Otomotiv Malzemeleri-1.pptx

Otomotiv Malzemeleri

OTOMOTİV SEKTÖRÜNÜN SORUNLARI

Otomotiv sektöründe kullanılan mühendislik malzemelerinin 4 ana grubu:

- Metaller ve alaşımlar- Seramikler ve camlar- Plastikler ve polimerler- Modern Kompozitler (silisyum karbür ile takviye

edilmiş alüminyum alaşımları gibi)

Motorlu araçların yapımında bu malzeme gruplarının hepsinden yararlanılmaktadır.

Otomotiv endüstrisi malzeme seçimlerinde öncelikle :

- Tüketici talebi,- Kabul edilebilir maliyetleri,- Kritik çevre sorunlarını

gözönünde bulundurmalıdır.

Kaynak: Patrick BLAIN - OICA President - Steel & Automobile

Metaller :

Statik ve dinamik yüklemeler altında uygun mukavemet, rijidlik ve sünekliliğe sahiptirler.

Diğer önemli fiziksel özellikleri: - Kırılma tokluğu, - Yoğunluk, - Genleşme katsayısı, - Elektrik iletkenliği, - Korozyon ve çevresel dayanımı.

Metaller tasarım özellikleri için geniş bir veritabanına sahip olmalarının yanısıra şekillendirme ve üretim prosesleri de çok geniş bir yelpazede geliştirilmiştir. Bunun yanında, metallerin hurda ve geri-dönüşüm işi de çok gelişmiş düzeydedir.

Diğer taraftan,

- Düşük yoğunluk,- Düşük ısıl ve elektrik iletkenlik,- Yüksek saydamlık,- Yükssek sıcaklığa dayanım,- Kimyasal dayanım gibi sadece olağanüstü

özelliklere ihtiyaç duyulduğunda

veya üretim kolaylığı bazen de düşük maliyet esas alındığında mühendisler temel olarak polimerler ve seramikler gibi farklı malzemelere yönelmek zorunda kalırlar.

Ancak, bu iki malzeme grubunun mühendislik uygulamalarındaki kullanımları düşük mukavemet veya kırılganlık gibi özelliklerinden dolayı sınırlanabilir.

Sonuçta ;

Bu üç malzeme grubunun kombinasyonuyla kompozitler olarak bilinen mühendislik malzemelerinin 4. grubu oluşturulmuştur. En önemli üretim grubunu cam takviyeli polimerler oluşturur. Ayrıca, seramik takviyeli metaller de kompozit malzemelerin önemli bir teknik grubunu teşkil eder.

Bu 4 malzeme grubu, otomotiv mühendisliği için

- Tasarımda - Araç yapımında- Aracın kullanımında

vazgeçilmez bir role sahiptir

Ayrıca, doğrudan mühendislik sorunlarına ek olarak,

Araç tasarımcısının otomotiv üretiminde kullanılan malzemelerin çok büyük miktarlarda olmasından dolayı çevre kirliliği ve geri dönüşüm gibi politik sorunları da hesaba katması da gerekir.

Avrupa Komisyonu Üyeleri, günümüzde üretilen araçlardan beklentileri şu şekilde sıralanabilir: - çevre dostu, temiz, - güvenli, - enerji verimliği, - ekonomik ve de - ‘akıllı’, (sürücünün ve diğer yol kullanıcılarının hareketlerini öngörebilme)

Bu, malzeme alanında önemli araştırma finasmanına neden olmuştur:- Yanmalı motor malzemeleri,- Bataryalar ve yakıt hücreleri,- Aşınmaya dayanıklı malzemeler- Hafif araçların gövde malzemeleriAraştırmalar bu yönlerde hızla devam etmektedir.

Yeni araç tasarımlarına olanak sağlayan, yük taşıyan yapılar ve karoser, motorlar, yakıt besleme ve egzoz sistemleri, elektrik ve elektronik cihazlar ve üretim sistemleri için mühendislik malzemeleri hızla gelişmektedir.

Modern malzemeler - fiber (lifli) kompozitler, - teknik seramikler, - mühendislik polimerleri - yüksek sıcaklığa dayanıklı metal alaşımlarını içerir.

Araç tasarımcısı bu gelişmelerden haberdar olması gerekir ve yapısal iç-bağlatılarda temel bir anlayış kullanarak verilen bir uygulama için doğru malzemeyi seçebilmelidir.

Birçok metal bol miktarda değildir ve bu sebeple bu metaller sadece katalitik konvertörler ve güçlü daimi mıknatıslar gibi özel uygulamalarda kullanılabilir.

Bunun tersine, demir, bakır ve alüminyum çok miktardadır ve daha kolay elde edilebilir . Bu yüzden bu metaller hem saf hem de alaşım olarak yaygın bir şekilde kullanılırlar.

Demir esaslı metaller çok ucuzdur ve günümüzde en yaygın olarak kullanılanlardır.

Modern arabaların ağırlığının büyük kısmını çelik oluşturur. Örneğin 2007 yılındaki verilere dayanarak ortalama bir araba 1090 kg ve ortalama bir pikap veya jip ise 1360 KG çelik ile imal edilmektedir.

Alüminyum Alaşımları mı?, Çelik mi?

1. Maliyet (Alüminyumun üretimi sırasında birim

miktarı için kullanılan enerji yüksek)

2. Güvenlik

Kaynak: America Iron and Steel Institute (2003), AISU Market Development.

Kaynak: Severstal

Otomobillerde kullanılan metallerin fiyat karşılaştırması

Kaynak: www.corusautomotive.com

Geçmişten günümüze otomotiv firmalarının yapmış oldukları tasarımlarda büyük oranda bir ağırlık artışı gözlenmektedir (güvenliğin ön plana çıkarılmasından dolayı).


Arabalarda çelik genellikle şasi ve kaza anında insan güvenliği göz önünde bulundurularak taşıt iskeletinde kullanılır. Günümüzde araçlar üretilirken kapı kirişleri, tavan, hatta gövde panelleri bile çelikten imal edilir. Çelik aynı zamanda egsoz borusu gibi motor ile bağlantılı bir çok parçada da kullanılmaktadır.

Karoser ve jant gibi düşük yükleme uygulamaları için akma mukavemetleri 220 ile 300 MPa arasında değişen orta veya düşük karbonlu çelikler yeterlidir. Bu çelikler, kolay bir şekilde kesilir, bükülür, işlenir ve kaynak edilebilir. Daha yüksek yüklemelere maruz tahrik milleri ve dişli çarklar için akma dayanımları yaklaşık 400 MPa olan yüksek karbonlu veya alaşımlı çelikler kullanılır.

Yatak yüzeyleri ise daha yüksek mukavemet ve aşınma direnci gerektirir. Bu tür uygulamalar için, orta ve yüksek karbonlu çelikler su verme ile sertleştirilebilir ve akma mukavemetleri yaklaşık 1000 MPa’a kadar arttırılabilir.

Ancak, bu çelikler su verme sonrası kırılganlaştıklarından daha sonra temperleme işlemlerine tabi tutulmak zorundadırlar. Böylece kırılganlıkları azalırken mukavemetleri ve sertlikleri büyük oranda korunmuş olur.

Paslanmaz çelikler (genel olrak %18 Cr + %8 Ni içerirler): - Ostenitik- Ferritik- Martenzitik- Dupleks (yeni) olarak 4’e ayrılır.

Özellikle yüksek sıcaklıklarda korozyon ve sürünme dayanımları karbon çeliklerine göre daha üstündür. Ancak, malzeme ve üretim maliyetleri otomotiv mühendisliğindeki kullanımlarını sınırlar (uzun ömürlü egzoz sistemleri gibi özel uygulamalar)

Dökme demirler ise çeliklerden daha yüksek karbon içerirler (%2-4 C). Bu dökme demirleri kırılgan yapar (düşük darbe özellikli). Isıl işlemlerle sünek dökme demirler de elde edilebilir.

Yüksek karbon içeriği ergime noktasını azalttığından dökülebilme yeteneği çeliğe göre daha iyidir.

Ayrıca, grafit formundaki karbon ideal katı yağlayıcı görevi görür. Dizel motorlarındaki silindir ve pistonları için aşınma özelliklerini iyileştirir. Ancak, artık benzinli motorlarda da kullanılan çok daha hafif alüminyum alaşımları dizel motorlarda da büyük oranda kullanılmaktadır.

Bakır ve alaşımları:

Otomotiv mühendisliğinde en çok kullanılanları :- Saf Bakır- Prinç- Bronz- Bakır-Nikel alaşımları

Çelikten daha pahalıdır, ancak daha sünek ve kolaylıkla şekillendirilebilir.

Yüksek ısıl iletkenlik: radyatörler için ısı transferi yüksek (ancak son zamanlarda daha hafif alüminyum kullanılmaktadır)

Yüksek elektrik iletkenlik: Elektrik tesisatlarında ve kablolama sistemlerinde kullanılır.

Prinç (genel olarak %35 kadar çinko içerir) :

Saf bakırdan daha mukavemetli olduğundan daha kolay işlenebilir. Elektrik tesisatları için kompleks şekiller üretilebilir. Ancak, bu alaşımlar suda uzun süre sonunda ‘çinkosuzlaşma’ olarak bilinen bir problemden muzdariptir.

Bronz (genellikle alaşım elementi kalay) :

Korozyon minimize edilebilir. Ancak, işlenme için daha sert olabilir.

Bakır-Nikel alaşımları :

Yüksek sıcaklıklarda yüksek sürünme dayanımı ve korozyon dayanımı. (Fren hidroliği borularında)

Alüminyum ve alaşımları :

Oto üretimi dünyasında alüminyum henüz yeni bir oyuncudur. 1970lerde %2, 1990larda %5 civarında olan alüminyum kullanım oranı 2009da %9 olmuştur.

Alüminyum ve alaşımları :

Çok düşük yoğunluk: Düşük ağırlıktaki parçalar ile yakıt enerjisi tasarrufu.

Alüminyum cevherleri bol miktarda olmasına rağmen, saf alüminyumun çekilmesi çok yüksek enerji gerektirir. Bu yüzden, saf alüminyum demir ve bakırdan daha pahalıdır. Ancak, yüksek korozyon direnci, yüksek ısıl ve elektriksel iletkenliğe sahiptir.

Çeşitli ısıl işlemler ve üretim olanakları ile çok çeşitli alüminyum alaşımları elde edilebilir.

Günümüzde araçların birçok komponentinde çeliklerin ve bakır alaşımlarının yerini almıştır (Şekil 1). Geleneksel demir motor bloğu da alüminyum yapılara dönüşmeye başlamıştır.

Şekil 1. Alüminyumdan ektrüzyonla üretilmiş tipik bir otomobil iskeleti.

Bir tasarım uygulaması için bir metalin seçimi deneysel verilere gereksinim duyar. İlk adım hangi malzeme grubunun (çelik, bakır veya alüminyum) kullanılacağıdır (Tablo 1)

Tablo 1. Malzeme Özellikleri

Sonraki adımda, spesifik bir seçim yapılabilmesi daha detaylı bir bilgiye gereksinim duyulacak (Malzemelerin ve komponentlerin testleri).

MalzemeYoğunlu

k(g/cm³)

Cost/Ton(Euro)

Akma Dayanımı

(MPa)

Elastisite Modülü(Gpa)

Alüminyum ve

Alaşımları2.7-2.9 1000-

1500 40-60 69-79

Çelikler ve Alaşımlı

Çelik7.5-8.3 200-1800 220-1300 190-209

Bakır ve Alaşımları 8.5-8.9 750-1500 60-960 120-150

Yoğunluk, elastisite modülü, ısıl genleşme ve özgül ısı gibi bazı özellikler kompozisyon, iç yapı ve uygulanan işlemlerden büyük oranda bağımsızdırlar.

