Egzoz Manifold Uygulamaları İçin Yeni Nesil Al-si-mo Alaşımlı Dökme Demirlerin Geliştirilmesi

Abstract

Otomotiv endüstrisi son yıllarda, yasal düzenlemeler ve çevresel kaygıların etkisiyle egzoz emisyonlarını azaltırken; müşteri beklentileri doğrultusunda da daha yüksek performansta ekonomik motor üretmek gibi zor ve çok boyutlu bir problemle karşı karşıyadır. Temel hedef, daha az yakıt tüketen, yüksek performanslı ve düşük egzoz emisyon değerlerine sahip yeni nesil çevreci motor üretimidir. Düşük maliyet, hafiflik ve sessiz çalışma ise diğer ön plana çıkan beklentilerdir. Tüm bu beklentilerin sonucu olarak egzoz gaz sıcaklıkları ister istemez artmaktadır. Artan gaz sıcaklıkları egzoz manifold üzerindeki termal yüklemeleri arttırmakta ve deformasyon oranını giderek arttırmakta, ve yeni malzeme dizaynlarına ihtiyaç duyulmaktadır. Yüksek sürünme, yorulma ve oksidasyon dayanıma sahip egzoz manifold malzemeleri geliştirilirken, aynı zamanda motor performansı arttırmak, maliyeti düşürmek ve ağırlık azaltmak amaçlanmaktadır. Bu çalışmada yüksek silisyum - molibden içeren küresel grafitli dökme demirlere aluminyum eklenerek yeni nesil yüksek aluminyum-silisyum-molibden içeren dökme demirler geliştirilmiştir. Bu çalışma boyunca termodinamik hesaplamalar ve deneysel çalışmalar yapılmış; AlSiMo alaşımların termo-kimyasal, termo-fiziksel ve termo-mekanik davranışları araştırılmıştır. High Si-Mo dökme demir içerisine aluminyum eklenmesi, ötektoidik faz geçiş sıcaklığını yüksek sıcaklıklara ötelemiştir. Faz geçişi sırasında meydana gelen anlık hacim değişimleri, çevrimsel yükler altında malzemeye zarar vermekte ve deformasyona uğratmaktadır. ̇Is ̧te bu yüzden egzoz manifold çalışma sıcaklıklarında faz geçişlerinin olması istenmez ve çalışma sıcalık aralığını belirleyen ana faktör budur.Termodinamik hesaplamaların yanısıra; yapılan yüksek sıcaklık oksidasyon testleri göstermiştir ki, malzemenin oksidasyon direnci aluminyum miktarıyla doğru orantılıdır. Oksit film karakterizasyonu ve yüzey üzerinde oluşan oksit fazlarının karaterizasyonu XRD, GDOES ve SEM ile yapılmıştır. Ayrıca 850oC sıcaklık altında termal yorulma testi yapılmış ve aluminyum alaşımlı AlSiMo dökme demirlerin termal yorulma dirençleri tespit edilmiştir. Yüksek Si-Mo içerikli dökme demirlere göre iki kat daha iyi olduğu gözlenmiştir.Sonuç olarak, AlSiMo alaşımlı dökme demirler, aluminyumun yüzey üzerinde seçici difüzyon ve oksidasyonundan kaynaklı, malzemenin yüksek sıcaklık oksidasyon direncini arttırmaktadır. Yapı içeresindeki aluminyum katı eriyik sertleşmesine sebep olduğu için, malzemenin mekanik özelliklerinde de artış görülmektedir.

Thermal stresses of exhaust manifolds have increased significantly in the last two decades. Nowadays, to raise the engine performance and overall efficiency is the most encountered challenge for the automotive industry, and at the same time, customer's expectation for safety, fuel economy and price would be fulfilled. Increasing efficiency and the new demands regarding the emissions causes the exhaust gas temperatures to increase. Considering all these demands on hot end exhaust systems, it is aimed that while increasing the high temperature oxidation, creep and fatigue resistance, it is intended to improve engine performance, reduce weight, and also increase the cost efficiency. In this study, Fe-based AlSiMo cast alloys for engine exhaust manifolds application are investigated by adding aluminum and reducing molybdenum content in High Si - Mo cast iron. High temperature oxidation behavior, thermal fatigue resistance and thermodynamics properties of AlSiMo alloys are studied by computationally and experimentally. By adding aluminum to the High Si - Mo cast iron, temperature of eutectoidic phase transformation in the Fe-C system is increased. Therefore, the expansions resulting from transformation of crystal structure is deferred to high temperatures and the possibility of thermal fatigue induced crack growth is reduced. Also, it is observed that high temperature oxidation behavior of AlSiMo alloys is directly connected with content of aluminum. High temperature oxidation tests are performed at elevated temperatures. SEM, EDS, XRD and GDOES measurements are carried out on samples for detecting oxide phases and oxide scale thickness and microstructural analysis. Additionally, thermal fatigue tests are conducted at 850C, and aluminum containing High Si-Mo alloys show better thermal fatigue resistance. It is observed that the crack initiation defers to higher thermal cycles. To conclude, it is resulted with this study that selective diffusion and oxidation of aluminum at the surface is observed which improves the oxidation resistance of AlSiMo alloys. Addition to this, aluminum containing High Si-Mo alloys exhibit more thermal fatigue resistance than High Si-Mo cast irons.