Date of Award

6-2021

Document Type

Dissertation

Degree Name

Doctor of Philosophy (PhD)

Department

Mechanical Engineering

First Advisor

Abdel-Hamid Ismail Mourad

Abstract

Low crude oil prices have impacted the economy of the Gulf Cooperation Council (GCC) member countries especially the United Arab Emirates (UAE). Hence it is vital to accelerate the diversification of the economy. Among the many potential diversification avenues, manufacturing is a promising area that could add to the GDP. This work brings out a sustainable and cost-effective method for manufacturing AMCs and expanding their applications.

This work deals with the processing and characterization of recycled AMCs manufactured using a novel approach. With the emphasis on sustainable manufacturing, this work aims to use Scrap Aluminum Alloy Wheels (SAAW) of cars as the matrix. SAAW was easily obtained from the scrap wheels of cars. The reinforcement material, Spent Alumina Catalyst (SAC), was sourced from the local oil refineries which is a waste material from crude oil refining. To achieve the objectives of this work, the following steps were followed.

Firstly, four AMCs were developed using stir-gravity casting. Four composites were made with different combinations such as LM25+Al₂O₃, SAAW+Al₂O₃, LM25+SAC, and SAAW+SAC. The microstructure analysis showed a nonhomogeneous distribution of reinforcements with a high amount of porosity. Therefore, this method was not used for the optimization and casting of AMCs.

Secondly, AMCs were produced using the stir-squeeze casting method. Similar to the previous casts, four composites of LM25+Al₂O₃, SAAW+Al₂O₃, LM25+SAC, and SAAW+SAC were made. The samples from this method exhibited better strength when compared to gravity cast samples. SAAW+Al₂O₃ exhibited an almost uniform distribution of reinforcement particles and superior mechanical properties with the lowest porosity (7.3%), highest hardness (69 VHN), and minimum abrasive wear loss (0.001g), second highest tensile (129 MPa) and compressive (320 MPa) strengths among the four composites. The results also revealed that optimizing the stir squeeze casting process parameters can further contribute to the performance of the recycled AMCs.

Thirdly, optimization of casting parameters using the Taguchi method was carried out. Taguchi-Grey Relational Analysis (GRA) was successfully utilized to handle the multi-response objective system for optimizing process parameters in the squeeze casting of AMCs. This method was used to determine the optimized condition with a minimal set of experiments, which is relevant in the stir–squeeze casting process. Taguchi method developed 9 samples (L1-L9) and out of that L5 and L6 exhibited the best mechanical properties. Thus, the optimum levels of process parameters are squeeze pressure of 100MPa, squeeze time of 30 s, die preheat temperature of 250°C and stirrer speed of 525 rpm.

Fourthly, the optimized sample (M2) was produced. Taguchi’s confirmation test was run based on the obtained mechanical properties and the L6 method showed an improvement in the GRG value by 12.5%. Based on the confirmation test, the optimized sample M2 was produced using a squeeze pressure of 100 MPa, a squeezed time of 45s, a die preheating temperature of 250°C, and a stirrer speed of 525 rpm. The M2 sample showed the lowest porosity (5.29%) and significantly higher ultimate compression strength (433 MPa) although it exhibited slightly lower hardness and ultimate tensile strength when compared with the L6 and L5 samples, respectively.

Fifthly, a hybrid AMC was produced to further enhance the performance. Five casts (1% graphite+ Al₂O₃, 3% graphite+ Al₂O₃, 4% graphite+ Al₂O₃, 3% SiC+Al₂O₃, 6% SiC+ Al₂O₃) were prepared with SAAW as matrix and alumina, graphite and SiC as fillers with different percentage. AMC with 4% graphite along with alumina showed the highest tensile and compressive strength of 250 MPa and 508 MPa respectively, followed by a sample with 3% SiC and alumina.

Lastly, Friction Stir Welding (FSW) was carried out to check the weldability. L5, L6, M2, and hybrid AMC samples were successfully welded using a cylindrical tool pin with 4 mm pin depth, tool rotation of 1100 rpm and feed rate of 50 mm/min. Tensile results from the welded zone showed that sample M2 and AMC with 4% graphite exhibited high strength of 185 and 210 MPa respectively. From these results, it can be seen that this approach can easily be scaled up for production in large volumes as well as open avenues for developing AMCs reinforced with other waste materials.

