Sustaınable coatıng solutıons: applıcatıon of nano-zınc technologıes for enhanced corrosıon resıstance and energy effıcıency ın the automotıve ındustry
Sürdürülebilir kaplama çözümleri: otomotiv endüstrisinde gelişmiş korozyon direnci ve enerji verimliliği için nano-çinko teknolojilerinin uygulanması
- Tez No: 1010382
- Danışmanlar: PROF. DR. ERSAN ÜSTÜNDAĞ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Endüstriyel boyalar, Film kaplama, Krom kaplama, Metal kaplama, Sprey boyama, Süreç optimizasyonu, Toz boya, Yüzey kaplama, Yüzey kaplama malzemeleri, Yüzey kaplama yöntemleri, Industrial dyes, Film coating, Chromium plating, Metal coating, Spray painting, Process optimization, Powder paint, Surface coating, Surface coating materials, Surface coating methods
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Malzeme ve İmalat Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Günümüzde otomotiv ve iş makinaları endüstrisi, artan çevresel regülasyonlar, karbon emisyonu hedefleri ve sürdürülebilir üretim politikaları doğrultusunda geleneksel üretim proseslerini yeniden değerlendirmek zorunda kalmaktadır. Bu dönüşümün en kritik odak noktalarından biri, yüksek enerji tüketimi ve çevresel etkileri nedeniyle yüzey kaplama ve boya öncesi yüzey işlem prosesleridir. Özellikle demir fosfat ve çok katyonlu fosfat bazlı dönüşüm kaplamaları, uzun yıllardır otomotiv boyahanelerinde yaygın olarak kullanılmakla birlikte, yüksek sıcaklıkta çalışmaları, fosfat çamuru oluşumu ve atık bertaraf gereksinimleri nedeniyle sürdürülebilirlik hedefleriyle giderek daha fazla çelişmektedir. Bu bağlamda, düşük sıcaklıkta çalışabilen, çevresel yükü azaltan ve aynı zamanda yüksek korozyon direnci sağlayabilen yeni nesil yüzey işlem teknolojilerine olan ihtiyaç giderek artmaktadır. Bu çalışmada, fosfat bazlı geleneksel yüzey işlem proseslerine alternatif olarak geliştirilen nano-zinc (nano-çinko) tabanlı soğuk kimyasal dönüşüm kaplama sisteminin, tam ölçekli otomotiv boyahane hattında endüstriyel olarak uygulanabilirliği, performans yeterliliği ve enerji verimliliği açısından değerlendirilmesi amaçlanmıştır. Çalışma, Traktör üretim tesislerinde yer alan ve robotik boyama sistemleri ile donatılmış gerçek bir seri üretim hattında gerçekleştirilmiştir. Böylece elde edilen verilerin yalnızca laboratuvar koşullarını değil, gerçek üretim şartlarını temsil etmesi sağlanmıştır. Araştırma kapsamında öncelikle mevcut yüzey işlem hattının proses akışı, banyo konfigürasyonu, sıcaklık profilleri ve enerji tüketim noktaları detaylı şekilde analiz edilmiştir. Mevcut sistemde ön yağ alma ve yağ alma banyolarının yüksek sıcaklıkta (yaklaşık 45 °C) çalıştığı, bu durumun hem doğal gaz tüketimini artırdığı hem de proses ekipmanlarında ek bakım ihtiyacı oluşturduğu tespit edilmiştir. Ayrıca fosfat bazlı kimyasalların kullanımı sonucu oluşan fosfat çamurunun çevresel açıdan ek bertaraf yükü oluşturduğu belirlenmiştir. Bu tespitler doğrultusunda nano-zinc bazlı sistemin mevcut hat altyapısına entegre edilerek fosfat prosesinin yerine uygulanabilirliği araştırılmıştır. Deneysel çalışmalarda toplam 100 adet soğuk haddelenmiş çelik (CRS – Cold Rolled Steel) test paneli kullanılmıştır. CRS sac, homojen yüzey yapısı ve kaplama performansının objektif olarak değerlendirilmesine olanak tanıması nedeniyle referans alt malzeme olarak tercih edilmiştir. Test panelleri üç farklı yüzey koşulu altında değerlendirilmiştir: %0,5 kimyasal konsantrasyon, %1 kimyasal konsantrasyon ve %0,5 konsantrasyon altında tamamen yağlı yüzey koşulu. Bu yaklaşım, prosesin yağ toleransı ve yüzey hazırlama hassasiyetinin de değerlendirilmesine olanak sağlamıştır. Test panelleri yalnızca laboratuvar ortamında değil, gerçek üretim simülasyonu oluşturmak amacıyla traktör gövdeleri üzerine beş farklı pozisyonda monte edilmiştir. Paneller yüzey işlem sonrasında robotik astar boyama, robotik sonkat boyama ve kürleme fırını proseslerinden geçirilmiş, böylece kaplama sisteminin boya ile etkileşimi ve nihai performansı seri üretim koşulları altında değerlendirilmiştir. Boya prosesi tamamlanan paneller stabilizasyon süresinin ardından yetkili boya laboratuvarlarına gönderilerek detaylı mekanik ve çevresel testlere tabi tutulmuştur. Nano-zinc kaplama prosesinde kullanılan kimyasal sistem, aynı banyoda