Alüminyum alaşımlı motor silindir gömleğinin dökme demire göre motor silindir aşınmasına etkisinin tribolojik olarak incelenmesi
Tribological investigation of the effect of aluminum alloy in accordance with cast iron liner on engine wear
Yazar: BAYCAN OCAK
Danışman: PROF. DR. EMRULLAH HAKAN KALELİ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Otomotiv Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Otomotiv Mühendisliği = Automotive Engineering

Özet:
Enerji tüketimini ve hava kirliliğini azaltmak için fazla yakıt tüketen araçlara yönelik artan talep, otomotiv endüstrisini gittikçe zorlamaktadır. Son yıllarda çevrenin ve kaynakların korunması için otomobillerde CO₂ emisyonlarının azaltılması ve yakıt tüketiminin daha verimli hale gelmesi otomotiv endüstrisi açısından önemlidir. Bu sebeple binek otomobillerde motor bloklarında kullanılan geleneksel gri dökme malzemenin yerine hafifliği ve yüksek enerjisi sayesinde tamamen alüminyum alaşımlı malzemenin kullanımı motor ağırlığının azaltılması açısından giderek daha fazla önem kazanmaktadır. 
Alüminyum, farklı kullanım şartlarına bağlı istenen özelliklere uygun olacak şekilde farklı elementler ile zenginleştirilerek alaşım halinde kullanılmaktadır. Bu alaşım elementleri silisyum, magnezyum, bakır, titanyum, mangan, çinko, demir, nikel, kalay, kurşun, krom gibi elementlerdir. Alüminyum alaşımlı malzemeler, yüksek mukavemet sertliğinin ağırlığa oranın iyi olması, kolay şekillendirilebilirlik, iyi korozyon direnci ve geri dönüşüm potansiyeli gibi özelliklere sahiptir. Otomotiv endüstrisinde alüminyum kullanımı, dünyada en çok bulunan üçüncü element olmasının yanında, çeliğe göre yoğunluğu düşük olmasıyla binek otomobillerinde ağırlık azaltmak için otomotiv endüstrisinde en çok tercih edilen malzemelerden birisi haline gelmiştir. Bununla birlikte, alüminyum alaşımlı silindir gömlekleri, güçlü sürtünme ve aşınma gibi son derece zorlu çalışma koşullarına dayanmakta güçlük çeker ve bu da motorun hasar görmesini son derece kolaylaştırması alüminyum alaşımlı malzemenin negatif özelliklerinden gösterilebilir.
Bu çalışmada, 7075 alüminyum alaşımlı motor silindir gömleği ile geleneksel dökme demir silindir gömleğinin tribolojik etkisi, sürtünme, yağlama ve aşınma dirençleri karşılaştırılmıştır. Tribolojik performanslarını, sınır yağlama rejimindeki aşınma ve sürtünme davranışlarını araştırmak için alüminyum alaşımlı ve dökme demirli malzemeden silindir gömlekleri üretilerek 5W40 motor yağı ile beraber silindir gömleği numune parçaları üzerinde çelik bilye (100 CR6) kullanılarak tribometre testine tabi tutularak değerlendirilmiştir. Silindir gömleklerine aynı honlama açılarıyla işlem uygulanmıştır.  Tribometre testi yapılan alüminyum alaşımlı ve dökme demir silindir gömleklerine ait datalar analiz programında işlendikten sonra çıkan sonuçların doğrulanması için sürtünme testleri tekrarlı olarak yapılmıştır. Tez kapsamında belirlenen bir sonraki adımda aynı boyutlarda üretilen alüminyum alaşımlı silindir gömleği ve dökme demir silindir gömleği tek silindirli Diesel motora yerleştirilerek 5W40 motor yağı kullanılarak performans, ve 50 saatlik ömür testine tabi tutulmuş, karşılaştırılmıştır. Motor testleri tamamlanan silindir gömlekleri kesilerek yüzeyleri Dijital Optik Mikroskop/Yüzey Pürüzlülüğü, Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) veya Alan Emisyonlu Taramalı Elektron Mikroskopi (FESEM), Enerji dağılımlı X-Işını Spektroskopisi (EDX) ve Atomik Kuvvet Mikroskobu (AFM) vasıtasıyla analiz edilmiştir. Böylece alüminyum alaşımlı silindir gömleği ile dökme demir silindir gömleği üzerinde hem tribometre hem de gerçek motor testlerinin gerçekleştirilmesiyle beraber şimdiye kadar desteklenen literatür çalışmaları gerçek motor testleri ile doğrulanmıştır.

Abstract:
The increasing demand for vehicles with high fuel consumption, aimed at reducing energy consumption and mitigating air pollution, presents an escalating challenge to the automotive industry. In recent years, the imperative to diminish CO₂ emissions and enhance fuel efficiency in automobiles has become paramount for environmental preservation and resource conservation. Consequently, the substitution of traditional gray cast iron in engine blocks with lightweight and energetically efficient aluminum alloy materials is increasingly gaining traction for reducing engine mass.
Aluminum is utilized in alloy form, enriched with various elements to confer specific properties tailored to diverse usage conditions. These alloying elements encompass silicon, magnesium, copper, titanium, manganese, zinc, iron, nickel, tin, lead, chromium, among others. Aluminum alloy materials exhibit characteristics such as high strength-to-weight ratio, facile formability, commendable corrosion resistance, and recyclability. The deployment of aluminum in the automotive sector has emerged as a preferred strategy for mitigating weight in passenger vehicles, owing to its lower density relative to steel, alongside its status as the third most abundant element globally.
However, aluminum alloy cylinder liners grapple with challenges in enduring highly demanding operating conditions, such as intense friction and wear, which can predispose them to engine damage, thus highlighting the negative attributes of aluminum alloy materials.
In this study, the tribological effects, frictional behavior, lubrication, and wear resistances of 7075 aluminum alloy cylinder liners were juxtaposed with those of conventional cast iron cylinder liners. To elucidate their tribological performance, cylinder liners fabricated from aluminum alloy and cast iron were subjected to tribometer tests employing steel balls (100 CR6) and 5W40 engine oil. Uniform honing angles were applied to the cylinder liners. Post-processing of tribometer data via analysis software was followed by friction tests to validate the results. In a subsequent step delineated within the ambit of this thesis, aluminum alloy cylinder liners and cast iron cylinder liners were integrated into a single-cylinder Diesel engine and subjected to performance evaluations, and 50-hour lifespan assessments employing 5W40 engine oil. Upon completion of engine trials, the cylinder liners underwent sectioning, and their surfaces were analyzed using Digital Optical Microscopy/Surface Roughness, Scanning Electron Microscopy (SEM) or Field Emission Scanning Electron Microscopy (FESEM), Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDX), and Atomic Force Microscopy (AFM). Consequently, literature-supported findings underpinned by tribometer and real engine tests were corroborated through actual engine trials.