AlSi7Mg T6, AlSi7Mg AND AlSi11Mg Alaşımlarının binek araç jant malzemesi olarak kullanılabilirliklerinin araştırılması

Alçak basınçlı döküm yöntemi ile aluminyum jant üretiminde en yaygın kullanılan alaşımlar, AlSi7Mg ve AlSi11Mg alaşımlarıdır. Bu alaşımlar %12.7'den daha az oranda %Si içerdiklerinden, hipoötektik alaşımlardır. AlSi7Mg alaşımının ısıl işlemli (yapay yaşlandırma) olarak üretimi daha yaygın olup, daha az yaygın da olsa ısıl işlemsiz uygulaması da mevcuttur. AlSi11Mg alaşımı için ısıl işlemli uygulama mevcut değildir. Hangi üründe hangi alaşımın kullanılması gerektiği bilgisi; ürünün görünen kısmı olan stil yüzeyi tasarımı ile birlikte, ana ekipman üreticisi (OEM) tarafından şartname içerisinde belirtilmektedir. Diğer yandan günümüzde tüm ana ekipman üreticilerinin hedefi; dayanımdan ödün vermeden daha az maliyetli ürün tasarım ve üretimi yapmaktır. Bu nedenle, aluminyum alaşımlı jant sektöründe rekabet edebilmek için; hafif, ürün malzeme ve üretim maliyeti düşük, yüksek dayanıma sahip ve pazar talebine yönelik optimum ürün tasarımı yapılması önem taşımaktadır. Ana ekipman üreticisi; şartnamesinde o ürün için hangi alaşımın kullanılacağını belirtilmesine rağmen, ürün dayanımı minimum aynı kalacak şekilde daha az maliyetli bir ürün tasarımı çözümü, gerekli test ve simülasyon çalışmaları ile doğrulandığı takdirde, ana ekipman üreticisi tarafından da kabul görecektir. Ana ekipman üreticilerinin büyük kısmı, ürün tasarımı ve üretimi uzmanlığı gerektiren bu gibi çalışmaları yan sanayilerinden beklemektedirler. Ana ekipman üreticisi için hem ürün maliyeti anlamında optimum çözüm sunan, hem de ana ekipman üreticisine teknik bilgi birikimi anlamında katma değer kazandırabilen yan sanayiler; aluminyum alaşım jant sektöründe rekabetçi olarak kalabilmektedirler. AlSi11Mg ile ısıl işlemli ve ısıl işlemsiz olarak üretilebilen AlSi7Mg alaşımlarının; üretilebilirlik, maliyet ve dayanım anlamında birbirilerine göre avantajları ve dezavantajları vardır. Bu nedenle; tasarımı belli olan bir ürünün hangi alaşım ile üretiminin daha uygun olduğu belirlenirken, öncelikle ürünün tasarımı ve büyüklüğü önemlidir. Dayanım anlamında ön plana çıkan alaşım; ısıl işlem uygulaması yapılmış AlSi7Mg alaşımıdır. Bu nedenle; belirli bir büyüklüğün üzerindeki ürünlerin, istenen teker yükünü taşıyabilmesi için ısıl işlemli AlSi7Mg alaşımı haricinde bir alaşım ile üretilmesi, alçak basınçlı döküm yöntemi ile aluminyum alaşım jant üretimi için şu an mevcut değildir. Bunun nedeni, 19" ve üzeri büyüklüğünde jantların, kullanıldıkları araçlar gereği teker yüklerinin daha fazla olmasıdır. Isıl işlemli AlSi7Mg ile jant üretiminin maliyeti, öncelikle ısıl işlem prosesinden dolayı daha fazladır. Bu maliyetin içerisinde hem ısıl işlem tesis maliyeti, hem süresi, hem de ısıl işlem kaynaklı distorsiyona bağlı olarak artan fire oranları dahildir. AlSi11Mg alaşımının dökümü, artan %Si oranı nedeniyle akışkanlık arttığından daha kolay gerçekleşmektedir, ayrıca katılaşma süresi AlSi7Mg alaşımına göre %20 daha kısa sürede gerçekleşmektedir. Buna göre birim zamanda üretilen AlSi11Mg jant adedi daha yüksektir. Ancak, katılaşma süresi yetersiz olduğundan kalıp içerisinde gerekli soğutma kontrolü yapılması mümkün olmamakta, bu da kopma uzaması değerlerinin azalmasına neden olmaktadır. Ayrıca AlSi11Mg alaşımının akma ve çekme gerilmesi limit değerleri, AlSi7Mg alaşımına göre daha düşüktür. Bu nedenle AlSi11Mg alaşımı ile üretilmiş jantların taşıyabileceği teker yükleri de sınırlıdır, ancak böyle bir sınır değerden bahsedilemez, bu limiti jantın tasarımı ve ebadı belirler. AlSi11Mg alaşımı ile istenen dayanım limitinin karşılanabilmesi için, kesitlerin çok kalın tasarlanması gerekir. Bu da jant ağırlığını arttıracağından tercih edilen bir durum değildir. AlSi11Mg alaşımında dayanım artışı sağlanması için