Yeni nesil otomobillere yönelik vermiküler mikroyapıdaki döküm alaşımlarının gaz nitrürleme yöntemi ile özelliklerinin geliştirilmesi

Otomotiv firmaları, yeni bir motor üretirken müşteri beklentilerini ve yasal düzenlemeleri göz önünde bulundurmak zorundadır. Müşteri beklentileri, motorun yüksek güce sahip olması ve aynı zamanda da düşük yakıt tüketmesi olarak ortaya çıkmaktadır. Yasal düzenlemeler ise, egzoz emisyon değerlerinin EURO standartı ile belirlenen aralıkta olması gerekliliğidir. Firmalar bu beklenti ve zorunlulukları karşılayabilmek için motor içindeki sıkıştırma oranını ve motora beslenen hava miktarını arttırmaktadırlar. Ancak yapılan bu çözüm motordaki iç basınçların ve yanma sıcaklıklarının yükselmesine neden olarak hasar mekanizmalarını şiddetlendirmektedir. Bu nedenle, motor parçalarında geometri ve malzeme tasarımları yapılarak bu sorunun üstesinden gelinmektedir. Silindir kafası çok ince ve kalın kesitleri bir arada bulundurduğundan motordaki en kompleks geometriye sahip parçadır. Kalınlığının homojen olmaması, döküm sırasında soğuma hızlarının farklı olmasına ve böylece heterojen mikroyapıya sahip olmasına neden olmaktadır. Bu durum da, termal ve yapısal analiz programlarında yapılan modellemelerde zorlukları beraberinde getirmektedir. Bu nedenlerden dolayı, silindir kafası için yapılan geometri ve malzeme tasarımları otomotiv firmaları arasındaki rekabeti belirleyen en önemli unsurdur. Diğer bir ifade ile; silindir kafası diğer motor parçalarından daha fazla önem taşımaktadır. Günümüzde, müşteri beklentilerinin ve yasal zorunlulukların karşılanabilmesi için silindir kafa malzemesi olarak vermiküler dökme demirler (CGI) kullanılmaktadır. Firmalar, yakın gelecekteki EURO standartlarını sağlayabilmek için CGI silindir kafası üzerinde geometri tasarımları yapmaktadır. Ancak her geçen gün artan beklentiler ve daha katı hale gelen yasal zorunluluklar geometri tasarımı ile çözümlenemez hale gelecektir. Bu durum da, CGI'ın geliştirilmesi yada silindir kafasındaki hasar mekanizmalarına daha dayanıklı yeni bir malzeme bulunması gerekliliğini ortaya çıkarmaktadır. Bu nedenle otomotiv firmaları silindir kafası için malzeme çalışmalarına şimdiden başlamıştır. Yakıtın motor içerisinde yanması sonucu silindir kafasının alt yüzeyinde gerçekleşen hasar mekanizmaları; termo-mekanik yorulma, yüksek çevrimli yorulma, aşınma ve korozyondur. Otomobilin çalıştırılıp-kapatılması yada en yüksek devire çıkıp-inmesi sonucunda motor ısınıp-soğumaktadır. Bunun sonucunda da sıcaklıklar ve gerilmeler çevrimsel olarak silindir kafasına etki ederek termo-mekanik yorulma hasarı oluşmaktadır. Termo-mekanik yorulma için daha çok Şehitoğlu modeli kullanılmaktadır. Bu modelde termo-mekanik yorulma; yüksek sıcaklık oksidasyonu, yorulma ve sürünme hasar mekanizmalarının toplamı olarak açıklanmaktadır. Yüksek çevrimli yorulma ise yakıtın yanması ile oluşan patlamalardan ve piston hareketlerinden kaynaklı gerilmelerin çevrimsel olarak silindir kafasına etkimesi sonucu oluşmaktadır. Ayrıca piston ve supapların hareketleri silindir kafasında aşınmaya neden olmaktadır. Bir diğer önemli hasar mekanizması ise motorun nakliyesi ve kullanımı sırasında çevresel etkiler nedeni ile ortaya çıkan korozyondur. Nakliye ve kullanım sırasında, havanın nemine maruz kalan silindir kafası üzerinde korozyon meydana gelmektedir. Otomotiv endüstrisinde daha çok gemi ile nakliye yapıldığı düşünüldüğünde, korozyon dayanımının ne kadar önemli olduğu sonucuna varılmaktadır. Çünkü; deniz suyunda bulunan klor iyonları, direkt veya endirekt olarak silindir kafasına temas etmesi ile korozyon mekanizması daha şiddetli olarak etki etmeye başlamaktadır. Silindir kafasında gerçekleşen hasar mekanizmaları, malzemelerin yüzey özellikleri ile direkt olarak ilgilidir. Çünkü silindir kafasının yüzeyi iç kısımlarından daha yüksek gerilmelere ve abrasif yüklere maruz kalmaktadır. Ayrıca korozyon da malzemenin yüzeyinden başlamaktadır. Dolayı ile, silindir kafası için yeni bir malzeme üzerinde çalışmak yerine