MÜHENDİSLİK

OTOMOTİV SEKTÖRÜNDE ALUMİNYUM ENJEKSİYON DÖKÜM VE GELECEK TRENDLERİ

date01 Mayıs 2017

Erdem AYDOĞMUŞ

Çelikel A.Ş. GEBZE / KOCAELİ / TURKİYE
Mühendislik Müdürü

Günümüz toplumlarında verimli enerji kullanımı bilincinin aynı zamanda çevre bilinci ile uzlaşması sonucunda, daha az yakıt tüketen, karbon emisyonu düşük araçlar tasarlanmakta ve seri üretime alınmaktadır. Bu çalışmalar devam ederken, alt sektörlerdeki geliştirme faaliyetleri de aynı oranda hız kazanmaktadır. OEM ‘ler alüminyum kullanımını dramatik olarak artırmıştır. Henüz tüm OEM’lerde yayılımı olmayan yapısal parçaların imalatında alüminyum alaşımlarının kullanımı ise önümüzdeki 10 yılda hızlanarak artacaktır. Bu çalışmada, ağırlık azaltma çalışmalarının, otomotiv sektöründeki önemi ve gelecek trendleri hakkında bilgi verilecektir.

Abstract

Nowadays, social conscious for energy consumption efficiency and enviromental factors intersects together and this formation creates an idea of low fuel consumption and reduced carbon emissions in automobiles. While these studies go further, sub – sectors also innovates in order to keep up these trends. Aluminum usage in cars is increased in last ten years and from this moment to next 10 years escalation will progress dramaticaly due to some investigation of new parts could be produced with aluminum such as structural body parts. This study will represent the importance of weight reduction operations and estimation of future trends in automotive sector. 

1. Giriş

İnsanoğlunun bilinen tarihi boyunca metal döküm, teknolojinin gelişmesinde kilit faktör olmuştur. El aletlerinden, savaş silahlarına, araç ve gereçlerden ulaşım araçlarına kadar hayatımızın her noktasında metal ve döküm ürünleri vazgeçilmezdir. Çağımızın lokomotif endüstrisi olan otomotiv sektörü de her geçen gün daha hafif ve daha düşük maliyetli ürünlere oriyente olmakta ve bu yönelim, bütün alt sektörlerin de gelişmesinde en büyük etken olmaktadır.

Günümüzün lokomotif sektörü olan otomotiv sektörü,

  • Doğal kaynakların azalması,

  • Karbon emisyonundaki önlenemez artış,

  • Araç konfor/performansında müşteri talebi,

    gibi faktörler nedeni ile, daha hafif ve dayanımı benzer ürünlere yönelmektedir. Ağırlık azaltımı sağlayabilmek için, araç platformları en baştan tekrar tasarlanmakta ve platform üzerine inşaa edilen her parça yine ağırlık azaltma çalışmalarını tabii tutularak dizayn edilmektedir. Bu çalışmaların sağladığı en büyük avantaj, yakıt tüketimini düşürmek, karbon salınımını azaltmak, motor performansını daha verimli kullanabilmek olarak özetlenebilir.


2. Otomotiv Sektöründe Ağırlık Azaltma Çalışmaları

Çağımızın en önemli küresel anlayışı olan çevre duyarlılığı konusu otomobil firmalarını her geçen gün yeni arayışlara yöneltmekte ve daha çevreci, geri dönüşümü daha az maliyetli, mukavim ve bir o kadar da konfor sunan araçlar dizayn etmeye mecbur kılmaktadır.

Bu düşünce ile yola çıkılan dizaynlarda birinci öncelik araç ağırlığının, diğer kriterlerden ödün vermeden azaltılması çalışmalarıdır. Ortalama bir araç ağırlığından azaltılacak her 100kg.’lık ağırlık, yaklaşık 0,6 lt / 100km yakıt tasarrufu sağlamaktadır. Böylelikle, 100kg.lık azaltım, egsoz gazının da atmosfere

salınmasını azaltmakta ve 8-11 gram CO2 / km gibi ciddi bir kazanç sağlamaktadır.1.dipnot

Bu amaçla 1950 ‘den bu yana geliştirme çalışmaları devam etmekte ve yüksek alaşımlı çeliklere muadil olarak Aluminyum kullanımı hız kazanmaktadır. No - safety parçaların imalatında 1:1 şeklinde çelik yerine alüminyum kullanılabilmekte ve %65 ‘e yakın oranlarda ağırlık tasarrufu sağlanmaktadır. Structural – safety parçalarda ise, 1:1,5 şeklinde değişim sağlanabilmekte; bu durumda ise ağırlık tasarrufu %50 civarında olmaktadır.2.dipnot
 

2.1. Hareket Halinde Araca Etkiyen Kuvvetler

Araç hareket halindeyken, hareketin aksi yönde birçok kuvvetin etkisi altındadır.(Resim-1) Bu kuvvetlerden hava direnci haricinde hepsinde aracın kütlesi önem teşkil etmektedir. Bu nedenle kütle azaltımı, hareket halinde araca ters yönde etkiyen bütün kuvvet değerlerinin azalmasını sağlayacaktır. Böylelikle, daha düşük enerji gereksinimi ve daha düşük değerlerde atık gaz oluşturularak istenen hızlara daha fazla ivmelenme ile ulaşmak mümkün olacaktır.

