>
17.10.2018 - Aluminyumcuyuz & Alüminyum üzerine güncel bilgiler

Otomotiv Sektöründe Alüminyumun Yeri

emre toktas

Yazarın şu ana kadar yazılmış 21 makalesi bulunuyor.

1. GİRİŞ

Alüminyum Alaşımları İçin Temper Seri Numaralarının Tanımları  Yer kabuğunda en fazlaca bulunan ikinci metal element alüminyumdur. Alüminyum, geri dönüşüm çemberiyle yeniden geri kazanılmaktadır. Alüminyum, ham maddeden üretim için lüzumlu enerjinin bir tek %5’i kadar bir enerjiyle yeniden ergitilebilir ve yepyeni ürünler için kullanılabilir . Günümüz endüstrisinde çelikten sonrasında en fazla kullanılan alüminyum ve alüminyum alaşımları; hafifçe olmaları, iyi ısıl ve elektrik iletkenlikleri, artırılabilen direnme özelikleri ve korozyona karşı dirençleri sebebiyle mühendis ve tasarımcılar için günümüzde mühim bir araç-gereç konumundadır. Bilhassa son yıllarda, enerji tasarrufuna dönük emek harcamalar, daha azca yakıt harcayan hafifçe ve ekonomik taşıtların üretimini gündeme getirmiş alüminyum alaşımları, otomobillerde, otobüslerde, trenlerde, deniz taşıtları yapımında öncelikli olarak tercih edilen malzemeler olmuştur . Aslına bakarsak bu alaşımlar, uzun senelerdir havacılık endüstrisinde kullanılmakta olan malzemelerdir ve artırılmış direnç ve darbe özelikleri yardımıyla müdafa sanayinde de kullanıma girmişlerdir. Alüminyum, çelik ve demire nazaran ortalama üç kat daha hafiftir. Otomobil toplam ağırlığındaki her %10’luk azalma %5-10 oranında yakıt tasarrufu sağlamaktadır . 1400 kilo ağırlığındaki bir taşıtta geniş kapsamda alüminyum kullanımı taşıtın ağırlığında 300 kilogram azalmaya niçin olmakta, taşıtın toplam ağırlığında %20’lik bir azalma sağlanmaktadır . Bir vasıta için kullanılan her 1 kilo çeliğin 500 gr alüminyumla yer değiştirmesi aracın tüm kullanım ömrü için toplam 10 kilo daha azca emisyona sebep olacaktır. Çelik sacların pres operasyonunda kullanılan ekipmanlar alüminyum alaşımları için benzer operasyonlarda kullanılmaktadır. Keskin ve çapaksız kenarlar elde edebilmek için kalıp bıçak aralıklarının alüminyum alaşımlara gereksinimlerine bağlı doğrultularda ayarlanmasıyla mevcut pres operasyonları uygulanabilmektedir. Tüm bunlara ek olarak, alüminyum levha ürünlerine uygulanacak imalat, montaj ve geri kazanım pratikleri çelik saclar için bugün uygulanandan değişik olmadığından, bu değişim otomobil üreticisine ek bir yük de getirmemektedir . Bu yazıda, alüminyumun önemini idrak etmek amacıyla ilk olarak alüminyumla ilgili informasyon verilmiş, otomotiv endüstrisinde kullanılan malzemeler içinde mühim bir yere haiz olan alüminyum alaşımlarının özellikleri, bugün ve gelecekteki potansiyel kullanım alanları derlenmiş, uygulama alanlarıyla ilgili örnekler verilmiştir.

