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Mar 11, 2023

Taguchi アルミニウム、軽石、炭酸石炭複合材料の伸び率に関する撹拌鋳造プロセスパラメータの最適化とモデリング

Rapporti scientifici Volume 13,

Scientific Reports volume 13、記事番号: 2915 (2023) この記事を引用

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1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

金属基複合材のサブクラスであるアルミニウム基複合材は、低密度、高い剛性と強度、優れた耐摩耗性、制御された熱膨張、優れた耐疲労性、および高温での安定性の向上などの特性を備えています。 これらの複合材料は、最先端の用途向けのさまざまなコンポーネントの製造に使用できる可能性があるため、科学界および産業界はこれらの複合材料に関心を持っています。 これは、撹拌速度、処理温度、撹拌鋳造プロセスの撹拌時間が、Al-軽石（PP）-炭化石炭粒子（CCP）ハイブリッド複合材料の伸び率にどのように影響するかを観察した研究です。 また、Taguchi 最適化手法を使用して、これらの天然セラミック強化材の最適な重量も調べました。 伸び率特性を最適化しながら、強化材の特性評価中にシリカ、酸化鉄、アルミナなどの硬質化合物が発見され、PP と CCP が金属マトリックス複合材の強化材として使用できることが示されました。 撹拌鋳造プロセスパラメータの最適化を使用すると、ハイブリッド複合材料の伸び率は PP に最も影響され、次に加工温度、撹拌速度、CCP、撹拌時間の影響を受けることが示されました。 軽石粒子 2.5 wt%、炭酸炭粒子 2.5 wt%、処理温度 700 °C、撹拌速度 200 rpm、撹拌時間 5 分の条件で観察されたところ、最適な伸び率は 5.6% であることがわかりました。強化なしの Al 合金の伸び率より 25.43% 低い。 回帰研究では、撹拌鋳造プロセス パラメーターの関数として伸び率 (PE) の予測数学モデルを開発し、R-2 乗、R-2 乗 (adj)、および R-2 乗 (pred) を使用して高度な予測を提供しました。 ) の値はそれぞれ 91.60%、87.41%、79.32% でした。

現在、最先端の用途には、より強く、より軽く、より手頃な価格の材料が必要とされています1。 これらの基準を達成するために、研究者は現在、高い強度重量比を備えたハイブリッド複合材料の開発に集中しています2。 アルミニウム合金は、その高い強度重量比、熱伝導率、加工性、鋳造、鍛造特性により、ハイブリッド複合材料の開発に最も広く使用されている合金です。 しかし、アルミニウム合金には、低い剛性、靭性、耐疲労性、高い熱膨張係数、不十分なトライボロジー特性などのいくつかの欠点があります。 アルミニウム合金の特性を向上させる最も効果的な方法の 1 つは、2 種類以上の強化材を使用したハイブリッド複合材料の作成です。 ハイブリッド複合材料は、モノリシック材料、合金材料、複合材料に比べて、高い強度重量比、優れた耐食性と耐摩耗性、強度と剛性、低い熱伝導率と熱膨張、軽量、衝撃特性と曲げ特性の改善など、いくつかの利点を提供します。 。 全体的に複合材コストが低い3,4。 ハイブリッド材料は、1 つのマトリックスと 2 つ以上の強化要素で構成されています5。 これらは、粉末冶金、撹拌鋳造、二段階撹拌鋳造、絞り鋳造6などのさまざまな技術を使用して製造され、剛性、密度、微小硬度、低い係数などの高い比強度など、望ましい機械的特性と摩擦学的挙動を実現します。熱膨張、高い熱抵抗、優れた減衰能力7.