mevcut kullanılan CGI'ın yüzey özelliklerinin geliştirilmesi daha ekonomik ve hızlı bir çözüm sunmaktadır.CGI'ın bu hasar mekanizmalarından en az birine karşı dayanımının artması bile otomotiv endüstrisi için büyük yarar sağlamaktadır. Bu nedenlerden dolayı, bu çalışmada bir yüzey modifikasyon tekniği olan gaz nitrürleme yöntemi kullanılarak CGI'ın yüzey özelliklerinin geliştirilmesi sağlanmıştır. Nitrürleme teknikleri; plazma (iyon) nitrürleme, tuz banyosu nitrürleme ve gaz nitrürleme olarak sınıflandırılmaktadır. Plazma nitrürlemenin yüksek kurulum ve işlem maliyetine sahip olması ve aynı anda birden fazla parçanın nitrürlenmesine imkân vermemesi, tuz banyosunun da siyanür içerdiğinden sağlığa ve çevreye zararlı olması nedenlerinden dolayı bu çalışmada gaz nitrürleme tekniği kullanılmıştır. Gaz nitrürleme tekniğinin temel prensibi, azot atomlarının difüzyonuna dayanmaktadır. Kullanılan amonyak gazının katalitik olarak CGI'ın yüzeyinde parçalanmasıyla azot atomları meydana çıkmakta ve açığa çıkan atomal azot, demir latisinin oktahedral arayer noktalarına difüze olmaktadır. Yüzeyde azot konsantrasyonu yüksek olduğundan, CGI'ın yüzeyinde yüksek sertlik ve korozyon dayanımı sağlayan demir nitrür fazları oluşmaktadır. Bu bölge beyaz tabaka yada bileşik tabakası olarak adlandırılmaktadır. Nitrürlenmiş malzemedeki azot konsantrasyonu yüzeyden iç bölgeye gidildikçe azalmaktadır. Azot konsantrasyonunun, demir içindeki çözünürlük limitinin altına düştüğü iç bölgelerde ise katı eriyik oluşmaktadır. Difüzyon bölgesi olarak adlandırılan bu kısımda, azot atomları latis distorsiyonuna neden olmaktadır. Bunun sonucunda da CGI'da basma yönünde kalıntı gerilmelerin oluşarak yorulma dayanımı artmaktadır. Yapılan deneysel çalışmalarda sıcaklık 525 oC olarak sabit tutularak GJV-450 CGI numuneler gaz nitrürlenmiştir. Nitrürleme potansiyelinin etkisinin belirlenebilmesi için 3 saat boyunca 0.4, 1 ve 2 atm-1/2 nitrürleme potansiyeli değerlerinde deneyler yapılmıştır. Nitrürleme süresinin etkisinin incelenebilmesi için ise, nitrürleme potansiyeli 2 atm-1/2 değerinde olacak şekilde sırasıyla 1, 3 ve 6 saat boyunca numuneler gaz nitrürlenmiştir. Gaz nitrürlenmiş GJV-450 numunelere; XRD analizi, GDOES analizi ve optik profilometre testi, SEM mikroyapı analizi, EDS analizi, X-ışını haritalandırma, yüzeyden ve kesitten mikrosertlik testi ve tuz püskürtme olarak hızlandırılmış korozyon testi uygulanmıştır. Elde edilen sonuçlardan artan nitrürleme potansiyeli ve/veya nitrürleme süresi ile birlikte CGI'ın yüzey sertliği ve korozyon dayanımının arttığı belirlenmiştir. SEM görüntülerinden nitrürleme potansiyelinin ve/veya nitrürleme süresinin artması sonucu mikroyapıda bulunan perlitlerin kabalaştığı ve yapısının bozulduğu gözlemlenmiştir. SEM görüntülerinde ayrıca; beyaz tabakanın yüzeyde oluştuktan sonra tane sınırlarında ve grafit çevrelerinde ilerlediği gözlemlenmiştir. Gaz nitrürleme prosesi ile GJV-450 CGI'ın mekanik ve korozyon dayanımları geliştirilmiştir. Bu nedenle gaz nitrürleme ile; yeni nesil otomobil motorlarının başta silindir kafaları olmak üzere manifold, blok gibi diğer CGI motor parçalarında görülen hasar mekanizmalarına daha dayanıklı olmasını ve dolayısıyla daha uzun kullanım ömrüne sahip motor parçaların elde edilebilmesini mümkün kılmaktadır. Çalışma sonucunda CGI'ın gaz nitrürlenebildiği ve nitrürleme sonucunda sertliğinde ve korozyon dayanımında artış meydana geldiği anlaşılmıştır. Nitrürleme, malzemelerin yorulma dayanımını arttığından; CGI'ın nitrürlenmesi sonucunda da yorulma dayanımının artacağı düşünülmektedir. Bu sayede CGI silindir kafalarının gaz nitrürlenerek hasar mekanizmalarına daha dayanıklı hale getirilebileceği sonucuna varılmıştır. Ancak bu çalışmanın ilerletilebilmesi ve gaz nitrürleme ile CGI'ın yorulma dayanımında iyileşme olduğunun kanıtlanması için, nitrürlenmiş numunelere ayrıca yorulma testinin yapılması gerekmektedir. Ön çalışma niteliğinde yapılan bu tez ile otomotiv firmalarının gelecek malzeme tasarımlarına ışık tutacağı düşünülmektedir.