Comments

لقد أثر إنخفاض أسعار النفط الخام على اقتصاد دول أعضاء مجلس التعاون الخليجي وبالأخص دولة الإمارات العربية المتحدة. ولذلك فقد بات من الضرورة تسريع تنويع الاقتصاد. من بين العديد من طرق التنويع المحتملة، يعد التصنيع مجالا واعدا يمكن أن يضيف إلى الناتج المحلي الإجمالي دولة الإمارات العربية المتحدة تمتاز بامتلاكها ثروة هائلة من الصخور الصناعية والمعادن والفلزات. يتم تصنيع وتوصيف مواد مركبة معتمدة على معدم الألومنيوم كوسط مركبات مبنية على معدن الألومنيوم (AMC) على نطاق واسع واستخدامها في العديد من الصناعات بما في ذلك قطاع الطيران والسيارات. في السنوات القليلة الماضية، ازدادت الحاجة العالمية للبحث عن مركبات مبنية على معدن الألومنيوم بسبب مزاياها العديدة. يعد تصنيع مكونات السيارات المصنوعة من الألومنيوم المركب (MMC) صناعة قابلة للتطبيق حيث يمكن للشركات المحلية أن تكون جزءا من الشركة المصنعة للمعدات الأصلية (OEM) لعمالقة السيارات العالميين. يتطلب تصنيع مركبات مصفوفة المعدن المبنية على الألومنيوم (MMC)‏ كلاً من مادة المعدن المركب (الألومنيوم) ومواد التعزيز مثل الألومينا (Al₂O₃) وكربيد السيليكون (SiC) وغيرها. يبرز هذا العمل طريقة متجددة وفعالة من حيث التكلفة لتصنيع ‏AMC وتوسيع تطبيقاتها. يتعامل هذا العمل مع معالجة وتوصيف مركبات المبنية على معدن الألومنيوم المعاد تدويرها (MMC) المصنعة باستخدام نهج جديد.

بالتزامن مع التركيز على التصنيع المستدام، يهدف هذا العمل إلى استخدام عجلات سبائك الألومنيوم الخردة للسيارات (SAAW) كمصفوفة. تم الحصول على عجلات سبائك الألومنيوم الخردة للسيارات (SAAW) بسهولة من عجلات السيارات الخردة المتوفرة بكثرة في الإمارات العربية المتحدة. تم الحصول على مادة التسليح، الألومينا، من مصافي النفط المحلية، حيث تعد محفز الألومينا المستهلك (SAC) مادة نفايات من تكرير النفط الخام. في الوقت الحاضر، تواجه مصافي النفط في الإمارات العربية المتحدة مشاكل في التخلص من الكمية الهائلة من المحفز المستهلك المتولد أثناء تكرير النفط الخام. الهدف الرئيسي من هذا العمل هو تصنيع مركبات المبنية على معدن الألومنيوم (MMC) بشكل مستدام باستخدام عجلات سبائك الألومنيوم الخردة للسيارات (SAAW) كمعدن مركب والنفايات الصناعية كمواد مالئة. لتحقيق ذلك، الخطوات التالية قد اتبعت.

أولا، تم تصنيع أربع مركبات بتركيبات مختلفة مثل LM25 + Al₂O₃ و + AAW‏ ‏Al₂O₃ و LM25 + SAC و SAC+SAAW باستخدام صب الجاذبية. أظهرت التحليلات المجهرية والميكانيكية توزيعا غير متجانس للتعزيزات ذات المسامية العالية. لذلك، لم ي استخدام هذه الطريقة لتحسين وصب AMC .‏

