INVESTIGATION OF EFFECT OF POWDER MIXING TIME ON BRAKING CHARACTERISTIC IN BRAKE LINING MANUFACTURE

Transkript

1 5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 09), Mayıs 2009, Karabük, Türkiye FREN BALATASI ÜRETİMİNDE TOZ KARIŞTIRMA SÜRESİNİN FRENLEME KARAKTERİSTİĞİNE ETKİSİNİN ARAŞTIRILMASI INVESTIGATION OF EFFECT OF POWDER MIXING TIME ON BRAKING CHARACTERISTIC IN BRAKE LINING MANUFACTURE İlker SUGÖZÜ* ve İbrahim MUTLU Afyonkarahisar Kocatepe Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Makine Eğitimi Bölümü, 03200, Afyonkarahisar Özet Fren balata malzemeleri çok ince tozlar halindeki metal veya metal dışı malzemelerin karıştırılması, ön şekillendirme ve sıcak presleme işlemlerini kapsayan üretim prosesinden oluşmaktadır. Fren balata üretiminde bu yöntemin tercih edilmesinin temel nedeni farklı özelliklere sahip karışım malzemelerinin özelliklerini yitirmeden üretiminin gerçekleştirilebilmesidir. Kompozit malzemelerde homojenliğin sağlanmasında karıştırma süresi etkili olmaktadır. Bu çalışmada, aynı oranlara sahip içerikler dakika karıştırma süresinde hazırlanan balataların frenleme performansları deneysel olarak incelenmiş ve karıştırma süresinin performansa etkileri belirlenmiştir. 5 dakika karıştırma süresinde sürtünme katsayısı düşük çıkmıştır. 15 dakika karıştırma süresi 10 dakika karıştırma süresi ile yakın değerler göstermiştir. En uygun karıştırma süresi 10 dakika olarak belirlenmiştir. Anahtar Kelimeler: Toz metalürjisi, Sürtünme, Aşınma, Abstract Brake lining materials consist of production process that contains mixing metal or nonmetallic materials that very fine powders preliminary form and hot-press. The basic reason of preferring of this method on brake lining manufacture is carried out to produce mixing ingredients that has different properties without lost its characteristics. Mixing time is effective to provide the homogeneity of composite materials. In this study, braking performances of brake linings that prepared in with the same content minutes mixing times were carried out experimentally and the effects of mixing time on performance were determined. The friction coefficient was low in 5 minutes mixing time. 15 minutes mixing time is shown close values with 10 minutes mixing time. The best mixing time is determined as 10 minutes. Key Words: Powder metallurgy, Friction, Wear. 1. Giriş Günümüzde, insan sağlığını tehdit eden asbest esaslı sürtünme malzemelerinin yerine asbeste alternatif, geniş çalışma aralığında yüksek performans sergileyebilen ve insan sağlığını tehdit etmeyen sürtünme malzemeleri üretilmeye çalışılmaktadır [1,2]. Sürtünme malzemelerini belirlerken yüksek sürtünme katsayısı ve iyi aşınma direnci sergilemesi istenir. Ancak sürtünme katsayısı değerini yüksek sıcaklıklarda ve sabit bir sürtünme katsayısı değerini muhafaza etmesi beklenir. Bunlara ilaveten iyi bir fren çifti oluşturması ve termomekanik karşı mukavim olması gerekir [3,4]. Balatalar, gösterdiği performansı geniş bir hız, basınç ve sıcaklık aralığında tüm şartlarda ve tekrar kullanıma bağlı olmaksızın yineleyebilmelidir. Sürtünme sırasında oluşan sıcaklık artışından dolayı oksitlenmeye karşı dayanıklı, çatlama ve ısıl yorulmaya karşı dayanımı yüksek olmalıdır. Kullanım sırasında uygulanan basınç ve oluşan kesme gerilmesine karşı yeterli mukavemete sahip olmalı, üretimi kolay ve sürekli aynı kalitede üretime uygun olmalı ve ısı iletimi düşük olmalıdır [5,6,7,8]. Tüm bu özelliklerin sağlanabilmesi amacıyla farklı özelliklere sahip malzemeler kullanılarak çoğunluğu patentli balata formulasyonları geliştirilmiştir [5,9]. Genel olarak balata malzemeleri üzerine yapılan çalışmalar kompozisyonun değiştirilerek istenen özelliklerin sağlanması üzerine yoğunlaşmıştır. Bunun yanında fren balata malzeme özelliklerinin üretim parametrelerine ve tane boyutlarına bağlı olarak büyük ölçüde değiştiği yapılan çalışmalar ile görülmüştür. Balata kompozisyonları aynı olsa bile farklı üretim parametreleri ile üretilen balatalar farklı özellikler sergileyebilmektedir. Bu yüzden bir balata malzemesi tasarımında kompozisyon, üretim ile birlikte bir bütün olarak incelenip araştırılmalıdır. Kompozit üretiminde karşılaşılan en büyük problem, takviye