ısıl işlem uygulaması denenmiş, ancak içerdiği %Mg oranı yeterli olmadığından ısıl işlemin sağladığı dayanım artışı yeterli olmamış ve bu alaşım için ısıl işlem uygulanmaması uygun bulunmuştur. Ayrıca, pazar talebi her geçen gün artan ön yüzey işlemeli jant üretimi, AlSi11Mg alaşımı ile mümkün değildir. AlSi11Mg alaşımı ile jant üretimi daha düşük sıcaklıkta gerçekleştiğinden, daha yüksek hidrojen oranı ile döküm yapılabilir. Bu hidrojen oranı, hidrojen porozitesi miktarında artışa neden olur. Artan hidrojen porozitesi oranı ile birlikte jantın içerisinde oluşan gaz boşlukları ve süreksizlikler; X-Ray kontrolü sonrası fire oranı olarak yansımaz, ancak jantın ön yüzeyi işlendiğinde tüm porlar yüzeye açıldığından ve boya ile örtülemediğinden, ön yüzey işlemeli jant üretimi AlSi11Mg alaşımı ile mümkün değildir. Bu da AlSi11Mg alaşımı ile jant üretimini, dayanım ile birlikte bir miktar daha sınırlandırmaktadır. AlSi7Mg alaşımı ise, ısıl işleme uygun olarak üretilmiş bir alaşımdır, ısıl işlemsiz uygulaması durumunda istenen dayanım değerlerine ulaşılamaz. AlSi7Mg alaşımı, alaşımın akışkanlık oranının AlSi11Mg alaşımına göre daha düşük olması nedeniyle kalıp içerisinde daha zor ilerler, bu da döküm açısından AlSi7Mg alaşımını AlSi11Mg alaşımına göre daha dezavantajlı yapar. Isıl işlemsiz AlSi7Mg ve AlSi11Mg alaşımları dayanım anlamında kıyaslandığında, AlSi7Mg alaşımının akma ve kopma değerlerinin daha iyi olduğu gözlemlenir, ancak bu fark, ısıl işlemli AlSi7Mg alaşımının sağladığı dayanım artışına göre yeterli bir fark değildir. Bu iki alaşımın ISO 7141 13° darbe testi dayanımı açısından karşılaştırması, darbe dayanımı yüksek oranda jantın tasarımı ile ilgili olduğundan yapılamaz. Bu çalışmanın amacı; 6,5J x 16" ebadında bir jantın, AlSi11Mg ile AlSi7Mg T6 ve AlSi7Mg alaşımları ile üretilerek üretim, mekanik dayanım ve metalurjik yapı anlamında farklılıklarının incelenmesi ve test sonuçlarına göre seçilen en az maliyetli alaşım ile üretilmesidir. AlSi11Mg ve AlSiMg alaşımlarının özellikleri, birbirine göre üstünlükleri ve ısıl işlemin AlSi7Mg alaşımı üzerindeki etkileri teorik olarak bilinmektedir. Ancak aynı kalıp üzerinde farklı bir alaşım ile jant üretimi yaparılarak daha uygun maliyetli ürün üretiminin; o jant için uygun olup olmadığına, kalıp tasarımı doğrulama ve ürün tasarımı doğrulama çalışmaları ile karar verilebilir. Öncelikle jantın aynı kalıp içerisinde farklı bir alaşım ile dökümünün uygun bir şekilde gerçekleşip gerçekleşmediği doğrulanmalıdır. Bu kapsamda, jant veya kalıp üzerinde tasarım değişikliği gerektirecek bir üretim optimizasyonu olup olmadığı kontrol edilmiştir. Bu kontroller, Magma 5.3 sonlu hacimler analiz programı kullanılarak gerçekleştirilen döküm simülasyonu ile yapılmış ve gerçek üretim ile doğrulanmıştır. Bu çalışmadan sonra; janta ait ürün doğrulama simülasyon ve test çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Ürün doğrulama simülasyon çalışmaları kapsamında, Abaqus/Explicit 6.9 sonlu elemanlar analiz programı kullanılarak ISO 7141 13° darbe testi simülasyonu ve Ansys Wockbench 14.5 sonlu elemanlar analiz programı kullanılarak hızlandırılmış ömür testi simülasyonu statik olarak gerçekleştirilmiştir. Ürün doğrulama test çalışmaları kapsamında; jantlara ait doğrulama testleri olan ISO 7141 13° darbe testi, hızlandırılmış ömür testi, çekme testi, sertlik ölçümü, kimyasal analiz ve mikroyapı analizi sonuçları karşılaştırılmıştır. Bu çalışma sonucunda; jantların mekanik ve metalurjik özelliklerinin, farklı alaşımlar ile aynı tasarım üzerinde nasıl değiştiği, hem sonlu elemanlar analiz sonuçları ile, hem test sonuçları ile gözlemlenmiştir. Ek olarak; bu çalışma ile, müşteri tarafından gelecekte alınacak yeni bir projede, alaşım seçimi konusunda yönlendirici olabilecek teknik bilgi birikimine sahip olunması hedeflenmektedir.