軽石や炭化石炭粒子などのセラミック粒子を強化材として使用すると、アルミニウムとその合金の機械的特性が大幅に改善されることが証明されています8。 アルミニウムの硬度、降伏強さ、引張強さは向上しますが、アルミナ、SiC、B4C などの粒子を添加すると延性と伸び率が低下します9。 セラミックに使用される基礎材料と比較すると、軽石は化学的に同等の品質を示します10。 材料の残りの 60 ～ 75% は、主に Al2O3 と SiO2 で構成されており、これら 2 つの酸化物で構成されています8。 その組成と合計数十億トンの既知の堆積物のサイズを組み合わせると、粒子状（つまり軽石粒子-PP）の軽石はセラミック原料として使用できる可能性があります10。 炭酸石炭粒子 (CCP) は、ポゾラン特性、小さな粒子サイズ、研磨性、鉱物学などの多くの有益な特性により、セラミックスの分野でも重要な用途に使用できる可能性があります 11,12。 重量を軽減しながら耐用年数を延ばすために、アルミニウムマトリックスで構成される複合材料の機械的特性を改善することに多大な努力が払われてきました13。 たとえ他の機械的品質の性能が向上したとしても、セラミック強化材料の根本的な欠点は、AMC の伸び率の低下です14。 セラミック粒子を合金に添加すると、アルミニウム複合材料の硬度と脆性が増加する可能性があります5。 この特性により、このような複合材料の利用は困難になっています。 特定の用途におけるアルミニウム合金の性能を評価し、これらの制限を超えるには、アルミニウム合金の強化材の調査が必要です。

撹拌鋳造技術は、現在、金属マトリックス複合材料を製造する最も簡単で商業的に実行可能な方法です。 この方法では、溶融金属浴内で強化粒子を機械的に混合し、完全に固化するまでその混合物を形成された型に移す必要があります15。 実験装置には、母材金属を溶かすための抵抗加熱炉、セラミック粒子の供給機構、および予熱された粒子をマトリックス液と混合するための電気モーターに接続された機械式撹拌機が含まれています16。 最新の興味深い画期的な進歩は、二重撹拌鋳造、つまり 2 段階の混合プロセスです。 このプロセスでは、マトリックス材料がその液相線温度を超えて加熱され、その後、溶融物が液相線点と固相線点の間の温度（半固体状態）まで冷却されます。 予熱した強化粒子をこの段階で加えて混合します。 次に、スラリーを完全な液体状態まで加熱し、もう一度完全に混合します。 撹拌鋳造法の主な問題は、強化材粒子の凝集、多孔性/ガス閉じ込め、反応粘度、および凝固中の粒子の沈降と粒子の凝集によって引き起こされる偏析です。 強化粒子を均一に分散させるには、撹拌プロセスの設定を選択することが大きなハードルとなります17。

強化粒子の分散に対するプロセス変数の影響は、広範囲に研究されています。 追跡された重要な変数は、撹拌時間、処理温度、およびペースでした。 シンらによると、 550 rpm の撹拌速度、45° のブレード角度の撹拌機、および 6 分間の撹拌時間は、鋳造サンプル中に粒子を均一に分散させるための理想的な設定です 18。 Moses et al.19 は、鋳造複合材の引張強さは、300 rpm で 15 分間、ブレード角度 30 度で撹拌しているときにピークに達することを発見しました。 Prabu et al.20 によれば、撹拌速度 600 rpm、撹拌時間 10 分で鋳造試験片に粒子のより均一な分散が見られました。 同じ標本では、より高い硬度も確認されました。 複合材料を金型のキャビティに注入する前に、粒子が均一に分散していることが望まれます。 流動と凝固の現象により、注入された溶湯の不均一性が増大します。 液体から固体への移行中に生じる重力と動的環境の変化は、凝固中の粒子の最終的な分散に影響を与えます21。

研究により、Taguchi の最適化アプローチに基づいて出力応答をもたらす入力パラメータが改善されました22。 このアプローチの損失関数を使用すると、望ましい目標値から逸脱するパフォーマンス測定値が計算されます。 この損失関数の値は、信号対ノイズ (S/N) 比を計算するために使用されます。 一般に、パフォーマンスを分類するために、「小さいほど良い」、「名目上の良い」、および「高いほど良い」統計の 3 つのカテゴリが使用されます23。 この研究の目的と新規性は、タグチ最適化アプローチを初めて適用して、天然セラミック強化材（軽石と炭酸炭粒子）の重量組成と、撹拌鋳造プロセスパラメータ（撹拌速度）の影響を最適化することです。 、処理温度、および撹拌時間）を考慮して、Al-PP-CCP ハイブリッド複合材料の「高いほど良い」最適な伸び率を決定します。