elemanının matris içerisindeki homojen dağılımını sağlamak ve takviye malzemesi ile matris ara yüzey bağını arttırmaktır [10]. Karıştırma şekli ve süresi, takviye elemanının matris içerisindeki dağılımını, tozların boyutunu ve diğer bazı özelliklerini belirlemede etkili olmaktadır [11]. Karıştırma işlemi segregasyonu önlemek açısından çok dikkatli bir şekilde yapılmalıdır. Segregasyonu önlemek için karışıma genellikle yağlayıcı (grafit gibi) eklenir [12] ve düşük viskoziteye sahip olan toz veya sıvı (sıvı reçine gibi) komponentlerin homojen karışması için karıştırıcı kollar ile kesici bıçakların birlikte karıştırma işlemini gerçekleştirmesi gerekir[13]. Karıştırma işleminin tipi çoğunlukla karışımı oluşturan malzemelerin türüne bağlıdır. Özellikle yoğunlukları, partikül boyutları ve bazen yüzey karakteristikleri ve şekilleri önemli farklılıklar gösteren toz bileşenlerde karıştırma işlemi zor olabilmektedir [14]. Bu çalışmada balata üretimi sırasında toz karıştırma süresinin sürtünme ve aşınmaya etkisi araştırılmıştır. Bu amaç çerçevesinde 3 farklı karıştırma süresine sahip numuneler üretilmiş ve üretilen numunelerin sürtünme ve sıcaklık üzerinde ki etkisi incelenmiştir. IATS 09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye

2 2. Materyal ve Metot 2.1. Balata Üretimi Fren balatasının performansını etkileyen birçok parametre vardır. Bu parametrelerden biriside balatanın homojenliğini sağlamada önemli faktörlerden olan karıştırma süresidir. Aynı içerik oran ve miktarlarına sahip balatayı oluşturan toz malzemeler farklı karıştırma süreleri kullanılarak üretim parametreleri değiştirilmiştir. Karıştırma süresinin sürtünme ve aşınmaya etkisinin araştırılması için üç farklı balata üretilmiştir. Tablo 1. Karışımdaki Malzeme Oranları (% Kütlesel) Numune Kodu T5 T10 T15 Reçine Bakır Al 2O Cashew Grafit Pirinç Tozu 2,5 2,5 2,5 Barit 42,5 42,5 42,5 TOPLAM Tablo 1 de balata içeriğini oluşturan malzemeler görülmektedir. Bu malzemeler 0,001g hassasiyetinde tartılarak toz karıştırıcı mikserin hareketli haznesine dolduruldu. Toz karıştırıcı mikserin içine konulan malzemeler 5, 10, 15 dakika gibi farklı süre ile toz karıştırıcı mikserde karıştırıldı (Şekil 1). Soğuk şekillendirme işleminden sonra sıcak presleme aşamasına geçildi. Sıcak şekillendirme için sıcaklık kontrollü presin alt ve üst tablası 180 C sıcaklığa çıkarıldı. Sıcak pres kalıbına yerleştirilmiş balata numuneleri 180 C sıcaklıkta 15MPa basınçta 10 dakika preste tutularak 60 saniye aralıkla havalandırılması yapılarak pişirilmiştir. Bu sayede malzeme bünyesinde bulunan suyun ve sıcaklık neticesinde balata bileşenlerinin oluşturduğu reaksiyonlar sonucu meydana gelen buharların ve gazların dışarı atılması sağlanmıştır. Numunenin kalıp zımba yüzeyine yapışmasını önlemek için özel bir sıvı kullanılmıştır. Kalıptan çıkartılan numuneler ortam sıcaklığında soğumaya bırakıldı. Her balata malzemesinden dört tane üretilmiştir. Balata üretim parametreleri Tablo 2 de verilmiştir. İşlemler Tablo 2. Balata üretim parametreleri Üretim Parametreleri T5 T10 T15 Karıştırma Zaman (dak) Soğuk Şekillendirme Sıcak Şekillendirme Zaman (dak) Sıcaklık( 0 C) sıcaklığı sıcaklığı Basınç (MPa) Zaman (dak) Sıcaklık( 0 C) Basınç (MPa) Sıcaklığı 2.2. Deney Düzeneği Şekil 1. Deneylerde kullanılan toz karıştırma cihazı Karıştırma işleminden sonra soğuk şekillendirme için hazırlanan 25,4x25,4mm ebatlarında kalıplara dökülerek ortam sıcaklığında, 2 dakika süre ile 10 MPa basınçta balatanın ön şeklini oluşturmak için soğuk preste şekillendirildi. Üretimleri tamamlanan numunelerin zamana bağlı olarak sürtünme katsayısı ve sıcaklık karakteristiklerinin belirlenmesinde Şekil 2 de verilen sürtünme katsayısı test cihazı kullanılmıştır. Test cihazında, fren kuvveti, hidrolik sistem basıncı, balata yüzey sıcaklığı değerleri deney esnasında bilgisayar ortamına aktarılabilmektedir. Deney düzeneğinde dönme sırasında balata ile fren diski arasındaki sürtünme kuvvetini ölçmek için loadcell kullanılmıştır. Böylece diskin dönmesi sırasında fren balatasına uygulanan basınçtan doğan sürtünme kuvveti yüzünden balatanın da disk ile beraber dönme isteği dikkate alınarak oluşan döndürme kuvveti elektronik olarak ölçülmüştür.

