Investigation of hardness behavior in aluminum matrix composites reinforced with coconut shell ash and red mud using Taguchi analysis

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction: in present scenario, light and high strength aluminium metal matrix composite are extensively used due to its high mechanical and tribological properties. Aluminium metal matrix composite reinforced with ceramic and industrial waste can customize its mechanical-chemical behavior. The purpose of the work: to create an aluminum matrix composite material using ceramic (primary) and industrial (secondary) waste represented by red mud and coconut shell ash, respectively. The mass fraction of the strengthening phase varied from 5 to 12.5 wt. % respectively with the residual mass percentage of the aluminum alloy. Method of investigation: nine specimens of composite materials were prepared by stir casting. Stirring was carried out at a speed of 50 to 100 rpm for 20 minutes at a temperature of 800 °C. Result and Discussion: the hardness behavior of the aluminum metal matrix composite was studied at an indentation load of 10, 15 and 20 kN. Taguchi method with L27 orthogonal array was selected to conduct analysis of variance (ANOVA) and regression analysis by selecting the mass percentage of red mud and mass percentage of coconut shell ash. The indentation load was used as an input parameter, and the hardness behavior was taken as an output parameter. The signal-to-noise ratio, response rank table, contour plot, and normal probability plot are investigated and it is found that hardness values improve with the addition of both reinforcing components and indenter load. The results show that the hardness value varies from 33.34 HB to 53.44 HB, and the effect of red mud mass percentage is more significant than the indenter load and coconut shell ash mass percentage.

About the authors

R. Dewangan

Email: rdewangan@jpr.amity.edu
ORCID iD: 0000-0002-1973-6726
Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Department of Mechanical Engineering, Amity University Rajasthan, Jaipur, 303002, India, rdewangan@jpr.amity.edu

B. P. Sharma

Email: bpsharma@amity.edu
ORCID iD: 0000-0002-3207-7286
Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Department of Mechanical Engineering, Amity University Uttar Pradesh, Noida, 201313, India, bpsharma@amity.edu

S. S. Sharma

Email: sssharma1@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-1510-5871
D.Sc. (Engineering), Associate Professor, Department of Mechanical Engineering, Manipal University Jaipur, Jaipur, 303007, India, sssharma1@gmail.com