Al-PP-CCP ハイブリッド複合材料の製造には、アルミニウム粉末、軽石、石炭が使用されました。 石炭はナイジェリアのベヌエ州エフェシェ・アクパリにあるダンゴテ炭鉱から調達されましたが、軽石はナイジェリアのボルノ州ビウにある採掘場で地元の地下で採掘されました。

アルミニウム 6061 は、主な合金元素としてマグネシウムとシリコンを含む 6xxx シリーズのアルミニウム合金の一部です。 優れた強度重量比、熱伝導性、溶接性、加工性、鋳造性、機械加工性、鍛造性、耐食性を備えています。 その用途は、自動車や航空宇宙部品から食品や飲料の包装、電子製品などにまで及びます。

水分と汚れを除去するために、ナイジェリアのボルノ州の地元の地下鉱山から軽石を抽出した後、軽石を洗浄し、100 °C のオーブンで 48 時間乾燥させました。 次いで、凝集した塊を、最初に実験用乳鉢と乳棒で粉砕することによって、微粉末に加工した。 この製造技術は、24、25 による研究と一致しています。 軽石粉末をさらに篩い分けすることにより、サイズ９０μｍの軽石粒子（ＰＰ）を得た。 図 1a は、生成された炭酸化石炭粒子を示しています。

補強材および鋳造複合材 (a) 原料軽石および粉末軽石 (b) 原料および粉末炭酸炭 (c) 鋳造ハイブリッドアルミニウム複合材。

ダンゴテ炭鉱から回収された石炭は、破砕機を使って小さな塊に砕かれます。 塊を黒鉛るつぼに入れ、空気を入れずに電気炉で 1100 °C で 8 時間加熱しました。 炭化した石炭は、オーブンで焼きならした後、水で洗浄して不純物を除去し、水分含有量を最小限に抑えるために乾燥させました。 次に、炭化した石炭を実験室の乳鉢と乳棒で粉砕して粉砕し、石炭の大きな塊を小さな顆粒に変えました。 による研究 26,27 はこの技術を裏付けています。 サイズ 90 μm の炭化石炭粒子 (CCP) を達成するために、生成された炭化石炭をさらにふるいにかけました。 図 1b は、生成された炭酸化石炭粒子を示しています。

Al-PP-CCPハイブリッド複合材料は、底部注入撹拌鋳造法と液体冶金を利用して作成されました。 28 によれば、製造された PP と CCP は、粒子表面の酸化と焼成を目的として、炉内で 500 °C で 2 時間加熱されました。 次に、合金が完全に溶けることを保証するために、Al インゴットを電気炉のるつぼに入れ、690 °C (液相線温度より 30 °C 以上) まで加熱しました。 加熱されたコーティングスキマーを使用して、溶融アルミニウムの表面に形成されたドロスを除去しました。 マトリックス相と強化相の間の湿潤性を高め、溶融物からガスを除去するために、29 の方法に従って温めた粒子を統合する前に、0.01% NaCl-KCl 粉末と 1 wt% マグネシウム (界面活性剤として機能) を添加しました。 、30。

コーティングされたステンレス鋼のスターラーを炉内に落として溶融物を撹拌し、渦を形成すると同時に、液体合金が炉内でおよそ 600 °C の温度で半固体状態に冷却されました。 この時点で、1 分以内に、それぞれ 2.5 ～ 10 wt% の重量組成を持つ加熱粒子が溶融スラリーにゆっくりと添加されました 31,32。 その後、複合スラリーを、撹拌速度 (SS) (200 ～ 500 rpm)、処理温度 (PT) (700 ～ 850 °C)、撹拌時間 (ST) (5 ～ 500 rpm) などのさまざまな撹拌鋳造プロセス パラメーターに加熱しました。 20 分）実験の実行によると。 さらに、Aynalem33 の方法によれば、スラリーを型に注入する前に、型を約 550 °C の温度に加熱しました。 強化の効果を比較するために、強化なしのAl合金も対照サンプルとして作成しました。 製造されたハイブリッドアルミニウム複合材を図1cに示します。

この研究の試験は、34 の推奨に従って、Taguchi の直交配列 (OA) を使用して設計されました。 この調査では、4 つの設計レベルを持つ 5 つの処理要素が使用されました。 表 1 は、Al-PP-CCP ハイブリッド複合材料の製造に使用される変数とレベルを示します。一方、表 2 は、Minitab 統計プログラムによって生成された L16 実験の直交配列を示します。

