Kızılçam Kozalağı Tozu İçeren Fren Balatası Üretiminde Sıcak Presleme Basıncının Tribolojik Özelliklere Etkisi Kürşat KAHYA 1 *, İlker SUGÖZÜ 2, Hüseyin ŞEVİK 3 Özet: Günümüze kadar yapılan araştırmalara göre otomotiv fren balatasının sürtünme-aşınma özellikleri; aracın sürüş koşulları, balatanın içeriği ve balatanın üretim parametreleri gibi çeşitli faktörlere bağlı olarak değişmektedir. Bu çalışmada, balata üretim parametrelerinden sıcak presleme basıncının, balatanın tribolojik özelliklerine etkisi araştırılmıştır. Aynı içeriğe sahip üç adet numunenin diğer üretim parametreleri aynı kalmak koşuluyla sıcak presleme için birincisi 100 bar, ikincisi 125 bar, diğeri ise 150 bar basınç uygulanarak üretilmiştir. Üretilen numunelerin sürtünme karakteristikleri pin-on-disk tipi sürtünme test cihazı kullanılarak elde edilmiştir. Numunelerin özgül aşınma oranı, sertlik ve yoğunluk değerleri belirlenerek birbiriyle kıyaslanmıştır. Buna göre üretilen balataların standartlara uygun olduğu ve sıcak presleme basıncının ise frenleme performansında etkili olduğu sonucuna varılmıştır. Anahtar Kelimeler: Kızılçam kozalağı, Fren balatası, Sürtünme, Aşınma, Triboloji The Effect to Tribological Properties of the Hot Pressing Pressure in the Production of Brake Lining Containing Pinus Brutia Cone Dust Abstract: According to researches carried out to date, the tribological behaviors of the brake lining change depending on various factors, such as driving conditions, brake lining formulation and manufacturing parameters. In this study, the effect to tribological properties of the hot pressing pressure, which is one of the lining production parameters was investigated. For the hot pressing, on the condition that other production parameters should be same, the three samples with the same content were produced by applying hot press respectively the first 100 bar, the second 125 bar and the other 150 bar. The friction characteristics of the produced samples were obtained by using pin-on-disk type friction tester. The specific wear rate of the samples was compared with each other and also their hardness and density values were determined. It is concluded that the produced pads according to this practice comply with the standards and the hot-pressing pressure is effective in braking performance. Key Words: Pinus brutia cone dust, Brake lining, Friction, Wear, Tribology 1 GİRİŞ Toz metalurjisi (TM) imalat tekniğinin kullanımı gün geçtikçe mühendislik malzemelerinin üretiminde artmaktadır. Toz teknolojisindeki gelişmeler, farklı presleme teknikleri ile kompleks şekilli parçaların yüksek üretim hızında, yüksek kalitede, düşük boyutsal toleransta ve ekonomik olarak üretimine olanak sağlamaktadır. TM üretim tekniğinin temel avantajlarından birisi, diğer üretim yöntemleri ile üretilmesi zor olan malzemelerin üretilebilmesidir [1-4]. TM yöntemi bir kalıp içerisinde tozların preslenmesi ve toz parçacıklarının bağlanmasını sağlamak için sinterlenme basamaklarını içerir. TM yöntemi, preslemesinterleme veya sıcak presleme uygulanarak birçok şekilde metal matrisli kompozitin (MMC) üretildiği büyük bir endüstridir. Toz metalurjisi ürünleri basit silindirik miller, yataklar, filtreler, dişli çarklar gibi girift parçaların üretimini de kapsar [5-7]. TM yöntemleri ile presleme genellikle oda sıcaklığında yapılmaktadır. Son yıllarda oda sıcaklığı üzerindeki ortamlarda da sıcak presleme ile parça üretimi yapılmaktadır. Yapılan bazı çalışmalarda, daha düşük presleme basınçlarında oda sıcaklığına göre daha yüksek ham yoğunluğun daha az sürtünme (kalıp duvarı sürtünmesi) ile elde edildiği görülmüştür [8]. Bu çalışmada; balata üretim parametrelerinden sıcak presleme basıncının balata üzerindeki etkisini incelemek amacıyla aynı içerikli üç numune üç farklı presleme basıncı uygulanarak (100, 125 ve 150 bar) üretilmiş ve üretilen numunelerin tribolojik özellikleri incelenmiştir. 2 MATERYAL VE METOT 2.1 Numune Üretimi Balataların üretiminde asbest içermeyen takviye malzemeleri kullanılmıştır. Üretim esnasında malzeme oranları belirlemede kütlesel oran esas alınmıştır. Tablo 1 de belirlenen oranlarda hazırlanan karışımların homojenliğini sağlamak için 300 dev/dk hızda 10 dakika mikserde karıştırılmıştır. Soğuk presleme işlemi, 25,4 mm çapında bir kalıpta, 80 bar basınçta, 2 dakika sıkıştırma ile tamamlanmıştır. Ön şeklini almış balata numuneleri 100, 125 ve 150 bar gibi farklı basınçlarda 150 C sıcaklıktaki pişirme kalıbında 60 saniye aralıklarla havalandırılması yapılarak 10 dakika sürede pişirilmiştir. Böylece sıcaklık neticesinde balata bileşenlerinin oluşturduğu reaksiyonlar sonucu meydana gelen buharların ve gazların dışarı atılması sağlanmıştır.