2. GENEL BİLGİLER

2.1 Alüminyum ve Alüminyum Alaşımları Alüminyum, demir-çelik malzemelerden sonrasında, mekanik özelliklerinin üstünlüğü sebebiyle, çağımızın en fazlaca kullanılan ikinci metalidir. Alüminyumun metal olarak özellikleri birçok durumda onun ideal ve ekonomik bir araç-gereç olmasını sağlamaktadır. Alüminyumun; 1- Uygun mekanik özelliklerle beraber düşük ağırlık, 2- Korozyona karşı dayanımı, 3- Alaşımlarının sağlamlık ve yumuşaklık açısından son aşama çeşitli olması, 4- Koku ve kimyasallara karşı dayanım ve hijyenik koşullar, 5- Uygulanan enerjiyi barındırma kabiliyeti, 6- Geri dönüşebilir olması, 7- Yüksek elektrik ve ısı iletkenliği, 8- Parlama ve alev almazlık, 9- Magnetik nötralite, 10- Kolay işlenebilme ve biçimlendirilebilmesi, 11- Oldukca değişik yöntemlerle yüzey işlemleri, özellikleri kullanımının oldukca büyük bir hızla yaygınlaşmasına niçin olmuş, böylelikle alüminyumu 21.yüzyıla damgasını vuran bir metal yapmıştır  2.2 Alüminyum Alaşımlarının Gruplandırılması Alüminyum alaşımları üretim metotları esas alınarak dövme ve döküm olmak suretiyle iki ana alt gruba ayrılmaktadır. Bu da yapım usullerinin değişik gereksinimleri bulunduğunu göstermektedir. Plastik deformasyonla şekillendirilen dövme alaşımları, döküm alaşımlardan oldukça değişik mikroyapı ve kimyasal bileşime sahiptirler. Her iki ana grup içindeki alaşımlar, ısıl işlem uygulanabilen ve uygulanamayan alaşımlar olmak suretiyle, iki alt gruba ayrılmaktadır. Isıl işlem uygulanabilir alüminyum alaşımlarında; bazı ısıl işlemle çökelme sertleşmesi elde edilmektedir. Bahsedilen ısıl işlem, alüminyum alaşımlarda istenilen dayanımı elde etmek için uygulanan bir prosestir. Isıl işlem uygulanabilir alüminyum alaşımlarının 2XXX, 6XXX ve 7XXX serileri olmak suretiyle üç ana grubu bulunmaktadır. Isıl işlem uygulanamayan alüminyum alaşımları ise çökelmeyle sertleştirilemez, dayanımlarının arttırılabilmesi bir tek soğuk işlenmeyle mümkündür. Katı eriyik mukavemetlendirmesi, pekleşme ve dağılım mukavemetlendirmesiyle mukavemetlendirilirler. Isıl işlem uygulanamayan alüminyum alaşımlarının ise 1XXX, 3XXX ve 5XXX serileriyle üç ana grubu bulunmaktadır . Mukavemetlendirme derecesi, alaşımın ısıl işlem görebilir yada pekleştirilebilir olmasına nazaran temper tanımlaması “T” ve ”H” ile gösterilmektedir . Öteki tanımlamalar alaşımın tavlandığını (O), çözündürme uygulandığını (W) yada üretildiği şekilde kullanıldığını (F) göstermektedir. “T” ve “H” yi takip eden numaralar pekleşme miktarını, gerçek ısıl işlem tipini yada alaşımın öteki hususi üretim işlem durumunu göstermektedir .