Al 合金、PP、および CCP 粉末の形態は、16.0 kV で動作するエネルギー分散型 X 線 (EDX) を備えた超高真空、高解像度の走査型電子顕微鏡 (SEM) で調査されました。 サンプルは、低堆積速度を使用して表面に金をスパッタリングすることによって配置されました。

Ｐｈｉｌｉｐｓ社の蛍光Ｘ線分析計、モデルＰＷ２４００を使用して、Ａｌ合金、ＰＰ、およびＣＣＰの元素組成を調査した。 蛍光 X 線 (XRF) 分光計は、入力 X 線と出力ガンマ線を区別することにより、サンプル内のさまざまな物質の発光蛍光を識別することができました。

PP および CCP 粉末の構造パターンは、回折計 Rigaki Miniflex で電圧 40 kV、電流 30 mA で製造した銅管 (1.5418 A) を使用した粉末 X 線回折 (XRD) 法を利用して決定しました。 2θ範囲は5°～80°35。

Al-PP-CCP ハイブリッド複合材料の伸び率は、ASTM E8M-91 規格に従って測定されました。 コンピュータ化された試験機（Zwick/Roell Z100）を使用して、標準寸法の直径12.7 mmおよびゲージ長50.8 mmの試験片に対して伸び率を求めました。 各試験片について、得られたデータの再現性と信頼性を確保するために伸び試験が 3 回実行されました 36。

開発された Al-PP-CCP ハイブリッド複合材料の実験的な伸び率特性は、Minitab (バージョン 16.1、Minitab Inc.) および Origin (バージョン 2020、 OriginLab) ソフトウェア。 シーケンス間の接続の強さを評価する一般的な手法は、信号対雑音比に基づきます。

この調査では、複合材料の全体的な特性に対して高い伸び率値が選択されました。 その結果、実験段階では、Taguchi 最適化の「大きいほど良い」正規化基準を使用してグレードが作成されました 37。 このプロセスパラメータの最適なレベルは、最大の S-N 比を持つパラメータです22。 式 (1) は、関数の S/N 比に基づいて調査対象の複合材料の伸び率を計算するためにこの研究で使用された、大きいほど良い基準線形データ前処理アプローチの概要を示しています。

ここで、n はサンプル サイズ、yi は実行の伸び率です。

Al合金、PP、CCPの微細構造とEDSを図2a、bに示します。 図2aには、Al固溶体の一次粒子が、金属間化合物Mg2Siの析出物を含むさまざまな金属間相を含む二量体Al-Si共晶領域とともに示されています。 この固溶体は凝固中の過冷却の結果として生成されます。 EDS 分析は、アルミニウム (Al)、酸素 (O)、炭素 (C)、鉄 (Fe)、シリコン (Si)、カルシウム (Ca)、ナトリウム (Na)、およびマグネシウムのピークを持つものとして図 2b に示されています。 (マグネシウム)。 これらの成分は XRF の発見を裏付け、使用された合金が Al 6061 合金であることを証明しました。

マトリックスと強化材の SEM および EDX: (a) Al 合金の SEM、(b) Al 合金の EDX、(c) PP の SEM、(d) PP の EDX、(e) CCP の SEM、(f) の EDX中国共産党。

PPの微細構造は図2cに開示されており、非晶質構造のラメラ、均等に分散した相、および材料が押し出し性で均一な細孔分布を有することを示す境界で構成されています。 これは、PP の重要な特性の 1 つが、アルミニウムとの強力な粒子マトリックス界面接着力を提供することにより、ハイブリッド複合材料用途における応力伝達を促進する能力であることを示しています。 これにより、いくつかの機械的品質が向上します38。 図 2d には、炭素、酸素、鉄、シリコン、アルミニウム、チタン、カルシウム、カリウムのピークが見られます。 これらの物質は軽石由来の成分であり、その存在はSiO2、Al2O3、K2O、Fe2O3、MgOの存在を示します。 XRF および XRD 分析はこの結論と一致しています。

