AlSi7Mg T6, AlSi7Mg AND AlSi11Mg Alaşımlarının binek araç jant malzemesi olarak kullanılabilirliklerinin araştırılması
Study of AlSi7Mg T6, AlSi7Mg AND AlSi11Mg alloys applications as an automobile wheel material
Yazar: DİDEM TARKUN
Danışman: PROF. DR. CELALETDİN ERGUN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme ve İmalat Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Alçak basınçlı döküm yöntemi ile aluminyum jant üretiminde en yaygın kullanılan alaşımlar, AlSi7Mg ve AlSi11Mg alaşımlarıdır. Bu alaşımlar %12.7'den daha az oranda %Si içerdiklerinden, hipoötektik alaşımlardır. AlSi7Mg alaşımının ısıl işlemli (yapay yaşlandırma) olarak üretimi daha yaygın olup, daha az yaygın da olsa ısıl işlemsiz uygulaması da mevcuttur. AlSi11Mg alaşımı için ısıl işlemli uygulama mevcut değildir. 
Hangi üründe hangi alaşımın kullanılması gerektiği bilgisi; ürünün görünen kısmı olan stil yüzeyi tasarımı ile birlikte, ana ekipman üreticisi (OEM) tarafından şartname içerisinde belirtilmektedir. Diğer yandan günümüzde tüm ana ekipman üreticilerinin hedefi; dayanımdan ödün vermeden daha az maliyetli ürün tasarım ve üretimi yapmaktır. Bu nedenle, aluminyum alaşımlı jant sektöründe rekabet edebilmek için; hafif, ürün malzeme ve üretim maliyeti düşük, yüksek dayanıma sahip ve pazar talebine yönelik optimum ürün tasarımı yapılması önem taşımaktadır. Ana ekipman üreticisi; şartnamesinde o ürün için hangi alaşımın kullanılacağını belirtilmesine rağmen, ürün dayanımı minimum aynı kalacak şekilde daha az maliyetli bir ürün tasarımı çözümü, gerekli test ve simülasyon çalışmaları ile doğrulandığı takdirde, ana ekipman üreticisi tarafından da kabul görecektir. Ana ekipman üreticilerinin büyük kısmı, ürün tasarımı ve üretimi uzmanlığı gerektiren bu gibi çalışmaları yan sanayilerinden beklemektedirler. Ana ekipman üreticisi için hem ürün maliyeti anlamında optimum çözüm sunan, hem de ana ekipman üreticisine teknik bilgi birikimi anlamında katma değer kazandırabilen yan sanayiler; aluminyum alaşım jant sektöründe rekabetçi olarak kalabilmektedirler. 
AlSi11Mg ile ısıl işlemli ve ısıl işlemsiz olarak üretilebilen AlSi7Mg alaşımlarının; üretilebilirlik, maliyet ve dayanım anlamında birbirilerine göre avantajları ve dezavantajları vardır. Bu nedenle; tasarımı belli olan bir ürünün hangi alaşım ile üretiminin daha uygun olduğu belirlenirken, öncelikle ürünün tasarımı ve büyüklüğü önemlidir. Dayanım anlamında ön plana çıkan alaşım; ısıl işlem uygulaması yapılmış AlSi7Mg alaşımıdır. Bu nedenle; belirli bir büyüklüğün üzerindeki ürünlerin, istenen teker yükünü taşıyabilmesi için ısıl işlemli AlSi7Mg alaşımı haricinde bir alaşım ile üretilmesi, alçak basınçlı döküm yöntemi ile aluminyum alaşım jant üretimi için şu an mevcut değildir. Bunun nedeni, 19" ve üzeri büyüklüğünde jantların, kullanıldıkları araçlar gereği teker yüklerinin daha fazla olmasıdır. Isıl işlemli AlSi7Mg ile