Akma ve çekme dayanımı, süneklilik, kırılma tokluğu, sürünme ve yorulma mukavemeti gibi özellikler alaşım kompozisyonuna, iç yapıya, ısıl işleme ve mekaniksel geçmişine son derece bağımlıdır. Bu değerler için spesifik bilgilere, değerlere gereksinim vardır.

Plastikler ve Polimerler :

Tahta, deri, kauçuk, pamuk, yün ve ipek gibi doğal polimerler inşaat, spor gereçleri, araç lastikleri ve araç içi dekorasyonu gibi mühendislik uygulamalaarında karşımıza çıkmaktadır.

Otomotiv mühendisliği uygulamarında da polimerik malzemelerin kullanımı çok yaygındır. Ancak, bu malzemelerin dayanımları metallerinkinden çok düşüktür. Dayanımlarının bir miktar arttırılabilmesi için cam, karbon ve kevlar gibi lifli ve partiküler malzemelerle takviye edilir.

Polimerik malzemeler, birincil bağlarla (metallerle karşılaştırılabilecek dayanımda) bir arada tutulan karbon atomlarının çok uzun molekül zincirlerinden oluşur. Ancak, bu uzun molekül zincirlerini birarada tutan bağlar zayıf ikincil kuvvetlerdir, ikincil kuvvetler ayrıca daha açık bir yapı oluşturur (termoplastikler). Bu yüzden, bu malzemeler çok düşük yoğunluk, mukavemet ve rijitlik değerlerine sahiptir (Tablo 2)

Table 2.2. Properties of plastics

Kauçuk doğal kauçuğu ifade ederken, elastomer sentetik kauçuğu ifade eder. Otomobillerde elastomerlerin tipik kullanım yerleri: lastikler, hortumlar, silecekler, kayış, sızdırmazlık elemanları, contalar ve motor takozları (kauçuk malzemeler çapraz bağlı moleküllerden dolayı erime noktaları daha yüksek).

Otomotiv sektörü kauçuk üreticilerinin bir numaralı müşterisi ve sektörün itici gücüdür. Kauçuk üreticileri ürünlerinin %75ini otomotiv sektörüne satmaktadır.

Plastikler genel olarak termoplastikler ve termosetler şeklinde ayrılırlar. Termoplastikler, ısıtma ile yumuşarlar ve soğutma ile yeniden sertleşirler. Termosetler, şekillendirme sonrasında yeniden ısıtma ile yumuşamazlar.

Polimerik ve plastik malzemelerin kullanıldığı tasarımlarda sıcaklık ve zamanın etkisi kesinlikle hesaba katılmalıdır.

Yeni arabalarda plastiğin kullanım oranı %50 civarındadır..

Gösterge panelini, tuşlar, soketler, klima, kapı kolları, paspaslar, emniyet kemeri, hava yastığı ve daha bir çok oto ekipmanın üretiminde plastik kullanılabilmektedir. Düşük ağırlıklarından dolayı otomotiv sektöründe plastiğin kullanımı hızla artmaktadır.

Seramikler ve camlar :

Seramikler,

- Kırılgan - Korozif ortamda yüksek aşınma ve kimyasal dayanım - Yüksek sıcaklıklara dayanıklılık - Elektriği iletmezler (yalıtkan)

Yüksek ergime sıcaklığına sahip olmaları motor bileşenlerinde kullanımlarını cazip kılar. Daha yüksek sıcaklıklarda çalışan motor daha yüksek yakıt verimliği sağlar (özellikle dizel motorlarında silindir ve piston başı bölgelerinde ve valf oturma yüzeylerinde). Aynı durum standart benzinli motorlar için geçerli değildir (daha yüksek çalışma sıcaklıkları ön ateşlemeye ve vuruntuya neden olur).

Bazı teknik seramik örnekleri: alümina, silisyum karbür, silisyum nitrat, Sialon ve zirkonya. Yapıları elmas kristal yapısına benzer (geleneksel seramiklere nazaran çok daha az ve çok daha küçük mikro-kusurlara sahip). Bu daha daha yüksek kırılma tokluğu gibi üstün mekanik özelliklere neden olur. Kullanım yerleri: motor yataklarının ve üst dizel motor parçalarının kaplamasında..

Özel seramik malzemelerin seçimi için, nihai kalite güvence testlerine bizzat yapılmasında gereksinim vardır. Aynı üretim serisi içerisinde bile özellik değişimleri çok büyük olabilmektedir.

Camlar,

Cam, arabaları çepeçevre çevrelemektedir. Birincil kullanım alanı rüzgara karşı ve havada uçuşan böcek kuş gibi yaratıklardan hızla giderken bizleri korumaktır. Diğer yandan camı aynalar için de kullanmaktayız. Ayrıca cam, fiberglas olarak araçlarda yalıtım malzemesi şeklinde de kullanılmaktadır.

Bunun yanında cam araçlarda navigasyon ekranları gibi bir takım innovatif parçalarda da kullanılır.

Kompozit Malzemeler :

Kompozit malzeme, kendine has özelliklere sahip 2 malzemenin kombinasyonudur. Özellikleri sözkonusu 2 malzemeye göre daha iyidir.

İlgi çeken özellikleri :

- Daha hafif,- Daha rijit,- Daha mukavim olmalarıdır.

İlk başlarda uzay araştırmaları, süpersonik uçuşlar ve derin su uygulamaları için geliştirilmeye başlanmıştır. Artık günümüzde otomotiv uygulamalarını da içeren genel mühendislikte de çok sık olarak kullanılmaktadır.

Kompozit malzemeler doğayı taklit etmektedirler. Örneğin, ahşap selüloz ve odun özü oluşan bir kompozittir. Selüloz lifleri çekme yönünde dayanıklılardır, ancak elastiklerdir. Odun özü ise lifleri bir arada tutarak rijit bir malzeme ortaya çıkarır.

İnsan yapımı kompozitlerde de güçlü karbon ve cam lifler kullanılırken, daha yumuşak anayapıda ise epoksi ve polyester reçinelere kullanılır.

Otomotiv mühendisliğinde, en tasarım özellikleri birim ağırlık veya yoğunluk başına yüksek mukavemet ve rijitliktir. Bu malzeme özellikleri, cam, bor karbür, alümina, silisyum karbür ve karbon gibi seramikleri işaret eder. Ayrıca, bunlar yüksek yumuşama veya ergime noktalarına ve düşük genleşme katsayılarına sahiptir.

Metaller ise magnezyum ve titanyum haricinde ağırlıkları yüksektir. Polimerlerin mukavemet oranları iyi olmasına karşın rijitlik ağırlık oranları düşüktür.

Ancak, seramikler çok kırılgandırlar. Özel durumlarda doğrudan kullanılabilirler.

Kompozitlerde genel olarak, cam veya seramikler mukavemet ve rijitlikten sorumlu iken metaller veya polimerler sünekliliği sağlarlar. Seramik takviye, partiküler veya lifler şeklinde olabilir (çatlak ilerlemesini önleyecek şekilde).

Anayapının özellikleri son derece önemlidir.:

1. Sürtünme ile lif yapısına zarar vermemelidir,2. Dış yükleri lifler üzerine aktaracak bir ortam

yaratabilmeli,3. Çatlakların yönünü değiştirebilmeli ve kontrol

edebilmeli.

Günümüzdeki en büyük tonaja sahip kompozitler, cam lif takviyeli polyester reçine malzemelerdir (nispeten düşük ham madde maliyeti). Ancak, bazı kısıtlamaları mevcuttur. Cam lifleri dayanıklı iken 200 °C’nin bu kompozitler rijitliklerini kaybederler ve polyester reçine bozulur.

Bu yüzden,

Yüksek elastisite modülüne sahip komponentler için, lifler olarak karbon ve bor/tungsten lifler, anayapı olarak epoksi reçineler ve poliamidler gibi yeni polimerler kullanılır. Bunlar, ilk başta havacılık endüstrisinde jet motorlarında kompresör bıçakları olarak geliştirilmiştir (İngiltere’de karbon lif, ABD’de bor/tungsten lifleri).

Günümüzde ise daha ekonomik elde edilebilirlilikleri ile yarış arabalarının gövdelerinde kullanılabilmektedir.

Otomotiv malzemelerinin mekanik ve fiziksel özellikleri:

Konstrüksiyon malzemeleri, genel anlamda, önemli bir deformasyon meydana gelmeksizin üstlerine gelen kuvvetlere dayanabilmelidir ve yüksek seviyede çalışma güvenliğine sahip olmalıdır.

Araç komponenti üretimi, farklı veya bazen birbiriyle çelişen malzeme özelliklerini ortaya koyabilir. Örneğin, en az enerji ile kolay bir şekilde şekillendirilebilir malzeme özellikleri..

Uygulanan kuvvetle malzemenin davranışı bize malzemelerin mekanik özelliklerini verir. Bu özellikler, kullanılacak malzemeler için araç tasarımcısının ilk ele alacağı ve en ön plandaki özelliklerdir (örneğin şasi, gövde, süspansiyon sistemleri gibi tasarımlarda). Bu özelliklerin tespiti için malzeme mutlaka teste tabi tutulur.

Ancak, elektrik ve elektronik kontrol sistemleri gibi aracın bazı manyetik komponentlerinde de ek özellikler kritik olabilir. Camlar için optik özellikler, ısı değiştirgeçleri için ısıl ve kimyasal özellikler daha ön planda olabilir. Bu mekanik olmayan özellikler genellikle fiziksel özellikler olarak sınıflandırılırlar.

Mechanical properties :

Mekanik Özellikler:

Dayanım: Bir malzemenin kırılmaksızın veya kalıcı deforme olmaksızın bir kuvvete dayanabilme kabiliyetidir.

Farklı yükler, farklı dayanım türlerini ortaya çıkarır.

Çekme dayanımı, germe veya çekmeye karşı direnme kabiliyetir.

Basma dayanımı, basma kuvvetine karşı direnme kabiliyetidir (örneğin motor bağlantı çubuklarında).

Burulma dayanımı, burulma kuvvetlerine dayanma yeteneğidir (pervane mili, silindir kapağı civataları, tüm gövde yapısı gibi).

Dayanım değerleri, polimerlerden seramiklere 10 ila 1000 MPa arasında değişir.

Elastiklik: Çeşitli yükler uygulandığında esneme ve bükülme kabiliyetidir, yükler kaldırıldığında tekrar eski şekline ve boyutuna dönerler (elastik bir bant gibi).

Tüm araç komponentleri bir miktar elastikliği gerektirir. Sayısal değerini Elastisite Modülü belirler (elastik gerilmenin elastik uzamaya oranı).

Elastisite modülü kPa mertebesinden (kauçuklar ve plastikler) GPa mertebesine (metaller ve seramikler) kadar değişir.

Daha geniş bir ifadeyle elastiklik rijitliktir. Araç komponentinin şekli ve tasarımında hesaba katılması gereken önemli bir mekanik özelliktir.

Plastisite: Bir malzemenin çatlama ve kırılma olmaksızın dış yükler ve darbeler sonucu kalıcı şekil değiştirebilme yeteneğidir.

İki alt kavrama ayrılır:

- Dövülebilirlik: Bası altında tüm yönlerde kalıcı deformasyona uğrayabilme (dövme ve sac üretiminde olduğu gibi çatlama olmaksızın çekiçleme, presleme veya haddeleme işlemleri). Burada plastisite esastır, fakat dövülebilir malzemelerin dayanımlı olması gerekmez. Sıcaklıkla dövülebilirlik artar.

- Süneklilik: Bükmede, burmada veya daha genel bir anlamda çekmede soğuk plastik deformasyona uğrama yeteneğidir (Örneğin elektrik kablolarının üretiminde bir kalıp arasında çekme ile tel imali). Dövülebilirliğin aksine sıcaklıkla süneklilik azalır.