Tablo 1. Numune içeriği Malzeme Kütlesel (%) Fenolik reçine 12 Kızılçam kozalağı tozu 8 Çelik yünü 15 Grafit 7 Maun cevizi (cashew) tozu 10 Pirinç talaşı 5 Bakır talaşı 8 Alümina 5 Barit 30 devir/dk hızda, 7 bar basınç altında, 1 saniye aralıklarla 600 saniye kaydedilmiştir ve sürtünme katsayısı-zaman grafiklerine dönüştürülmüştür. Böylece TS 555 [9] da fren balatalarının sürtünme katsayısının belirlenmesinde uygulanan basınç sabit olarak uygulanmış olup hiçbir dış etkiye maruz kalmadan sürtünme katsayısı ve zaman değişimi incelenmiştir. Her balata numunesine ait deney sonunda balata hassas terazide tartılarak kütle kaybı bulunmuştur. Balata üretim parametreleri Tablo 2 de verilmiştir. 100, 125 ve 150 bar sıcak presleme basıncı uygulanan numuneler sırasıyla B1, B2 ve B3 olarak kodlanmıştır. Tablo 2. Numunelerin üretim parametreleri İşlemler B1 B2 B3 Karıştırma Zaman (dk) 10 Soğuk Şekillendirme Sıcak Şekillendirme 2.2 Deney Düzeneği Zaman (dk) 2 Sıcaklık ( C) Ortam sıcaklığı Basınç (bar) 80 Zaman (dk) 10 Sıcaklık ( C) 150 Basınç (bar) 100 125 150 Numunelerin sürtünme katsayısı-zaman karakteristiklerinin belirlenmesinde Şekil 1 de verilen sürtünme katsayısı, fren kuvveti, hidrolik sistem basıncı, balata yüzey sıcaklığı değerlerini deney esnasında bilgisayar ortamına aktarabilen deney seti kullanılmıştır. Deney düzeneğinde dönme sırasında balata ile fren diski arasındaki sürtünme kuvvetini ölçmek için yük hücresi kullanılmıştır. Böylece diskin dönmesi sırasında fren balatasına uygulanan basınçtan doğan sürtünme kuvvetinden dolayı balatanın da disk ile beraber dönme isteği dikkate alınarak, döndürme kuvveti elektronik olarak ölçülmüştür. Deney düzeneğindeki fren diskinin istenilen hız ve devirlerde kullanılabilmesi için hız ayarlayıcı mevcuttur. Deneylerin standartlara uygun olarak yapılabilmesi için deney düzeneğine disk yüzey sıcaklığını belirlemek için her saniyede bir veri alabilen, -50 ile 1000 C aralıklarında çalışabilen temassız (IR) termometre konulmuştur. Deney işlemlerinde 116 HB (41.86 HRA) sertlikte ve 280 mm çapında gri dökme demirden üretilmiş fren diski kullanılmıştır. 2.3 Deney Şartları Üretilen balatalar, 5 bar basınç altında 3 m/s hızda numune yüzeyinin % 95'i disk yüzeyine temas edinceye kadar sürtünme yüzeylerinin örtüşmesini sağlamak amacıyla çalıştırılmıştır. Deneyler 7 bar balata yüzey basıncında ve 700 devir/dk hızda yapılmıştır. Deney sırasında sürtünme katsayısı ve zaman değerleri kaydedilmiştir. Her numune için sürtünme katsayısı, 700 Şekil 1. Sürtünme test cihazı 2.4 Sürtünme Katsayısı ve Aşınma Oranı Hesaplamaları Balatalara uygulanan kuvvet ve test cihazından elde edilen sürtünme kuvveti dikkate alınarak sürtünme katsayısı TS 555'e göre [9] denklem (1)'de verilen formülle hesaplanmıştır. Burada; f s sürtünme kuvveti, f n ise balata yüzeyine uygulanan normal kuvvettir ve denklem (2) 'ye göre hesaplanır. Denklem (2) 'de; P uygulanan basınç (MPa), A ise balatanın sürtünen yüzey alanı (mm 2 ) dır. Sürtünme testi öncesi ve sonrası her bir numunenin kütleleri belirlenerek özgül aşınma oranı TS 555'e göre [9] denklem (3)'de verilen formül kullanılarak hesaplanmıştır. Burada; V özgül aşınma oranı (cm 3 /Nm), R balatanın merkezi ile diskin merkezi arasındaki mesafe (m), m 1 ve m 2 sırasıyla balatanın test öncesi ve test sonrası kütlesi (g), n test boyunca diskin toplam dönme sayısı, ρ balatanın yoğunluğu (g/cm 3 ) ve f s ortalama sürtünme kuvveti (N) dir. Numunelerin sürtünme kararlılığı (%) denklem (4)' e göre hesaplanmıştır [10]. (1) (2) (3)