角張った不規則な多孔質空間と粗い質感で構成されるCCPの微細構造も図2eに開示されています。 CCP の粒子には球形のものもあれば、ポップコーンに似たものもあります。 この際立った特徴は、表面が粗いため、この材料がアルミニウムとの微粒子とマトリックスの界面に強力な接着力を提供する能力を示しており、これによりマトリックスとの濡れ性が向上し、その結果、得られる複合材料の機械的品質が向上します39。 CCP の EDS を図 2f に示します。シリコン (Si)、炭素 (C)、および酸素 (O) のピーク (Si) が表示されます。 炭酸炭の主成分であるSiO2、黒鉛の存在を証明した。 XRF および XRD 分析はこの結論と一致しています。

XRF 分析を使用して、Al-PP-CCP ハイブリッド複合材料を構成する Al、PP、および CCP 粉末の化学分析を行いました。 結果を表 3 および表 4 に示します。

表 3 に示す結果から、この合金には大量のアルミニウム (重量の 98.18%) が含まれていることが明らかになり、これはアルミニウムで作られた合金複合材料を調べた他の研究と一致しています 40,41。 さらに、表 4 に示す XRF 研究では、CCP の主な元素は SiO2、Al2O3、SO3、Fe2O3、TiO2、MgO、CaO であるのに対し、PP の主成分は SiO2、Fe2O3、Al2O3、CaO、K2O であることが示されました。 、TiO。 PP に関する調査結果 38、42、および CCP に関する調査結果 43 は、この結果と一致しています。 さらに、XRF 研究では、PP と CCP の化学組成が、バガス、イナゴ豆廃棄灰、もみがら灰、フライアッシュなど、現在金属マトリックス複合材で利用されている他の農業廃棄物と同等であることが明らかになりました 38,40,44。 シリカ、酸化鉄、アルミナは最も硬い材料の 1 つであり、PP や CCP に含まれるため、さまざまな金属マトリックスの補強に適していると主張されています 38。

図 3 は、PP と CCP の XRD 特性評価の結果を示しています。 その結果、天然ゼオライト材料であるダキアルダイト [(Ca, Na, K, Mg)4, (Si, Al)24O48,13H2O]、灰長石 (CaAl2Si2O8) 曹長石 ( NaAlSi3O8)、亜塩素酸塩蛇紋岩。 さらに、バックグラウンド ラインが 20° ～ 30° 2θ の範囲で増加し、PP45 にアモルファス石英材料が存在することを示しています。 CCP 粉末を照合したところ、石英、黒鉛、モンモリロナイト、白雲母、緑泥石相の存在が判明しました。

PPおよびCCP粉末のXRD分析。

この研究に関連する実験に基づいて、表 1、5 に示すように、製造された Al-PP-CCP ハイブリッド複合材料の伸び率と対照 Al 合金の伸び率が得られます。 結果は、2.5 wt% PP、2.5 wt% CC、200 rpm の撹拌速度、700 °C の処理温度、および 5 分の撹拌時間で、5.6% の最大伸び率が得られることを示しました。 10 wt% PP、2.5 wt% CCP、500 rpm の撹拌速度、750 °C の処理温度、および 15 分の撹拌時間で、2.09% の最小伸び率が得られました。 この結果から、Al-PP-CCP ハイブリッド複合材料の伸び率は、伸び率 7.51% の鋳造アルミニウムと比較して低下していると推測できます。 伸び率の低下は、延性 Al マトリックスに硬くて脆い強化材が存在することに関連している可能性があり、その結果、複合材料の塑性流動に障壁が生じます。 とりわけ 46、47、48 による同様の研究は、この発見に同意しました。

タグチ設計手法を使用して、表 5 に示す実験実行の S/N 比に基づいて撹拌鋳造プロセスのパラメーターを調整しました。S/N 比と平均の応答表は、取得したさまざまな要因とレベルに応じて異なります。この調査で考慮した結果を表 6 に示します。この結果では、Al-PP-CCP ハイブリッド複合材料の伸び率が各撹拌鋳造プロセス パラメーターの影響を受けることが示されており、S/N に基づいて因子もランク付けされています。比率を使用して、どの要因が最も影響を及ぼしているかを示します。 結果として、PP が最も大きな影響を及ぼし、次に処理温度、撹拌速度、CCP、撹拌時間が続きます。

