ASBESTSİZ DİSK FREN BALATALARINDA SICAKLIK-SÜRTÜNME KATSAYISI-ZAMAN İLİŞKİSİNİN İNCELENMESİ

Transkript

1 TEKNOLOJİ, Yıl 6, (2003), Sayı 1-2, TEKNOLOJİ ASBESTSİZ DİSK FREN BALATALARINDA SICAKLIK-SÜRTÜNME KATSAYISI-ZAMAN İLİŞKİSİNİN İNCELENMESİ İbrahim MUTLU *, Cengiz ÖNER ** * Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi, Kahramanmaraş M.Y.O., 46500, Kahramanmaraş ** Fırat Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, 23100, Elazığ ÖZET Otomotiv fren balataları çeşitli bileşenlerden oluşur. Bir fren balatası hem yüksek ve kararlı sürtünme hem de düşük aşınma sağlamak zorundadır. Asbest, bir fren balatasının temel yapı elemanı olmasına rağmen çevre kirliliği ve sağlığa olumsuz etkisinden dolayı fren balatalarında asbestin kullanımı azaltılmıştır. Bu yüzden disk frenlerinde sürtünme uygulaması için asbestsiz yeni bir fren balatası üretildi. Bu fren balatalarında asbest kullanılmadı fakat üç farklı fiber kullanıldı. Bu araştırmada asbestsiz sürtünme malzemesinin sabit basınçta sürtünme katsayısı-sıcaklık-zaman arasındaki ilişki incelendi. Test ekipmanı, deneyler için özel olarak tasarlandı. Anahtar Kelimeler: Aşınma, Fren Balatası, Sürtünme, Sürtünme Malzemeleri. ABSTRACT Automotive brake linings are usually composed of various components. A brake pad must both provide high and stable friction and low wear. Although asbestos basic structure element in a brake lining, the using of asbestos in brake lining have been decreased because of environmental pollution and negative health effects. So a non-asbestos new brake pad has been developed for disk brake pad friction application. In these brake pads aren t used asbestos but used three different fiber. In this investigation was studied to the relation between friction coefficient-temperature-time for at the constant load of non-asbestos friction materials. The equipment of tester specially designed for experiment. Keywords: Brake Lining, Friction, Friction Materials, Wear. 1. GİRİŞ Son yirmi yılda otomotiv fren sisteminin frenleme performansında büyük oranda gelişme kaydedildi. Bu gelişmelerin büyük kısmı sürtünme performansında asbestin yerine asbestin etkisini veren sürtünme malzemelerinin geliştirilmesi konusunda oldu [1,2]. ASME teknoloji araştırma ve geliştirme merkezi tarafından yapılan araştırmalarda asbest oluşumuna bağlı olarak sağlık sorunları oluştuğu (EPA) Çevre Koruma Ajansı tarafından bildirilmiştir. Bu sonuca bağlı olarak asbest içeren ürünlerin üretimine yasak konması önerilmiştir. Bu gerekçelerle fren sisteminde yapılan araştırmalarda bazı sorunlar ortaya çıkmıştır. Standart fren sistemine sahip araçların fren sistemini asbest içermeyen malzemelerle değiştirmenin uygun olup olmayacağı araştırılmıştır. Asbest içermeyen malzemeler fren sistemi gelişimine ve dizaynına değişik yapılar ve karışıklıklar getirmiştir. Çünkü bu maddeler farklı ve beklenmedik sürtünme özelliklerine sahiptir. Asbest içermeyen malzemelerin güvenli olarak kullanımının sağlanması için araçların fren sistemi elemanlarının yeniden düzenlenmesi gerekebileceği bildirilmiştir [3]. Otomotiv fren sistemindeki fren balatası genellikle on dan fazla bileşenden oluşmaktadır. Sürtünme malzemelerinin üretilmesinde tüm fren şartlarında kararlı sürtünme katsayısı, iyi aşınma direnci ana unsur olarak alınmalıdır [4,5]. Bununla birlikte bir fren balatasının içeriği, dökme demir diskten sürtünme ara yüzeyinde oluşan sürtünme filminin şekline kadar her etken ile birlikte düşünülmelidir [6,7].