Sertlik: Malzemenin batmaya ve çizilmeye karşı bir direncidir. Yatak malzemeleri için önemli bir özelliktir.

Tokluk: Malzemenin ani şoklara ve darbelere kırılmadan dayanma kabiliyetidir. Eğme veya kayma yüklemeleri uygulandığında çatlak oluşumuna karşın da bir dirençtir. Kırılganlığın karşıtıdır (kırılganlık: kırılmadan önce az veya hiç plastik şekil değiştirme kabiliyeti olmama özelliği, camlar, seramikler, amorf plastikler gibi)

Boyutsal kararlılık: Boyuttaki ve şekildeki değişimlere dirençtir.

Plastikler oda sıcaklığında, metaller yüksek sıcaklıklarda uzun sürelerde sabit yüke tabi tutulduklarında zamanla yavaş yavaş deforme olup sonuçta kırılmaya uğrayabilirler. Bu olaya sürünme (creep) adı verilir (motor silindir kapaklarındaki civatalar yüksek sıcaklıklarda uzun sürelerde yüksek yüklere maruz kalır).

Yorulma kırılması, statik koşullarda kırılmaya sebep olmayan gerilme seviyelerindeki tekrarlı yüklemeler sonucunda malzemenin hasara uğramasıdır. (Bu tür yüklemeler araç gövde yapılarında ve krank milleri, bağlantı çubukları ve lastikler gibi komponentlerinde bu tür tekrarlı yüklemeler sözkonusudur).

Yorulmayı hızlandıran koşullar:- Korozyon,- Yüksek sıcaklıklar,- Kötü yüzey kalitesi.

Dayanıklılık: Malzemenin uzun süreli hava şartlarına ve korozyona dayanım yeteneğidir (malzemenin görünüşündeki, mekanik ve fiziksel özelliklerindeki değişiklikler ile ortaya çıkar).

Islak korozyon ve oksidasyon, çelikler gibi metallerde çok yaygındır. Bileşke etkileri araç komponentlerinde felakete yol açabilecek mekanik arızalara yol açabilir.

Güneş ışınları, özellikle UV ışınları, oksidasyon ve bazı kimyasallar plastiklerin ve polimerlerin bozulmasına yol açabilmektedir.

Genel olarak, komponentlerin servis ömrünü arttırabilmek için stabilizatörler kullanılır.

Camlar ve seramikler agresif ortamlarda polimerlerden ve metallerden daha kararlıdır, ancak kırılıganlıkları kullanımlarını sınırlar.

Physical properties:

Araç tasarımı ve üretiminde çeşitli fiziksel özellikleri de gözönünde bulundurmak gereklidir.

- Kristalli malzemeler de ergime sıcaklığı Tm, amorf malzemelerde yumuşama sıcaklığı Tg. Yarı-kristalli malzemelerde Tm ve Tg geçişleri. Bu sıcaklıklar özellikle alüminyum pistonlarının dökümünde, polipropilen tamponların enjeksiyon kalıplamalarında, montaj aşamasında çeliğin kaynağında ve elektrik komponentlerinin lehimlenmesinde son derece önemlidir.

- Yoğunluk araç tasarımında komponentin final kütlesinin, davranışının ve verimliliğinin öngörüsü için son derece önemli bir özelliktir. Bu yüzden, günümüzde alüminyum ve kompozit malzemeler geleneksel çeliklere ciddi bir rakiptir.

- Elektrik iletkenliği, metaller, özellikle altın, gümüş ve bakır genellikle iyi elektrik iletkenledir. Bakır, yaygın olarak araç kontrol sistemleri için kablo üretiminde kullanılır. Daha pahalı olan altın, gümüş ve platinyum gibi diğer değerli metaller elektronik kontrol cihazlarında daha kısıtlı kullanımlara sahiptir.

Elektrolitler, bazı gazlar, sıvılar ve bazı katı seramikler de akım iletebililer. Sülfirik asit gibi sıvı elektrolitler kimyasal enerjiyi depolamak için kurşun-asit akülerinde kullanılmaktadır. Ancak, elektrikli araçlardaki aküler artık birincil itici gücü gerçekleştirecek şekilde geliştirilmişlerdir. Günümüzde yakıt hücresi ve güneş enerjisi güç kaynakları üzerinde çalışmalar hızla devam etmektedir.

- Yalıtkanlık, metalik olmayan malzemeler genellikle iyi yalıtkanlardır (seramikler, camlar ve çoğu plastikler). Bu tür malzemeler ayrıca, elektrik kontrol sistemlerindeki kapasitörlerde elektrik enerjisini depolamak için de kullanılır.

Elektrik ileten bakır tellerin izolasyonunda yaygın olarak plastikleştirilen PVC, polietilen ve yangına dayanıklı bileşikler kullanılır.

Yarı iletkenler, yalıtkanlar ve iletkenler arasında yer alır (belirli koşullar altında akım iletirler). Silisyum ve germanyum saf halde zayıf iletkenlerdir, fakat küçük miktarlarda ek malzemeler ile iletkenlikleri arttırılabilir. Yarı iletkenler, tüm araçların elektrik kontrol cihazlarında yaygın bir şekilde kullanılır.

- Isıl özellikler, 1000 °C’ye kadar dayanması gereken yerlerde (motor konstrüksiyonu ve egsoz sistemleri) kullanılan malzemeler için son derece önemlidir. Diğer taraftan da, araçların klima sistemlerinde kullanılan malzemeler düşük soğutucu sıcaklıklarında çalışabilmeli ve kimyasal dayanıklılığı yüksek olmalıdır.

Seramikler yüksek sıcaklıklara dayanıklıdır (ancak en büyük handicapları yine kırılganlıklarıdır).

Metallerin daha düşük sıcaklık yetenekleri vardır (en büyük handikapları ağır olmaları).

Polimerlerin yüksek sıcaklıklarda dayanım önemli oranda düşer (iyi yönü düşük sıcaklıklarda elastiklerdir).

Metaller, özellikle bakır, yüksek ısıl iletkenliğe sahiptir. Araç radyatörlerinde ve diğer ısı değiştirgeçlerinde plastiklerin yanısıra bakır, alüminyum ve çelik kullanılır.

Diğer taraftan ısıl yalıtkanlar, genellikle düşük ısıl iletkenlik katsayısılarına sahip metalik olmayan malzemelerdir. Bu malzemeler ısı kayıp ve kazançlarını önlemek için kullanılır (örneğin, otomobil karoserisiyle bitişik egzoz sistemleri etrafında). Hava en iyi termal izolasyon malzemesidir. İçerisinde hava hapsedilmiş köpük malzemeler ve lifli kompozitler sesin yanısıra ısıyı önlemek için kullanılır (kabin içi).

- Isıl genleşme (ısınma esnasında) ve büzülme (soğumada). Genleşme katsayısı seramiklerden metallere, metallerden polimerlere sırasıyla 1-10-100 şeklinde değişir.

Aracın büyük sıcaklık değişimlerinin görüldüğü yerlerde (örneğin motor etrafında) bu malzemeleri bir araya getirmek önemli tasarım problemlerini doğurabilir.

Genleşme etkisi radyatör termostatları gibi kontrol mekanizmalarında da kullanılabilir.

- Optik özellikler, malzemeler ışık enerjisini yansıtabilir, saçabilir veya yutabilir. (mat, yarı saydam veya saydam). Cam malzemesi, yasal mevzuattan, düşük hammadde maliyetinden ve kavisli şekillerin kolay üretilebilmesinden dolayı günümüzde araç camları için hala vazgeçilmez bir malzemedir (dezavantajı ağır olmalarıdır).

Araç aydınlatmasında reflektörler ve objektif komponentleri düşük yoğunluklarından dolayı polimetik malzemelerden (metal kaplanmış termoset bileşikleri, ABS -acrylonitrile butadiene styrene-, akrilik ve polikarbonatlar) üretilirler.

Otomotiv Komponentleri İçin Malzeme Seçimini Etkileyen Faktörler

Günümüz otomotiv mühendisliği problemleri geçmişten daha karmaşıktır. Neyse ki, günümüzde daha geniş bir malzeme yelpazesi ve üretim teknikleri mevcuttur.

Günümüzde malzeme veritabanlarından yardım alınmasına rağmen, malzeme seçimi en çok tasarım ekibinin yeteneğine ve deneyimine bağlıdır.

Otomotiv mühendisleri tasarım aşamasında malzeme seçiminde polimerlerin, kompozitlerin ve seramiklerin yanısıra metallerin geniş bir yelpazesini gözden geçirirler.

* Mekanik (rijitlik, mukavemet, süneklilik, yorulma, sürünme vs.)ve fiziksel özellikler (ergime sıcaklığı, yoğunluk, ısıl iletkenlik vs.)

Tasarım aşamasındaki malzeme seçiminde fiziksel özelliklerin yanısıra aşağıdaki çalışma koşullarındaki gereksinimler de belirlenmelidir:

- Mekanik yüklemeler- Yükleme koşulları- Sertlik- Rijitlik- Elastikiyet- Ağırlık

Bunlar, daha sonra uygun malzemelerin özellikleri ile karşılaştırılır. Özel uygulamalar için çeşitli kombinasyonlara gereksinim duyulur. Örneğin, elektrisel ve ısıl direncin yanında aşınma ve korozyon direnci de ürün ömrünün artması için istenebilir. Bu gereksinimler, yazılım paketleri ile test edilebilir, özellikle plastikler ve polimerler için, böylece karşılaştırmalar yapılabilir.

* Kalite ve stil şartları

Gürültü ve titreşim gibi faktörler önemli sürtünme hasarlarına yol açabilir.

Örneğin, deri koltuklardaki ve ahşap kaplamalardaki yüzey kalitesi, renk, doku, koku gibi estetik özellikler de malzeme seçiminde dikkate alınır.

* Komponentin veya ürünün üretim metodu (talaşlı imalat, plastik şekil verme, döküm, kaynak vs..)

- Üretilebilirlik- Avantajları- Kısıtlamaları- Maliyet- Hassasiyet- Ürün Kalitesi

* Standart malzeme ve komponent seçimi (sürekli kolay bir şekilde malzeme temin edilebilirlik)

Malzemelerin ve komponentlerin çoğu standartlaştırılmış halde tedarikçilerden temin edilebilmektedir (tel, dairesel ve kare çubuklar, film, şerit ve levha, diğer ekstrüyon ürünleri vs..). Ancak, standart ürünler tasarımda kısıtlamalara neden olabilir. Standart olmayan ürünler ise maliyeti epeyce yukarı çekebilir.

* Ticari faktörler

Malzeme ve üretim maliyetlerini düşük tutma (doğru malzeme ve üretim metodlarını gözardı etmeden), satışları arttırarak karın artmasına katkı sağlayabilir.

* Yasal mevzuatlar

Yakıt tankı, cam görüş kabiliyeti, karbon ve azot emisyonları, sürtünen malzemelerdeki asbest ve solvent/su bazlı boyalar gibi sağlık ve güvenlik faktörleri. Geri dönüşüm hususunu ve maliyetlerini tasarımcılar mutlak surette hesaba katmalıdırlar (oluşan atıklar ve geri dönüşebilirlik).

Sonuç olarak, seçilen malzeme tüm faktörlerin uzlaşmasıyla ortaya çıkar.