伸び率に対する PP、CCP、撹拌速度、処理温度、撹拌時間の影響を図 4 に示します。図 4a は、強化アルミニウム金属マトリックス複合材の伸び率に対する PP の影響を示しています。 ＰＰの重量組成が最大の２．５重量％から１０重量％まで増加するにつれて、伸び率が減少することが観察された。 XRF 分析で示されるように、伸び率の低下は、石英、灰長石、曹長石を含む、より硬くなった軽石補強材の存在に起因すると考えられます。 この発見は、金属マトリックス複合材の伸び率が強化材含有量の増加によって減少することを観察した Nagaral ら 49 および Anbuchezhiyan ら 50 による研究と一致しています。

補強材の追加による伸び率の変化。 (a) 軽石粉末と伸び率、(b) 炭酸炭粒子と伸び率。

図 4b は、強化 Al-PP-CCP ハイブリッド複合材料の伸び率に対する CCP の影響を示しています。CCP の重量組成が 2.5 wt% から 7.5 wt% に増加すると、複合材料の伸び率が 3.38% から 3.99% に増加することが観察されました。 wt% に達し、この点を超えると傾向は逆転します。 強度の増加は、マトリックス内に CCP 強化材が均一に分散していることに起因すると考えられます。 ７．５重量％の後に得られる伸び率の逆転は、ＣＣＰの重量組成の増加とともに増加する濡れ性の悪さに起因する。 この発見は、強化材が均一に分散した結果として伸び率が増加することを観察した Muni らの研究 51 と類似しています。

図 5a は、強化アルミニウム金属マトリックス複合材の伸び率に対する撹拌速度の影響を示しています。 撹拌速度が増加するにつれて、伸び率が２００ｒｐｍの撹拌速度での最大値４．２７５％から、５００ｒｐｍの撹拌速度での最小値３．１２％まで減少することが観察された。 この減少は、スラリーの撹拌の激しさが増し、その結果、強化粒子がクラスター化し、スラリー中へのガスの捕捉が促進され、高い気孔率とブローホールが発生することが原因であると考えられます。 これらの結果は、52 によるいくつかの関連研究と一致します。研究者は、撹拌速度が速くなると、スラリーの撹拌強度が高まるため、粒子分布にかなりの不均一性が生じ、その結果、粒子のクラスター化とスラリーへのガスの吸収が生じることを観察しました。

撹拌プロセスパラメータによる伸び率の変化。 (a) 撹拌速度と伸び率、(b) 処理温度と伸び率、(c) 撹拌時間と伸び率。

図 5b は、注湯温度の上昇により、伸び率が 700 °C での 4.327% から 850 °C での 2.945% に減少したことを示しています。 この減少は、スラリー中の強化材の不均一な分布と、多孔性を引き起こす可能性のある溶融物へのガスの吸収に起因すると考えられます。 最適値を超える高温での撹拌も還元の原因となる可能性があります。これは、より高い温度で撹拌すると、製造された複合材料に有害な新しい金属間相やブローホールが形成されるためです。 この発見は、最適温度を超えて撹拌温度が上昇すると、粒子の均一性が低下し、複合材料に悪影響を与える望ましくない相の形成につながることを観察した、53 によって行われた研究と一致しています。

Al-PP-CCPハイブリッド複合材料の撹拌時間（ST）に伴う伸び率の変化を図5cに示します。 結果から、伸び率は撹拌時間 15 分で最適値 3.87% まで増加し、その後撹拌時間 20 分に達するまで減少し続けることが観察されました。 この増加は、強化材の優れた混合により、マトリックス内に強化材が公平に分散されたことに起因すると考えられます。 対照的に、撹拌時間の増加に伴う伸び率の減少は、撹拌時間が長くなり、液体アルミニウムマトリックス中でのガスの吸収と酸化が起こることが原因であると考えられます。 この結果は、最適値を超えて撹拌時間を長くすると、間違いなく調製された複合材料のガス吸収性と酸化が増加し、機械的特性が低下することを観察した Azadi らの研究と一致しています 54。

応答変数と 2 つの制御変数の間の関係を調べるために、図 6 に示すように等高線プロットが使用されました。

さまざまな補強追加時の伸び率 (PE) とプロセス パラメーターの等高線プロットの相互作用: (a) PE 対 CC、PP、(b) PE 対 PT、PP、(c) PE 対 SS、PP、(d) PE 対 ST、PP、(e) PE 対 SS、CC、(f) PE 対 PT、CC、(g) PE 対 ST、CC、(h) PE 対 PT、SS、(i) PE 対 ST、SS、(j) PE 対 PT、ST。