3 Şekil 2. Balata test cihazı Deney düzeneği üzerinde istenilen hız ve devirlerde deney yapılabilmesi için invertör kullanılmıştır. Deneylerin standartlara uygun olarak yapılabilmesi için deney düzeneğine disk yüzey sıcaklığını belirlemek için her saniyede veri alabilen, -50 ile 1000 o C aralıklarında çalışabilen İnfrared termometre mevcuttur. Deney işlemlerinde 116 HB (41.86 HRA) sertlikte ve 280 mm çapında gri dökme demirden üretilmiş standart fren diski kullanılmıştır. 3. Bulgular Deneyler sırasında bilgisayar ortamına aktarılarak elde edilen verilerin grafikleri çizdirildi. Şekil 3 de görüldüğü gibi birim alana düşen aşınma miktarında T15 kodlu olan numune daha az aşınmıştır. T5 kodlu numune daha fazla aşınmıştır. T10 kodlu numune orta aşınmıştır Deney Şartları Deneyler 1,05 MPa'lik balata yüzey basıncın da ve 6 m s -1 hızda yapılmıştır. Üretilen balatalar, numune yüzeyinin % 95'i disk yüzeyine temas edinceye kadar 0,7 MPa basınç altında 3m s -1 hızda çalıştırılmıştır. Deneyler esnasında alınan sürtünme katsayısı ve sıcaklık değerleri, aynı karışım ve özelliklerine sahip üretilen üç numuneden alınan değerlerin aritmetik ortalamasıdır. Her numune için sürtünme katsayısı, 6 m s -1 hızda 1,05 MPa basınç altında 50 C sıcaklıktan 400 C sıcaklığa kadar 1 saniye aralıklarla kaydedilmiştir. İstenilen sıcaklık değerinin elde edilemediği durumlarda diskin ısınması gerektiğinde diskin yüzeyine yakın yerleştirilen sıcaklık ayarlı elektrikli ısıtıcı çalıştırılmıştır. Aşınma deneylerinde balata numuneleri 1,05 MPa basınç altında yaklaşık 3000 m yol yaptırılarak hesaplanmıştır. Şekil 3. Farklı karıştırma süreli numunelerde birim aşınma miktarı Şekil 4. T5, T10, T15 numunelerin 1,05 MPa basınçta sürtünme katsayısı grafiği

4 Şekil 5. T5, T10, T15 numunelerin 1,05 MPa basınçta sıcaklık değişim grafiği 1,05 MPa basınç altında sürtünme katsayılarının belirlenmesinde 50 C den başlatılarak 400 C ye kadar 50 C aralıklarla alınan değerler grafiğe aktarılmıştır. Bu grafikler incelendiğinde T10 ve T15olan numuneler daha az dalgalı sürtünme katsayısı verdiği görülmektedir. T10 kodlu numunenin daha yüksek ve stabil sürtünme katsayısı verdiği gözlemlenmiştir. T10 kodlu numunenin 1,05 MPa basınç altında sıcaklık artışı ile sürtünme katsayısındaki yükselme daha fazla olduğu görülmektedir. Söz konusu numunenin fade başlangıç sıcaklığı 400 C civarındadır. 1,05 MPa basınç altında sürtünme katsayı ve sıcaklık grafikleri Şekil 4 ve Şekil 5 te görülmektedir. 4. Sonuçlar Üç farklı karıştırma süresinde hazırlanan, sıcak presleme yöntemiyle üretilen balata örneklerinde, T10-T15 numunelerinin sürtünme katsayıları birbirlerine yakın değerlerde bulunmuştur. Aşınma açısından en fazla aşınma, kütle bazında T5 numaralı örnekte, en az ise T15 numaralı örnekte elde edilmiştir. T10 numaralı örnek T15 numaralı örnekle yakın bir aşınma değeri göstermiştir. 