References

  1. Verma N., Vettivel S.C. Characterization and experimental analysis of boron carbide and rice husk ash reinforced AA7075 aluminium alloy hybrid composite // Journal of Alloys and Compounds. – 2018. – Vol. 741. – P. 981–998. – doi: 10.1016/j.jallcom.2018.01.185.
  2. Bharathi P., Kumar T.S. Mechanical characteristics and wear behaviour of Al/SiC and Al/SiC/B4C hybrid metal matrix composites fabricated through powder metallurgy route // Silicon. – 2023. – Vol. 15 (10). – P. 4259–4275. – doi: 10.1007/s12633-023-02347-0.
  3. Sundarababu J., Anandan S.S., Griskevicius P. Evaluation of mechanical properties of biodegradable coconut shell/rice husk powder polymer composites for light weight applications // Materials Today: Proceedings. – 2021. – Vol. 39. – P. 1241–1247.
  4. A new treatment for coconut fibers to improve the properties of cement-based composites – Combined effect of natural latex/pozzolanic materials / E.J. Da Silva, M.L. Marques, F.G. Velasco, C.F. Junior, F.M. Luzardo, M.M. Tashima // Sustainable Materials and Technologies. – 2017. – Vol. 12. – P. 44–51. – doi: 10.1016/j.susmat.2017.04.003.
  5. Fabrication and characterization of adding coconut shell actived nanocarbon to lightweight concrete / H. Lubis, E. Sharman, E. Chairina, I. Siregar, M. Rizky, D. Maiya, T. Machdhalie // Journal of Physics: Conference Series. – 2020. – Vol. 1428 (1). – P. 012039. – doi: 10.1088/1742-6596/1428/1/012039.
  6. The feasibility of using red mud in coatings based on glyptal resins / L. Melnyk, O. Myronyuk, V. Ratushniy, D. Baklan // French-Ukrainian Journal of Chemistry. – 2020. – Vol. 8 (1). – P. 88–94. – doi: 10.17721/fujcV8I1P88-94.
  7. Feasibility of preparing red mud-based cementitious materials: Synergistic utilization of industrial solid waste, waste heat, and tail gas / Z. Li, J. Zhang, S. Li, C. Lin, Y. Gao, C. Liu // Journal of Cleaner Production. – 2021. – Vol. 285. – P. 124896. – doi: 10.1016/j.jclepro.2020.124896.
  8. Kang S.P., Kwon S.J. Effects of red mud and alkali-activated slag cement on efflorescence in cement mortar // Construction and Building Materials. – 2017. – Vol. 133. – P. 459–467. – doi: 10.1016/j.conbuildmat.2016.12.123.
  9. A laboratory-scale experimental investigation on the reuse of a modified red mud in ceramic materials production / C. Scribot, W. Maherzi, M. Benzerzour, Y. Mamindy-Pajany, N.E. Abriak // Construction and Building Materials. – 2018. – Vol. 163. – P. 21–31. – doi: 10.1016/j.conbuildmat.2017.12.092.
  10. Efficient removal of antimony (III) in aqueous phase by nano-Fe3O4 modified high-iron red mud: study on its performance and mechanism / Y. Peng, L. Luo, S. Luo, K. Peng, Y. Zhou, Q. Mao, Y. Yang // Water. – 2021. – Vol. 13 (6). – P. 809. – doi: 10.3390/w13060809.
  11. Sharma R., Pradhan M.K., Jain P. Fabrication, characterization and optimal selection of aluminium alloy 8011 composites reinforced with B4C-aloe vera ash // Materials Research Express. – 2023. – Vol. 10 (11). – P. 116513. – doi: 10.1088/2053-1591/acec32.
  12. Optimizing wear performance: comprehensive analysis of aluminium 6061 metal matrix composites reinforced with coconut shell ash and graphene / L.J. Kumar, J.P. Ganjigatti, G. Irfan, R. Thara // Journal of The Institution of Engineers (India): Series D. – 2024. – P. 1–17. – doi: 10.1007/s40033-023-00630-3.
  13. Kumar A., Singh R.C., Chaudhary R. Investigation of nano-Al2O3 and micro-coconut shell ash (CSA) reinforced AA7075 hybrid metal–matrix composite using two-stage stir casting // Arabian Journal for Science and Engineering. – 2022. – Vol. 47 (12). – P. 15559–15573. – doi: 10.1007/s13369-022-06728-2.
  14. Experimental analysis and mechanical characterization of Al 6061/alumina/bagasse ash hybrid reinforced metal matrix composite using vacuum-assisted stir casting method / N.K. Chandla, Yashpal, S. Kant, M.M. Goud, C.S. Jawalkar // Journal of Composite Materials. – 2020. – Vol. 54 (27). – P. 4283–4297. – doi: 10.1177/0021998320929417.
  15. Dewangan R., Pandey P.K., Dohare R. Analysis on mechanical behaviour of hybrid aluminium metal matrix composite material using rice husk ash and iron ore tailing // Turkish Online Journal of Qualitative Inquiry. – 2021. – Vol. 12 (3).
  16. Gupta V., Kumar R. Investigating the mechanical and tribological properties of aluminium metal matrix composite reinforced with rice husk ash and aluminium oxide // International Journal of Precision Technology. – 2020. – Vol. 9 (4). – P. 324–334. – doi: 10.1504/IJPTECH.2020.112697.
  17. Singh J., Chauhan A. Investigations on dry sliding frictional and wear characteristics of SiC and red mud reinforced Al2024 matrix hybrid composites using Taguchi's approach // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part L: Journal of Materials: Design and Applications. – 2019. – Vol. 233 (9). – P. 1923–1938. – doi: 10.1177/1464420718803126.
  18. Development of novel stir cast aluminium composite with modified coconut shell ash filler / B. Panda, C.A. Niranjan, A.D. Vishwanatha, P. Harisha, K.R. Chandan, R. Kumar // Materials Today: Proceedings. – 2020. – Vol. 22. – P. 2715–2724. – doi: 10.1016/j.matpr.2020.03.402.
  19. Kar C., Surekha B. Characterisation of aluminium metal matrix composites reinforced with titanium carbide and red mud // Materials Research Innovations. – 2021. – Vol. 25 (2). – P. 67–75. – doi: 10.1080/14328917.2020.1735683.
  20. Development of aluminium 5056/SiC/bagasse ash hybrid composites using stir casting method / T.M. Harish, S. Mathai, J. Cherian, K.M. Mathew, T. Thomas, K.V. Prasad, V.C. Ravi // Materials Today: Proceedings. – 2020. – Vol. 27. – P. 2635–2639. – doi: 10.1016/j.matpr.2019.11.081.
  21. Effect of red mud on mechanical and microstructural characteristics of aluminum matrix composites / P. Samal, R. Raj, R.K. Mandava, P.R. Vundavilli // Advances in Materials and Manufacturing Engineering: Proceedings of ICAMME 2019. – Singapore: Springer, 2020. – P. 75–82. – doi: 10.1007/978-981-15-1307-7_8.
  22. Biswas R., Sarkar A. A two-step approach for arsenic removal by exploiting an autochthonous Delftia sp. BAs29 and neutralized red mud // Environmental Science and Pollution Research. – 2021. – Vol. 28. – P. 40665–40677. – doi: 10.1007/s11356-020-10665-8.
  23. Kumar P.V., Paranthaman P. Friction stir welding process parametric optimization of hybrid aluminium-bagasse ash-graphite composite by Taguchi approach // Materials Today: Proceedings. – 2021. – Vol. 37. – P. 764–768. – doi: 10.1016/j.matpr.2020.05.789.
  24. Khalid M.Y., Umer R., Khan K.A. Review of recent trends and developments in aluminium 7075 alloys and metal matrix composites (MMCs) for aircraft applications // Results in Engineering. – 2023. – Vol. 20. – P. 101372. – doi: 10.1016/j.rineng.2023.101372.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».