Elektrikli taşıtlar için hafif, mukavemet ve çarpışma özellikleri yüksek olan alaşımların geliştirilmesi ve optimizasyonu

Abstract

Geçtiğimiz son on yıl içinde elektrik araç endüstrisi her yıl ortalama %8 oranında büyümüştür ve büyümenin devam edeceği öngörülmektedir. Bunun en önemli sebepleri ise karbon salınımının minimuma indirilerek çevreye olan zararın azaltılmasıdır. Elektrikli araçlar ile ilgili en önemli dezavantaj ise sürüş mesafesinin kısa olmasıdır. Bu yüzden sürüş mesafesinin arttırılması amacıyla yeni nesil batarya sistemleri üzerine çalışıldığı gibi araç ağırlıklarının azaltılması üzerine de birçok çalışma yapılmaktadır. Araçlarda kullanımı çok olan çelik alaşımlarının yerine alüminyum alaşımları kullanılması ile ilgili birçok endüstriyel uygulama bulunmaktadır. Bunun yanında güvenliğin arttırılması amacıyla da kullanılan mevcut alüminyum alaşımları yerine de yeni nesil yüksek mukavemet ve sünekliğe sahip alaşımların geliştirilmesi amacıyla da Ar-Ge çalışmaları yapılmaktadır. Otomotiv sektöründe kullanılan alüminyum alaşımları çoğunlukla 6060, 6063, 6005A ve 6082 alaşımlarıdır. Bu alaşımlar ile 300 MPa kadar akma mukavemeti elde edilebilmektedir. Araçlarda güvenliğin ve sürüş mesafesinin arttırılması amacıyla yeni nesil alüminyum alaşımlarının geliştirilme ihtiyacı halen sürmektedir. Otomotiv sektöründe onaylı tedarikçi olunması amacıyla ekstrüzyon tekniği ile üretilmiş profiller için belli standartlar bulunmaktadır. Bu standartların içerisinde alaşımın kabul edileceği kimyasal bileşim, mukavemet değerleri, ısıl kararlılık, basma, eğme ve korozyon sınırları bulunmaktadır. Bu testlerin tamamının geçilmesi durumunda onaylı tedarikçi olunabilmektedir. Testlerin istenilen sonuçlar ile geçilebilmesi amacıyla kimyasal bileşim tasarımı ve proses (döküm, homojenizasyon, ekstrüzyon ve ısıl işlem) parametreleri önemli olmaktadır. 6056 alüminyum alaşımı 6xxx serisi içerisinde en yüksek mukavemete sahip iki alaşımdan bir tanesidir. Kimyasal bileşimu içerisinde ana elementler olan magnezyum ve silisyum haricinde, manganez, bakır, çinko, krom, titanyum ve zirkonyum elementleri de bulunmaktadır. Alaşım elementinin fazla olması aynı zamanda oluşan farklı çökelti fazlarının sayısını ve türünü de arttırmaktadır. Magnezyum ve silisyum elementinin birleşmesi ile Mg2Si, alüminyum ve bakır elementlerinin birleşmesi ile Al2Cu, magnezyum ve çinkonun birleşmesi ile de MgZn2 fazı oluşmaktadır. Bu fazların oluşması mukavemetin artmasının yanı sıra başka özellikleri de değiştirmektedir. Bu değişimin belli miktarlarda olumlu etkisi olurken belli miktarların aşılması durumunda ise özelliği kötü yönde etkilemektedir. Özellikle bakır elementi içeren fazların mukavemeti ve ısı dayanımını arttırmasının yanı sıra korozyon dayanımını düşürmektedir. Aynı şekilde MgZn2 fazı yine mukavemeti arttırırken korozyon dayanımını düşürmektedir. Bu çalışmada otomotiv sektöründe kullanılan ekstrüzyon tekniği ile alüminyum alaşımlarından üretilmiş profillerin standartlarında yüksek mukavemet, süneklik, ısıl kararlılık ve korozyon dayanımı olan yeni nesil 6xxx serisi