jant üretiminin maliyeti, öncelikle ısıl işlem prosesinden dolayı daha fazladır. Bu maliyetin içerisinde hem ısıl işlem tesis maliyeti, hem süresi, hem de ısıl işlem kaynaklı distorsiyona bağlı olarak artan fire oranları dahildir. AlSi11Mg alaşımının dökümü, artan %Si oranı nedeniyle akışkanlık arttığından daha kolay gerçekleşmektedir, ayrıca katılaşma süresi AlSi7Mg alaşımına göre %20 daha kısa sürede gerçekleşmektedir. Buna göre birim zamanda üretilen AlSi11Mg jant adedi daha yüksektir. Ancak, katılaşma süresi yetersiz olduğundan kalıp içerisinde gerekli soğutma kontrolü yapılması mümkün olmamakta, bu da kopma uzaması değerlerinin azalmasına neden olmaktadır. Ayrıca AlSi11Mg alaşımının akma ve çekme gerilmesi limit değerleri, AlSi7Mg alaşımına göre daha düşüktür. Bu nedenle AlSi11Mg alaşımı ile üretilmiş jantların taşıyabileceği teker yükleri de sınırlıdır, ancak böyle bir sınır değerden bahsedilemez, bu limiti jantın tasarımı ve ebadı belirler. AlSi11Mg alaşımı ile istenen dayanım limitinin karşılanabilmesi için, kesitlerin çok kalın tasarlanması gerekir. Bu da jant ağırlığını arttıracağından tercih edilen bir durum değildir. AlSi11Mg alaşımında dayanım artışı sağlanması için ısıl işlem uygulaması denenmiş, ancak içerdiği %Mg oranı yeterli olmadığından ısıl işlemin sağladığı dayanım artışı yeterli olmamış ve bu alaşım için ısıl işlem uygulanmaması uygun bulunmuştur. Ayrıca, pazar talebi her geçen gün artan ön yüzey işlemeli jant üretimi, AlSi11Mg alaşımı ile mümkün değildir. AlSi11Mg alaşımı ile jant üretimi daha düşük sıcaklıkta gerçekleştiğinden, daha yüksek hidrojen oranı ile döküm yapılabilir. Bu hidrojen oranı, hidrojen porozitesi miktarında artışa neden olur. Artan hidrojen porozitesi oranı ile birlikte jantın içerisinde oluşan gaz boşlukları ve süreksizlikler; X-Ray kontrolü sonrası fire oranı olarak yansımaz, ancak jantın ön yüzeyi işlendiğinde tüm porlar yüzeye açıldığından ve boya ile örtülemediğinden, ön yüzey işlemeli jant üretimi AlSi11Mg alaşımı ile mümkün değildir. Bu da AlSi11Mg alaşımı ile jant üretimini, dayanım ile birlikte bir miktar daha sınırlandırmaktadır. AlSi7Mg alaşımı ise, ısıl işleme uygun olarak üretilmiş bir alaşımdır, ısıl işlemsiz uygulaması durumunda istenen dayanım değerlerine ulaşılamaz. AlSi7Mg alaşımı, alaşımın akışkanlık oranının AlSi11Mg alaşımına göre daha düşük olması nedeniyle kalıp içerisinde daha zor ilerler, bu da döküm açısından AlSi7Mg alaşımını AlSi11Mg alaşımına göre daha dezavantajlı yapar. Isıl işlemsiz AlSi7Mg ve AlSi11Mg alaşımları dayanım anlamında kıyaslandığında, AlSi7Mg alaşımının akma ve kopma değerlerinin daha iyi olduğu gözlemlenir, ancak bu fark, ısıl işlemli AlSi7Mg alaşımının sağladığı dayanım artışına göre yeterli bir fark değildir. Bu iki alaşımın ISO 7141 13° darbe testi dayanımı açısından karşılaştırması, darbe dayanımı yüksek oranda jantın tasarımı ile ilgili olduğundan yapılamaz. 