2.2. Uygulamalar

Otomotiv sektöründeki trend, ağır parçaların daha hafif ancak aynı mukavemette seçilmesi yönünde ilerlerken, her geçen gün yeni teknolojik opsiyonların araçlara dahil edilmesi ile de ağırlıklar artmaktadır. Güvenlik faktörlerinin de göz önüne alındığı düşünüldüğünde, araç şaseleri daha tok ve mukavim olarak tasarlanmakta ancak bütün bu gelişmeler, temel amaca ters yönde hizmet etmektedir. Bütün bu gelişmeler, yakıt tüketimi ve karbon salımı anlamında dezavantaj oluştursa da, kullanılan parçaların düşük yoğunluklu metallere dönüşmesi ile de büyük yol kat edilmektedir. Düşük yoğunluğa sahip aluminyum ve magnezyum alaşımlarının otomotivdeki kullanım oranları ise, parça tasarımının değişimi, çift kademeli ısıl işlem operasyonları, alaşım değişimi gibi çalışmalar ile daha da artırılmaktadır. Binlerce parçadan oluşan bir aracın sadece alternatör grubu braketinde 2013 lansmanlı aynı tip motorda 26 gram ağırlık azaltımı sağlanmıştır.(Resim-2) Aracın tüm organları incelendiğinde ise, ağırlık azaltımının, yeni araç dizaynında en önemli faktörlerden biri olduğu kaçınılmazdır.

 

2.3.Daha Hafif..?

10 yıl önce, birçok OEM markası, Mg basınçlı döküm konusunda yatırım kararı aldı. Bu karardaki en önemli etken, yoğunluğunun 1,8gr/cm3 olması nedeni ile ultra hafif parçalar üretilebilirliği idi. Mg enjeksiyon döküm konusunda teknolojik gelişmeler sağlansa da, Mg elementinin atmosferdeki O2’ye afinitesinin (Resim-4: Ellingham Diyagramı) Aluminyumdan daha yüksek olması ve O2 ile direkt teması halinde patlayıcı özellik göstermesi, Mg üretimini / kullanımını sınırlayan önemli faktörlerden biridir. Bir diğeri ise; özel ısıl işlemler ile Mg mukavemetini artırıcı, döküm kaynaklı mikroyapısal kusurları giderici uygulamalar yapmak imkansıza yakındır. Bu nedenle Mg’un otomotiv sektöründe kullanımı, gelecekte artacak ancak günümüz teknolojisinde ciddi bir yol katedilmez ise, no safety parçaların üretimi ile sınırlanacaktır.

 

3. Yapısal Parça Üretimi

Basınçlı döküm sektöründe yeni trend; yapısal parçaların üretimi yönünde ilerlemektedir. Ağırlık azaltma çalışmaları kapsamında; şase grubundaki çelik parçalar, günümüz basınçlı döküm teknolojisinin elverdiği ölçüde alüminyuma dönüştürülmektedir. Bu konuda şu aşamaya kadar premium olarak tabir edilen sınıfa üretim yapan OEM grupları başı çekerken; 2020 yılı itibari ile birçok araç üreticisi sürece dahil olacaktır. Günümüzde Avrupa Birliği ülkelerinde trafiğe katılan araçlar için kanuni limit değer

135gr CO2/km iken 2020 yılında bu değerin 95 gr/km CO2 değerine indirilmesi öngörülmektedir3. Kanuni limit değeri geçen her araç başına otomotiv firmaları ceza ödeme durumunda kaldığı için; ağırlık azaltma çalışmaları konusu üzerinde hassasiyetle çalışılmaktadır.