2 122 Asbestsiz Disk Fren Balatalarinda Sicaklik-Sürtünme Katsayisi-Zaman İlişkisinin İncelenmesi Asbest oranına bağlı olarak tüm sıcaklıklarda ortalama sürtünme katsayısında bir değişme olmaktadır. Aynı başlangıç hızı ve yüzey basıncı için sürtünme katsayısı artan sıcaklıkla düşmekte, frenleme süresi ise artmaktadır [8,9]. Buradan takviye malzemesinin, sürtünme katsayısının değişmesinde etkili olduğu sonucu çıkarılmıştır. Araştırmacılar, organik balatalarda anahtar içerik olan asbestin yerine ikame malzemelerinin performans hedeflerini karşılaştırmışlar ve frenleme olayına neden olan mekanik frenleme analizlerini yeni cihazlar ve çeşitli hesaplama teknikleri kullanarak yapmışlardır. Fren uygulaması sırasında frenleme performansı, sertlik ve titreşim gibi frenleme konforunu etkileyen etkenlerin anlaşılması için çalışılmıştır [10,11]. Sürtünme performansının belirlenmesinde çok önemli rol oynamalarına rağmen özellikle aşındırıcılar, katı yağlayıcılar ve diğer katkı maddeleri hakkında elde edilen bilgi oldukça sınırlıdır [12,13]. Sürtünme malzemelerinin ticari öneminden ve tescilli olmasından dolayı sürtünme malzemelerinin içeriklerini literatürde bulmak oldukça zordur [14]. Bu çalışmada cam elyaf, taş yünü ve kevlar 49 kullanılarak üretilen asbestsiz balataların sabit yükte zamana bağlı olarak sürtünme katsayısı-sıcaklık arasındaki ilişki incelenmiştir. 2. MATERYAL VE METOD Bu çalışmada özel olarak üretilen asbestsiz balataların mekanik ve tribolojik özelliklerini güçlendirmek için kullanılan elyaflar yüksek sıcaklıkta termal bozulmayı önleyecek yüksek sürtünme katsayısı ve aşınma direnci sağlayacak şekilde seçilmiştir. Elyaf katkı olarak cam elyafı, taş yünü ve kevlar(49) kullanılmıştır. Üretilen balatalar organik balatalar grubunda olup bağlayıcı malzemeye göre asbestsiz, üretim metoduna göre presleme yoluyla üretilmiştir. Üretilen numunelerde takviye malzemeleri olarak kevlar, taş yünü ve cam elyaf ile birlikte belirlenen diğer bileşenler kullanılmıştır. Sürtünme katsayısını ve aşınma direncini artırmak için seramik katkı olarak düşük oranda 32 µm anma boyutu tane büyüklüğüne sahip SiC kullanılmıştır Balatanın Üretimi Üretimde malzeme oranlarını belirlemede hesaplama kolaylığı için kütlesel oran esas alınmıştır. Belirlenen oranlarda hazırlanan karışımın homojenliğini sağlamak için yüksek hızlı mikserde karıştırılmıştır. Malzemenin komprime aşamasında dağılmaması için karıştırma aşamasında 3 alkollü su, toplam karışım kütlesinin 4 ünü geçmeyecek oranda pülverize olarak karışıma püskürtülmüştür kpa (100 kg/cm 2 ) basınçta komprimesi (ön şekillendirme) yapılan karışım 150 C sıcaklıkta kpa (150 kg/cm 2 ) basınçtaki pişirme kalıbında ilk 10 dakikada 30 saniye aralıkla havalandırılması yapılarak 20 dakika pişirilmiştir. Üretilen numunelerden bir kısmına 24 saat süre ile 100 o C de normal atmosfer şartları altında fırınlama işlemi yapılmıştır. Söz konusu fırınlama işlemine tabii tutulmuş numuneler CF112, KF222, TF332 kodlu numunelerdir. Tablo 1. Numunelerin karışımdaki malzeme oranları (kütlesel) Elementler CF11 CF112 KF22 KF222 TF33 TF332 Cam Elyaf Kevlar(49) Taş Yünü F.Reçine Grafit SiC Cashew Dust Diğerleri

