Date of Award

6-2021

Document Type

Dissertation

Degree Name

Doctor of Philosophy (PhD)

Department

Mechanical Engineering

First Advisor

Abdel-Hamid Ismail Mourad

Second Advisor

Jaber Abu Qudeiri

Third Advisor

Ramanathan Arunachalam

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.

Arabic Abstract

لقد أثر انخفاض أسعار النفط الخام على اقتصاد دول أعضاء مجلس التعاون الخليجي وبالأخص دولة الإمارات العربية المتحدة، ولذلك فقد بات من الضروري تسريع تنويع الاقتصاد. من بين البدائل المقترحة، إعادة تدوير عجلات السيارات المصنوعة من الألمنيوم.

تتمتع دولة الإمارات العربية المتحدة بامتلاكها ثروة هائلة من الصخور الصناعية والمعادن، حيث يتم تصنيع عدد كبير من سبائك الألمنيوم واستخدامه كوسط مركبات مبنية على معدن الألمنيوم (AMC) على نطاق واسع في العديد من الصناعات بما في ذلك قطاع الطيران والسيارات.

في السنوات القليلة الماضية، ازدادت الحاجة إلى تصنيع مركبات مبنية على معدن الألمنيوم بسبب تحسين خواصها الميكانيكية. المركبات المعدنية (MMC) هي مواد هندسية مركبة يمكن أن تحتوي على مكونات معدنية أخرى أو مواد تقوية مثل الألومينا (Al₂O₃) وكربيد السيليكون (SiC).

يركز هذا البحث على تطوير مركبات مصفوفة معدنية مبنية على الألمنيوم باستخدام عجلات الألمنيوم المستهلكة (SAAW) كمصفوفة. تم الحصول على عجلات الألمنيوم الخردة بسهولة من مصادر متعددة، واستخدم محفز الألومينا المستنفذ (SAC) كمادة تقوية، بالإضافة إلى الألومينا (Al₂O₃).

الهدف الرئيسي من هذا العمل هو تطوير مركبات AMC بشكل مستدام باستخدام مواد نفايات صناعية، وتقليل التكاليف البيئية والاقتصادية.

أولاً، تم تصنيع أربع مركبات بتركيبات مختلفة مثل: LM25 + Al₂O₃، و SAAW + Al₂O₃، و SAAW + SAC، و LM25 + SAC، وذلك باستخدام عمليات الصب والتحريك.

ثانيًا، أظهرت النتائج أن المركبات المعززة بجسيمات Al₂O₃ وSAC تمتلك خصائص ميكانيكية محسّنة، حيث زادت مقاومة الشد والصلادة. على سبيل المثال، تم تسجيل مقاومة شد تصل إلى 320 ميجا باسكال وصلادة تصل إلى 129 فيكرز.

ثالثًا، تم استخدام تحليل Taguchi-Grey (GRA) لتحسين معلمات عملية الصب بالتحريك، مثل درجة الحرارة وسرعة التحريك وزمن الخلط، حيث تم تحديد أفضل الظروف للحصول على خواص ميكانيكية محسنة.

رابعًا، أظهرت النتائج أن المركبات المعززة بـ SAC حققت تحسينًا ملحوظًا في مقاومة الشد والصلادة مقارنة بالمركبات التقليدية.

خامسًا، تم تصنيع مركبات AMC هجينة باستخدام نسب مختلفة من Al₂O₃ وSiC، وأظهرت النتائج أن أفضل أداء ميكانيكي تحقق عند نسب معينة من التعزيز.

أخيرًا، تم تقييم قابلية اللحام لهذه المركبات باستخدام تقنية اللحام بالاحتكاك (FSW)، حيث أظهرت النتائج إمكانية لحام هذه المواد بنجاح مع الحفاظ على خصائص ميكانيكية جيدة.

Arabic Comments

مفاهيم البحث الرئيسية: مركبات مصفوفة الألمنيوم (AMCs)، عجلات الألمنيوم الخردة (SAAW)، محفز الألومينا المستهلك (SAC)، اللحام بالاحتكاك (FSW)، الخواص الميكانيكية، الخواص الترايبولوجية.

Download

Included in

Engineering Commons

Share

COinS