انيا و على غرار القوالب السابقة، تم صنع أربع مركبات من LM25 + Al2O3 و SAAW‏ ‏Al2O3 + و LM25 + SAC و SAAW + SAC من خلال الصب بالضغط أظهرت هذه الطريقة قوة أفضل عند مقارنتها بعينات الجاذبية المصبوبة. أظهر SAAW + Al₂O₃ توزيعا منتظما تقريبا لجزيئات التعزيز وخصائص ميكانيكية فائقة مع أدنى مسامية (7.3%)، واعلى صلابة (69) VHN)، وأقل خسارة تأكل كشط (0.001 جم)، وثاني أعلى شد (129 ميجا باسكال) وضغط (320 ميجا باسكال) القوة بين المركبات الأربعة. كشفت النتائج أيضا أن تحسین معلمات عملية الصب بالضغط التحريك يمكن أن يساهم بشكل أكبر في المعاد تدويرها. أداء AMCS‏

ثالثا، تم استخدام التحليل العلائقي (Taguchi-Gray (GRA بنجاح لأول مرة للتعامل مع نظام أهداف الاستجابة المتعددة لتحسين معلمات العملية في صب الضغط لـ AMCs. تم استخدام هذه الطريقة لتحديد الحالة المثلى مع الحد الأدنى من مجموعة التجارب، والتي تكون ذات صلة في عملية صب التحريك والضغط طورت طريقة تاجوشي 9 عينات (LI-L9)‏ واظهر من بين 15 وL6 أفضل الخواص الميكانيكية. وبالتالي، فإن المستويات المثلى لمعلمات العملية هي ضغط يبلغ 100 ميجا باسكال، ووقت ضغط يبلغ 30 ثانية، ودرجة حرارة التسخين المسبق للقالب تبلغ 250 درجة مئوية وسرعة محرك 525 دورة في الدقيقة.

رابعا، تم إجراء اختبار تأكيد Taguchi بناء على الخواص الميكانيكية التي تم الحصول عليها وأظهرت طريقة 16 تحسنا في قيمة GRG بنسبة 12.5%. بناء على اختبار التأكيد، ثم إنتاج العينة المحسنة M2 باستخدام ضغط يبلغ 100 ميجا باسكال، وزمن ضغط 45 ثانية، ودرجة حرارة التسخين المسبق للقالب تبلغ 250 درجة مئوية، وسرعة محرك 525 دورة في الدقيقة. اظهرت عينة M2 أقل مسامية (5.29%) وأعلى بكثير من مقاومة الضغط القصوى (433 ميجا باسكال) على الرغم من أنها أظهرت صلابة أقل قليلاً وقوة شد نهائية عند مقارنتها مع عينات ‏L6 و L5 على التوالي.

خامسا، لتعزيز أداء AMCs المعاد تدويرها المنتجة، تم تقديم تعزيزات هجينة أثناء الصب. تم تحضير خمس قوالب (1٪ جرافيت + Al₂O₃، ٪3 جرافيت + Al₂O₃، 74 جرافيت + ‏SiC + A₂O; %6 ،SiC + Al₂O₃ %3 ،Al₂O₃) باستخدام SAAW كمصفوفة وألومينا ، جرافيت و SiC كمواد مالئة بنسب مختلفة. أظهر AMC مع 4 ٪ من الجرافيت مع الألومينا أعلى مقاومة شد وانضغاط تبلغ 250 ميجا باسكال و 508 ميجا باسكال على التوالي، تليها عينة مع 3 ٪ كربيد والومينا.

أخيرا، لتقدير قابلية اللحام لـ AMC المطورة، اللحام الاحتكاكي، تم استخدام تقنية لحام أكثر صداقة للبيئة. تم لحام عينات 15 و L6 و M2 و AMC الهجينة بنجاح باستخدام دبوس أداة أسطواني بعمق 4 مم، ودوران الأداة 1100 دورة في الدقيقة ومعدل تغذية يبلغ 50 مم / دقيقة. أظهرت نتائج الشد من المنطقة الملحومة أن العينة M2 و AMC مع 4٪ من الجرافيت أظهروا قوة عالية تبلغ 185 و 210 ميجا باسكال على التوالي. من هذه النتائج، يمكن ملاحظة أنه يمكن بسهولة توسيع نطاق هذا النهج للإنتاج بكميات كبيرة وكذلك يفتح السبل لتطوير AMCS‏ معززة بمواد النفايات الأخرى.

Download

Included in

Engineering Commons

Share

COinS