図６ａでは、他のプロセスパラメータを一定に保ちながら、２．５重量％のＰＰと２．５重量％のＣＣＰとの間の相互作用によって５．６％の最大伸び率が得られることが観察された。 図 6b は、2.5 wt% の PP と 700 °C での PT の相互作用によって 5.6% の最大伸び率が得られることを示しています。 図 6c は、2.5 wt% PP と 200 rpm の SS の相互作用により、最大伸び率 5.6% が得られることを示しています。 図６ｄに示すように、２．５重量％のＰＰ含有量と５分間のＳＴ継続時間との相互作用により、５．６％の最大伸び率を得ることができる。 図６ｅは、２．５重量％のＣＣ含有量と２００ｒｐｍのＳＳとの相互作用で、５．６％の最大伸び率が得られることを示した。 図 6f では、2.5 wt% の CCP と 700 °C の処理温度の相互作用で 5.6% の最大伸び率が得られることがわかります。 図 6g は、2.5 wt% CCP と 5 分の ST の相互作用により 5.6% の最大伸び率が得られることを示しています。 図 6h は、200 rpm の撹拌速度および 700 °C の処理温度で 5.6% というより高い伸び率が達成できることを示しています。 図 6(i) は、5.6% の最大伸び率を得るには、他のパラメーターを一定に保ちながら、スラリーを 200 rpm で 5 分間撹拌する必要があることを示しています。 図6jは、他のパラメータが一定に保たれた場合、700℃の処理温度と5分のストリング時間の相互作用で5.6％の最大伸び率が得られることを示しています。

表6と図から。 図 4 および 5 に示すように、撹拌鋳造プロセス パラメータの伸び率で得られた最も高い平均 S/N 比は、PP 2.5 wt%、CCP 7.5 wt%、撹拌速度 200 rpm、処理温度 700 °C、および撹拌です。時間は 10 分で、PP1 – CC3 – SS1 – PT1 – ST2 に対応します。 撹拌鋳造プロセスパラメータ (PP1 – CC3 – SS1 – PT1 – ST2) の最適設定を使用すると、ハイブリッド アルミニウム複合材の最適な伸び率を式 1 で予測できます。 (2) および表 6。

ここで、Tm は表 5 から得られた全体の平均または S/N 比、Tm = 3.6065%、 \({(T}_{ik}{)}_{max}\) は、係数 k の最適レベル i での平均です、T1PP = 4.486%、T3CC = 3.993%、T1SS = 4.275%、T1PT = 4.327%、表 6 では、T2ST = 3.873% が太字で示されており、\({k}_{n}\) は応答に影響を与える主要な設計要素の数であり、5 に相当します。これにより、6.51% という最適な伸び率が得られました。

得られたタグチ予測の最適条件を検証する。 新しい Al-PP-CCP 複合材料は、因子 (PP1 – CC3 – SS1 – PT1 – ST2) の最適レベルを使用して鋳造され、製造されたサンプルに対して ASTM 規格に従って伸び率確認試験が 3 回行われました。 結果を表７に示す。確認伸び率は７．１２％の値となった。

線形回帰分析は、Minitab ソフトウェアを使用して実行されました。 この分析により、要因とその相互作用を考慮した ANOVA が生成され、各処理パラメータの有意水準が決定されました。 得られた結果を表８に示す。有意水準０．０５では、回帰モデル、ＰＰ、ＳＳ、およびＰＴが有意であり、ＰＰがハイブリッド複合材料の伸び率に最も高い寄与率を有する。 回帰分析により、R-2 乗、R-2 乗 (adj)、および R-2 乗 (pred) を使用した高レベルの予測を提供する、撹拌鋳造プロセス パラメーターの関数として伸び率 (PE) の予測数学モデルが生成されました。値はそれぞれ 91.60%、87.41%、79.32% でした。 55,56 によれば、75% を超える R-2 乗値が適切であるとみなされ、応答とプロセス パラメーターが良好に適合していることを意味します。 回帰モデルは式で与えられます。 (3)。

