valor experimental esté dentro de este rango;

donde TSpredictive es el porcentaje de elongación total predicho u óptimo, TSexperimental es el valor experimental después de la prueba de confirmación, y mientras que IC es el intervalo de confianza.

Se utilizó la ecuación (4) para evaluar el intervalo de confianza.

donde \({F}_{\alpha }\left(1, {F}_{e}\right)\)= relación F requerida para α = riesgo; Fe = error DOF; de la tabla 4.5 Fe = 10 ∴ de la tabla F \({F}_{\alpha }\left(1, {F}_{e}\right)\)= \({F}_{0.05}\) (1,10) = 4,96, Ve = varianza del error, de la Tabla 8 de ANOVA Ve = 1,3215; W = igual que el número de repeticiones para ejecutar la prueba de confirmación = 3; U = número efectivo de repeticiones.

donde N es el número total de resultados = 48 y T es el grado de libertad total de los factores controlados = 5. Sustituyendo estos valores en la ecuación. (5).

\(\por lo tanto U=\) 8.

Sustituyendo los valores de \({f}_{\alpha \left(1, de\right)}, {v}_{e}, U y w\), en la ecuación. (4)

∴ IC = 1,733.

El valor del porcentaje de elongación total obtenido de la prueba de confirmación muestra que el valor experimental se encuentra dentro del rango del intervalo de confianza del porcentaje de elongación total, de modo que:

En este caso, PEpredictivo = 6,51.

El estudio tuvo en cuenta el uso del enfoque de optimización de Taguchi para optimizar la composición en peso del refuerzo cerámico natural (partículas de piedra pómez y carbón carbonatado), así como el impacto de los parámetros del proceso de fundición por agitación en el porcentaje de elongación de los compuestos híbridos Al-PP-CCP. . Los componentes más duros, sílice, óxido de hierro y alúmina, se encontraron durante la caracterización del refuerzo, lo que indica que el PP y el CCP son adecuados para su uso como refuerzo en una variedad de matrices metálicas, aunque disminuyen la propiedad de alargamiento porcentual. Utilizando la optimización de parámetros del proceso de fundición con agitación, se descubrió que el PP tiene el mayor impacto en el porcentaje de elongación del compuesto híbrido, seguido de la temperatura de procesamiento, la velocidad de agitación, el CCP y la duración de la agitación. Debido a la presencia de un refuerzo de PP más resistente y rígido, se observó que el porcentaje de elongación aumentaba a medida que disminuía la composición en peso del PP, alcanzando un máximo de 2,5 % en peso. Se encontró que el mejor porcentaje de elongación fue del 5,6 %, que es un 25,43 % menos que el porcentaje de elongación de la aleación de aluminio sin refuerzo, a 2,5 % en peso de PP, 2,5 % en peso de CCP, 700 °C PT, 200 rpm SS y 5 tiempo ST mín. El valor de alargamiento porcentual obtenido de la prueba de confirmación muestra que el valor experimental se encuentra entre el rango del intervalo de confianza del alargamiento porcentual. Con valores de R-Square y R-Square (adj) de 91,60 % y 87,41 %, respectivamente, el análisis de regresión estableció un modelo matemático predictivo para el porcentaje de elongación (PE) en función de los parámetros del proceso de fundición por agitación y proporcionó un alto grado de predicción.

Evaluación de las propiedades tribológicas y térmicas del composite híbrido.

Los datos sin procesar/procesados ​​necesarios para reproducir estos hallazgos no se pueden compartir en este momento, ya que los datos también forman parte de un estudio en curso (tesis doctoral).

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Facultad de Ingeniería, Universidad Federal Wukari, Taraba, Nigeria

Mi nombre es Kogi Ibrahim

Departamento de Ingeniería Mecánica, Facultad de Ingeniería, Universidad Ahmadu Bello, Zaria, Nigeria

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

Oficina de la Cátedra Shell JV, Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad Ahmadu Bello, Zaria, Nigeria

Danjuma Saleh Yawas

Departamento de Ingeniería Metalúrgica y de Materiales, Facultad de Ingeniería Aérea, Instituto de Tecnología de la Fuerza Aérea, Kaduna, Nigeria

Adetayo Abdulmumin Adebisi

Departamento de Ingeniería Metalúrgica y de Materiales, Facultad de Ingeniería, Universidad Ahmadu Bello, Zaria, Nigeria

Adetayo Abdulmumin Adebisi

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Correspondencia a Tanimu Kogi Ibrahim.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Ibrahim, TK, Yawas, DS, Dan-asabe, B. et al. Optimización y modelado de Taguchi de los parámetros del proceso de fundición por agitación en el porcentaje de elongación de compuestos de aluminio, piedra pómez y carbón carbonatado. Informe científico 13, 2915 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-29839-8

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Recibido: 14 noviembre 2022

Aceptado: 10 febrero 2023

Publicado: 20 febrero 2023

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

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