Performance Evaluation of CuO Nanofluids with Different Surfactants in the Milling of AISI 329 Duplex Stainless Steel

Abstract

Nanofluids offer extremely positive contributions to the machining performance in the metalworking industry. Although studies on nanofluids have been intensified in recent years, shelf-life and homogeneity are a matter of curiosity. Different surface agents (surfactants) can be added to the mixture in order to obtain a homogeneous nanofluid and increase the shelf-life of the mixture. In this study, nanofluid mixtures were prepared by adding cethyltrimethylammonium bromide (CTAB), polyvinylpolypyrrolidone (PVP) and sodium dodecyl sulphate (SDS) at different rates into CuO nanoparticle added vegetable based oil. A series of milling experiments were applied to AISI 329 duplex stainless steel material to determine the effects of surfactants added in the same proportions on the machining performance. Experiments were carried out using the Taguchi L9 experimental set. Three different surfactants (CTAB, PVP, and SDS), cutting speed (120, 160, and 200 m/min), feed (0.10, 0.15, and 0.20 mm/rev) were selected as input parameters in the experiments. Surface roughness (Ra), cutting temperature (T) and tool wear were preferred as machining performance criteria. Analysis of variance (ANOVA) was used to determine the effect levels of the factors. According to the results obtained from the experiments; it was determined that PVP surfactant-added CuO nanofluid showed best performance in surface quality, cutting temperature and tool wear according to other surfactants.

Keywords

• AISI 329
• Surfactant
• Milling
• MQL

AISI 329 Paslanmaz Çeliğin Frezelenmesinde Farklı Surfaktan Katkılı CuO Nanoakışkanların Performans Değerlendirmesi

Abstract

Nanoakışkanlar metal işleme sektöründe, işleme performansına son derece olumlu katkılar sunmaktadır. Son yıllarda özellikle nanoakışkanlar üzerine çalışmalar yoğunlaşmakla birlikte raf ömrü ve homojenliği bir merak konusudur. Homojen bir nanoakışkan elde etme ve karışımın raf ömrünü artırma adına farklı yüzey aktif maddeler (surfaktanlar) karışıma eklenebilmektedir. Bu çalışmada, CuO nanopartikül katkılı bitkisel esaslı yağın içerisine farklı oranlarda cetiltrimetilamonyum bromid (CTAB), polivinilpolipirolidon (PVP) ve sodyum dodesil sülfat (SDS) eklenerek nanoakışkan karışımlar hazırlanmıştır. Aynı oranlarda eklenen surfaktanların işleme performansı üzerindeki etkilerinin belirlenmesi adına AISI 329 dubleks paslanmaz çelik malzemeye bir dizi frezeleme deneyi uygulanmıştır. Deneyler Taguchi L9 deney seti kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Deneylerde girdi parametresi olarak üç farklı surfaktan (CTAB, PVP ve SDS), kesme hızı (120, 160 ve 200 m/dak), ilerleme (0.10-0.15 ve 0.20 mm/dev) seçilmiştir. Performans kriteri olarak yüzey pürüzlülüğü (Ra), kesme sıcaklığı (T) ve takım aşınması tercih edilmiştir. Faktörlere ait etki düzeylerinin belirlenmesinde varyans analizi (ANOVA) kullanılmıştır. Deneylerden elde edilen sonuçlara göre; PVP surfaktan katkılı CuO nanoakışkanın Ra, kesme sıcaklığı ve takım aşınmasında en iyi performansı gösterdiği anlaşılmıştır.