Burada; FS numunenin sürtünme kararlılığı (%), µ ort ortalama sürtünme katsayısı, µ maks ise test boyunca elde edilen maksimum sürtünme katsayısı değeridir. 2.5 Sertlik ve Yoğunluk Ölçümleri (4) Sertlik ölçme işlemlerinde batıcı uç olarak çapı 2.5 mm olan çelik bilye uç kullanılmıştır. Uygulanan yük 62.5 kgf (612.9 N) olarak alınmıştır. Sertlik ölçümleri, numunelerin sürtünen yüzeyinde yapılmıştır. Numunelerin boyutları Ø25.4 9 mm olduğu için yüzeyin orta ve kenara yakın noktalarından değerler alınarak hesaplanmıştır. Her numune için farklı bölgelerden alınan ölçüm değerlerinin aritmetik ortalaması alınmıştır [11]. Numunelerin yoğunluk ölçümleri su içinde Arşimet prensibi ile belirlenmiştir. 3 BULGULAR Bu çalışmada farklı sıcak presleme basınçlarında üretilen balataların sürtünme katsayısızaman arasındaki ilişki incelenmiştir. TS 555'de belirtildiği gibi [9] deneylerde aynı içeriğe sahip 5 adet deney parçasından elde edilen sonuçların aritmetik ortalaması alınacağı göz önünde bulundurularak toplam 15 adet numune üretilmiştir. Numunelerin zamana bağlı sürtünme katsayısı grafikleri Şekil 2, Şekil 3 ve Şekil 4'de gösterilmiştir. Şekil 2. 100 bar sıcak presleme basıncına sahip Şekil 3. 125 bar sıcak presleme basıncına sahip Şekil 4. 150 bar sıcak presleme basıncına sahip Fren balatalarından istenen en önemli özelliklerden biri frenleme esnasında sürtünmeden dolayı açığa çıkan ara yüzey sıcaklığındaki artışa bağlı olarak sürtünme katsayısındaki değişimin minimum seviyede olmasıdır [12,13]. Sürtünme kararlılığı (%) değeri mümkün olduğu kadar yüksek ve 100 e yakın olmalı, elde edilen eğrinin eğim ve dalgalanmaları ise minimum olmalıdır [10]. Grafikler incelendiğinde ortalama en düşük sürtünme katsayısı 0,346 değerini 150 bar sıcak pres basıncına sahip olan B3 kodlu numune verirken ortalama en yüksek sürtünme katsayısı 0,375 değerini 100 bar sıcak presleme basıncına sahip B1 kodlu numune vermiştir. Şekil 2, 100 bar sıcak presleme süresine sahip B1 kodlu numunenin zamana bağlı olarak sürtünme katsayısı değişimini göstermektedir. Balata ile disk ara yüzeyinde meydana gelen sıcaklık en düşük 40 C, en yüksek ise 115 C 'dir. Ortalama sürtünme katsayısı değeri 0.375 ve sürtünme kararlılığı %81.5'dir. Şekil 3'de 125 bar sıcak presleme basıncına sahip B2 kodlu numunenin zamana bağlı olarak sürtünme katsayısı değişimi gösterilmektedir. Balata ile disk ara yüzeyinde meydana gelen sıcaklık en düşük 22 C, en yüksek ise 102 C 'dir. Ortalama sürtünme katsayısı değeri 0.348 ve sürtünme kararlılığı %73.6'dır. Şekil 4'de ise 150 bar sıcak presleme basıncına sahip B3 kodlu numunenin zamana bağlı olarak sürtünme katsayısı değişimi gösterilmektedir. Balata ile disk ara yüzeyinde meydana gelen sıcaklık en düşük 40 C, en yüksek ise 121 C 'dir. Ortalama sürtünme katsayısı değeri 0.346 ve sürtünme kararlılığı %77.1'dir. Grafikler incelendiğinde sürtünme katsayısında az miktarda düşme şeklinde inişli çıkışlı sürekli bir değişim görülmektedir. Anderson [14] bunun sebebini, sürtünme süresince disk yüzeyindeki temas bölgelerinin içine doğru ısının periyodik olarak sürekli değişmesinden kaynaklandığını belirtmiştir. Bu etkiden dolayı sürtünme katsayısında sürekli bir değişim meydana gelir. Ayrıca bu durumu Stachowiak ve Batchelor [15] sürtünme çiftlerinin yüzeyindeki pürüzlerde birleşme olması ve büyümesi ile açıklar. Bu durumda bir yapışma bir bırakma hali sürekli tekrarlanır, bu da sürtünme katsayısında sürekli artma ve azalmaya neden olur. Sürtünme testi sonuçları incelendiğinde balata ile disk ara yüzeyinde meydana gelen sıcaklığın sürtünme kararlılığını doğrudan etkilediği görülmüştür. Fren balata
malzemelerinde sürtünme kararlılığının yüksek olması istenir. En yüksek sürtünme kararlılığı değeri, 100 bar basınç uygulanarak üretilen B1 kodlu numunede görülmüştür. Tablo 2. Numunelerin aşınma-sürtünme özellikleri Ortalama Özgül aşınma Sürtünme Numune sürtünme oranı kararlılığı Kodu katsayısı (µ ort ) (cm 3 /Nm) (%) B1 0.375 1.751x10-6 81.5 B2 0.348 1.632x10-6 73.6 B3 0.346 2.025x10-6 77.1 Literatürde sürtünme katsayısının (µ), sürtünme kuvveti ve disk-balata ara yüzey sıcaklığına bağlı olarak 0.1 ila 0.7 arasında değiştiği vurgulanmıştır [16]. Sürtünme-aşınma testlerinden elde edilen sonuçların literatüre paralel ve TS 555'e uygun olduğu görülmüştür. Numunelerin fiziksel özellikleri arasında bağlantılar tespit edilmiştir. Buna göre yoğunluk, sertlik ile doğru orantılıdır. Ayrıca sertliği yüksek olan numunelerin ortalama sürtünme katsayısında artış görülmüştür. Numunelerin sertlik ve yoğunluk değerleri Tablo 3'de verilmiştir. Tablo 3. Numunelerin fiziksel özellikleri Numune kodu Yoğunluk (g/cm 3 ) Sertlik (HB) B1 2.229 35 B2 1.747 31 B3 1.838 32 4 SONUÇLAR ve TARTIŞMA Sıcak pres yöntemiyle hazırlanan, üç farklı sıcak presleme basıncında üretilen balata örneklerinde; B1, B2 ve B3 kodlu numunelerin, sürtünme katsayısı-sıcaklık deneylerinde B1 kodlu numune diğer numunelere göre daha iyi sonuç sergilemiştir. Yani 100 bar sıcak presleme basıncı balatayı oluşturan malzemeler için uygundur. 100 barın üstündeki basınçlarda üretilen balatanın sürtünme karakteristiği olumsuz etkilenmiştir. Balataların yoğunlukları, katkı maddelerinin miktar ve yoğunluklarından etkilenmekle birlikte sıkıştırma basıncının da etkisi olduğu sonucuna varılmıştır. Numune balatalar ile disk ara yüzeyinde meydana gelen sıcaklığın sürtünme kararlılığını doğrudan etkilediği görülmüştür. Teşekkür Bu çalışma, Mersin Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri (BAP) Koordinatörlüğü tarafından 2015-TP2-1167 nolu yüksek lisans tez projesi olarak desteklenmiştir. REFERENCES [1] Schneider, L.C.R., Hainsworth, S.V., Cocks, A.C.F., Fitzpatrick, M.E., (2005). Neutron diffraction measurements of residual stress in a powder metallurgy component, Scripta Materialia, vol. 52, p. 917 921. [2] Çetinkaya, Ş., Oktay, E., (2006).Karbon katkılı ön alaşımlı demir tozlarından üretilen malzemelerin elastik özellikleri. 