3 TEKNOLOJİ, Yıl 6, Sayı 1-2, Deney Düzeneği Deney düzeneğinde, elektrik motorundan alınan dairesel hareket yatay konumda olan diske aktarılmıştır. Disk dikey konumdaki mile bağlanmıştır. Bu dikey mile yataklandırılan kol üzerine, numune parçanın yerleşebilmesi için açılan yuvaya numune balata yerleştirilmiş ve numune balatanın yerleştirildiği kol üzerine ağırlık asılmak suretiyle mekanik yük uygulanmıştır. Kol un dayandığı loadcell den sürtünme kuvveti alınmıştır. Balatanın sürtünme yüzeyine 2 mm derinlikte, numune parçanın ağırlık merkezine karşı gelecek noktaya delik açılarak termokupl yerleştirilmiştir [15] Deney Şartları Şekil 1. Deney Düzeneği Deneylerde başlangıç sıcaklığı 50 o C dir. Numune malzemeler, alıştırma aşamasında yüzeyin 95 i temas edinceye kadar 700 kpa basınç altında çalıştırılmıştır. Alışma aşaması tamamlanmış numuneler 1050 kpa basınçta 6 m/sn sabit hızda teste tabii tutulmuştur. Test sırasında her 30 saniyede sıcaklık ve sürtünme katsayısı kaydedilmiştir. Bu değerler sıcaklık-zaman ve sürtünme katsayısı-zaman grafiklerine dönüştürülmüştür. Böylece TS 9076 da fren balatalarının sürtünme katsayısının belirlemesinde sıcaklık grubu A için uygulanan basınç, sabit olarak uygulanmış olup hiçbir dış etkiye maruz kalmadan sürtünme katsayısı ve sıcaklık değişimi incelenmiştir. Alınan değerler aynı karışım özelliklerine sahip üretilen beş farklı numuneden alınan değerlerin aritmetik ortalamasıdır. Ayrıca aynı basınçta bir saat süre ile aşınma testine tabii tutularak m yol alması sağlanmıştır. Bu deney sonunda her bir numune balata hassas terazide tartılarak kütle kaybı bulunmuştur. Bulunan kütle kaybı TS 9076 da verilen kütle kaybını esas alan formül ile hesaplanarak özgül aşınma değerleri tespit edilmiştir [16]. V = 1 2 πr d (m1 m 2 ) n f ρ m V = Özgül aşınma m 1 = Deneyden önce ölçülen balata kütlesi (gr) m 2 = Deneyden sonra ölçülen balata kütlesi (gr) ρ = Balata yoğunluğu (gr/cm 3 ) R d = Disk yarıçapı (m) f m = Deneydeki ortalama sürtünme kuvveti (N) n = Toplam devir sayısı (devir) Deneyde piyasadan temin edilen Tofaş marka otomobil ön disk i kullanılmıştır. Disk, numune değişimlerinde 320 numara zımpara ile zımparalanmıştır. Deney aşamasındaki numunenin sıcaklığı, sürtünme yüzeyinin 2 mm derinliğinde, yüzey orta noktasına denk gelecek şekilde yerleştirilen termokupl ın bağlı olduğu cihazdan okunmuştur. Ayrıca sürtünme ve aşınma deneyleri sonrasında numune balataların mikro yapısını incelemek amacıyla taramalı elektron mikroskobu (SEM) çalışması yapılmıştır.

4 124 Asbestsiz Disk Fren Balatalarinda Sicaklik-Sürtünme Katsayisi-Zaman İlişkisinin İncelenmesi 3. BULGULAR Deneyler sırasında elde edilen veriler bilgisayar ortamına aktarılarak grafikleri çizdirildi. Şekil 2 de görüldüğü gibi özgül aşınma miktarında kevlar katkılı olan numuneler az aşınmıştır. Cam elyaf katkılı numuneler fazla aşınmıştır. Taş yünü katkılı numuneler orta değerde aşınmıştır. Ayrıca fırınlanmış olan numunelerde fırınlanmamış olanlara göre daha az aşınma görülmüştür kpa basınçta 30 saniye aralıklarla alınan değerler grafiğe aktarılmıştır. Sürtünme katsayısı-zaman grafiği incelendiğinde kevlar katkılı KF22 kodlu numunenin KF222 ye göre dalgalı olduğu, cam elyaf katkılı numunenin daha düşük sıcaklıklarda fren zayıflaması (fade) gösterdiği görülmektedir. Taş yünü katkılı numune KF ve CF kodlu numunelerin arasında sürtünme katsayısı değeri vermiş ve ~170 C den sonra CF kodlu numunelerin verdiği sürtünme katsayısı değerini geçmiştir. CF112 kodlu fırınlanmış numunelerin daha yüksek ve stabil sürtünme katsayısı verdiği gözlemlenmiştir. CF112 kodlu numunenin 1050 kpa basınç altında sıcaklık artışı ile sürtünme katsayısındaki yükselme daha fazla olduğu görülmektedir. Sürtünme katsayısı-zaman ve sıcaklık değişimi-zaman grafikleri Şekil 3 ve Şekil 4 te görülmektedir. Özgül Aşınma (x10-8) CF11 CF112 KF22 KF222 TF33 TF332 Şekil 2. Üretilen numunelerde özgül aşınma miktarı (cm 3 /Nm) Tablo 2. Üretilen numunelerin sertlik, yoğunluk ve özgül aşınma değerleri Numune Adı Brinell Sertliği Shore Sertliği Yoğunluk (gr/cm 3 ) Özgül Aşınma (cm 3 /Nm) CF11 23,76-1,919 12,9x10-8 CF112 13, ,019 9,07x10-8 KF22 17, ,819 3,19x10-8 KF222 19, ,746 3,43x10-8 TF33 16, ,023 9,64x10-8 TF332 43,99-1,829 7,77x10-8

5 TEKNOLOJİ, Yıl 6, Sayı 1-2, Sıcaklık Değişimiii ,5 5 7, , ,5 Zaman (dk) CF11 CF112 KF22 KF222 TF33 TF332 Şekil 3. Sıcaklık değişimi-zaman grafiği 0,70 Sürtünme Katsayısı 0,60 0,50 0,40 0,30 0 2,5 5 7, , ,5 Zaman (dk) CF11 CF112 KF22 KF222 TF33 TF332 Şekil 4. Sıcaklık değişimi-zaman grafiği

