Otimização de Taguchi e modelagem dos parâmetros do processo de fundição por agitação na porcentagem de alongamento de compósitos de alumínio, pedra-pomes e carvão carbonatado

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 2915 (2023) Citar este artigo

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Os compósitos com matriz de alumínio, que são uma subclasse dos compósitos com matriz de metal, possuem características que incluem baixa densidade, alta rigidez e resistência, melhor resistência ao desgaste, expansão térmica controlada, maior resistência à fadiga e estabilidade aprimorada em altas temperaturas. As comunidades científica e industrial estão interessadas nesses compósitos porque podem ser usados ​​para fabricar uma ampla variedade de componentes para aplicações de ponta. Este estudo observou como a velocidade de agitação, a temperatura de processamento e a duração da agitação do processo de fundição por agitação afetaram a porcentagem de alongamento de compósitos híbridos Al-Pumice (PP)-Carbonized Coal Particles (CCP). Ele também analisou o peso ideal desses reforços de cerâmica natural usando a técnica de otimização de Taguchi. Ao otimizar a propriedade de alongamento percentual, os compostos duros, como sílica, óxido de ferro e alumina, foram descobertos durante a caracterização do reforço, mostrando que PP e CCP podem ser usados ​​como reforço em compósitos de matriz metálica. A porcentagem de alongamento do compósito híbrido mostrou-se mais afetada pelo PP, seguida pela temperatura de processamento, velocidade de agitação, CCP e tempo de agitação, usando a otimização dos parâmetros do processo de stir casting. Observou-se a 2,5% em peso de partículas de pedra-pomes, 2,5% em peso de partículas de carvão carbonatado, temperatura de processamento de 700 °C, velocidade de agitação de 200 rpm e tempo de agitação de 5 min, a porcentagem ideal de alongamento foi de 5,6%, que é 25,43% menor que o alongamento percentual da liga Al sem reforço. O estudo de regressão desenvolveu um modelo matemático preditivo para o alongamento percentual (PE) em função dos parâmetros do processo de fundição e ofereceu um alto grau de predição, com R-Square, R-Square (adj) e R-Square (pred ) valores de 91,60%, 87,41% e 79,32%, respectivamente.

Atualmente, materiais mais resistentes, leves e acessíveis são necessários para aplicações de ponta1. Para atingir esses critérios, os pesquisadores agora estão se concentrando no desenvolvimento de compósitos híbridos com uma forte relação resistência/peso2. A liga de alumínio é a liga mais amplamente utilizada para desenvolver o compósito híbrido devido à sua alta relação resistência-peso, condutividade térmica, trabalhabilidade, fundição e propriedades de forjamento. Mas as ligas de alumínio têm certas desvantagens, como baixa rigidez, tenacidade, resistência à fadiga, alto coeficiente de expansão térmica e características tribológicas inadequadas. Entre as formas mais eficazes de se obter melhorias nas propriedades das ligas de alumínio está a criação de compósitos híbridos com dois ou mais tipos de reforço. Os compósitos híbridos oferecem vários benefícios em relação aos materiais monolíticos, de liga e compostos, incluindo uma alta relação resistência-peso, resistência superior à corrosão e ao desgaste, resistência e rigidez, baixa condutividade térmica e expansão térmica, baixo peso e características aprimoradas de impacto e flexão . menor custo composto geral3,4. Os materiais híbridos são constituídos por uma matriz e dois ou mais elementos de reforço5. Eles são fabricados usando uma variedade de técnicas, incluindo metalurgia do pó, fundição por agitação, fundição por agitação em duas etapas e fundição por compressão6, para obter as propriedades mecânicas e o comportamento tribológico desejados: alta resistência específica, incluindo rigidez, densidade, microdureza, baixo coeficiente de expansão térmica, alta resistência térmica e boa capacidade de amortecimento7.

Partículas de cerâmica como pedra-pomes e partículas de carvão carbonizado demonstraram melhorar significativamente as características mecânicas do alumínio e suas ligas quando usadas como reforço8. A dureza, resistência ao escoamento e resistência à tração do alumínio são aumentadas, mas a ductilidade e o alongamento percentual são reduzidos pela adição de partículas como alumina, SiC, B4C, etc.9. Quando comparada com os materiais fundamentais usados ​​na cerâmica, a pedra-pomes exibe algumas qualidades quimicamente comparáveis10. Os 60 a 75% restantes do material, que é composto principalmente por Al2O3 e SiO2, são compostos por esses dois óxidos8. Quando sua composição é combinada com os tamanhos de jazidas conhecidas, que totalizam bilhões de toneladas, a pedra-pomes, que pode estar em sua forma particulada (ou seja, partícula-pomes-PP), tem potencial para ser utilizada como matéria-prima cerâmica10. Por causa de seus inúmeros atributos benéficos, como suas propriedades pozolânicas, minúsculo tamanho de partícula, natureza abrasiva e mineralogia, as partículas de carvão carbonatado (CCP) também têm potencial para uso significativo no campo da cerâmica11,12. Para prolongar a vida útil e reduzir o peso, grande esforço tem sido feito para melhorar as características mecânicas dos compósitos compostos por uma matriz de alumínio13. Mesmo que o desempenho de outras qualidades mecânicas tenha melhorado, a desvantagem fundamental dos materiais cerâmicos de reforço é a diminuição do alongamento percentual dos AMCs14. A dureza e a fragilidade dos compósitos de alumínio podem aumentar se partículas de cerâmica forem adicionadas à liga5. A utilização de tais compósitos tornou-se um desafio devido a esta propriedade. Investigações dos reforços da liga de alumínio são necessárias para avaliar seu desempenho em determinadas aplicações e superar essas restrições.