yağ alma ve kaplama fonksiyonlarını yerine getirebilen tek banyolu bir sistem olarak uygulanmıştır. Proses boyunca pH, total asitlik (TA), kaplama ağırlığı ve kimyasal kayıp gibi kritik parametreler düzenli olarak izlenmiş ve stabilize edilmiştir. Kaplama ağırlığı yaklaşık 5–15 mg/m² aralığında tutulmuş olup, bu değer nano-zinc sistemlerin tipik çalışma aralığı ile uyumludur. Banyo sıcaklığı ise fosfat sistemlerinin aksine ortam sıcaklığı seviyelerinde (yaklaşık 25 °C) tutulmuş, böylece banyo ısıtma ihtiyacı tamamen ortadan kaldırılmıştır. Kaplama sonrası boya performansını değerlendirmek amacıyla ASTM ve OEM standartlarına uygun çok sayıda test gerçekleştirilmiştir. Mekanik performans değerlendirmeleri kapsamında kuru film kalınlığı (ASTM D1186), parlaklık (ASTM D523), kalem sertliği ve sarkaç sertliği testleri uygulanmıştır. Çevresel dayanım değerlendirmeleri kapsamında ise nem dayanımı (ASTM D1735), suya daldırma testi (ASTM D870) ve özellikle ağır hizmet araçları için kritik kabul edilen cyclic corrosion testleri (MTM0106) gerçekleştirilmiştir. Ayrıca boya ile kaplama arasındaki bağ dayanımını değerlendirmek üzere OEM standartlarına uygun yapışma testleri (MTM0120) uygulanmıştır. Elde edilen test sonuçları, nano-zinc kaplama sisteminin tüm test koşullarında MAT01035 Class 3 (Rev. J) OEM spesifikasyonlarını sağladığını göstermiştir. Yapışma testlerinde tüm panellerde mükemmel yapışma performansı (Ad0) elde edilmiş, suya daldırma ve nem testlerinde blister (kabarcık) oluşumu gözlenmemiştir. Renk değişimi değerleri (ΔE) düşük seviyelerde kalmış ve görsel kalite açısından kabul edilebilir sınırlar içerisinde değerlendirilmiştir. Cyclic corrosion testlerinde ise hem panel yüzeyinde pas oluşumu hem de X-cut çizik bölgelerinde korozyon ilerlemesi gözlenmemiştir. Bu sonuçlar, nano-zinc kaplamanın yalnızca boya altında bariyer görevi görmekle kalmayıp, aynı zamanda aktif çinko içeriği sayesinde katodik koruma mekanizması ile lokal hasar bölgelerinde de çeliği koruyabildiğini göstermektedir. Teknik performansın yanı sıra çalışmanın önemli bir boyutu da enerji tüketimi ve çevresel etkilerin değerlendirilmesidir. Fosfat bazlı sistemde ön yağ alma ve yağ alma banyolarının ısıtılması için kullanılan doğal gaz tüketiminin, nano-zinc sistemine geçiş ile birlikte önemli ölçüde azaltıldığı hesaplanmıştır. Yapılan ölçümler ve yıllık üretim verileri kullanılarak yapılan hesaplamalar sonucunda, boyahane doğal gaz tüketiminde yaklaşık %12 oranında azalma sağlandığı belirlenmiştir. Bu azalma, yıllık bazda yaklaşık 414 ton CO₂ emisyonunun önlenmesi anlamına gelmektedir. Ayrıca ön yağ alma banyolarının iptal edilmesi ile birlikte bazı sirkülasyon ve nozzle pompalarının da devre dışı kalması, elektrik tüketiminde de ilave tasarruf sağlamıştır. Ek olarak, fosfat sistemlerinde kaçınılmaz olarak oluşan fosfat çamurunun nano-zinc sistemde oluşmaması, atık bertaraf maliyetlerini ve çevresel yükü önemli ölçüde azaltmıştır. Kimyasal tüketim miktarının da fosfat sistemlerine kıyasla daha düşük olması, işletme maliyetlerinde ilave ekonomik kazanım sağlamıştır Bu çalışmanın en önemli çıktılarından biri, nano-zinc tabanlı soğuk kimyasal dönüşüm kaplama sisteminin, yalnızca laboratuvar ölçeğinde değil, tam otomotiv boya hattı koşullarında da güvenilir şekilde uygulanabileceğinin gösterilmiş olmasıdır. Mevcut hat altyapısında büyük bir ekipman yatırımı gerektirmeden uygulanabilmesi, sistemin endüstriyel ölçeklenebilirliğini artırmaktadır. Aynı zamanda hem teknik performans hem de çevresel ve ekonomik kazanımlar birlikte değerlendirildiğinde, nano-zinc kaplama teknolojisinin fosfat bazlı sistemlere güçlü bir alternatif sunduğu sonucuna ulaşılmıştır. Sonuç olarak bu çalışma, sürdürülebilir imalat hedefleri doğrultusunda yüzey işlem teknolojilerinde dönüşüm ihtiyacına yanıt veren, enerji verimliliği yüksek, çevresel etkisi düşük ve OEM kalite gereksinimlerini karşılayan bir kaplama sisteminin endüstriyel uygulanabilirliğini bütüncül bir yaklaşımla ortaya koymaktadır. Elde edilen bulgular, otomotiv ve ağır hizmet araçları sektöründe daha çevreci ve ekonomik yüzey işlem proseslerine geçiş için önemli bir referans niteliği taşımakta ve nano-zinc kaplama teknolojilerinin gelecekteki yaygın endüstriyel kullanımına güçlü bir zemin hazırlamaktadır.