6 126 Asbestsiz Disk Fren Balatalarinda Sicaklik-Sürtünme Katsayisi-Zaman İlişkisinin İncelenmesi (a) (b) 4. SONUÇLAR (c) Şekil 5 Üretilen balataların mikro yapı resimleri a) CF kodlu balata b) KF kodlu balata c) TF kodlu balata Özgül aşınma miktarında cam elyaf katkılı numunelerde sıcaklık artışı sebebiyle reçinelerin ayrışması ve elyaf-matris bağının zayıflaması sonucu matristen elyaf çekilmesiyle özgül aşınma artırmıştır. Fren zayıflama özellikleri, numunede matristen ayrılan dolgu maddesi ve matrisi oluşturan diğer maddelerin elyafların uçlarında toplanarak film oluşturduğu ve sonuçta fren zayıflamasını artırdığı görülmüştür. Oluşan bu filmin zımparalanarak kaldırılması fren zayıflamasını azaltmıştır. Yapılan deneysel çalışmalar, asbestsiz otomotiv fren balatası gelişiminde aşınmaya karşı direnç oluşturmada, sürtünme katsayısının düzgünleşmesinde cam elyaf, taş yünü ve kevlar kullanılabileceğini göstermiştir. Kompozitlerin tribolojik özelliklerindeki iyileşme kompozit formülasyonu ve çalışma parametrelerine bağlıdır.ancak kevlar ve taş yününün maliyete yüksek etkisi ve yurtdışına bağımlılık getirdiği dikkate alındığında aşınma dayanımı düşük olmasına rağmen alternatif elyaf malzeme olarak cam elyafın önemi artmaktadır. Cam elyaf ülkemizde üretilmesi ve kolay temin edilebilirlik açısından dikkate alınmalıdır. Ayrıca üretilen numunelere fırınlama işlemi yapılması gerekliliği ortaya çıkmaktadır. 5. ÖNERİLER Söz konusu elyaf katkı malzemeleri farklı oranlarda aynı bileşiklerde kullanılarak hibrit kompozit olarak değerlendirilebilir. Elyaf takviyeli numunelerde maliyet dikkate alınarak cam elyaf oranının düşürülmesi yoluna gidilebilir.

7 TEKNOLOJİ, Yıl 6, Sayı 1-2, KAYNAKLAR 1. DHARANI, L.R., GOPAL, P. F., BLUM, D., Hybrid Phenolic Friction Composites Containing Kevlar(R) Pulp: Part I. Enhancement Of Friction And Wear Performance, Wear, 193, pp , ROBİNSON, J.W., MOGENSEN, G.E., PAKARD, K.D., HERMAN, J., SAE Paper LEROY, S., and FRI., Feasibility Analysis of Asbestos Replacement in Automobile and Truck Brake Systems, Mechanical Engineering, March MCLELLAN, R.G., IMECHE C451(88), 9-13, RHEE, S.K., JACKO, M.G., TSANG, P.H.S., Wear 146, 89-97, JACKO, M.G., TSANG, P.H.S., RHEE, S.K., Wear 133, 23-38, WİTAKER, R., WİRTH, A., Journal Application Physcics D, 38-43, DÖNMEZ, A.G., Asbest Dışı Elyaflarla Üretilen Balata Malzemelerinin Özelliklerinin İncelenmesi, Doktora tezi, Karadeniz Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Trabzon, TANAKA, K., UEDA, S., NOGUCHI, N., Fundamental Studies On The Brake Friction of Resin- Based Friction Materials, Wear, 23, , KENNEDY, F.E., Wear 100, , WİRTH, A., STONE, K., WİTAKER, R., SAE Paper JACKO, M.G., LEE, S.K., in:4th Ed., Kirk Otmer Encyclopedia of Chemical Technology vol. 4 Wiley, , LONGLEY, J.W., GARDNER, R., IMECHE C451(88), 31-38, JANG, H., KIM, S.J., The Effects of Antimony Trisülfide (Sb 2 S 3 ) and Zirconiumsilicate (Zrsio 4 ) in The Automotive Brake Friction Material on Friction Characteristics, Wear 239, pp , MUTLU, İ., Seramik Katkılı Asbestsiz Otomotiv Fren Balatası Üretimi ve Frenleme Karakteristiğinin Deneysel İncelenmesi, Doktora Tezi, Sakarya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Sakarya, Kasım TS 9076, Fren Balataları-Malzeme Sürtünme Özelliklerinin Küçük Deney Parçaları İle Değerlendirilmesi, T.S.E., 1. Baskı, Ankara, Nisan, 1991.