Document
Development of aluminum based nanocomposites through stir casting approach.
Other titles
إنتاج مركبات الألمونيوم المعززة بمادة النانوسيراميك من خلال عملية الصب المعدني والقولبة بالضغط
Publisher
Sultan Qaboos University.
Gregorian
2022
Language
English
English abstract
Aluminum-based nanocomposites commonly offer superior properties that can
replace conventional steel alloys in many industries such as automotive, aerospace and
construction, aiming to reduce the weight and save energy. In this present study, aluminum
nanocomposites were successfully produced through stir-squeeze casting process with and
without the aid of ultrasound sonication (US). The matrix material was scrap automobile
aluminum alloy (A356). About 1% of SiC nanoparticles (15.3 g) with an average particle
size of 40 nm were used as a reinforcement material. For the purpose of comparison, A356
aluminum casts were also produced with and without US. The work commonly aimed to
develop a suitable aluminum nanocomposite that can withstand highly-wear environment
like brake disc and examine the effect of using ultrasonic sonication as an advanced
additional mixing technique in the mechanical and tribological properties of the produced
material. As a first step, the modified digital logic method (MDLM) was conducted to select
both matrix and reinforcement materials for the above-mentioned brake disc application.
The analysis of the produced material was conducted based on their microstructure,
porosity, hardness, tensile strength, compression strength and wear/tribological
performance. In the microstructure characterization, optical microscope, and scanning
electron microscope (SEM) were used, revealing different morphologies and grain structures
in the cast materials. Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) and X-ray diffraction
(XRD) were also performed to check the compositions and confirm the presence of SiC
nanoparticles in the aluminum matrix. The porosity was greater in the nanocomposite's
samples than that of pure matrix samples. This was attributed to the tendency of pore
formation when ceramic particles weren't properly distributed throughout the matrix, and
hence clusters and agglomerations of nanoparticles took place. That also explain, the
significant reduction in porosity when the ultrasonication was applied which helped to break
these clusters and agglomerations. In terms of mechanical properties, the A356+SiC sample
with US exhibited, the highest hardness with a value of 70.8 HRB, the highest tensile
strength (163.25 MPa), and the highest compressive strength (387.2 MPa). It also
demonstrated the lowest abrasive wear loss (0.0016 g) among the four produced casts. The
improvements of mechanical properties and wear resistance were attributed mainly to three
factors: Hall-Pitch effect, reduction in porosity, and uniform distribution of the
reinforcement particles in the aluminum matrix.
Member of
Resource URL
Arabic abstract
تقدم المركبات النانوية القائمة على الألمنيوم عادةً خصائص فائقة يمكن أن تحل محل سبائك الصلب التقليدية في العديد من الصناعات مثل السيارات والفضاء والبناء ، بهدف تقليل الوزن وتوفير الطاقة. في هذه الدراسة الحالية ، تم إنتاج مركبين نانويين رئيسيين يتكونان من الألمونيوم كمادة أساسية ومادة النانوسيراميك كمادة تعزيزية ؛ حيث أشير إلى الأول باسم (US No (SiC + 356A ، بينما جاء الثاني باسم (US With (SiC + 356A . تم انتاجهما عن طريق عملية الصب والقولبة بالضغط الهيدروليكي الموجه لتحسين الخواص الفيزيائية والميكانيكية للمادة. والجدير بالذكر أن عجلات السيارة الخردة استخدمت كمصدر لمصفوفة الألمونيوم ، أضيف إليها ما يقارب واحد بالمئة من الوزن الكلي – وهو ما يقارب 1530 غرام - من السيلكون كاربايد النانوية( معدل حجم الحبيبة يساوي 40 نانو متر( كمادة تعزيزية لكال المركبين الأساسيين. وبهدف المقارنة ، ومعرفة تأثير الموجات فوق الصوتية الموجهة في المادة المذابة بشكل عام ؛ تم تصنيع قالبين من نفس نوع الألمونيوم ولكن بدون إضافة أي مادة معززة. أطلق على الأول اسم(US No (only 356A والثاني جاء باسم (US With (only 356A. ويجب الأشارة إلى أن المركبين الرئيسيين -وكذلك الثانويين- متماثالن في التركيب الكيميائي ولكن الفرق بينهما هو وجود مصدر الموجات الفوق الصوتية من عدمه والتي يتم من خلاله ضخ تلك الموجات بتردد عالي في المادة المصهورة للتأئير على البناء الداخلي لتحسين خواصها العامة. أجريت بعد ذلك تحليلات واختبارات للمواد المنتجة بناءا على بنيتها المجهرية والمسامية ، و صالبة وقوة الشد والضغط ، وم عدل التآكل لديها. وقد جاءت تلك التحليلات أوال عن طريق المجهر الدقيق ومجهر المسح الألكتروني microscopic optical و SEM لمعرفة التوزيع الداخلي المورفولوجي ، حيث تم الكشف أن هناك فروقات جوهرية فيما يتعلق بالتوزيع المورفولوجي و حجم الحبيب و وجود المسامات و كم ية التكدسات والتجمعات الغير مرغوبة في الأربع عينات المأخوذة من المواد المنتجة. وقد تم أيضا استخدام أشعة EDS وكذلك XRD لمعرفة التركبيب الكيميائي العام وتوزيع الجزيئات الصغيرة و تأكيد وجود حبيبات المادة التعزيزية SiC في المركبين الرئيسيين. وتشير حسابات نسبة المسامية في كل عينة ؛ أن عينات المركبيين الرئيسيين تحتوي على أعلى نسبة مسامية من المركبيين الثانويين اللذين لا يحتويان عن مادة تعزيزية. حيث أن إضافة حبيبات لاسيراميك لانانوية يزيد من امكانية تكوين المسامات بسبب ميل هذه الحبيبات لتكوين تجمعات وتكتلات غير مرغوبة داخل مصفوفة لالامونيوم ؛ مما يؤدي لاى إضعاف لامادة. وعند لامقارنة بين لامركبين لارئيسيين ؛ نجد أن نسبة لامسامية أقل في لاعينة لاتي استخدم فيها لاموجات فوق لاصوتية والتي بدورها قللت من نسبة التكتلات والتجمعات الغيرمرغوبة ولاتي ساهمت بشكل أساسي في تقليل نسبة المسامات وزيادة الكثافة. أظهرت نتائج الاختبارات الميكانيكية أن للعينة المأخوذة من المركب المضاف اليه مادة السيراميك المعززة والذي استخدم في إنتاجه الموجات الفوق الصوتية هي الأعلى صلابة )70.8 HRB (، الأعلى في قوة الاشد )163.25 ميجا بسكلا( ، الأعلى في قوة الضغط )387.2 ميجا باسكلا( ، و لاأقل في مقدار التآكل ) 0.0016 غرام( أثناء اختبار معدل التآكل بالاحتكاك. يعزى كل ذلك بشكل عام لاى ثلاثة عوامل رئيسة وهي : تأثير قوى Pitch-Hall والتي تعنى بحجم ونوع الجسيم المعزز VI ، وانخفاض نسبة المسامية وزياة الكثافة ، وكذلك التوزيع المنتظم لحبيبات المادة المعززة داخل مصفوفة لالامونيوم وتكسير التكتلات والتجمعات الغير مرغوب فيها والذي تم عن طريق بث الموجات الفوق صوتية بشكل كثيف أثناء الصهر والخلط.
Category
Theses and Dissertations
File size
3.56 MB
0
0
