CAM ELYAF KATKILI DİSK FREN BALATALARINDA ZAMAN-SICAKLIK-SÜRTÜNME KATSAYISI İLİŞKİSİNİN İNCELENMESİ

Transkript

1 TEKNOLOJİ, Cilt 8, (2005), Sayı 1, TEKNOLOJİ ÖZET CAM ELYAF KATKILI DİSK FREN BALATALARINDA ZAMAN-SICAKLIK-SÜRTÜNME KATSAYISI İLİŞKİSİNİN İNCELENMESİ İbrahim MUTLU* Cengiz ÖNER** Recep KOÇ*** * Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi, Kahramanmaraş M.Y.O., Kahramanmaraş, Türkiye ** Fırat Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Elazığ, Türkiye *** Sakarya Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Makine Eğitimi A.B.D., Sakarya, Türkiye Otomotiv frenlerinde kullanılan balatalar birçok maddenin bileşiminden yapılır. Bir fren balatasından istenilen temel özellikler, standartlara uygun aşınma direnci, sürtünme katsayısıdır. Bunlara ilave olarak ekonomik olmalıdır. Frenleme sırasında sürtünme nedeniyle fren balataları aşırı ısınmaktadır. Aşırı sıcaklık nedeniyle balataların frenleme performansı değişebilmekte veya balatalar mekanik deformasyona uğramaktadır. Fren balatalarında temel yapı elemanı olarak kullanılan asbestin çevre kirliliği ve insan sağlığı üzerindeki olumsuz etkileri nedeniyle son zamanlarda asbestsiz fren balatası üretimi artmıştır. Bu çalışmada üretilen fren balatasında cam elyaf kullanılmıştır. Test düzeneğinde sürtünme katsayısı-sıcaklık değişimi ve aşınma deneyleri yapılmıştır. Üretilen fren balatalarının deneylerinden elde edilen sonuçlar tüm etkenler dikkate alınarak değerlendirilmiştir. Anahtar Kelimeler: Aşınma, Fren Balatası, Sürtünme, Sürtünme Malzemesi. THE INVESTIGATION OF THE RELATION AMONG TIME-TEMPERATURE AND FRICTION COEFFICENT OF THE DISC BRAKE LINING THAT HAS ADDITIONAL GLASS FIBRES ABSTRACT Brake linings which are used in automotive disks are usually composed of various components. The expected properties from a brake lining are appropriate standard value of wear resist and friction coefficient. Also ıt must be economical. Brake lining extremely warms up during braking due to friction. The braking performance of braking lining has been changeable or braking lining has been undergone to mechanical deformation due to excessive temperature. Recently, the production of brake lining containing non-asbestos that is used as a basic structure element in brake lining have been increased because of the environmental pollution and negative health effects of asbestos. In this study, glass fibre was used to the produced brake lining. The wear tests and the friction coefficient change experiments with temperature have been studied by prepared equipment. The results of tests and experiments have been compared with the opinion of all effects. Key Words: Brake Lining, Friction Materials, Friction, Wear 1. GİRİŞ Son yıllarda, fren balatalarında yüksek sürtünme katsayısı, iyi aşınma dayanımı ve ısıl direnç konularında önemli gelişmeler sağlanmıştır. Kompozitlerin tribolojik özelliklerindeki iyileşme kompozit formulasyonu ve çalışma parametrelerine bağlıdır. Organik balatalarda anahtar içerik olan asbestin çevre kirliliği ve sağlığa olumsuz etkisinden dolayı sürtünme malzemesi üreticileri asbestin yerine sağlığa ve çevreye zararı olmayan sürtünme malzemeleri üretmeye çalışmışlardır. Yapılan çalışmalarda cam elyaf, aramid fiber, çelik yünü ve diğer fiberler de kullanılmıştır. Genelde bu fiberlerle geliştirilmiş sürtünme malzemeleri, sürtünmede istenen özellikleri karşılamışlar ancak asbestsiz formulasyonların çoğunda frenleme performansı ve ses konforundaki farklılıklarla birlikte maliyet ön sıralarda yer almıştır [1].