Ülkelerin sınır CO2 emisyonları



Metaller ve Alaşımları

• Kimyasal bileşimleri açısından metaller ve alaşımlar 2 büyük gruba ayrılırlar:

–Demir ve alaşımları (Ferrous alloys) –Demir dışı metal ve alaşımlar (Non-ferrous alloys)

• Demir alaşımları:

–Çelikler (%C 0.05-2)–Dökme demirler (%C 2-4.5)

ÇeliklerÇeliklerin temel özellikleri aşağıdaki gibi özetlenebilir :

• Çelikler yüksek mukavemet (Çekme, Kopma, Akma), tokluk (süneklilik), sertlik ve aşınma mukavemeti değerlerine sahiptir.

• Çeliklerin dövülebilirlikleri ve işlenebilirlikleri iyidir.• Paslanmazlık ve korozyona mukavemet özelliklerine

sahiptirler.• Çeliklerin büyük çoğunluğu ısıl işlemlere karşı duyarlıdır.

Kimyasal bileşimin yanı sıra uygulanan ısıl işlemler sonucunda istenen sertlik, mekanik ve fiziksel özellik, elektriksel özellik, korozyona ve yüksek sıcaklığa dayanım özelliklerine tam olarak kavuşturulabilir.

• Çelikler yapılarının gerektirdiği sıcaklıklara kadar ısıtıldıklarında şekillenme özelliğine kavuşur. (Haddeleme, Presleme, Dövme)

• Ayrıca kimyasal bileşim ve içyapı olarak uygun olan çelikler haddeleme, presleme gibi yöntemlerle soğuk olarak da şekillendirilebilir.

• Talaş kaldırıcı tezgâhlarda işlenerek, istenilen şekil ve yüzey düzgünlüğüne getirilebilir.

• Kimyasal bileşim olarak uygun olan çelikler kaynak işlemi ile birleştirilebilir.

• Çeliklerin büyük bir bölümü çeşitli yöntemler ile metal ile kaplanmaya, emaye yapılmaya, boyanmaya ve plastik maddeler ile kaplanmaya elverişlidir.

Çeliklerin Sınıflandırılması

Çeliklerin incelenmesini kolaylaştırmak ve daha yakından tanımak için bazı ortak özellikler göz önüne alınarak çeşitli sınıflandırmalar yapılır.

Üretim yöntemlerine göre

• Bessemer ve Thomas yöntemleriyle üretilen çelikler.• Siemens – Martin yöntemleriyle üretilen çelikler.• Elektrik ark ve elektrik endüksiyon yöntemleriyle

üretilen çelikler.• Pota içerisinde üretilen çelikler.• Oksijenli konverter yöntemleriyle üretilen çelikler.• Vakum yöntemleriyle üretilen çelikler.

Kullanım alanlarına göre

• Yapı çelikleri• Takım çelikleri • Soğuk ve sıcak işlerde: Soğuk iş ve sıcak iş çelikleri• Hızlı kesme işlerinde kullanılacak çelikler• Yay yapımında kullanılacak çelikler• Yüksek sıcaklıkların bulunduğu ortamlarda kullanılacak

çelikler • Dış etkilere maruz yerlerde ve deniz ortamında kullanılacak

çelikler.Alaşım durumlarına göre

• Sade karbonlu çelikler • Düşük ve orta alaşımlı çelikler• Yüksek alaşımlı çelikler

Ana katkı maddesine göre

• Karbonlu çelikler• Manganlı çelikler• Kromlu çelikler• Nikel çelikler• Krom Nikel çelikler• Volframlı çelikler• Vanadyumlu çelikler

Metalografik yapılarına göre

• Ferritik çelikler• Ferritik ve Perlitik çelikler• Perlitik çelikler• Östenit çelikler• Martensitik çelikler• Ledeburitik çelikler• Beynitik çelikler

Kalite durumlarına göre

• Kütle çelikler• Kalite çelikler• Soy (asal) çelikler

Fiziksel ve kimyasal özelliklerine göre

• Isıya dayanıklı çelikler• Manyetik çelikler• Korozyona dayanıklı

çelikler• Paslanmaz çelikler

Sertleştirme ortamlarına göre

• Yağ çeliği• Hava çeliği

OTOMOTİV ENDÜSTRİSİNDE KULLANILAN ÇELİK ÜRÜNLER VE ÖZELLİKLERİ

Çelik, alternatif malzemeler olmasına rağmen hala otomotiv endüstrisi için en önemli malzeme sınıfını teşkil eder.

Bunun ana sebebi, ister oto gövdesi için ister şase ve tekerlekler gibi yapısal parçalar için, bir malzeme olarak özelliklerinin sınırsız değişkenlikte olmasıdır. Ayrıca, otomotiv endüstrisinde bir malzeme olarak çelik, önemli miktarda mükemmel bir fiyat-performans oranı ve geri dönüşüm avantajları sunmaktadır. Çeliğin ülkemizdeki yaklaşık maliyeti 0.15 $/kg civarındadır.

Otomotiv endüstrisinde çelik kullanımı üretilen otomobil adeti ile yakından ilgilidir. Birçok endüstri alanı için itici güç olmayı sürdüren otomotiv endüstrisine bakıldığında bugün sadece Amerika’da yılda 18 milyon araba üretildiği görülmektedir. Kuzey Amerika’da sadece otomobiller için 16 milyon ton çelik kullanılmaktadır.

Malzeme seçiminde en önemli parametreler hammadde ve proses maliyeti, kalite ve sağlamlık, sürekli malzeme temin edilebilirlik, mukavemet ve korozyon gibi fonksiyonel özellikler, üretim yöntemleri, oluşan atıklar ve geri dönüşebilirliktir. Çelik bu koşulların hemen hepsine olumlu yanıt vermektedir.


Otomobilin tarihsel gelişiminde kullanılan malzemeler

Kaynak: Taub et al, 2007.


Otomobil kullanıcılarının sosyal ve küresel istekleri gittikçe artmaktadır. Bu isteklerin başında:

• Doğal kaynakların korunması• Otomobillerin kullanım sürelerinin uzatılması• Dayanıklılığının iyileştirilmesi• Korozyon dayanımının iyileştirilmesi• Yakıt kaynaklarının değiştirilmesi, geliştirilmesi• Enerji kaynaklarının korunması• Yakıt tüketiminin azaltılması• Araçların hafifletilmesi• Çevre kirliliğine karşı alınacak önlemler• CO2, HC, CO, NOx egzoz gazlarının emisyonlarının azaltılması• Kullanım güvenliği• Rahat kullanım kolaylıkları

Bunların içinde belki de çözümünde en sorunlu olan enerji kaynaklarının korunması için bir otomobilin geliştirilmesinde temel alınan 3 temel öğe vardır. Bunların başında yakıt tüketiminin azaltılması ve motor emisyonlarının başında gelen CO2 hacim oranının azaltılması gelmektedir. Bunun için yapılabilecekler ise;

• Motor ve sürüş sisteminin verimliliğinin arttırılması• Running dayanımının azaltılması (Aerodynamik dizayn..vb)• Otomobillerin hafifletilmesi• Otomobil boyutlarının küçültülmesi• Gövde yapısının değiştirilmesi• Gövdede daha hafif malzemelerin kullanılması şeklinde tarif edilebilir.

Otomotiv sektöründe kullanılan çelik malzemelerde, normal çelikten orta ve yüksek mukavemetli çeliğe doğru bir eğilim vardır. Ancak yüksek mukavemetli çelik parçaların kullanımının artışına en büyük engel, gereken parçanın şekillendirilme zorluğudur.

Metalurjinin temel kurallarından biri, mukavemetin artmasıyla sünekliğin azalması ve dolayısıyla şekillendirilebilirliğin azalmasıdır. Araştırmacıların önündeki zorluk, süneklikten taviz vermeden mukavemeti arttırmaktır.

Yüksek Mukavemetli Malzemelerin Şekillendirilme Zorlukları

Mekanik Özelliklerine göre:

< 270 MPaDüşük mukavemetli çelikler Yüksek mukavemetli çelikler

270-700 MPa

Ultra Yüksek mukavemetli çelikler

> 700 Mpa

Kaynak: Anderson D., America Iron and Steel Institute, 2008.

Otomobillerde yaygın olarak kullanılan çeliklerin mekanik özellikleri

Kaynak: Daniel J.S., Introduction to Advanced High Strength Steels, Part I: Grade Overview, 2005

Yüksek mukavemetli çeliklerin şekillendirilebilirlikleri

Özellikle ultra yüksek mukavemetli çeliklerdeki düşük uzama miktarları bu malzemelerin tasarımlarda özgürce kullanılmasını kısıtlar. Bu malzemelerin şekillendirilmesinde ayrıca yüksek kapasiteli cihazların gereksinimi ortaya çıkar ve karmaşık şekilli geometrilerde erken yırtılmalar oluşmaktadır. Bu yüzden DP çeliklerinin kullanımı çok daha yaygındır (özellikle DP600 çeliği)

Kaynak: Severstal

Yeni Nesil Çelikler

Otomotiv Sanayinde En Çok Kullanılan Çelikler:

- IF (Arayer Atomsuz) Çelikler- Fırında sertleşebilen (bake hardenable) çelikler (BH

çelikleri),- Çift fazlı (dual phase) çelikler (DP çelikleri)- Dönüşümle oluşturulan plastisiteye sahip çelikler

(TRIP)- Ultra yüksek mukavemetli sıcak şekillendirme

çelikleri (Hot Stamping Boron Steels)

Otomotiv Sanayinde Kullanılan Diğer Çelikler

- Kaplanmış çelikler- Titreşim azaltan çelikler- Laminasyon çelikleri

IF Çeliklerinin Çeşitleri:

IF (Arayer Atomsuz) Çelikler

Derin Çekme Kalite (DDQ) IF Çelikleri

Yüksek mukavemetli (HSS) IF Çelikleri

Ekstra derin çekilebilen (EDDQ) IF Çelikleri

- Bu çeliklerde C, N gibi arayer atomları çözelti içerisinden uzaklaştırılmıştır.

Cotrell atmosferi

Ti veya Nb eklenmesi

- Bu, çeliğe yaşlanmama ve üstün şekillendirilebilirlik özelliği kazandırmaktadır.

- C ve N atomları çözeltide bulunmadığından belirgin akma ve buna bağlı olarak Lüders-Hardman bantları görülmez.

- Düşük akma ve çekme dayanımları ve yüksek r

değerleri ile ekstra derin çekilebilme özelliği

göstermekte ve çok karmaşık parçaların kolaylıkla

üretilebilmesine olanak sağlamaktadırlar.

- IF çeliklerinin üretimi, günümüzde sadece soğuk ve

sıcak saclar için değil aynı zamanda çinko kaplı çelik

saclar, yüksek dayanımlı çelik saclar vb. değişik

uygulamalarla artmakta ve yüksek dayanımlı IF,

paslanmaz IF şeklinde yeni tipleri oluşturularak

dayanımları artırabilmektedir.

IF Çeliklerinin Otomotivde Kullanım Yerleri:

IF çeliğinin yüksek r değeri ve mükemmel derin

çekilebilirliğinden ötürü IF çelikleri otomotivde ön ve

arka kapı iç paneli, arka taban paneli gibi parçalarda

kullanılmaktadır.

IF Çeliğinden üretilen bir kapı iç paneli

Fırında Sertleşebilen (Bake Hardenable: BH) Çelikler:

Fırında sertleşebilen çelikler, otomotiv imalatçılarının preslerinde kolayca işlenebilen düşük mukavemetli ve optimum olarak şekil verilebilen bir çelik grubudur.

Presleme sırasındaki deformasyon, şekil verme sırasında işlem sertleşmesi ile sertleşmeye yol açar.

Otomotiv gövdesi parçaları haline ıstampalanmadan önce normal depolama sırasında yaşlanmaya dirençli olarak dizayn edilirler. Bununla beraber şekil vermede yaşlanmaya başlarlar ve boya pişirme fırınlarında ısıtıldıktan sonra malzeme tamamen yaşlanır. Orijinal çelik özelliklerine göre yaklaşık 34-70 MPalık bir akma mukavemeti artışı olan nihai parçalar elde edilir.