Özet (Çeviri)
In today's automotive industry, the need to minimize environmental impact and to achieve sustainability has prompted a reassessment of traditional production methods. Among these, phosphate-based surface coating processes have come under scrutiny due to their high energy requirements, environmental drawbacks, and inefficient waste management. In this context, this study investigates the application of nano-zinc chemical treatments as an innovative and sustainable alternative to conventional phosphate coatings. This application has been put into practice for the first time in the automotive industry. Nano-zinc technology emerges as a promising solution by offering both technical and environmental advantages. The research, conducted at tractor plant, primarily focuses on the corrosion resistance, paint adhesion, and environmental durability of nano-zinc coatings, examining their performance under various operational conditions. Unlike conventional methods, the nano-zinc process eliminates the need for high-temperature applications, significantly reducing energy consumption. As a result, a 12% decrease in natural gas usage was recorded, corresponding to an annual reduction of 414 tons in carbon emissions. This positions nano-zinc coatings as a viable pathway toward reducing the automotive industry's carbon footprint. Extensive mechanical and environmental testing was conducted on panels treated with nano-zinc coatings. The results demonstrated full compliance with the MAT01035 automotive surface treatment specification and revealed excellent resistance to cyclic corrosion conditions. Additionally, improvements in under-paint corrosion resistance and long-term environmental durability were observed, often outperforming traditional coating systems. The findings of this study also underscore the economic benefits of nano-zinc technology. Reduced energy consumption, shorter processing times, and minimized waste generation collectively contribute to lower overall production costs. These advantages make nano-zinc coatings not only technically feasible but also economically scalable for widespread industrial adoption. In conclusion, this study offers a comprehensive evaluation of nano-zinc chemical treatments as a next-generation surface coating solution for the automotive industry. By aligning with core principles of sustainable manufacturing—such as energy efficiency, environmental responsibility, and material performance—this approach provides a robust alternative to phosphate-based systems. The outcomes contribute valuable insight toward the advancement of greener, more efficient production practices and support the industry's transition toward global sustainability targets.
Benzer Tezler
- Boyalara ve kaplamalara nano metal oksit katkısının fiziksel, antikorozif ve antibakteriyel etkilerinin incelenmesi
Determination of physical, antiorrosive and antibacterial effects of nano metal oxide additives to paints and coatings
EZGİ KIZILKONCA DURAN
- ZnO ve polisakkarit ile güçlendirilmiş karabiber esansiyel yağı nanoemülsiyonuyla kaplanmış tavuk etinin kalite özelliklerinin ve raf ömrünün araştırılması
Fabrication of black pepper essential oil based nanoemulsions fortificated with ZnO and polysaccharide coating for improving the organoleptic characteristics and shelf life of chicken meat
SYEDA TASMIA ASMA
- Characteristics of cold sprayed titanium based coatings
Soğuk gaz dinamik püskürtme yöntemiyle üretilmiş titanyum esaslı kaplamaların karakteristiği
AHMET HİLMİ PAKSOY
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MURAT BAYDOĞAN
DOÇ. DR. ERDEM ATAR
- Yüksek absorbent kaplamalı konsantre güneş ışınımı destekli güneş kolektörünün verimlilik analizi
Efficiency analysis of highly absorbent coated and concentrated solar radiation supported solar collector
FIRAT TUNA
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Makine MühendisliğiAtatürk ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. AHMET NUMAN ÖZAKIN
- Yazdırılabilir akıllı enerji depolama sistemi için PVDF-HFP esaslı kompozit polimer elektrolitler
PVDF-HFP based composite polymer electrolytes for printable smart energy storage system
DİDEM SÜRSAL
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
EnerjiSakarya ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MAHMUD TOKUR