2 102 Cam Elyaf Katkılı Disk Fren Balatalarında Zaman-Sıcaklık-Sürtünme... Fren balatalarında yapılan çalışmalarda bileşenlerin oranları arasındaki ilişkinin sürtünme ve aşınma gibi tribolojik özelliklere etkisi araştırılmıştır [2,3]. 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. Buradan takviye malzemesinin sürtünme katsayısının değişmesinde etkili olduğu sonucu çıkarılmıştır [4,5]. Sürtünmeyi etkileyen çalışmalarda sürtünme performansının belirlenmesinde çok önemli rol oynamalarına rağmen özellikle aşındırıcılar, katı yağlayıcılar ve diğer katkı maddeleri gibi bir çok maddenin sürtünme performansındaki rolü hakkında bilgi sınırlı olarak açıklanmıştır [6,7]. Sürtünme malzemelerinin ticari öneminden ve tescilli olmasından dolayı sürtünme malzemelerinin içeriklerini literatürde bulmak oldukça zordur [8]. Fren balatalarındaki gelişmelerde önemli bir nokta balataların sıcaklığa bağlı mekanik ve kimyasal özelliklerinin azaltılmasıdır. Aksi durumda bir fren balatası sık sık fren zayıflaması (fade) gösterir yani yüksek sıcaklıkta sürtünmede birden düşüş görülür. Fenolik reçinenin sahip olduğu sürtünme sıcaklığı termal bozulma veya organik bileşiklerin sıvılaşmasına yani fadenin oluşmasına sebep olur [9,10]. Fren balatalarında fren zayıflamasını engellemek için birkaç çeşit metalik toz ilave edilebilir [11]. Son zamanlarda Handa ve Kato, bakır tozu, cashew dust ve baritin aşınma oranı ve fade ye etkisini beş karışım maddesi içeren basit formulasyon kullanarak çalışmıştır. Sürtünme testi pad-on-disk tipi test cihazıyla yapılmış ve sürtünme karakteristiğindeki farklılıklar karşılaştırılmıştır. Frenleme olayına neden olan mekanik frenleme analizlerinde yeni cihazlar ve çeşitli hesaplama teknikleri kullanılmıştır. Fren uygulaması sırasında frenleme performansı, sertlik ve titreşim gibi frenleme konforunu etkileyen etkenlerin anlaşılmasına çalışılmıştır [12,13]. Asbest içermeyen malzemeler fren sistemi gelişimine ve dizaynına değişik yapılar ve karışıklıklar getirmiştir. Çünkü bu maddeler farklı ve beklenmedik sürtünme özelliklerine sahiptir. Fren sisteminde sürtünme malzemelerinin, farklı sürtünme karakteristiklerine sahip sürtünme malzemeleri ile değiştirilmesi sonucu aktivasyon enerjisi yetersiz kalacağından frenleme mesafesinin uzayacağı bildirilmiştir. Asbest içermeyen sürtünme malzemelerinin en azından aynı frenleme karakteristiğine sahip olması gerektiği bu yüzden fren sistemi elemanlarının yeniden düzenlenmesi gerekebileceği belirtilmiştir [14]. 2. MATERYAL VE METOD Üretilen asbestsiz balataların mekanik ve tribolojik özelliklerini güçlendirmek için kullanılan malzemeler yüksek sıcaklıkta termal bozulmayı önleyecek yüksek sürtünme katsayısı ve aşınma direnci sağlayacak şekilde seçilmiştir. Elyaf katkı olarak kullanılan cam elyafın komponent içerisindeki % oranları değiştirilmiştir. Cam elyaf oranın orta değerlere çekilerek %10 fenolik reçine %10 sıvı reçinenin kullanılmış %18 pik tozu katkılı farklı bir numune üretilmiştir. Buna ilave olarak cam elyafı oranının %2 ye indirilerek pik tozu oranının %35 e çıkarıldığı diğer bir numune daha üretilerek frenleme özellikleri incelenmiştir. Üretilen balatalar organik balatalar grubunda olup bağlayıcı malzemeye göre asbestsiz, üretim metoduna göre presleme yoluyla üretilmiştir. 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, BG442 kodlu numunelerdir.

3 TEKNOLOJİ, Cilt 8, (2005), Sayı Deney Düzeneği Tablo 1. Numunelerin Karışımdaki Malzeme Oranları (Kütlesel) Elementler CF11 CF112 BG44 BG442 FF55 Cam Elyaf Pik Tozu Grafit SiC Cashew Barit F.Reçine Sıvı Reçine Tanen Diğerleri 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]. Şekil 1. Deney Düzeneği 2.3. Deney Şartları 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]. 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.