13. Uluslararası Metalurji ve Malzeme Kongresi. İstanbul, ss:876-881. [3] Turhan, H., Yıldız, T., Gülenç, B., (2007). Toz Metalurjisi ile Üretilen Cu/FeMnp ve Cu/FeCrp Metal Matrisli Kompozitlerin Mikroyapı ve Mekanik Özellikleri, Fırat Üniv. Fen ve Müh. Bil. Dergisi, Cilt:19, Sayı:4, ss:569-574. [4] Somunkıran, İ., Özel, S., Kurt, B., (2005). Fe Esaslı Mo, Ni, Cu Toz Alaşımına İlave Edilen Cu Miktarının Aşınma Direncine Etkisi. 4. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu. Konya, Cilt:2, ss:903-907. [5] Eroğlu, M., Mahmutğlu, S.H., (2006). Yüzeyi alaşımlandırılmış düşük karbonlu çeliklerin toz metalurjisi Yöntemiyle üretilmesi. 13. Uluslararası Metalurji ve Malzeme Kongresi. İstanbul, ss:832-839. [6] Narayanasamy, R., Ramesh, T., Pandey, K.S., (2006). Workability studies on cold upsetting of Al Al2O3 composite material, Materials and Design, Cilt:27, Sayı:7, ss:566-575. [7] Kinet, A., Tabakalı kompozit malzemelerin serbest titreşim analizi, Dokuz Eylül Üniversitesi Makine Müh., Araştırma Projesi, 2008. [8] Ekşi, A.K.,Bircan, D.A. ve Sonsino, C.M., (2007). Alumix 431 tozunun (Al7XXX) soğuk ve ılık preslenmesi üzerine bir çalışma, Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der., Cilt:22, No:2, ss:337-345. [9] TS 555, (1992). Karayolu Taşıtları-Fren Sistemleri-Balatalar-Sürtünmeli Frenler İçin. Ankara, Türk Standartları Enstitüsü. [10] Bijwe, J., Aranganathan, N., Sharma, S., Dureja, N., Kumar, R. (2012). Nano-abrasives in friction materials-influence on tribological properties. Wear, vol. 296, ISSN 0043-1648 p. 693-701 [11] Sugözü, I. (2015). Investigation of using rice husk dust and ulexite in automotive brake pads. Materials Testing, vol. 57(10), ISSN 0025-5300 p. 877-882. [12] Persson, B. N. J., (1994). Theory of Friction - the Role of Elasticity in Boundary Lubrication, Physical Review B, 50 (7), 4771-4786. [13] Tabor, D., (1996). Friction as a dissipated process, Friction of organic polymers in fundamentals of friction, Macroscopic and Microscopik Processes, 3, 220. [14] Anderson, A. E., (1992). Friction and Wear of Automotive Brakes, USA, Friction, Lubrication and Wear Technology ASM Handbook.
[15] Stachowiak, G. W. ve Batchelor, A. W., 2001, Adhesion and adhesive wear, In: Engineering Tribology, Eds, A.B.D: Butterworth-Heinemann, p. 533-553. [16] Moore, D. F., 1975, Princippless and Application Tribology, Oxford, Pergamon Press, p. 109-156. Authors addresses 1 Kürşat KAHYA, Kızılçam Kozalağı Tozu İçeren Fren Tribolojik Özelliklere Etkisi, Mersin Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Mersin, Türkiye kahyakursat1@gmail.com 2 İlker Sugözü, Kızılçam Kozalağı Tozu İçeren Fren Tribolojik Özelliklere Etkisi, Mersin Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, Otomotiv Mühendisliği Bölümü, Mersin, Türkiye ilkersugozu@gmail.com 3 Hüseyin ŞEVİK, Kızılçam Kozalağı Tozu İçeren Fren Tribolojik Özelliklere Etkisi, Mersin Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Metalurji ve Malzeme Mühendisliği, Mersin, Türkiye sevik@mersin.edu.tr Contact person * Kürşat KAHYA, Kızılçam Kozalağı Tozu İçeren Fren Tribolojik Özelliklere Etkisi, Mersin Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Mersin, Türkiye kahyakursat1@gmail.com