Keywords

• AISI 329
• Surfaktan
• Frezeleme
• MMY

References

1. B. Aydemir, 17-4 PH çökelme sertleştirmeli paslanmaz çelik kuvvet dönüştürücü yay elemanlarının iç yapısal özelliklerinin performans üzerine etkilerinin araştırılması, Osmangazi Üniversitesi, 2003.
2. E. Çelik, Ş. Şirin, T. Kıvak, AISI 2507 süper dubleks paslanmaz çeliğinin hibrit soğutma/yağlama yöntemleri altında tornalanmasında yüzey kalitesinin incelenmesi, Düzce Üniversitesi Bilim ve Teknoloji Dergisi, 9: 929–42, 2021.
3. F. Zucchi, E. Angelini, Influence of heat treatments between 400–750 °C on the corrosion resistance of Duplex 329 stainless steel, British Corrosion Journal, 17 (4):184–187, 1982.
4. I. Lazoglu, Y. Altintas, Prediction of tool and chip temperature in continuous and interrupted machining, International Journal of Machine Tools and Manufacture, 42: 1011–22, 2002.
5. Ç.V. Yıldırım, Ş. Şirin, T. Kıvak, Waspaloy süper alaşımının frezelenmesinde nanopartikül katkılı yağlamanın takım aşınması üzerindeki etkisinin araştırılması, Düzce Üniversitesi Bilim ve Teknoloji Dergisi, 7:466–76, 2019.
6. E. Şirin, Ş. Şirin, Investigation of the performance of ecological cooling/lubrication methods in the milling of AISI 316L stainless steel, Manufacturing Technologies and Applications, 2:75-84, 2021.
7. Ç.V. Yıldırım, T. Kıvak, M. Sarıkaya, F. Erzincanlı, Determination of MQL parameters contributing to sustainable machining in the milling of nickel-base superalloy waspaloy, Arabian Journal for Science and Engineering, 42: 4667–81, 2017.
8. A. Şencan Çakir, A. Duran, U. Şeker, The effect of different cooling methods to hole quality and tool life in the drilling of AA7075 and AA2024 aluminum alloys, Manufacturing Technologies and Applications, 1: 1-13, 2020.

9. Ç.V. Yıldırım, M. Sarıkaya, T. Kıvak, Ş. Şirin, The effect of addition of hBN nanoparticles to nanofluid-MQL on tool wear patterns, tool life, roughness and temperature in turning of Ni-based Inconel 625, Tribology International, 134: 443–56, 2019.
10. Ş. Şirin, Ç.V. Yıldırım, T. Kıvak, M. Sarıkaya, Performance of cryogenically treated carbide inserts under sustainable cryo-lubrication assisted milling of Inconel X750 alloy, Sustainable Materials and Technologies, 29: e00314, 2021.
11. E. Şirin, Hastelloy X süper alaşımının delinmesinde nanopartikül katkılı kesme yağlarının işleme performansı üzerindeki etkilerinin incelenmesi, Doktora Tezi, Düzce Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, 2021.
12. A.K. Sharma, A.K. Tiwari, A.R. Dixit, Rheological behaviour of nanofluids:A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 53:779–91, 2016.
13. E. Şirin, T. Kıvak, Ç.V. Yıldırım, Effects of mono/hybrid nanofluid strategies and surfactants on machining performance in the drilling of Hastelloy X, Tribology International, 157:106894, 2021.
14. C.H. Tanmai Sai Geetha, A.K. Dash, B. Kavya, M. Amrita, Analysis of hybrid nanofluids in machining AISI 4340 using minimum quantity lubrication, Materials Today: Proceedings, 43:579–86, 2020.
15. A Eltaggaz, I Nouzil, I. Deiab, Machining Ti-6Al-4V alloy using nano-cutting fluids: ınvestigation and analysis, Journal of Manufacturing and Materials Processing, 5: 42, 2021.
16. S.H. Musavi, B. Davoodi, S.A. Niknam, Effects of reinforced nanoparticles with surfactant on surface quality and chip formation morphology in MQL-turning of superalloys, Journal of Manufacturing Processes, 40:128–39, 2019.
17. Y. Zhai, L. Li, J. Wang, Z. Li, Evaluation of surfactant on stability and thermal performance of Al2O3-ethylene glycol (EG) nanofluids. Powder Technology, 343:215–24, 2019.
18. Ş. Şirin, Sürdürülebilir imalat için Inconel X 750 süper alaşımının frezelenmesinde yenilikçi soğutma/yağlama tekniklerinin işleme performansı üzerindeki etkileri, Doktora Tezi, Düzce Üniversitesi, 2020.
19. N. Khanna, P. Shah, R.W. Maruda, G.M. Krolczyk, H. Hegab, Experimental investigation and sustainability assessment to evaluate environmentally clean machining of 15-5 PH stainless steel, Journal of Manufacturing Processes, 56:1027–38, 2020.
20. U. Şeker, M. Günay, İM 322-Kesici takım tasarımı, Ders Notları. Ankara, 2008.
21. W.T. Urmi, M.M. Rahman, K. Kadirgama, D. Ramasamy, M.A. Maleque, An overview on synthesis, stability, opportunities and challenges of nanofluids. Materials Today: Proceedings, 41:30–7, 2021.