Bileşim ve tavlamadan sonra mevcut ara yerde çözünmüş elementlerin (karbon ve azot) miktarının kontrolü fırında sertleşebilir çelik üretimi için kritiktir.

Yüksek mukavemetli çelikler

Aynı dayanıma daha düşük ağırlıkta ulaşıyor

Daha ince kalınlıkta sac kullanılabiliyor


Yüksek mukavemetli çelikler

Otomotiv sanayinde en çok kullanılanları DP (çift fazlı) ve TRIP (üç fazlı) çelikleridir.

Kaynak: www.autosteel.org





Çift Fazlı (DP) Çelikler:

• Çift fazlı çelik kavramı, 1937 yılında Grabe’in, yeni bir yatak malzemesinin üretimi için % 0,25 karbonlu bir çeliği kritik sıcaklıklar arasındaki bölgeden soğutması sonucunda çift fazlı yapıyı elde etmesi ve patent almasıyla tanınmıştır.

• 1970’lere kadar çok az sayıda araştırmacının ilgisini çeken çift fazlı çelikler, bu yıldan sonra özellikle yaşanan ekonomik darboğazların ardından bilim adamlarının otomotiv endüstrisine sunduğu alternatif çözümler olarak üzerinde etraflıca çalışılan bir alan olmuştur.

DP çelikleri yumuşak ferrit (şekillendirebilme kabiliyetini verir) ve sert martenzit (mukavemet verir) yapıdan oluşan düşük karbonlu çeliklerdir.

Gerçek mikroyapı

ŞematikFerrit

Martensit

DP çeliklerinin mekanik özellikleri

• Çift fazlı çeliklerin dayanımı büyük ölçüde yapıdaki martensit hacim oranına (MHO) bağlıdır. MHO arttıkça malzemenin akma ve çekme mukavemetleri artarken, toplam uzaması azalmaktadır.

• Ayrıca yapıdaki martensitin düzgün dağılımı da malzeme özelliklerini iyileştirmektedir.

• Çift fazlı çeliklerde oluşan en bilindik hata ise, ferritin martensit tane sınırlarından ayrılırken oluşturduğu boşluklardır. Bu durum malzemede kırılmalara yol açabilmektedir.

DP çeliğinin çekme eğrisi

DP çeliklerinin otomotiv sektöründeki kullanım alanları

DP çeliklerinin otomotiv sektöründeki kullanım alanları (devam)

TRIP Çelikler:

• TRIP (Transformation Induced Plasticity) çelikleri ilk olarak bulan Zackay ve arkadaşları olmuştur.

• Adından da anlaşılacağı gibi TRIP çeliklerin en büyük avantajı şekillendirme esnasında yapısında oluşan dönüşümdür. Şekillendirmeden önce yapıdaki kalıntı östenit şekillendirme kabiliyetini artırır ve şekillendirme esnasında martensite dönüşerek malzemeye son halinde mukavemet kazandırır.

TRIP çelikleri ise ferrit matrisleri boyunca tutulmuş ostenit ve küçük miktarda beynit ihtiva etmektedir.

Gerçek mikroyapı

Şematik

TRIP çeliklerinin mekanik özellikleri

• Yapıda görülen fazlar ve hacim oranları, örneğin kalıntı östenitin morfolojisi, tane boyutu ve karbon içeriği, mekanik özellikler üzerinde oldukça etkilidir. Ayrıca yapıda bulunan bu fazlar, deformasyon sırasında TRİP çeliğinin davranışını da belirlemektedir.

• Kalıntı östenit hacim oranı arttıkça çekme dayanımı, toplam uzama ve absorbe edilen enerji miktarı artarken, akma dayanımı azalmaktadır.

• TRİP çelikleri şekillendirme hızına duyarlı bir malzemedir. Artan şekillendirme hızının ve sıcaklığın martensitik dönüşümü sınırlandırdığını belirlenmiştir.

TRIP çeliğinin çekme eğrisi

Yüksek mukavemetli çeliklerin kullanımı, • Kazandırdığı yakıt tasarrufu, • CO2 emisyonu, • Çarpışma dayanımı ve • Kaynak kabiliyeti gibi üstün özelliklerinden dolayı

giderek yaygınlaşmaktadır.

ULSAB-AVC PNGV-Sınıf konsept tasarımında parçalar ve malzemeleri


Şekilde görüldüğü üzere yüksek mukavemetli çeliklerden DP çelikleri oldukça yaygın bir kullanım alanına sahiptir.

GM firması öngörülerine göre yüksek mukavemetli çeliklerin kullanımı


Yakın gelecekte DP çeliklerinin taşıtlarda kullanım miktarının %45’lere kadar artacağı öngörülmektedir. Bu artış ile araçlarda sağlanan hafifletmenin özellikle yakıt tasarrufu ve gaz emisyonuna olan katkısı çok büyük olacaktır.

Taşıtlardaki kalınlık azaltılmasının sağladığı ağırlık kazancı


Kalınlık azaltılması ile ağırlıkta yaklaşık %24’lük bir kazanım elde edilebilmektedir.

Yeni nesil çeliklerin kullanımının arttırılması için en uygun şekillendirme yönteminin belirlenmesi gerekmektedir.

Otomobillerde ağırlık azaltma projeleri

Kaynak: Severstal

Taşıtlardaki CO2 emisyon miktarının yıllara göre değişimi

Kaynak: www.worldsteel.org

Şekillendirilebilirlik

Sac malzemenin çeşitli proseslerle hasara uğramadan orjinal şeklinden belirli bir şekle dönüşebilme kabiliyetine şekillendirilebilirlik denir.

Şekillendirme Sınırı

Malzemelerin şekillendirme sınırlarının belirlenmesinde şekillendirme sınır diyagramlarından yararlanılır.

Bu diyagramlar sac malzemenin üretim esnasında karşılaşabileceği bütün deformasyonları ihtiva eder.

Sınırın üstünde kalan deformasyon değerleri hasarı gösterirken, altta kalan deformasyonlar ise güvenli bölgeyi göstermektedir.

Sacların şekillendirilebilirliği yüzeyde oluşan 2 temel deformasyon ile tanımlanır.

Şekillendirme Sınır Diyagramı

Bu diyagramlar sayesinde, parçaların kalıpları hazırlanırken ön simülasyonlarda sacın ilgili şekli alıp, almayacağı; yırtılıp, yırtılmayacağı gibi sorulara önceden yanıt verilebilmektedir.

Örneğin bir kapı sacı ele alındığında simülasyon gerçekleştirildikten sonra, şekillendirilmiş sacın her noktasında meydana gelen deformasyonlar, diyagrama göre kontrol edilir ve gerekli değişiklikler tasarım esnasında yapılır.

Ultra yüksek mukavemetli sıcak şekillendirme çelikleri (Hot Stamping Boron Steels)

Martenzitik Çelikler

Çok yüksek dayanıma sahip olan parçaların aynı zamanda düşük ağırlığa sahip olması otomotiv ve havacılık endüstrisinin ilgisini çekmektedir.

Sıcak şekillendirme işleminde yaygın olarak Al-Si kaplı 22MnB5 (ticari isimleri Usibor 1500P ve Ducol 1500 Bor) celik saclar kullanılmaktadır. Kullanılan çelik, ultra yüksek mukavemetli çelikler (UHSS) sınıfında yer alır.

Borlu çeliklerin kimyasal kompozisyonları ve mekanik özellikleri

Kaynak: Naderi, M.,2007, Doctoral Theses, RWTH, Aachen

Usibor 1500 P

Sıcak şekillendirme sonrası çok yüksek mekanik dayanıma sahip olmaktadır. Araç ağırlığını azaltma gereksinimini karşılamak üzere geliştirilmiştir. Otomobildeki güvenliğin ön planda olduğu yapısal komponentlerde kullanılmak üzere tasarlanmışlardır (çamurluk kirişleri, kapı güçlendirmeleri, B direkleri, cam destekleri vs..).Bu çelikler sıcak sekillendirme işlemi süresince ısıl işleme tabi tutulmak ve sonrasında su verilmek üzere dizayn edilmişlerdir.

Son ürünün mekanik özellikleri önemli ölçüde ağırlık kazancını ortaya koyar (standart yüksek akma dayanımlı çeliklerle karşılaştırıldığında %50’ye kadar).

Başlıca avantajları:

1. Şekillendirme ve kullanım esnasındaki özelliklerin farklılığı

2. Yüksek sıcak şekillendirme yeteneği ve geri yaylanma probleminin olmaması

3. Olağanüstü yorulma ve darbe dayanımı (böylece kalınlık azaltılarak ağırlık düşürülebilir)

Usibor 1500 P ön bir alüminyum-silikon kaplamaya sahiptir ve sıcak şekillendirme sırasında metali oksidasyon (ölçek) ve dekarbürizasyondan korumak için geliştirilmiştir.

İlave avantajları:

1. Geleneksel kaplanmamış sıcak şekillendirme çelikleri için ihtiyaç duyulan kumlama adımını ortadan kaldırmış olur.

2. Çok iyi son ürün bıyutsal tolerans (kumlama yok, dolayısıyla deformasyon yok).

3. Mükemmel korozyon direnci,4. Dekarbürizasyon yok,5. Basit bir işlem, maliyet düşüşü (kumlama yok, koruyucu

atmosferli fırına ihtiyaç yok)

Technical characteristics

Usibor 1500 P’nin içerisindeki yüksek mangan, krom ve bor mevcudiyeti sıcak şekillendirme esnasındaki ostenitleme sonrası mükemmel su verilebilirlik sağlar.

Sıcak şekillendirme öncesi, Usibor 1500 P eş eksenli ferrit ana yapısı içerisinde homojen dağılımlı perlit tanelerinden oluşmaktadır. Usibor 1500 P’in 25μm kalınlıktaki kaplaması, Fe- Al- Si alaşımı difüzyon tabakası ve Al-Si tabakasından ibarettir.

Isıl İşlem ve su verme sonrası, iç yapı %100 martenzitiktir.

Al-Si kaplama fırın içinde temel malzemeye daha iyi tutunan koruyucu Al-Fe-Sİ alaşımına dönüşür.

Yüzey:

Sıcak şekillendirme ve su verme sonrası Usibor 1500 P komponentleri doğrudan boyanabilir.

Isıl işlem sonrası oluşan Al-Fe-Si tabakası korozyona mükemmel dayanım sağlar.

Sıcak şekillendirme sonrası, Usibor 1500 P’nin yüzeyi fosfatlama banyosundan etkilenmez ve daha sonraki bayonun kullanımları için bşr kirlilik oluşturmaz.

Sıcak şekillendirilmiş Usibor 1500 P komponentleri üzerinde çoğu yapıştırıcı rahatlıkla kullanılabilir.

Kaynak:

Usibor 1500 P mükemmel punta kaynakedilebilirliğine sahiptir (hem kendi arasında hemde farklı malzemelerle).

Geniş bir aralıkta kaynak edilebilir. Kaynakların mekanik özellikleri (çekme, kayma) otomotiv üreticilerinin isteklerini ve standartlarını karşılamaktadır.

Sıcak şekillendirme sonrası elde edilen alaşım tabakası sayesinde kaynak elektrodunun ömrü, geleneksel metal kaplamalarınki ile karşılaştırıldığında mükemmel sayılabilecek düzeydedir (bozulmaksızın birkaç bin punta kaynağı). Lehimleme de dahil, MAG, MIG ve geleneksel metal kaynak teknikleri kolaylıkla uygulanabilir.