3. ALÜMİNYUM ALAŞIMLARININ OTOMOTİV ENDÜSTRİSİNDE KULLANIMI

3.1 Otomotiv Endüstrisinde Alüminyum ve Avantajları Ekolojik dengeyi bozan atık gazların miktarını azaltmak için, daha düşük yakıt tüketimi sağlayacak teknolojileri üreterek ve geliştirerek yakıtı minimum şekilde kullanabilme yoluna gidilmektedir. Otomotiv üreticileri ekolojik dengenin korunmasını sağlayarak ürettikleri malzemelerin maliyetlerinin düşük olmasını istemektedirler. Grafik 2’de yakıt tasarrufu ve maliyetin, teknolojik gelişim basamaklarını da göz önünde bulundurarak, ilişkisi gösterilmiştir. Taşıt konforunun artması ve yolcu güvenliğinin önemsenmesiyle yeni aksamlar eklenmekte ve bu da taşıt ağırlığında artışa niçin olmaktadır. Taşıtların temel bileşenlerinin ağırlığı azaltılmaktadır. Sadece, bahsedilen sebepler sebebiyle toplam ağırlık aynı kalmaktadır. Yüksek yakıt tasarrufu için çözüm taşıttaki alüminyum parça miktarını arttırmaktır . Yakıt tüketimini azaltmak için öteki bir yöntem de hava direncinin azaltılmasıdır. Sadece bu yöntem otomobil boyutlarıyla ilgili sınırlamalar getirmiş olduğu için fazlaca ergonomik olmamaktadır. Çevre şartlarının iyileştirilmesine yönelik çalışmalarda hava kirliliğinin azaltılmasında, motorlu araçlarda direkt püskürtmeli dizel motorlar ve hafifçe taşıt üretimi mühim bir çözüm olarak görülmektedir. Güvenlikten taviz vermeden ve konfordan vazgeçmeden azca yakıt tüketen otomobiller için hafifçe, fakat mukavemeti yüksek alaşımların geliştirilmesi, otomobil üreticilerinin mühim hedefleri içinde yer verilmiştir . Hızla gelişmekte olan otomotiv endüstrisinde alüminyum alaşımlarının kullanım alanları her geçen yıl artmaktadır. Bu artışın en mühim sebepleri; alüminyumun hafifliği yanında yüksek mukavemete haiz olması, biçim verilebilirliğinin ve korozyon direncinin yüksek olmasıdır. Alüminyum alaşımları, otomotiv endüstrisinde yakıt tasarrufu için lüzumlu hafifçe araç-gereç seçiminde mühim bir kullanım alanına haizdir. Alüminyum çelik ve demire nazaran ortalama üç kat daha hafiftir ve daha azca yakıt tüketecek, çevre-dostu bir otomobil daha hafifçe olmalıdır. Tasarım değişimleri haricinde bunu sağlayabilecek tek yöntem otomobil imalatında daha hafifçe araç-gereç kullanmaktır . Kaliteden taviz vermeksizin alüminyum yeniden yeniden geri kazanılabilmesi hem ekonomik hem de ekolojik yönden ehemmiyet taşımaktadır. Geri dönüşüm dikkate alındığında alüminyum öteki tüm malzemelerden daha verimlidir. Yüksek hurda kıymeti, geri dönüşümü ve yine kullanımını güvence etmektedir. Alüminyum bir otomobilde hareket sistemi, motor ve viteslerde kullanılır. Bunun haricinde yassı ürün olarak kasa ve soğutma sistemleri de alüminyum alaşımıdır. Bir otomobilde kullanılan parçaların tamamı geri kazanılabilmektedir. Geri kazanma oranı %90’ın üzerindedir. Geri kazanım ham madde ve enerji kaynaklarının korunması için oldukca mühim teknolojik bir parametredir . Otomobillerdeki yapının kinetik enerjiyi absorbe etme kapasitesi, kullanılan malzemenin mekanik karakteristikleri, tasarım ve montaj şekilleriyle belirlenmektedir. Meydana getirilen oldukca sayıda çarpışma testi, enerji absorbe etme karakteristiklerinin alüminyum kullanımıyla iyileştirilebildiğini göstermektedir. Bu sebeple alüminyum ön darbe sistemlerinde kullanım için idealdir. Tasarımla ilgili olarak uygun yerlerde ekstrüzyon yöntemiyle üretilmiş alüminyum parçalar kullanılarak montaj işlemlerinden kaçınmak ve yapıyı