図 7 は、この研究で考慮された実験実行の予測伸び率と実験伸び率を比較しています。 モデルの予測の信頼区間 (CI) 範囲内でのこれらのグラフの比較から、95% の信頼区間内で最適な伸び率予測が受け入れられることがわかります。

Al-PP-CCP ハイブリッド複合材料の伸び率の予測と実験のプロット。

この研究では、実験値はこの範囲内に収まると予想されます。

ここで、TSpredictive は予測または最適な総伸び率、TSexperimental は確認テスト後の実験値、CI は信頼区間です。

式 (4) を使用して信頼区間を評価しました。

ここで \({F}_{\alpha }\left(1, {F}_{e}\right)\)= α = リスクに必要な F 比率。 Fe = 誤差 DOF; 表 4.5 より Fe = 10 ∴ F 表より \({F}_{\alpha }\left(1, {F}_{e}\right)\)= \({F}_{0.05}\) (1,10) = 4.96、Ve = 誤差分散、ANOVA 表 8 より Ve = 1.3215; W = 確認テストを実行する複製の数と同じ = 3; U = 有効な複製数。

ここで、N は結果の総数 = 48、T は制御因子の総自由度 = 5 です。これらの値を式 1 に代入します。 (5)。

\(\したがってU=\) 8.

\({f}_{\alpha \left(1, de\right)}、{v}_{e}、U、および w\) の値を式に代入します。 (4)

∴CI = 1.733。

確認試験から得られた総伸び率の値は、実験値が次のような総伸び率の信頼区間範囲内にあることを示しています。

この場合、PEpredictive = 6.51 です。

この研究では、天然セラミック強化材（軽石および炭酸炭粒子）の重量組成を最適化するタグチ最適化アプローチの使用と、Al-PP-CCP ハイブリッド複合材料の伸び率に対する撹拌鋳造プロセスパラメータの影響が考慮されました。 。 最も硬い成分であるシリカ、酸化鉄、アルミナが強化材の特性評価中に見つかりました。これは、PP と CCP が伸び率特性を低下させるものの、さまざまな金属マトリックスにおける強化材としての使用に適していることを示しています。 撹拌鋳造プロセスパラメータの最適化を利用すると、PP がハイブリッド複合材料の伸び率に最も大きな影響を及ぼし、次に加工温度、撹拌速度、CCP、撹拌時間に影響することが判明しました。 より丈夫で硬い PP 強化材が存在するため、PP の重量組成が低下するにつれて伸び率が上昇し、2.5 wt% で最大に達することがわかりました。 最良の伸び率は 5.6% であることが判明しました。これは、2.5 wt% PP、2.5 wt% CCP、700 °C PT、200 rpm SS、および 5最小ST時間。 確認試験から得られた伸び率値は、実験値が伸び率の信頼区間範囲内にあることを示しています。 R-Square 値と R-Square (adj) 値がそれぞれ 91.60% と 87.41% であるため、回帰分析により、撹拌鋳造プロセス パラメーターの関数として伸び率 (PE) の予測数学モデルが確立され、高度な精度が得られました。予測の。

ハイブリッド複合材料のトライボロジー特性と熱特性を評価します。

これらの発見を再現するために必要な生/処理されたデータは、進行中の研究 (博士論文) の一部でもあるため、現時点では共有できません。

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タニム・コギ・イブラヒム、ダンジュマ・サレハ・ヤワス、バシャール・ダンアサベ

ナイジェリア、ザリア、アフマドゥベロ大学機械工学科シェル JV 教授教授室

ダンジュマ・サレハ・ヤワス

ナイジェリア、カドゥナ、空軍工科大学空気工学部冶金・材料工学科

アデタヨ・アブドゥルムミン・アデビシ

アフマドゥベロ大学工学部冶金・材料工学科（ナイジェリア、ザリア）

アデタヨ・アブドゥルムミン・アデビシ

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イブラヒム、TK、ヤワス、DS、ダンアサベ、B. 他 Taguchi アルミニウム、軽石、炭酸石炭複合材料の伸び率に関する撹拌鋳造プロセス パラメーターの最適化とモデリング。 Sci Rep 13、2915 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-29839-8

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受信日: 2022 年 11 月 14 日

受理日: 2023 年 2 月 10 日

公開日: 2023 年 2 月 20 日

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