Yorulma mukavemeti

Darbe Direnci

Sıcak Şekillendirme İşlemi:

Sıcak şekillendirme işlemi, ultra yüksek dayanımlı karmaşık geometrilerin üretiminde kullanılan bir şekillendirme yöntemidir (pres içi sertleştirme). Sıcak metal şekillendirme, yüksek rijitliğe sahip parçaların üretimini mümkün kılar iken ve aynı zamanda bu işlem için kullanılan saçın kalınlık ve ağırlığının azaltılmasını sağlayan inovatif bir işlemdir. Böylece bu işlem, otomotiv sektöründe güvenlikle ilgili parçaların rijitliğini artırırken aynı zamanda araçlara ait ağırlığın azaltılmasında önemli rol oynar.

Sıcak şekillendirme işlemi sürecinde, malzemenin çekme mukavemeti 1500 MPa’ın üzerine çıkar ve aynı zamanda büyük miktarda enerji absorbe ederken az miktarda deformasyona uğrar.

2010 yılı itibariyle dünya genelinde yaklaşık 110 adet sıcak şekillendirme hattı aktif olarak parça imalatı gerçekleştirmektedir.

Yıllara göre sıcak şekillendirilmiş parçaların kullanımı

Kaynak: Billur, E. www.eng.ohio-state.edu

Tipik bir sıcak şekillendirme malzemesi (Boron Çeliği) A: İşlemden önce; B: sıcak şekil verme sırasında; C: su vermeden

sonra, presten çıkışı

Sıcak şekillendirme işleminin adımları (şematik):

1. Saç ruloyu düzleştirme2. Saçların kesimi3. Saçların 900°C’e kadar fırında ısıtılması (ostenitleme)4. Sıcak saçların kalıba hızlı şekilde transferi (<10sn)5. Parçanın hızlı şekilde preslenmesi (<1.5sn)6. Şekil verilmiş parçanın kapalı kalıp içerisinde su verilmesi (10-20sn)7. Parçanın kalıptan çıkartılarak ortam sıcaklığında soğumaya bırakılması

Eğer soğutma hızı yeterince yüksek olmazsa, beynit, ferrit ve perlit gibi yapılar elde edilir ki, bu durum istenmez.

Kaynak: Bariani, P,F. ve ark., Manuf. Technology 2008

Sıcak şekillendirme işlemi süresinde çekme mukavemeti ve iç yapının değişimi

Sıcak şekil verme işleminde ostenitleme öncesi soğuk ön deformasyon da uygulanabilir (dolaylı sıcak şekillendirme).

Isıtma şekilleri:

Sıcak şekil verme için kalıp tasarımı:

Sıcak şekillendirme işleminin, alışıla gelmiş yöntemlere göre avantajları, güvenlik ile ilgili otomotiv parçalarının üretiminde önem taşımaktadır. Bu avantajlar:

1. Yüksek mukavemet ve yeterli süneklik,2. Hafif araç ekipmanlarının üretimine olanak tanıması,3. Soğuk şekillendirme yöntemine göre yok denecek seviyelerde geri yaylanma etkisi,4. Kompleks geometrilerin üretimine olanak tanıması,5. Mükemmel çarpışma davranışı.

Ancak, düşük üretim hızları, yüksek yatırım ve işletme maliyetleri işlemin dezavantajlarıdır.

1990’lı yıllarda araçlarda çok az sayıda sıcak şekillendirilmiş parça bulunurken günümüzde bu sayı 20-30’a çıkmıştır.

Kaynak: Bryan Macek, http://members.steel.org




Yeni Nesil TWIP (TWinning Induced Plasticity) Yüksek Mangan alaşımlı Östenitik Çelik Saclar

Metal malzemeler için mukavemet – süneklik (%uzama ve şekillendirilebilme kabiliyeti) biribirine zıt olarak gelişen özelliklerdir. Otomotiv sektörü sac üreticileri mukavemetle birlikte yüksek şekillendirilebilirliği de vaadeden TWIP (TWinning Induced Plasticity) yüksek Mangan alaşımlı östenitik çelik saclarını geliştirmişlerdir.

TWIP saclar %50 uzama ile 1000 Mpa veya %35 uzama ile 1400Mpa seviyesinde çekme dayanımlarına sahip olabilmektedirler. Çekme dayanımı 1000 MPa’ın üzerindedir.

Yüksek dayanımı ile, yük taşıma, çarpma enerjisi sönümleme, maliyet ve ağırlık iyileştirme alanlarında öne çıkarken; aynı zamanda yüksek şekillendirilebilirlik kabiliyeti ile hemen her seviye karmaşık geometride parçaları yırtma problemi yaşamadan kalıplarda basmak mümkün olmaktadır.

TWIP çelikleri yüksek miktarda mangan içerdiklerinden, bu çelikler oda sıcaklıklarında bile tamamen ostenitik yapıya sahip olurlar1 (7 – 24 %Mangan, 0,5 – 0.7% Karbon, 1,8 – 3,5% Alüminyum ve 1.8 – 4 % oranında Silisyum içerirler). Ayrıca bu kimyasal kompozisyon ikizlenme mekanizması koşullarını oluşturur. Büyük miktardaki deformasyon , deformasyon ikizlerinin oluşumu ile tahrik edilir. İç yapı daha da incelirken, ikizlenme sertleşme oranını daha büyük değerlere çeker (n değeri). Sonuçta, ikizlenme sınırları tane sınırları gibi davranır ve çeliğin mukavemetini önemli ölçüde arttırır. Malzemenin içerisinde nekadar çok sınır (tane sınırı, ikizlenme sınırı) varsa atomların birbirin üzerinden akışı (plastik deformasyon) için okadar çok yük gerekir.

Şekillendirme işleminden önce TWIP sac mikroyapısı östenit adı verilen bir metal fazından (iç yapısından) oluşur. Bu fazın temel özelliği düşük dayanım ve yüksek uzama oranıdır. Bu faz, çeşitli ısıl işlem ve mekanik etkilerle metale farklı mekanik özellikler kazandıran fazlara dönüşür. Örneğin parça 900ºC östenit fazında iken metal yağa veya suya atılınca yapısı yüksek dayanım ve düşük uzamaya sahip martenzit fazına dönüşür.Otomotivde tampon traversinde kullanılan TRIP800 (Trasformation Induced Plasticity) malzeme yapısında da şekillendirme öncesi yaklaşık %20 oranda östenit fazı bulunur. Sac şekillendirilince ve çarpma esnasında deforme olunca yapı içerisinde bulunan östenit martensite döner; dolayısıyla dayanım oranı artar, uzama oranı düşer; çarpma enerjisinin bir kısmı, östenitin martensite dönüşmesiyle kokpite ulaşmadan emilmiş olur. Östenit fazı oda sıcaklığında stabil değildir, dolayısıyla oda sıcaklığında bu fazı dengede tutmak için çeşitli katkılar ve üretim yöntemleri kullanılır.

TWIP saclarda ise içyapı tamamiyle östenittir. TWIP saclarda TRIP saclara benzer şekilde, şekillendirilmenin etkisiyle mevcut östenit fazında değişim olur; ancak bu değişim faz dönüşümünden ziyade atomik dizilişte bir değişim şeklindedir. TWIP saclarda ise dayanımı sağlayan mekanizma İkizlenme (Twinning) mekanizmasıdır.İkizlenme mekanizması ayna modeli ile açıklanabilir. İkizlenme, çeşitli etkenlerle ara yüzeyde bir ayna varmış gibi atomları birbirine karşı simetrik olarak dizilmesi ile oluşur. Ayna yüzeyi ikizlenme sınırı (twin boundary) olarak kabul edilebilir. Aşağıdaki fotoğraf ve modelde tane sınırları ile ikizlenme sınırları gösterilmektedir.

Yüksek dayanımı sağlayan bu ikizlenme sınırlarıdır.Şekillendirme oranı arttıkça ikizlenme sınırı miktarı da artar; dolayısıyla dayanım artar. Buna ek olarak artan ikizlenme oranı tanelerin daha da incelmesine sebep olur. Bu da malzemenin şekillendirirken kopmasını, yırtılmasını engeller; dolayısıyla % uzama kaybedilmemiş olur.

TWIP saclar dayanımı kaybetmeden yüksek şekillendirme oranlarına çıkabilen malzemelerdir. Bu sac kalitesinin avantajlarından yaralanabilmek için bu saclardan üretilecek parça üzerine olabildiğince deformasyon (derin çekme bölgeleri vb.) oluşturmak gerekmektedir. Kaynak kabiliyeti açısından bakıldığında, TWIP saclarının punta kaynağında herhangi bir sıkıntı yaşanmamaktadır.

Gerilme-Uzama Eğrilerinin Karşılaştırılması

Paslanmaz Çelikler

Bu pasif tabaka çeliğin aşındırıcı atmosferler veya aşındırıcı kimyasal ortamlara karşı koymasını sağlar. Paslanmaz çelik, karbon çeliğinden ve alaşımlı çelikten pahalıdır.

Paslanmaz çelikler pasiflik olarak bilinen olaydan dolayı birçok atmosferde mükemmel korozyon direnci sağlar (çok ince koruyucu pasif film oluşumu). Bu film kimyasal veya mekaniksel bir zarar görse bile oksitleyici ortamda anından yeniden oluşarak korumaya devam eder.

300 Serisi Ostenitik – Alaşımlar: 301, 302, 303, 304, 305, 308, 309, 310, 314, 316, 321 seri paslanmaz çelikler krom ve nikel içerirler. Isıl işlem uygulamak mümkün değildir ve de mıknatıs tutmazlar. Şekil alabilme kabiliyetleri yüksektir. 300 serisi veya östenitik paslanmaz çelikler dünya paslanmaz çelik üretiminin yaklaşık %70 ‘ini oluştururlar. Östenitik yapı yaklaşık olarak %8–10 ‘luk bir nikel ilavesiyle oluşur.

400 Serisi Ferritik – Alaşımlar: 405, 409, 429, 430, 434, 436, 442…Bu serideki paslanmaz çelikleri ise krom içerir. Mıknatıslanabilir fakat ısıl işleme tabi tutulmazlar. Ferritik paslanmaz çelikler genelde nikel içermeyip yüksek krom içeren (%12 ile %30 arasında), molibden, titanyum vanadyum gibi karbür yapıcı ve ferritik yapıyı istikrarlı kılan alaşım elementleri içeren bir paslanmaz çelik gurubudur. Genelde içerdikleri yüksek krom oranı, ferritiklere çok yüksek bir korozyon direnci sağlar. Daha çok yakın akrabaları olan karbon çeliklerin özelliklerine yakın mekanik ve fiziksel özelliklere sahip olan ferritik paslanmaz çelikler, östenitiklerin tersine manyetiktirler. Ostenitikler kadar şekillendirilmeye uygun değildirler.

Paslanmaz Çeliklerin Otomotiv Sanayindeki Kullanımı ve İlgili Gelişmeler

Paslanmaz çelik, otomobillerde egzoz sistemlerinde ve hortum kelepçeleri ve emniyet kemeri yayları gibi otomobil parçalarında günümüzde yaygın bir biçimde kullanılmaktadır. Çok yakında ise artık şasi, süspansiyon, gövde, yakıt tankı ve katalitik konvertör uygulamalarında kullannılmaya başlanacaktır.Günümüzdeki Paslanmaz Çelikler artık,

- Ağırlık kazancı, - Arttırılmış çarpışma dayanıklılığı- Arttırılmış korozyon direnci- Geri dönüşebilirlik - Arttırılmış mekanik özellikler- Isıya karşı direnç- Kolay şekillendirilebilirlik- Kolay kaynak edilebilirlik

özelliklerini ve imkanlarını sunabilmektedir. Ayrıca, darbeli yükleme altında yüksek mukavemetli paslanmaz çelikler mükemmel enerji absorbe edebilme özelliğine sahiptirler.