alüminyum alaşımı geliştirilmesi amacıyla çalışmalar yapılmıştır. Bu amaç doğrultusunda, 6056 alüminyum alaşımının dört farklı kimyasal bileşim sınırları belirlenmesi, bu alaşımların metalürjik simülasyon programı olan JMatPro ile incelenmesi, direkt katılaşma döküm yöntemiyle biyet üretimi, homojenizasyon, ekstrüzyon faaliyetlerinin doğru anlaşılabilmesi amacıyla simülasyon programı ile ön çalışmaların yapılması, ekstrüzyon tekniği ile dolu ve zıvanalı profil üretimi, ısıl işlemi, kalite testleri ve karakterizasyon faaliyetleri yürütülmüştür. Kalite testleri ve karakterizasyon faaliyetleri proseslerin standart işlemleri ve otomotiv standardının beklentisi doğrultusunda gerçekleştirilmiştir. Dört farklı kimyasal bileşimin belirlenmesi aşamasında ilk üç alaşımda silisyum miktarı magnezyuma göre daha fazla olacak şekilde ayarlanmıştır. Dördüncü alaşım da ise magnezyum elementi silisyum elementine göre daha fazla olacak şekilde ilave edilmiştir. Metalurjik simülasyon işlemleri için JMatPro programı kullanılmıştır. Alaşımın soğuma, faz ve ısıl işlem ile ilgili diyagramları üzerine çalışmalar yapılarak hem prosesler için önbilgi elde edilmiş hem de gerçek veriler ile kıyaslamalar sağlanmıştır. Kimyasal bileşimler ile metalurjik simülasyon işlemleri sonrasında direkt katılaşma döküm yöntemi kullanılan endüstriyel bir tesiste biyetler öncelikle prototip olacak şekilde ve sonrasında endüstriyel olacak şekilde döküm yöntemi ile üretilmiştir. Üretim sırasında döküm parametreleri belirlenmiştir. Döküm işlemi sonrasında homojenizasyon işlemi uygulanmıştır. Homojenizasyon işlemi ile birlikte tane sınırlarına çökelmiş olan çökelti fazlarının yapı içerisine homojen dağılması ve AlMnFeSi intermetalik fazının β'dan α'ya dönüşümünün sağlanarak sünekliliğin arttırılması amacıyla yapılmıştır. Ekstrüzyon denemeleri için üç farklı tasarıma sahip kalıp çizilmiştir. Tasarımı yapılan kalıplar ekstrüzyon simülasyon programı olan QFORM ile ekstrüzyon simülasyon işlemine tabi tutulmuştur. Elde edilen sonuçlar doğrultusunda kalıp üretimleri gerçekleştirilmiştir. Ekstrüzyon işlemine hazır olan biyetlerin elde edilmesiyle birlikte 2750 tonluk pres kullanılarak dövme sektöründe rotilli kol üretiminde kullanılabilecek kalitede 50 mm çapında çubuk profil ve otomotiv sektöründe test profili olarak kullanılan zıvanalı profil üretimi yapılmıştır. Zıvanalı profillerin ekstrüzyon ve otomotiv standardında istenen testlerin tamamı uygulanmıştır. Isıl işlem sürecinde geniş aralıkta (165-215°C) aralığında 2-12 saat süreleri ile denemeler yapılarak alaşımların mukavemet değişimleri belirlenmiştir. Profil toleranslarının kontrol edilmesi süreci et kalınlığı ve form toleransı kontrolü olmak üzere iki aşamada gerçekleştirilmiştir. Et kalınlığı kontrolleri sırasında kumpas ve Romidot cihazı kullanılırken, form toleransı kontrol işlemleri sırasında üç boyutlu tarama cihazları kullanılmıştır. Yapılmış olan testler sonrasında karakterizasyon faaliyetleri olarak optik emisyon spektrometresi kullanılarak kimyasal bileşimlerın belirlenmesi, döküm ve homojenizasyon işlemleri sonrasında