10 dakikalık karıştırma süresine sahip olan numunenin aşınma ve sürtünmeye olumlu etkisi olduğu söylenebilir. Yapılan bu çalışma ile polimer matrisli fren balata malzemelerinin kompozisyonunu oluşturan komponentlerin üretim parametrelerini oluşturan toz karıştırma süresinin sürtünme performansı bakımından önemli olduğu deneyler sonucu ortaya çıkarılmıştır. Kullanılan bu içerikler için optimum karıştırma süresinin 10 dakika olduğu, 5 dakikalık karıştırma süresinin homojen yapı oluşturmada yetersiz kaldığı ve heterojen yapıdan dolayı sürtünme katsayısı ve aşınma miktarında olumsuz sonuçlar gösterdiği düşünülmektedir. Bu deneysel çalışmada kullanılan malzemeler için 15 dakikalık karıştırma süresinin fazla enerji ve zaman kaybına yol açtığı 10 dakika ve 15 dakika karıştırma süreleri uygulanan numunelerin sürtünme katsayısı değerlerinin paralellik arz ettiği görülmüştür. Yine bu iki numunenin aşınma miktarlarında çok küçük fark oluşmuştur, bu fark ihmal edilebilecek seviyededir. Sonuç olarak polimerik kompozit sürtünme malzemelerinin üretiminde 10 dakikalık karıştırma süresi sürtünme katsayısı ve aşınma değerleri için olumlu sonuç vermiştir. Teşekkür Bu çalışma 106M006 nolu TÜBİTAK projesi kapsamında gerçekleştirilmiştir. Desteklerinden dolayı TÜBİTAK a teşekkür ederiz. Kaynaklar [1] Gemalmayan, N., Hava Kirliliğinde Gizli Tehlike Asbest, Tübitak Bilim ve Teknik Dergisi, Cilt 16, 32-33, [2] Gemalmayan, N., Sürtünme Malzemelerinin Özelliklerinin Deneysel İncelenmesi, Doktora Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, [3] Reinsch, E. W., Sintered metal brake linings for automotive applications, Delco-Moraine division, General motors corp dayton, Ohio, cilt 2 sayfa 9-21, [4] Gediktaş, M., Sürtünme malzemelerinin deneysel tayini, İstanbul Teknik Üniversitesi Matbaası, Gümüşsuyu, İstanbul, [5] Bijwe, J., Composites as a Friction Material: Recent Developments in Non-Asbestos Fiber Reinforced Friction Materials-A Review, Polymer Composites, 18, 3, , 1997 [6] Stocks, A. I., Giezendanner, H. R., Van-Der-Hurk, H., Asbestos-Free Clutches and Brakes Reinforced with Kevlar-Aramid Fibers, Int. J. of Vehicle Design, 6, 4/5, , 1985 [7] Fazan, P., Giezendanner, H. R., Van-Den-Hurk, H., Engineering Products of Kevlar Para-Aramid Pulp for Hİgh Performance Brake Linings, 6th SAE Annual Colloquium, 1-25, 1988 [8] Yamaguchi, Y., Tribology of Plastic Materials, Tribology Series, Vol.16, 1st ed. Elsevier, Netherlands, 1990 [9] Smales, H., Friction Materials-Black Art or Science, Proceedings of The Institution of Mechanical Engineers-Part D, J. of Automotive Engineering, 209, 3, , 1995 [10] Şahin S., Özdemir İ., Ünlü B. S., T/M yöntemi ile üretilmiş Al-SiCp kompozitlerde üretim parametrelerinin aşınma davranışına etkisi, 3rd International Powder Metallurgy Conference September 4-8, Turkish Powder Metallurgy

5 Association Gazi University, Ankara, TURKEY, pp , [11] Yetgin S. H., Aydın M., Aksoy A., Ünal R., The effect of the mixer type and ratio of reinforcement particle on the mechanical properties of NbC reinforced Al composite material produced via powder metallurgy, EURO PM2005 Congress And Exhibition, Prague, Czech Republic, p: , [12] Kuhn, H.A., Lawley, A. Powder Metallurgy Processing New Techniques and Analyses, Academic Press, New York, San Francisko, [13] Oehl,K.H. and H.G.Paul. Brake Linings for Road Vehicles.Verlag Moderne Industrie AG&Co,D- 8910,Box 1751,Germany.p [14] Mutlu, İ., Seramik Katkılı Asbestsiz Otomotiv Fren Balatası Üretimi Ve Frenleme Karakteristiğinin Deneysel İncelenmesi, Doktora Tezi, Sakarya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Sakarya, Kasım [15] Ertan, R., Yavuz, N., Polimer Matriksli Fren Balata Malzemelerinin Kompozisyon ve Üretim Parametreleri Açısından Değerlendirilmesi, Uludağ Üniversitesi Müh.-Mim. Fak. Makina Müh. Böl., Cilt : 47 Sayı: 553 SUGÖZÜ, İ ve MUTLU, İ.