daha kuvvetli hâle getirmek mümkündür. Böylece hem %50 daha hafifçe hem de sertliği (rijitliği) artmış bir yapı sağlamak mümkün olabilmektedir . Alüminyumun yoğun olarak kullanıldığı taşıtların haiz olduğu avantajlardan biri de alüminyumun doğasından gelen ve araca kazandırdığı yapısal stabilitedir. Aracın ani yön değiştirmesi esnasında etkiyen kuvvetler, aracın makro boyutlu burkulmalara maruz kalmasına sebep olacaktır. Eğer vasıta daha hafifçe ve stabil bir yapıya haiz ise aracın yönünü düzeltme ihtiyacı azalacaktır . Yukarıda bahsedilen özelliklerinin yanında alüminyum araç-gereç, boyasız yada kaplamasız olsa bile sudan ve yol tuzlarından meydana gelen korozyona karşı dayanıklıdır. Görsel olmayan parçalarda çelik için lüzumlu olan ve ilave maliyet getiren galvanizleme, kaplama yada boyama alüminyum için lüzumlu olmayabilir. Alüminyum, boyanın çizilmesi yada kalkması durumunda çelik şeklinde paslanmaz, korozyona dirençlidir. Bazı plastik malzemeler benzer biçimde çöl sıcağı, şimal soğuğu yada UV ışınlarının tesiri sonucunda özellikleri zayıflayarak kırılganlaşmaz . 3.2 Taşıtlarda Kullanılan Alüminyum Esaslı Parçaların Şekillendirme Yöntemine Gore Değerlendirilmesi Günümüzde averaj bir otomobil fazlaca çeşitli alüminyum parçalar içermektedir. Bunların başlangıcında döküm yöntemiyle üretilen silindir kafaları, dişli kutuları, jantları; levha ve ekstrüzyon yöntemiyle yapım edilen radyatörler, tamponlar, koltuk rayları, yan çarpma çubukları vs. gelmektedir. Bu parçaların bir araçtaki averaj ağırlığı 100 kilo civarındadır. Bu kıymet toplam ağırlığın %10’una karşılık etmektedir. Her 100 kilogram ağırlık azaltışında 100 km’de 0,6 litre daha azca yakıt tüketilmektedir . Daha azca yakıt tüketimi bununla beraber daha düşük egzoz emisyon kıymeti ve emek harcama maliyeti anlamına gelir. Alüminyum güvenlik, konfor ve güvenilirlikten taviz vermeden ağırlık azalımı için anahtar bir malzemedir. Düşük özgül ağırlığı ve yüksek mukavemeti yardımıyla, alüminyumun yaygın olarak kullanımı orta derslik bir otomobilde ortalama 300 kilogram ağırlık azaltışı sağlayabilir. Bu oran, aracın toplam ağırlığının %30’una denk gelmektedir. Bazı parçalar için alüminyum, aynı kalınlıktaki çeliğin yerini alabilmektedir. Böylece %65’lik bir ağırlık tasarrufu dahi sağlanabilmektedir. Sadece çeliğin yerini alan bir çok alüminyum parçada kalınlık arttırılmak suretiyle çelikle aynı direnme sağlanabilmektedir. Yapısal uygulamalarda en fazlaca karşılaşılan oran 1,5 ’tur. Mesela 0,8 mm kalınlığındaki çelik parça yerine 1,2 mm genişliğinde alüminyum kullanılabilmektedir. Bu durumda ağırlık tasarrufu %50 olmaktadır . Otomotiv endüstrisinde üretim tekniğine bakılırsa alüminyum alaşımlarının sınıflandırılması  Döküm alüminyum alaşımlarının kullanımı tüm kullanılan alüminyumun %80’i kadarıdır. Döküm alaşımları içinde en popüler olanları A380, A319, A350 alaşımlarıdır. Alüminyum ve alaşımları, otomobillerde çoğu zaman döküm alaşımı olarak hareket sistemi, motor ve vites şeklinde parçaların üretiminde kullanılırken, döküm alaşımları haricinde levha, profil şeklinde değişik üretim teknikleriyle üretilmiş parçalar, kasa ve soğutma sistemi şeklinde aksamlarda kullanılmaktadır. AUDİ AG’nin yapmış olduğu hesaplarda primer alüminyum üretmek için lüzumlu enerji, bir otomobilin 55.000-79.000 km’de sağlanacak toplam yakıt tasarrufuyla amorti edilmektedir. Geri dönen alüminyumun katkısıyla amortisman süresi daha da kısalmaktadır. Öyleki ki, daha ilk kilometrelerde enerji bilançosu geleneksel çelik malzemelere nazaran oldukca daha ekonomik olmaktadır .  