Alternatif alaşımlı jant malzemesi ile mekanik özellikleri iyileştirilmiş ürün geliştirilmesi
Product developlment of alternative alloy wheel material with improved mechanical properties
Yazar: ONUR ÖZAYDIN
Danışman: PROF. DR. ADNAN DİKİCİOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme ve İmalat Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Alçak basınç döküm yönteminin kullanıldığı alüminyum alaşımlı jant üretiminde AlSi7Mg ve AlSi11Mg alaşımları kullanımı en yaygın olan malzemelerdir. Bu iki ana malzeme arasındaki en büyük fark ısıl işlem süreci olup, AlSi7Mg malzemesine T6 (Çözeltiye alma - Suverme - Yapay yaşlandırma) ısıl işlem uygulanırken AlSi11Mg malzemesine ısıl işlem uygulanmaz.
Bu çalışmada, AlSi7Mg ve AlSi11Mg arasında farklı Si konsantrasyonuna sahip alternatif alaşımlı (AlSi9Mg) jant malzemesi ve bu malzemenin mekanik özelliklerinin arttırılması amacıyla bir ürün geliştirilmesi üzerine çalışılmıştır. Bu çalışmadaki alternatif alaşımlı jantın tüm sayısal ve deneysel çalışmalar 'Cevher Jant Sanayii A.Ş.'de gerçekleştirilmiştir.
Çalışmanın başlangıcında bu çalışmada hazırlanan alternatif alaşımın literatürdeki uygulamaları incelenmiştir. Literatürde, çalışılan alternatif alaşımla farklı numune parça ve motor parçalarının dökümünün gerçekleştirildiği görülmüş fakat bu alternatif alaşımla jant dökümü yapılan bir çalışmaya rastlanmamıştır. Bu durum, çalışmaya kendi alanında özgünlük getirmektedir. Alternatif alaşımın mekanik özelliklerinin arttırılmasına yönelik çalışmalar incelendiğinde ise tane inceltme çalışmaları, modifikasyon çalışmaları ve ısıl işlem çalışmaları olduğu görülmüş ve alternatif alaşımlı jantın mekanik özelliklerinin arttırılabilmesi için bu geliştirme çalışmaları uygulanmıştır. 
Jant ürünü için mevcutta takip edilen tasarım doğrulaması ve ürün doğrulaması süreci, alternatif alaşımlı jant için de aynen uygulanarak ürünün doğrulaması gerçekleştirilmiştir. Bu doğrulama çalışmaları sayısal olarak ve deneysel olarak yapılmıştır. Tasarım doğrulamanın ilk adımda, alternatif alaşımlı jant için Ansys yazılımının Workbench ve LS-Dyna modülleri kullanılarak sayısal yöntem yaklaşımı ile yorulma test simülasyonları ve 13° darbe test simülasyonları gerçekleştirilmiş ve tasarım sayısal olarak doğrulanmıştır. Ürün doğrulamanın ilk adımda ise alternatif alaşımlı jant için MagmaSoft yazılımının MagmaWheel modülü kullanılarak sayısal yöntem yaklaşımı ile döküm simülasyonu gerçekleştirilmiş ve ürün sayısal olarak doğrulanmıştır. 
Tasarım ve ürün doğrulamanın sayısal doğrulması sonrası tasarım ve ürün doğrulamanın deneysel doğrulaması adımına geçilmiştir. İlk adımda sayısal olarak doğrulanan tasarımın ikinci adımında yorulma testi ve 13° testi alternatif alaşımla dökülen jantlara deneysel olarak uygulanarak tasarım deneysel olarak doğrulanmıştır. Ürün doğrulamanın ikinci adımında ise deneme dökümler gerçekleştirilerek ürün deneysel olarak da doğrulanmıştır. 
Deneysel yöntemler esnasında, mekanik özelliklerin arttırılmasına yönelik geliştirme çalışmaları esnasında farklı ısıl işlem sıcaklıkları (165 °C - 180 °C) ve farklı ısıl işlem uygulama süreleri (2 saat – 4 saat – 6 saat) denemeleri yapılarak mekanik özelliklerin arttırılması üzerine çalışılmıştır. 