biyetlerden dilim numune alarak gerekli metalografik numune hazırlanma işlemleri sonrasında optik mikroskop ve SEM altında içyapının incelenmesi sağlanmıştır. Aynı şekilde DSC numuneleri alınıp faz değişimleri incelenmiştir. Tane boyutları belirlenmiştir. SEM incelemeleri sırasında EDS ile birlikte belirlenmiş olan fazlara elementel analiz yapılarak fazların türlerinin belirlenmesi sağlanmıştır. Yaşlandırma, kısa ve uzun dönem kararlılık testleri sonrasında çekme testi yapılarak mukavemet kontrol edilmiştir. Basma ve eğme testleri ile malzemenin sünekliliği gözlemlenmiştir. Ekstrüzyon testleri sırasında enine kaynama ve kabuk mesafesi belirlenmesi, boyuna kaynama kalitesi kontrolü amacıyla profil patlatma testi uygulanmıştır. Yapılan çalışmalar neticesinde, yeni nesil ve içerisinde birçok alaşım elementi (Si, Mg, Mn, Cu, Zn ve Zr) bulunan 6056 alaşımlarında yüksek mukavemet ve süneklik elde edilebilmesi amacıyla Si/Mg oranının etkili olduğu belirlenmiştir. Silisyum elementinin arttırılması mukavemetin artmasını sağlarken, iğnesel olarak çökelmesinden dolayı sünekliliği düşürdüğü belirlenmiştir. Geliştirilen alaşımlardan magnezyum içeriğinin silisyuma göre fazla olan alaşımın yüksek mukavemet ile süneklik ihtiyacını karşıladığı testler sonucunda belirlenmiştir. Yapı içerisinde bulunan çinkonun magnezyum ile birleşerek mukavemetin arttırılmasında önemli rol oynarken korozyon dayanımı ve ısıl kararlılık konusunda değerlerin düşmesine neden olduğu gözlemlenmiştir. Bakır elementinin oluşturmuş olduğu AlCu2 fazı ile mukavemet ve ısıl kararlılıkta artış sağlanırken korozyon dayanımında azalma olduğu belirlenmiştir. Otomotiv sektöründe kullanılacak olan profillerin yüksek mukavemet, süneklik ve korozyon dayanımı ve ısıl kararlılık isterlerini karşılayabilmesi amacıyla ısıl işlem kondisyonunun doğru seçilmesi gerektiği belirlenmiştir. Otomotiv sektörü için T6 (alaşım için elde edilebilecek en yüksek mukavemet kondisyonu) yerine T7 (T79, T76 veya T73) kondisyonlarının mukavemetten %5-15 arasında düşüş olmasının yanı sıra korozyon dayanımı ve süneklik artışı sağlanması nedeniyle daha uygun ve tercih edilmesi gerektiği yapılan eğme, basma ve korozyon testleri ile belirlenmiştir. Yapılan korozyon testleri sonucunda bakır içeren fazların çinko içeren fazlara göre korozyon dayanımını daha az düşürdüğü belirlenmiştir. Özellikle magnezyum ve çinko elementinin birleşmesi ile birlikte 7xxx serisi alüminyum alaşımlarda görülen taneler arası korozyonun arttığı gözlemlenmiştir. Tez çalışmasında kullanılan dört farklı alaşımdan 6056-4 alaşımının sonuçları otomotiv standardı beklentilerini karşılayacak şekilde elde edilmiştir. Ekstrüzyon işlemi sırasında üç numaralı kalıp kullanılarak profil üretimi gerçekleştirilmiştir. Isıl işlem parametreleri olarak 200°C 6 saat belirlenmiş ve T76 kondisyonu uygulanmıştır. Isıl işlem sonrasında yapılan çekme testi sonuçlarına göre akma mukavemeti 352 MPa, çekme mukavemeti 394 MPa olarak belirlenmiştir. 6056-4 kimyasal kompozisyonu ve T76 ısıl işlem ile birlikte otomotiv standardındaki test beklentileri karşılanmıştır.