Levha alaşımlarının mühim olmasıyla birlikte döküm ve ekstrüzyon alaşımlarının da mühim olduğu görülmektedir . Otomobillerde kullanılan döküm alüminyum alaşımlı parçalara değişik kutular (transmisyon kutusu, diferansiyel kutusu, vb.), motor sistemi, çerçeve ve bağlantı elemanları, fren sistemi, pistonlar, enjeksiyon sistemi ve egzoz manifoldu örnek gösterilebilir. Motor, otomobillerdeki en ağır ünitelerden birisidir. Bu sebeple alüminyum kullanımıyla oldukca büyük miktarlarda ağırlık tasarrufu potansiyeline haizdir. Birçok motor alüminyum motor kapağına haizdir ve bazılarının motor blokları da alüminyumdur. Motor parçaları çoğu zaman basınçlı dökümle üretilmektedir. Bu parçalar kutulara nazaran daha yüksek direnç gerektirmektedirler. Dizel motorlarda alüminyum kullanımı daha azdır. Şu sebeple bu motorlar benzin motorlarına bakılırsa daha yüksek mukavemetli olmalıdırlar. Sadece BMW 320 D modelinde alüminyum dizel motor bloğu kullanılmaktadır . Alüminyum motorlarda silindir başlığı haricinde silindir krank karteri de hafifçe metal alaşımlarından üretilmektedir. BMW 6 silindirli motorlar 158 kilogram civarındadır.Her bir taşıtta döküm, ekstrüzyon ve levha ürünü alüminyum alaşımlarının 2050 yılına kadar 250 kilogram’a erişmesi beklenmektedir. Geçmişte ve 2050 yılına kadar olan süreçte döküm parçalarının oranı azalırken toplam alüminyum miktarının artması öngörülmüştür. Bu da levha ve ektrüzyon parçalarının miktarının artması anlamına gelmektedir . Alüminyumun otomobilde dökümden sonrasında en yaygın kullanımı alüminyum ekstrüzyon profilleridir. Ekstrüzyon yöntemi karmaşık yapıya haiz parçaların üretimini mümkün kılmaktadır. Alüminyum ekstrüzyon profilleri şasi parçaları, uzay kafes, tampon ve enerji sönümlendirici çarpma kutularında kullanılmaktadır . Alüminyum ekstrüzyon beden profilleri için iki tip alaşım önerilmektedir. Bunlar; 6xxx (Al-MgSi) ve 7xxx (Al-Zn-Mg) serileridir. Bunların dışındaki birçok alüminyum alaşımlarına da ekstrüzyon yapılabilmektedir; fakat üretilebilirlik ve performans özellikleri bakımından en iyi neticeleri, bu iki alaşım grubu vermektedir . Yolcuları korumak için araçların birçoğunda yer edinen ve yolcu bölümünü çevreleyen güvenlik kafesi, darbeyle içeri doğru çökmemeli, kırılmamalı ve yapısını olabildiğince korumalıdır. Bunu sağlamak için kullanılan yöntemlerden bir tanesi aracın ön ve arkasında bozulma olabilen ve enerjiyi absorbe edebilen parçaların oluşturulmasıdır . Çarpma esnasında ortaya çıkan enerji yolcular tarafınca değil bu sistemler tarafınca absorbe edilmelidir. Alüminyumun uygulanan enerjiyi barındırma kabiliyeti (akma mukavemetine kadar mukavemet-uzama eğrisi altında kalan alan) çelikten 3 kat daha fazladır. Alüminyum çarpma kutuları içi boş profiller olarak kullanıldığı şeklinde, içlerine alüminyum köpük doldurularak de kullanılmaktadır. Alüminyum köpük metaller, fazlaca iyi derecedeki mekanik, akustik, termal, elektriksel ve kimyasal özelliklerinden dolayı, yapısal ve fonksiyonel ürünlerde geniş bir oranda artan uygulama alanı bulmuştur . Bilhassa vasıta sanayindeki uygulamalar şeklinde, pek oldukça yapısal uygulamada köpük metal yapısı, kapalı hücreli olarak adlandırılır. Bilhassa alüminyum köpüklerin yüksek enerji sönümleme kabiliyetleri ve göreceli