4 104 Cam Elyaf Katkılı Disk Fren Balatalarında Zaman-Sıcaklık-Sürtünme BULGULAR Bu çalışmada cam elyaf kullanılarak üretilen asbestsiz balataların sabit yükte zamana bağlı olarak sürtünme katsayısı-sıcaklık arasındaki ilişki incelenmiştir. Özgül aşınma grafiği incelendiğinde cam elyaf oranı fazla olan numunede aşınma daha fazla cam elyaf oranı az olan numunelerde aşınma daha az olmuştur. Cam elyaf oranı fazla olan numunede zamana bağlı olarak sıcaklık artışı daha hızlı olmuştur. Fırınlama işlemine tabii tutulmuş numunelerde sürtünme katsayısında titreşim daha az görülmüştür. Özgül Aşınma (x10-8) CF11 CF112 BG44 BG442 FF55 Şekil 2. Üretilen Numunelerde Özgül Aşınma Miktarı (cm 3 /Nm) Tablo 2. Elyaf Takviyeli Numunelerin Sertlik, Yoğunluk Ve Özgül Aşınma Değerleri Numune Adı Brinell Shore Yoğunluk Özgül Aşınma Sertliği Sertliği (gr/cm 3 ) (cm 3 /Nm) CF11 23,76-1,919 12,9x10-8 CF112 13, ,019 9,07x10-8 BG44 16, ,695 5,34x10-8 BG442 30,29-1,673 5,36x10-8 FF55 22,03-2,056 5,24x Sıcaklık Değişimiii ,5 5 7, , ,5 Zaman (dk) CF11 CF112 BG44 BG442 F Şekil 3. Sıcaklık Değişimi-Zaman Grafiği

5 TEKNOLOJİ, Cilt 8, (2005), Sayı ,75 Sürtünme Katsayısı 0,65 0,55 0,45 0,35 0 2,5 5 7, , ,5 Zaman (dk) CF11 CF112 BG44 BG442 FF5 Şekil 4. Sıcaklık Değişimi-Zaman Grafiği (a) (b) (c) Şekil 5. Üretilen Balataların Mikro Yapı Resimleri A) CF Kodlu B) BG Kodlu C) FF Kodlu

6 106 Cam Elyaf Katkılı Disk Fren Balatalarında Zaman-Sıcaklık-Sürtünme SONUÇLAR Kullanım şartlarına bağlı olarak dolgu maddesi, katı yağlayıcı ve komponenti oluşturan diğer bileşenlerden matristen ayrılanlar cam elyafların uçlarında toplanarak sürtünme ara yüzeyinde bir film tabakası oluşturmuşlar ve sürtünme katsayısında bu film tabakasının oluşması ve parçalanması arasında sürtünme katsayısında titreşime neden olmuştur. Sürtünmeden dolayı sıcaklık artışıyla reçinelerin ayrışması ve elyafmatris bağının zayıflaması sonucu oluşan elyaf çekilmesinden cam elyaf oranı yüksek olan numunede özgül aşınma artmıştır. Elyaf oranının az olduğu numunelerde söz konusu duruma bağlı olarak özgül aşınma daha az olmuştur. 5. ÖNERİLER Yapılan çalışmalarda elyaf katkı oranı azaltılan numunelerde kırılganlığın daha fazla olduğu görülmüştür. Bu sebeple kırılganlığını azaltacak katkı maddeleri ilavesi düşünülebilir. KAYNAKLAR 1. Washabaugh, F.J., Emcor 66 Ultra-Short Fibers For Asbestos-Free Friction Materials, SAE , Rhee, S. K., Wear Equation For Polymers Sliding Against Metal Surfaces, Wear, 16, Pp , Jacko, M.G., Tsang, P.H.S., Rhee, S.K., Automotive Friction Materials Evolution During The Past Decade, Wear 100, , Dönmez, A.G., Asbest Dışı Elyaflarla Üretilen Balata Malzemelerinin Özelliklerinin İncelenmesi, Doktora Tezi, Karadeniz Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Trabzon, Tanaka, K., Ueda, S., Noguchı, N., Fundamental Studies On The Brake Friction Of Resin-Based Friction Materials, Wear, 23, , Jacko, M.G., Lee, S.K., İn:4th Ed., Kirk Otmer Encyclopedia Of Chemical Technology Vol. 4 Wiley, , Longley, J.W., Gardner, R., IMECHE C451(88), 31-38, Jang, H., Kım, 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 , Jacko, M.G., Physical And Chemical Changes Of Organic Disk Pads İn Service, Wear 46, , Lee, K., Barber, J.R., An Experimental Invertigation Of Frictionally Excited Thermoelastic Instability İn Automotive Disk Brakes Under A Drag Brake Application, Asme Jour. Of Trib., 116, , Handa, Y., Kato, T., Effects Of Cu Powder, Baso 4 And Cashew Dust On The Wear And Friction Characteristic Of Automotive Brake Pads, Tribology Transactions, Vol.39, Pp , Kennedy, F.E., Wear 100, , Wirth, A., Stone, K., Witaker, R., Sae Paper Leroy, S., And Fri., Feasibility Analysis Of Asbestos Replacement In Automobile And Truck Brake Systems, Mechanical Engineering, March 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.