Bu çalışmanın amacı; 6,5J x 16" ebadında bir jantın, AlSi11Mg ile AlSi7Mg T6 ve AlSi7Mg alaşımları ile üretilerek üretim, mekanik dayanım ve metalurjik yapı anlamında farklılıklarının incelenmesi ve test sonuçlarına göre seçilen en az maliyetli alaşım ile üretilmesidir. AlSi11Mg ve AlSiMg alaşımlarının özellikleri, birbirine göre üstünlükleri ve ısıl işlemin AlSi7Mg alaşımı üzerindeki etkileri teorik olarak bilinmektedir. Ancak aynı kalıp üzerinde farklı bir alaşım ile jant üretimi yaparılarak daha uygun maliyetli ürün üretiminin; o jant için uygun olup olmadığına, kalıp tasarımı doğrulama ve ürün tasarımı doğrulama çalışmaları ile karar verilebilir. Öncelikle jantın aynı kalıp içerisinde farklı bir alaşım ile dökümünün uygun bir şekilde gerçekleşip gerçekleşmediği doğrulanmalıdır. Bu kapsamda, jant veya kalıp üzerinde tasarım değişikliği gerektirecek bir üretim optimizasyonu olup olmadığı kontrol edilmiştir. Bu kontroller, Magma 5.3 sonlu hacimler analiz programı kullanılarak gerçekleştirilen döküm simülasyonu ile yapılmış ve gerçek üretim ile doğrulanmıştır. Bu çalışmadan sonra; janta ait ürün doğrulama simülasyon ve test çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Ürün doğrulama simülasyon çalışmaları kapsamında, Abaqus/Explicit 6.9 sonlu elemanlar analiz programı kullanılarak ISO 7141 13° darbe testi simülasyonu ve Ansys Wockbench 14.5 sonlu elemanlar analiz programı kullanılarak hızlandırılmış ömür testi simülasyonu statik olarak gerçekleştirilmiştir. Ürün doğrulama test çalışmaları kapsamında; jantlara ait doğrulama testleri olan ISO 7141 13° darbe testi, hızlandırılmış ömür testi, çekme testi, sertlik ölçümü, kimyasal analiz ve mikroyapı analizi sonuçları karşılaştırılmıştır. Bu çalışma sonucunda; jantların mekanik ve metalurjik özelliklerinin, farklı alaşımlar ile aynı tasarım üzerinde nasıl değiştiği, hem sonlu elemanlar analiz sonuçları ile, hem test sonuçları ile gözlemlenmiştir. Ek olarak; bu çalışma ile, müşteri tarafından gelecekte alınacak yeni bir projede, alaşım seçimi konusunda yönlendirici olabilecek teknik bilgi birikimine sahip olunması hedeflenmektedir.

Abstract:
AlSi7Mg and AlSi11Mg hypoeuthectic alloys are most common alloys for the aluminium wheels production with low pressure die casting method. Since these alloys contain less than %12.7 Si, these are called hypoeuthectic alloys. Production of AlSi7Mg is possible with or without heat treatment (T6, artificial age hardening). Production of AlSi7Mg alloy without heat treatment ise not common, even though there are products produced with AlSi7Mg alloy without heat treatment. However, AlSi11Mg alloy is not proper for heat treatment.
The information which alloy has to be chosen for the given product has been defined in specification sheet by the original equipment manufacturer (OEM) with the styling of the wheel. Besides, the common target of original equipment manufacturer is to design products which are lighter and less expensive in the mean of material and manufacturing without a decrease in the strength level. Because of this, in order to be compatible in the aluminium alloy market, it is necessary to be able to design and produce light, robust and less expensive products, which are designed and optimized according to the market demand. 
Even though original equipment manufacturer defines which alloy has to be used for a given product, a solution where the strengh of the product is not decreasing with a decrease in price will be acceptable from the OEM, as long as it can be proved with tests and simulations. OEM's request these studies where the product design and manufacturing know-how is strongly needed from their suppliers. The suppliers can compete aggresive in the market, which can present low-cost and robust products and valuable solutions in the mean of technical know-how.