uygun maliyetlerle otomotiv sektöründe uygulama alanı bulabilecek malzemelerin başlangıcında olduğu söylenebilir. Bu yöntemle karmaşık köpük yapılar duyarlı bir halde üretilebilmektedir . Araçların motor kısmında alüminyum köpük malzemeler, ısı ve ses yalıtkanlığı özellikleri sebebiyle tercih edilmektedir. Gene otomobillerde ve trenlerde güvenliği çoğaltmak amacıyla şase ve tampon arasına yerleştirilen çarpışma kutusunda, tampon ve kapılarda dolgu malzemesi olarak da kullanılmaktadır. Öteki mühim bir sahası da rijitlik/yoğunluk oranının mühim olduğu havacılık sektörüdür. Alüminyum köpükten üretilmiş plaka ve sandviç paneller, bilhassa fazlaca pahalı olan bal peteği yapılı kompozit malzemelere alternatif olarak kullanılabilmektedir. Taşıtlarda iç ve dış paneller, alüminyum levha uygulamalarıyla mühim hafifleme elde eden ve taşıt ağırlık azaltma çalışmalarına büyük katkıları olan parçalardır. Bugün Şimal ABD’da General Motors’un Precept, Ford’un Prodigy ve Daimler-Chrysler’ın ESX3 modelleri, Avrupa’da ise Audi’nin A8 ve A2 modelleri tamamen alüminyum gövdeli olarak üretilmektedir . Alüminyum levha üreticileri tarafınca, bu uygulamalar için tehlikeli sonuç özellikler olan; • Geri kazanılabilirlik, • Düşük araç-gereç üretim ve uygulama maliyetleri, • Yapısal kararlılık ve dayanıklılık, vuruk ve darbe direnci, çarpışma dayanıklılığı için kafi direnç, • Gerdirme, bükme ve derin çekme operasyonları için kafi biçim verilebilirlik, • Kaynak, lehim ve yapıştırma benzer biçimde birleştirme tekniklerine uygunluk, koşullarını sağlayacak alüminyum alaşımlı levha üretimi ve uygulaması için, oldukca kapsamlı araştırma ve geliştirme emek harcamaları yapılmaktadır . Alüminyum levha alaşımlarının otomotiv uygulamalarındaki kullanım alanları oldukça geniştir. Otomobil beden panellerinde AA6016 ve AA6111 alaşımları tercih edilmektedir. AA6016 alaşımları Avrupa’da otomobil beden panellerinde, AA6111 alaşımları ise çoğu zaman Şimal ABD’da tercih edilmektedir . AA6111 alaşımı AA6016 alaşımına nazaran daha çok Cu ilavesi içermektedir. Deformasyon sertleşmesi ve yaşlanma karakterini pozitif etkileyen Cu ilavesi ile özellikler daha da iyileştirilebilir. Sadece Cu’nun korozyon dayanıklılığı üstündeki negatif tesiri vardır . Levha üretimi açısından alüminyumun en iyi yanı, fiyatının düşük ve durağan(durgun) oluşudur . Alüminyum endüstrisi, otomotiv sektörünün gelecekteki gelişimini hedef almıştır. Otomobil iskeletlerinde çelik yerine alüminyum kullanılarak ağırlık %50 oranında azaltılabilmektedir. Bilhassa levha ürünü malzemelerin kullanılarak karmaşık geometrilere haiz parçaların, pres operasyonlarıyla imalatında, alüminyumun düşük akma mukavemetinden yararlanılarak parça imalatı daha azca enerji harcanarak yapılabilmektedir. Audi A3 örneğinde olduğu şeklinde aracın motor bloğunu barındıran ön tarafı bu tip bir imalat metodunun ürünüdür. Otomobil üretiminde günümüzde en mühim amaç ağırlık artışına yol açan parçaların değiştirilmesidir. Burada en öne çıkan araç-gereç çelik ince sac St12, St13, St14 araç-gereç yerine alüminyum levha kullanımıdır. Çelik yerine alüminyum levha kullanımıyla kasa yapımında ağırlıktan 150 kilogram kadar tutum sağlanabilir. 100 kilogram ağırlık azaltılması 0.6-0.7 litre/100 km yakıt tasarrufu sağlamaktadır .

Yorumlar

yorumlar

ZİYARETÇİ YORUMLARI

Henüz yorum yapılmamış. İlk yorumu aşağıdaki form aracılığıyla siz yapabilirsiniz.

BİR YORUM YAZ