Toplu taşıma sektörüne ait bazı uygulama örnekleri:

Paslanmaz çelik 1930’lardan beri uzun mesafe ve banliyö trenlerinde kullanılır. Günümüzde ABD yüksek hız trenleri veya İsveç’in X2000 treni demiryolu uygulamalarında paslanmaz çeliğin kullanımı için etkileyici örneklerdendir.

(İsveç) X2000 yüksek hız treni, ostenitik çalik ile kaplanmıştır (Boyama veya galvanizasyona ihtiyaç yok). Düşük maliyet ve çevre dostu. Mukaveti arttırılmış paslanmaz çelik sayesinde düşük araç ağırlığı ve daha düşük yakıt maliyeti.

(Fransa) Yeni nesil TER bölgesel treni için ostenitik çelik kullanılmıştır.

Otobüs gövdelerinde artık paslanmaz çeliğin oranı artmaktadır.

(Bazı avrupa şehirlerinde) tramvaylar da yeni nesil paslanmaz çeliklerden üretilmişlerdir.

Güvenli, hafif, dayanımı ve çarpışma direnci arttırılmış, ekonomik ve çevre dostu paslanmaz çelikler toplu taşıma sektörü için ideal bir çözüm olarak görülmeye başlanmıştır.

Ortalama bir binek otomobilinde yaklaşık olarak 15-22 kg arası paslanmaz çelik kullanılır. Çeşitli küçük parçalarda paslanmaz çelik kullanır, esas kullanım alanı egzoz sistemleridir.

Otomotivdeki yeni kullanım alanları olarak boru hatları gösterilebilir.

Otomotiv Sektöründe Paslanmaz Çeliklerin Hafif Metallere Karşı Üstünlüğü

Bir paslanmaz çelik kalitesini ele alalım (AISI 301L)

- Önemli sayılabilecek ölçüde soğuk sertleşme özellikleri- Yüksek çekme mukavemeti, çarpmaya karşı önemli direnç

sağlar (daha ince sacların kullanılmasına olanak sağlar)- Kolay şekillendirilebilirlik- Mükemmel korozyon direnci

Sözkonusu kalite paslanmaz çeliğin tren vagonlarının yapısal ugulamalarda kullanılması, bu paslanmaz çeliğin otomotiv sektöründe de kullanımına alt yapı hazırlamış olduğu görülmektedir.

Egzoz Sistemleri

Çoğu otomobilin egzozundaki katalitik konvertör etrafında paslanmaz çelik kullanılır (paslanmaz çeliğin otomtiv sanayi için ana pazarı). Egzoz sisteminde yüksek sıcaklık ve korozif koşullar mevcuttur, bu yüzden korozyona dayanıklı malzemelere ihtiyaç vardır.

Egzoz sisteminin sıcak kısımlarında kullanılan malzeme yüksek sıcaklıklardan dolayı sürünme ve oksidasyona karşı mukavim olmalıdır. Bu amaçla özel refrakter kalite paslanmaz çelikler geliştirilmiştir. Yüksek sıcaklığa dayanıklı ostenitik paslanmaz çelikler (309 ve 310 kalite -25% chromium, 20% nickel- daha yüksek alaşımlı). Soğuk bölümler daha çok tuz, kar ve buz etkilerine maruz kalır. Soğuk kısımlarda ise 304 kalite ostenitik -18% chromium, 9% nickel- ve 409 kalite ferritik -12% chromium, 0% nickel- paslanmaz çelikler kullanılır. Ostenitik paslanmaz çeliklerdeki Ni artışı şekillendirilebilirliği ve korozyon dayanımını arttırır.

Çoğu üretici tüm sistem için ferritik paslanmaz çelikleri kullanmayı tercih ediyor (ekonomik sebeplerden dolayı)

Katalitik Konvertörler

Günümüzde katalitik yüzeyleri seramik malzemedir (hacmi ve ağırlığı arttırır). Ancak, 40 mikron veya daha az kalınlıktaki paslanmaz folyolar seramik malzeme yerini alarak hacim ve ağırlıkta azalma sağlanabilir. Ayrıca, paslanmaz çeliklerin iletkenlikleri yüksektir. Böylece katalitik konvertör elektrikle önceden ısıtılarak, katalitik konvertörün çalışma sıcaklığına saniyeler içerisinde ulaşması sağlanabilir (katalitik etkinin devreye girmesi).

Döşemeler, Contalar ve Süspansiyon Sistemleri

İç ve dış dekoratif döşeme için ferritik paslanmaz çeliklerin kullanımı gün geçtikçe artmaktadır. (kolay işlenebilir, özel kaliteleri yüksek korozyon mukavemeti için molibden ve niyobyum içerir ve mükemmel bir dış görünüm).

Hızla artan kullanımları:

- hortum kelepçeleri, - kapak contaları, - pompa gövdeleri, - ısı kalkanları, - cam silecekleri, - airbag gaz tüpleri ve - emniyet kemeri yayları

Geçmişte, silindir kapağı contaları asbest ve çelik sacların bir arada kullanımından oluşuyordu (sandwich). Günümüzde ise asbest yasağı (kanserle doğrudan ilişkili) ve daha yüksek basınç ve sıcaklık altındaki modern motorlar için yeni bir tasarıma ihtiyaç duyulmuştur. Bunlardan biri, 3-5 tabaka ince kauçuk kaplı, ve sertleştirilmiş paslanmaz çelik saclar (her biri yaklaşık 0.25 mm kalınlıkta).

Yapılan birçok deneme ve model paslanmaz çeliklerin süspansiyon sistemlerinde de kullanılmasının yararlı olacağını göstermiştir. Bu konudaki Ar-Ge çalışmaları hızla devam etmektedir (yakın bir gelecekte süspansiyon sistemlerinin de paslanmaz çelikten imal edilmesi muhtemeldir).

Yakıt Tankları

Yakın bir gelecekte yakıt tanklarının da paslanmaz çelikten yapılması yüksek bir beklentidir. California’da geçerli olan sıkı çevresel yasayla mevcut tank malzemelerinin emisyon kurallarını karşılamasının zor olduğu vurgulanmıştır. Artık ABD’deki bazı otomobil üreticileri paslanmaz çelik tank kullanımına geçmişlerdir. Bir paslanmaz çelik tank ne sızıntı yapar ne de yakıt buharı emer (koruyucu bir kaplamaya gerek yok ve tamamiyle geri dönüştürülebilir). Dar şasi boşlukları için kompleks geometrilere yeni hidro şekillendirme teknikleri ile kolaylıkla şekillendirilebilirler.

Otobüs Gövdeleri

Paslanmaz çelikler günümüzde de otobüslerin karkas ve gövde panel uygulamalarında yaygın olarak kullanılmaktadır (ostenitik kalite, AISI 301, 309 ve 430). Özellikle Avrupa’da İtalya ve İspanya’da otobüslerde paslanmaz çelik kullanımı çok yaygındır. Volvo ve diğer Avrupa üreticileri de çeşitli paslanmaz çelik kullanılan modellerini piyasaya sürmüşlerdir. Keza, ABD ve uzak doğu ülkeleri de paslanmaz çelikleri otobüslerde daha fazla kullanmaya başlamışlardır (Hindistan’da şasi üretimi ile ilgili çalışmalar da devam etmektedir.

Dökme Demirler

Yüksek fırından elde edilen sıvı ham demirin; kalıplara dökülerek katılasmasından elde edilen yarı-mamul pikin ergitme fırınlarında tekrar ergitilerek ve gerekirse bilesimini de değistirmek suretiyle, belli bir modele göre önceden hazırlanmıs bir kalıp içerisine dökülmesi ve kalıp bosluğunun seklini alarak katılasmasıyla meydana gelen malzemeye "DÖKME DEMİR" denilir.

Dökme demirler, gerek döküm ve gerekse mamul parça özellikleri bakımından birçok üstünlüklere sahiptirler:

a) Düşük ergime sıcaklığı (1150 – 1300 0C),b) İyi akıskanlık (ötektik bilesimine yakınlık)c) Döküm ve kalıp seklini alabilme kabiliyetinin üstünlüğü,d) Ergitme ve döküm islemlerinin ucuzluğu,e) Kimyasal bilesim sınırlarının genisçe tutulabilmesi ve yakın özellikler elde edilebilmesi,f) Çesitli kısımlardan ibaret bir is parçasının tek bir islemle elde edilebilmesi,g) Talaslı imalat tekniğinde iyi islenebilmesi,h) Titresim sönümleme özelliğinin çok iyi olması,ı) Basma mukavemetinin yüksek olması,i) Asınma ve korozyona dayanıklılığı

Dökme demirlere ait yukarda belirtilen iyi özellikleri yanında, bilhassa mühendislik projelerinde aranan mukavemet ve süneklilik gibi özellikleri düşük kalır. Zira, dökme demirlerde kopma mukavemeti l4-28 kg/mm2 sınırları içinde, kopma uzaması ise, hemen hemen yok denecek kadar küçük miktarlardadır.

Dökme demirler

• Genelde % 3-3.5 oranında C bulundururlar (Pratik limit 4.3). • % 2-3 oranında Si, grafitleşmeyi kolaylaştırmak ve dökümde akıcılığı sağlamak amacıyla katılır.

Türleri:

–Kır DD: Yavaş soğuma ile grafit lemelleri ve soğuma hızına bağlı olarak ferritik veya perlitik olabilir. Sünekliği yoktur, dayanımı düşüktür. (Gri)

–Beyaz DD: Erimiş haldeyken hızlı soğutarak elde edilir. Sementit matris içinde perlitten oluşur.Çok gevrek ve kırılgandır.

–Temper DD: Beyaz DD in, 900-950 oC de tavlanması ve sementitten temper grafiti oluşması ile sağlanır. Çentik etkisinin azaltılması neticesinde süneklik arttırılmıştır.

–Küresel Grafitli DD: Erimiş durumda % 0.5 Mg, veya Ce katılması ile grafit küresel tarzda katılaştırılır. İyi süneklik ve dayanım özellikleri gösterir.

Grafitin yağlayıcı etkiye sahip olması nedeniyle aşınma dirençleri yüksektir. Talaşlı imalat özellikleri çok iyidir. Grafit lamellerinin en önemli olumlu etkisi malzemeye titreşim sönümleme özelliği kazandırmasıdır.

Kır (Gri) Dökme Demir (Lamel Grafitli) (GG)

Karbon oranı %2,5 - %4 ve silisyum oranı %1 - %3’e kadar değişir. Grafit partikülleri şekil itibarıyla kurumuş ve kırışmış yapraklara benzer.

Grafitin morfolojisi nedeniyle gri dökme demirler çekme yükleri altında zayıf ve gevrek malzemelerdir. Bunun nedeni grafit partiküllerinin sivri köşeli oluşları ve gerilimi önemli oranda yoğunlaştırmasıdır. Buna karşılık basma mukavemetleri iyidir.

Ayrıca metalik malzemelerin en ucuzudur. İstenildiğinde ısıl işlemlerle matriks yapıyı değiştirmek mümkündür.

Otomotiv sektöründeki kullanım alanlarına örnekler:

• Şanzıman,• Motor bloğu• Silindir kapakları• Fren diski• Kampana• Yağ pompalama çubuğu• Su pompası pervanesi• Denge parçası• Krank kepi• Manifold• Vantilatör kasnağı• Su pompası gövdesi• Volan vb..

Otomotiv endüstrisinde kullanılan gri dökme demirler ve mekanik özellikleri

Beyaz Dökme Demir

Karbonun tamamı bileşik sementit (Fe3C) halindedir. Hızlı soğuma ile elde edilir. Ötektik altı alaşımlardır.