If we compare AlSi11Mg, AlSi7Mg with heat treatment (T6) and without heat treatment, we see that all have advantages and disadvantages in the mean of producibility, robustness and price. Because of this, by defining the alloy for a given product, the design and the size of the wheel is very important. The most robust products are produced with heat treated AlSi7Mg alloy. Because of this, big wheels, which have high wheel load, have to be produced with AlSi7Mg T6 alloy in order to sustain the high wheel load, since there is no other alloy available for such wheel loads for the low pressure die casting applications. Generally, the cars, where big wheel have been used, require big wheel loads. However, heat treated alloys are more expensive because of the heat treatment process and time necessary for heat treatment process and higher ratio of the rejected parts because of the distortion coming from heat treatment process. Because of the higher %Si ratio by AlSi11Mg, AlSi11Mg alloy's casting process is easier in comparion with AlSi7Mg alloy. Additionally, solidification time of AlSi11Mg alloy is %20 shorter than AlSi7Mg alloy. Accordingly, number of production of AlSi11Mg alloy is %20 more than AlSi7Mg alloy for a given time. However, since the time necessary for solidification is very short by the AlSi11Mg, so that the solidification control cannot be done very well, AlSi11Mg alloy's elongation values are lower than AlSi7Mg alloy's elongation values. 

Besides, yield and tensile strength values of AlSi11Mg alloys are lower than AlSi7Mg alloy's yield and tensile strength values. Because of this, AlSi11Mg alloys can be used for a limited product range and size, but there is no exact limit size for the usage of alsi11Mg alloy. This limit will be defined not only by the size of the wheel, also the design of wheel defines whether it is proper to use AlSi11Mg alloy or not. In order to make the AlSi11Mg alloy for the alloys which require high wheel loads, it is necessary to design the wheel heavier than the limit weight, which would be not allowed. In order to make AlSi11Mg alloys, heat treatment application have been tried; however, because of the unadequate %Mg ratio of AlSi11Mg alloy was the increase of the strength not enough to make heat treatment application feasible for this alloy. Additionally, diamond wheels production is not possible with AlSi11Mg alloys, which market demand increases every year. The reason is, since AlSi11Mg casting actualize in a lower temperature than AlSi7Mg, the density index of the alloy will be increased by adding additional hydrogen to the melt alloy, which increases the hydrogen porosity level of the wheel. The discontinuity with the increased hydrogen ratio is not a reason for X-Ray rejection, however, after machining of styling surface for diamond cut production, the pores became visible which couldn't be covered with the painting process. This is also an another limitation for the production with AlSi11Mg alloy. AlSi7Mg alloy is proper for the heat treatment process, that's why the yield and tensile strength values of the product produced with AlSi7Mg alloy is not as high as heat treated AlSi7Mg alloy. AlSi7Mg alloy's density index is lower than AlSi11Mg alloy, so that its' progress in the tool as a molten metal, in other words, its' castability is not as good as AlSi11Mg alloy. If we compare the strength of the AlSi7Mg alloy with AlSi11Mg alloy, it can be seen that the yield and tensile strength of the AlSi7Mg alloy is higher than AlSi11Mg alloy, however, the impact behaviour of these alloys cannot be predicted, since it is mostly up to the alloy's design. 
The target of this study is; to produce a wheel, which is given with a size 6,5 J x 16" and AlSi7Mg heat treated alloy, with AlSi7Mg alloy without heat treatment and AlSi11Mg alloy, in order to make a comparison in the mean of castability, metallurgical structure and mechanical behaviour and select the most low-cost solution for this wheel. The properties of AlSi11Mg and AlSi7Mg alloys and their advantages and disadvantages are well-known in the literature; however, it cannot be decided whether the low-cost alloy is suitable for a given wheel without doing the mould design verification and product design verification studies. First, it has to be proved whether the product and mould design is proper for casting two different alloys. Within this scope, it has to be controlled whether there is a need to change the mould or product design. These controls will be done by execution of casting simulation using finite volume analysis program Magma 5.3 and verified with real production. After this study, product design verifications and tests has been be done. Within the scope of product verification analysis, ISO7141 13° impact simulation has been performed dynamically using Abaqus Explicit 6.9 and fatigue simulation has been performed statically using Ansys Workbench 14.5. Within the scope of product verification tests; impact test, dynamic fatigue test, tensile test, hardness test, chemical analysis and microstructure analysis have been performed and compared. At the end of this study; it is observed, how the mechanical and metallurgical behaviour of the wheel is changing by comparing finite element analysis simulation results and test results. Additionally, it is aimed to grow the technical know-how for the future projects by the selection of alloy.