2 saatten 6 saate kadar 165 °C'de, feder bölgesinde akma dayanımı ort. %14 artmakta, çekme dayanımı ort. %3 artmakta ve birim uzama ort. %16 azalmaktadır. Dış flanş bölgesinde akma dayanımı ort. %13 artmakta, çekme dayanımı ort. %3 artmakta ve birim uzama ort. %7 azalmaktadır. İç flanş bölgesinde akma dayanımı ort. %11 artmakta, çekme dayanımı ort. %4 artmakta ve birim uzama ort. %2 azalmaktadır.
2 saatten 6 saate kadar 180 °C'de, feder bölgesinde akma dayanımı ort. %21 artmakta, çekme dayanımı ort. %6 artmakta ve birim uzama ort. %30 azalmaktadır. Dış flanş bölgesinde akma dayanımı ort. %22 artmakta, çekme dayanımı ort. %7 artmakta ve birim uzama ort. %8 azalmaktadır. İç flanş bölgesinde akma dayanımı ort. %18 artmakta, çekme dayanımı ort. %5 artmakta ve birim uzama ort. %13 azalmaktadır.
Bulgular kısmında, öncelikle malzeme özelliklerinin incelendiği mikro yapı, makro yapı ve sertlik ölçümleri malzeme bulguları olarak incelenmiş, alternatif malzemenin uygunluğu kontrol edilmiştir. Bundan sonra, tasarım ve ürün doğrulama esnasında kullanılan sayısal yöntemlerden elde edilen yorulma test, 13° Darbe test bulguları ve döküm simülasyonlarından elde edilen bulgular incelenmiş ve alternatif alaşımlı jantın sayısal olarak uygunluğu kontrol edilmiştir. Daha sonra, tasarım ve ürün doğrulama esnasında kullanılan deneysel yöntemlerdeki deneme dökümlerden elde edilen bulgular incelenmiş ve alternatif alaşımlı jantın deneysel olarak da uygunluğu kontrol edilmiştir.      
Bulguların analizi adımında, ısıl işlem sürecinde artan sıcaklık değerleri ve artan uygulama süreleri ile akma ve çekme değerlerinde artış görünürken, birim uzama değerlerinde düşme görülmüştür. Arttırılması talep edilen mekanik özelliklere (akma dayanımı, çekme dayanımı, birim uzama) göre uygun ısıl işlem şartlarının alternatif alaşımlı jantlara uygulanabileceği görülmüştür. 
Tüm bulgular ve analiz sonuçlarına göre ilgili jant için alternatif alaşımın 'uygun' olarak kullanılabileceği ve mekanik özelliklerinin arttırılabilmesi için de ısıl işlem uygulanabileceği görülmüştür. 
Son olarak, alternatif alaşımın uygunluğu ile ilgili döküm parametreleri, kalıp soğutma sistemi ve ısıl işlem prosedürüne göre alındığı not edilmelidir. Bunun yanında, farklı döküm parametreleri, kalıp soğutma sistemleri ve ısıl işlem prosedürü uygunluk durumunu direkt olarak etkileyebilir. Bu sebeple, alüminyum alaşımlı jant endüstrisi ile ilgili araştırmacılar alternatif alaşımın uygunluk durumunun farklı imalat parametreleri ve tasarımlarına göre değişken olabileceğini not etmelidir.

Abstract:
AlSi7Mg and AlSi11Mg alloys are common materials for the aluminium alloy wheels production with LPDC (Low Pressure Die Casting) method. The biggest difference between these two main materials is heat treatment process. T6 (Solution – Quenching – Artificial ageing) heat treatment process is applied to all AlSi7Mg alloy wheels. On the other side, there is no any heat treatment process applied to AlSi11Mg alloy wheels.  
In this study, alternative aluminium alloy which has different silicon range between AlSi7Mg and AlSi11Mg is studied. In addition to this, the development studies such as grain refinement studies, modification studies and heat treatment studies on this alternative alloy to improve the mechanical properties. All numerical and experimental studies are practiced in 'Cevher Jant Sanayii A.Ş.'
At the beginning of this study, the applications of relative alternative alloys in the literature are searched. Although some studies which are preferred this alternative aluminium alloy for automotive industry such as casted engine parts in the literature, there is no any specific studies which are preferred the alternative aluminium alloy for the aluminium alloy wheels. Therefore, this study has an originality in the literature of casted aluminium alloy wheels.