Araçlarda yapısal parçaların en önemli özelliği; darbe emme – Shock Absorber özelliğinin olmasıdır. Bu aşamada prosesin ilk adımı hammadde tercihidir. Aluminyum alaşımlarında bulunan Fe, mikroyapıda iğnesel yapılar oluşturarak kırılganlığa yol açan temel elementtir. (Resim-5 – AlSi9Cu3Fe Mikroyapısı) Ancak Fe oranının minimize edilmesi, döküm prosesinde maalesef kalıp – metal etkileşimini artırmaktadır. Fe oranı minimize edilmiş bir alaşımda, kalıp – metal ya da hazne – metal etkileşimi, fiziksel ve kimyasal yapışma reaksiyonları olarak baş gösterir. Ortalama döküm sıcaklığı 700°C olan bir alaşım, bünyesinde %3,2 oranına kadar Demir’i çözebilir.(Tablo 1) Bu durum, kısa vadede enjeksiyon dökümde yapışma olarak bilinen, fiziko-kimyasal reaksiyonların oluşmasına ve döküm iş parçasının kalitesinin bozulmasına, kalıp yüzeyinin ise uzun vadede deforme olmasına sebep olur.Fizikokimyasal yapışma eğilimini azaltma amaçlı, piyasada patentli olarak mevcut olan alaşımlar mevcuttur. Bu özel alaşımlarda Mn oranları nispeten yüksek tutulmaktadır. Mn oranının yüksek olması; alaşımın kalıp ile reaksiyona girmesini minimize etmek için tercih edilmektedir. Ancak uzun vadede, demirin sıvı alüminyum içerisindeki yüksek çözünebilirlik oranı, kalıp yüzeyinde ve haznede hızlı deformasyona sebebiyet vererek, ekipmanların ekonomik ömrünü azaltacaktır. Bu nedenle, proses optimize edilmeli, ingate’de yüksek hız seçimlerinden kaçınılmalıdır.



Bir şase parçasının karşılaması gereken özellikler aşağıda listelenmiştir;

  • Darbe emici özelliği nedeni ile %10 ve üzeri uzama değeri,

  • Spesifikasyonlarda belirlenen akma ve çekme değerleri,

  • Parça içinde hiçbir inklüzyon / intermetalik kalıntının olmaması,

  • Eğme testinde istenen spesifikasyonlar içerisinde olması,

  • Kaynaklanabilirlik,

  • Boyutsal kararlılık,

  • T7 ısıl işlem operasyonu sonrasında kabarma hatasının olmaması,

    Bir şase parçasının basınçlı döküm methodu ile üretilmesinde karşılanması gereken özellikler;

  • Yoğunluk ındex’i dosaj ocağı atmosferinden alınan numune ile ölçülmeli ve düşük olmalı,

  • Vakum operasyonunda optimum verim sağlanmalı,

  • %Mg ve %Sr değerleri; sonraki prosesler olan T7 ve T5 parametrelerine göre belirlenmeli,

  • Spreyleme sonrasında kalıp yüzeyi tamamen kurutulmalı,

  • Enjeksiyon parametrik verileri stabil olmalı ve her “shot”da aynı veriler yakalanmalı,

  • Kalıp yüzey sıcaklığının stabilizasyonu sağlanmalı ancak kesinlikle düşük olarak nitelendirilecek

    sıcaklıklarda olmamalı,

  • Pre-solidification olarak tabir edilen, metalin kavite içine girmeden katılaşması durumunun

    yaşanmaması için, sıvı metalin hareket ettiği tüm ortamlar sıcak tutulmalı,

  • Seçilen ayırıcı yağ optimum oranda ve içerikli olmalı,

  • Bekletme ve ergitme fırınlarının refrakter yüzeyi, daha önce başka hiçbir alaşım ile temas

    etmemiş olmalı,

 

4. Gelecek Trendleri

Magnezyum’un yoğunluğunun düşük olması bir avantaj olsa da, düşük çekme mukavemeti, düşük yorulma mukavemeti, mukavemetinin özel ısıl işlemler ile artırılamıyor olması, yüksek sıcaklıklarda mukavemetinin azalması gibi etkenler nedeni ile uygulama anlamında Mg her zaman bir adım geride olacaktır. Proses anlamında basınçlı döküm süreci ele alındığında ise, Mg alaşımlarının dökülebilirliğinin uygunluğu, daha az çıkış açıları ile daha sağlıklı parça alınması, döküm iş parçasındaki yüzey kalitesi alüminyuma üstünlük sağlamaktadır. Özellikle soğuk kamara yerine sıcak kamaralı dökümde Mg alaşımlarının kullanımı dökülebilirlik, fire oranlarındaki dramatik düşüş ve iş güvenliği riskinin azalmasına yardımcı olmaktadır. Ancak yapısal parça uygulamalarında yaşattığı zorluklar, magnezyum alaşımlarının hiçbir zaman yapısal parça olarak kullanılamayacağını ve bu nedenle sektörde belirli bir limitte kullanımının sınırlanacağını göstermektedir.

5. Sonuç

Gelecekte, yapısal parçalarda alüminyum uygulamalarını daha çok göreceğiz. Her geçen gün otomotiv sektöründe kullanımı artan alüminyum alaşımları, 2025 yılında ortalama bir araçta 300kg’a yakın olacaktır. Bütün OEM’ler, yüksek alaşımlı çeliklerin orta / uzun vadede otomotiv sektöründeki yerinin sınırlanacağı kanaatindedir.

 

 

6. Referanslar:

  1. European Aluminium Association, “Aluminium in the Automtive Industry”

  2. FKA, Forschungsgesellschaft Kraftfahrwesen mbH Aachen, “LightweightPotential of an Aluminium Intensive Vehicle”, 2004

  3. EU-Europian Commission : “Reducing CO2 emissions from passenger cars”

  • tw
  • fb
  • mail