Tipik beyaz dökme demir mikroyapısı sementit ve perlitten oluşmaktadır. Sementit sert ve gevrek bir bileşiktir. Yapısındaki sementitten dolayı sert ve aşınmaya dirençlidir. Sünekliği düşüktür. Bu yüzden mühendislik alanında uygulamaları sınırlıdır.

Temper Dökme Demir

Beyaz dökme demir, uygun sıcaklıklara kadar ısıtılarak yapısında bulunan sementit ve perlit parçalanır. Böylece serbest hale geçen karbon çok yavaş soğuma şartları altında rozet şeklini alır ve temper karbonu oluşturur.

Temper dökme demirin iki türü vardır:

(i) Ferrtitik, (ii) Perlitik.

Ticari uygulamada temper dökme demir denince akla ferritik dökme demir gelir. Ferritik dökme demirde beyaz temper döküm ve siyah temper döküm olmak üzere iki grupta toplanır.

Küresel Grafitli Dökme Demir

Ferritik Küresel Grafitli Dökme Demir

İyi dökülebirliği , yanında özellikleri çeliğe yakın olması nedeniyle bugün demir bazlı döküm malzemelerinin en önemlisidir.Gerek döküm işlemi sırasında gerekse sonradan uygulanan ısıl işlemler ile farkı içyapılara olurlar. Bu içyapılar sınıflandırılmalarında kullanılmaktadır.

Bu tip dökme demir için "sphero" , "nodüler" ve "küresel grafitli dökme demir " adları kullanılmaktadır. yurdumuzda kabul edilen daha çok Küresel Grafitli Dökme Demir tabiridir.

Farklı küresel grafitli dökme demirlere ait içyapı resimleri ve çekme

mukavemeti değerleri

Küresel Dökme Demirlerin Mekanik Özellikleri

Bir otomobil motoru 4500 ayrı parçanın biraraya gelmesiyle oluşmaktadır. Bu 4500 parçanın yaklaşık 1500 adeti küresel grafitli dökme demirden üretilebilmektedir.

Otomotiv sektöründe kullanılan küresel grafitli dökme demir parçalara birçok örnek sayılabilir: Motor taşıyıcı, şanzıman taşıyıcı, motor gövdesi, fren pistonu, silindir bloğu, aks gövdesi, distribütör, diferansiyel kutusu, diferansiyel gövdesi ve çanı, ön ve arka poyra, kam mili, yardımcı şaft kayıcısı, distribütör dişlisi, kompresör taşıyıcı, egzost manifoldu, ön aks taşıyıcı, valf gövdesi, fren baskı kolu, sağ ve sol yatak mesnetleri, çatallı flanş, diferansiyel hidrolik kilidi, manifold kapak ve benzerleri.

İÇTEN YANMALI MOTOR PARÇALARINDA KULLANILAN MALZEMELER

Silindir Bloğu:

Gri dökme demir ve Küresel grafitli dökme demir

Alternatif olarak Alüminyum alaşımları: dökme demire göre daha hafif, işlenmesi kolay, ısı iletkenliği yüksek.

BMW tarafından üretimine başlanan 2000 ve 2500 cm3’lük 6 silindirli motorlarda hem silindir kapağı hem de blok alüminyum alaşımlarından üretilmektedir. Bu motorlar 158 kg civarındadır. Motorun ağırlığı diğer malzemelerden yapılmış olanlara göre 31 kg daha hafiftir. Yalnızca silindir bloğu ve üst karterde 20 kg ağırlık tasarrufu sağlanmaktadır.

Aynı şekilde Ford firmasının Fiesta modelinde motorların blok ve kapak malzemelerinin alüminyum alaşımıdır.

2800, 3200, 4300 ve 5000 cm3’lük V8 motorlar Almanya’da alüminyum ve magnezyum parçalar kullanılarak üretilmektedir (Al-Si alaşımları (%18 Si)).

Silindir Gömleği:

Gri dökme demir ve Küresel grafitli dökme Demir

Gömlek üretiminde alüminyum kullanılması halinde silindir başına 0,5 kg ağırlık avantajı sağlanmaktadır. Günümüz büyük motor üreticileri alüminyum blokla birlikte alüminyum silindir gömleklerinin de üretimi üzerinde çalışmaktadırlar (bazı eksikliklerin giderilmesine çalışılmaktadır).Alüminyum motor bloğu ve

alüminyum gömlekler.

Silindir Kapakları:

Gri dökme demir ve küresel grafitli dökme demir

Alternatif yine alüminyum alaşımlarıdır. Otomobil motorlarında silindir kapakları iki temel sebeple alüminyum alaşımlarından üretilir. Silindir kapaklarında alüminyum alaşımı kullanımı sadece ağırlığı azaltmakla kalmaz, aynı zamanda iyi bir soğutma özelliği de gösterir.

Pistonlar:

Motorlu araçlarda kullanılan pistonlar genellikle gri dökme demirden, yumuşak dökme çelikten, alüminyum alaşımlarından ve bazı dizel motorlarında ise krom nikelli çeliklerden yapılır.

Krank milleri küresel grafitli dökme demirlerden üretilir.(GGG 40)

Krank millerinin imal edilmesinde kullanılan yöntemlerden diğeri de dövme işlemidir. Genellikle krank millerinin dövülerek yapılmasında düşük alaşımlı ıslah çeliği kullanılır.

Piston Kolları (Biyeller) genellikle alaşımlı çelikten (ıslah çeliği) presle dövülerek. Islah çeliğinin temel özelliği tokluk dayanımının ve darbe dayanımının yüksek olmasıdır. Bu özelliklere sahip çeliğin oluşturulması için çeliğin içerisine yüksek oranda Molibden ve Krom katılır.

Kam mili:

Küresel Grafitli Dökme Demir (GGG-50)

Siyah Temper Döküm

Kokil Döküm : Ham demire mangan ve az miktarda silisyum ila vesiyle elde edilir.

Supap:

Supaplar, motorda çok güç şartlar altında çalışan parçalardan birisidir. Özellikle egzoz supapları basınç altında devamlı yüksek sıcaklıklarda çalışırlar. Bütün güç şartlara rağmen supaplar, eğilip, bozulmadan ve yanmadan görevlerine devam etmeleri gerekir. Bu nedenle egzoz supapları, kırılmaya, korozyona, eğilmeye ve aşınmaya dayanıklı, içinde yüksek oranda krom, nikel, silikon ve diğer bazı alaşım elemanlarının bulunduğu alaşımlı çeliklerden veya stellit denilen, yüksek ısıya dayanıklı, özel çelik alaşımlarından imal edilirler. Emme supapları egzoz supaplarına oranla ısı yönünden daha uygun şartlarda çalıştığı için, bunların уаnmа, korozyon ve aşınma olasılığı daha az olduğundan, stellite göre daha ucuz olan krom nikelli alaşımlı çeliklerden üretilirler. Emme ve egzoz supapları bazı motorlarda farklı malzemelerden yapıldığı halde, bazı motorlarda da her iki supap ауnı malzemelerden yapılmaktadır.

Sıcaklık emme supaplarında 500°C' ye, egzoz supaplarında ise 800°C'a kadar yükselir. Egzoz supaplarının yüzeyleri kırılmaya, korozyona ve hızlı aşınmaya dayanıklı, içinde yüksek oranda krom, nikel bulunan CrNi alaşımlı çelikle kaplanır. Eğer supaba, supabı soğutmak amacıyla kristalize sodyum (Na) doldurulmuşsa supap tablası sıcaklığı yaklaşık 80°C kadar düşebilir. Supap içindeki oyuğun 2/3'ü sodyum ile doldurulmuştur. Motorun çalıştırılması sırasında supap içinde bulunan sodyum sıvı halinde olup, buhar haline geçerken, supap tablası üzerindeki aşırı ısı yükünü supap sapına, oradan da soğutma suyuna ileterek supabın soğumasını sağlar.

Egzoz supapları için malzemeden beklenen özellikler:

- Yüksek sıcaklık dayanımı - Yanmaya karşı direnç - Korozyona karşı direnç - Aşınma dayanımı

Supap malzemesi içerisinde bulunan Karbon(C) malzemeye dayanım ve sertlik katar. Krom(Cr) ise dayanımın, sertliğin yanı sıra yüksek sıcaklık dayanımını ve korozyona karşı dayanımı artırır. Silisyum(Si) malzemenin dayanımını, elastikiyetini, kayma özelliğini ve korozyona dayanımı artırır.

Piston pimleri:

Sementasyon çeliği: %0.1 ile 0.2 arasında C içeren alaşımsız veya alaşımlı kaliteli veya asil çeliktir.

Azot çelikleri: krom, alüminyum, molibden ve vanadyum gibi alaşım elemanları içerir.

Az karbonlu çelikler, darbeli ve değişken yükler için uygundur. Yüzeyin aşınma direncini arttırmak için piston pimleri yüzey sertleştirilmesine tabi tutulurlar.

Yatak malzemelerinden beklenen özellikler:

• Yorulma dayanımı• Korozyon dayanımı• Yumuşaklık• Isı iletme• Sertleşmeme• Yağ tutma• Kolay işlenebilirlik

Yataklar:

Krank yatak malzemeleri:

- Kalay veya kurşun esaslı yataklar- Bakır-Kurşun esaslı yataklar

Sekmanlar:

Sekmanlar genellikle gri dökme demirden yapıldığı gibi, alaşımlı çeliklerden yapılanları da vardır. Bu malzemeler iyi bir sürtünme yüzeyi teşkil ettiği gibi, motorda meydana gelen, yüksek sıcaklık ve yüksek basınca karşı koyarak uzun zaman esnekliklerini kaybetmeden görevlerini başarı ile yaparlar.

Kompresyon sekmanlarının alışma zamanını kısaltmak, aynı zamanda çabuk aşınmayı önlemek ve sekmanların iyi yağlanmasını sağlamak için sekman yüzeyleri kadmium, kalay, krom, demir oksit, molibden, nikel, fosfat veya siyah mağnetik oksitle kaplanmıştır.

Silindir Kapak Contaları:- Amyant (asbest) üzerine bakır, bronz veya çelik saç kaplanarak,- Gözeneklendirilmiş çelik saç üzerine amyant kaplanarak,- Telli asbestten,- Çelik saçlardan preslenerek imal edilirler.

Günümüzde motor dizaynlarının gelişimine bağlı değişik motorların silindir kapak uygulamaları için kullanılan conta teknolojileri aşağıdaki gibi sınıflandırabilir:

1- Yumuşak Yüzey Tabakalı Kompozit Contalar• Fiber esaslı contalar• Grafit esaslı contalar

2- Çelik Elastomer Contalar

3- Metalik Contalar

• Tek katlı çelik contalar • Çok tabakalı çelik contalar

Manifoldlar:

Dökme demir yerine aliminyum alaşımı (hafif ve ısı iletimi iyi) kullanmak yeni bir teknojidir, bazı araç üreticileri termoplastik manifoldlara veya diğer ısı direnci güçlendirilmiş plastiklere yönelmişlerdir. Bu malzemeler, araç üreticilerinin hayallerine yakın ucuzlukta, hafiflikte ve kolay akışa sahiptir. Ancak, plastik manifoldların en büyük problemi gürültüdür ki bu konforlu ve pahalı araçlar için oldukça büyük bir problemdir. Bu yüzden Mercedes-Benz magnezyum manifoldların kullanımına başladı. Bu malzeme her ne kadar pahalı ve ısıl iletkenliği düşük (ısıyı iyi iletemese de yine de yeterlidir) olsa da alüminyumdan daha hafiftir. Diğer herhangi bir metal gibi magnezyum borular içindeki hava akışı plastik olandan daha az gürültü oluşturur.

Documents

Otomotiv Malzemeleri-1.pptx