When searched the development studies on improve the mechanical properties on related alternative aluminium alloys, a couple development study is come out. These studies are 'grain refinement studies', 'modification studies' and 'heat treatment studies'. For this reason, all these development studies are applied to related alternative aluminium alloy wheels to improve mechanical properties such as ultimate tensile strength and yield strength. 
Design validation and product validation process are applied to all casted aluminium alloy wheels which are made from alternative aluminium alloy. The design and product for related project are validated with using the alternative aluminium alloy. Numerical method and experimental method are preferred to get validation of project.
In the design validation process with using numerical method, cornering fatigue test simulation and 13° impact test simulation of alternative aluminium alloy wheels with using Ansys Workbench and Ansys LS-Dyna software are run and all simulations are validated. In the product validation process with using numerical method, casting simulation of alternative aluminium alloy wheels with using MagmaSoft - MagmaWheel software is run and the simulation is validated.
After the validation of design and product with numerical method, validation of design and product with experimental method is proceed as a next step. In the design validation with using experimental method, cornering fatigue test and 13° impact test of alternative aluminium alloy wheels with using special test machines are applied and all tests are validated. In the product validation process with using experimental method, casting process of alternative aluminium alloy wheels with LPDC machine is proceed and the product is validated.
During the experimental methods, the heat treatment process which is called as artificial ageing process is applied to alternative aluminium alloy wheels to improve mechanical properties. In the heat treatment process, various heat treatment temperatures (165 °C – 180 °C) and various heat treatment application times (2 hours – 4 hours – 6 hours) are applied to alternative aluminium alloy wheels.
At 165 °C, yield strength is increased avg. %14, ultimate tensile strength is increased avg. %3 and elongation is decreased avg. %16 on the spoke area from 2 to 6 hours. Yield strength is increased avg. %13, ultimate tensile strength is increased avg. %3 and elongation is decreased avg. %7 on the outer flange area from 2 to 6 hours. Yield strength is increased avg. %11, ultimate tensile strength is increased avg. %4 and elongation is decreased avg. %2 on the inner flange area from 2 to 6 hours.
At 180 °C, yield strength is increased avg. %21, ultimate tensile strength is increased avg. %6 and elongation is decreased avg. %30 on the spoke area from 2 to 6 hours. Yield strength is increased avg. %22, ultimate tensile strength is increased avg. %7 and elongation is decreased avg. %8 on the outer flange area from 2 to 6 hours. Yield strength is increased avg. %18, ultimate tensile strength is increased avg. %5 and elongation is decreased avg. %13 on the inner flange area from 2 to 6 hours.
In the result section, firstly the material properties such as microstructures, macrostructures are investigated and hardness (Hardness Brinell) values are measured and approved according to related standards and specifications. In the following steps, the results of design and product validation process such as cornering fatigue test simulation, 13° impact test simulation and casting simulation of alternative aluminium alloy wheels with numerical method are revealed. After all these simulations, the design and product validation process with numerical method is validated. After the validation with numerical method, the results of design and product validation process such as cornering fatigue test, 13° impact test and trial casting of alternative aluminium alloy wheels with experimental method are found out. After all these tests, the design and product validation process with experimental method is validated. 
In the analysis phase, ultimate tensile strength and yield strength are increased with higher heat treatment temperature and longer heat treatment time. Oppositely, elongation is decreased with higher heat treatment temperature and longer heat treatment time. Different heat treatment temperature and heat treatment application time on the alternative aluminium alloy wheels may be arranged to increase the mechanical properties such as ultimate tensile strength and yield strength or elongation.
According to all simulations and results in this study, the alternative aluminium alloy for the aluminium alloy wheels is evaluated as 'approved' for related project. Development studies such as 'grain refinement studies', 'modification studies' and 'heat treatment studies' may be applied to alternative aluminum alloy to improve mechanical properties.
Finally, it should be noted that the validation of alternative aluminium alloy is validated for related casting parameters, mold cooling systems, heat treatment procedure in this study. Beside this, various casting parameters, mold cooling systems and heat treatment procedure can affect the validation status directly. Thus, researches who are interested in aluminium alloy wheel industry should be noted that the validation status of alternative aluminium alloys may be changeable under various production parameters and designs.