POLİMER MATRİKSLİ FREN BALATA MALZEMELERİNİN

POLÝMER MATRÝKSLÝ FREN BALATA MALZEMELERÝNÝN
KOMPOZÝSYON VE ÜRETÝM PARAMETRELERÝ AÇISINDAN
DEÐERLENDÝRÝLMESÝ
Rukiye ERTAN, Nurettin YAVUZ
Uludað Üniversitesi Müh.-Mim. Fak. Makina Müh. Böl.
ÖZET
ABSTRACT
Polimer esaslý sürtünme malzemelerinin arzu edilen sürtünme
Investigations have been made to improve the braking
ve aþýnma davranýþlarýný saðlamasý ve frenleme
performance of polymer based
friction materials for
performansýný arttýrmasý amacýyla birçok araþtýrma
obtaining desirable friction and wear behavior. There are
yapýlmýþtýr. Günümüzde, taþýtlarda kullanýlan yüksek oranlý
about hundreds of different friction formulas in use of
seramiklerden, düþük oranlý metalik, polimerik, asbestiz
vehicles today ranging from high content ceramics to low
organik balata malzemelerine kadar deðiþen geniþ bir
metallics to polymeric to nonasbestos organic (NAO). This
yelpazede yaklaþýk yüfaz rklý sürtünme formülü geliþtirilmiþtir.
paper gives a general view of the composition and
Bu çalýþma, polimer esaslý fren balata malzemelerinin
manufacturing parameters of polymer based brake pad
kompozisyonu ve üretim parametrelerine genel bir bakýþ
saðlamanýn yaný sýra birçok araþtýrmacýnýn farklý
kompozisyonlarýna ve üretim parametrelerine iliþkin elde
ettikleri malzeme özellikleri üzerinde durulmuþtur.
Anahtar Kelimeler: Polimer matriksli fren balatalarý, sürtünme
ve aþýnma
Giriþ
F
materials, with special emphasis on many researches for
composition and manufacturing parameters variations
and the corresponding variations of the material
properties.
Keywords: Brake pads with polymer matrix, friction and wear.
Yaklaþýk 25 yýl öncesine kadar, frenlerde balata
renlemenin yüksek bir verimle yapýlabilmesi için
malzemesi olarak kullanýlan asbestin (chrysotile)
en önemli kriterlerin baþýnda disk-balata ara
frenleme için gerekli optimum koþullarý saðlamasýna
yüzeyinde minimum aþýnmayý saðlayan yüksek
karþýn frenleme esnasýnda oluþturduðu tozlarýn havaya
ve kararlý sürtünme katsayýsý yer almaktadýr. Bu kriteri
karýþarak canlýlarýn akciðerlerinde kanser oluþturmasý
saðlayan en önemli faktörler ise balata malzemesinin
sebebiyle Avrupa'da kullanýmý yasaklanmýþtýr [1,2].
kompozisyonu ve mikroyapýsýdýr.
Asbeste alternatif olarak geliþtirilen ve saðlýk açýsýndan bir
Genel olarak balata malzemeleri üzerine yapýlan
problem teþkil etmeyen polimer esaslý fren balatalarý
çalýþmalar kompozisyonun deðiþtirilerek istenen
farklý çalýþma koþullarý altýnda güvenlik sýnýrlarýný
özelliklerin saðlanmasý üzerine yoðunlaþmýþtýr. Bunun
aþmadan çalýþabilmelerinin yaný sýra, kararlý bir sürtünme
yanýnda fren balata malzeme özelliklerinin üretim
katsayýsýna ve düþük aþýnma oranlarýna sahip olmalarý
parametrelerine ve tane boyutlarýna baðlý olarak büyük
nedeniyle günümüzde en çok tercih edilen malzemeler
ölçüde deðiþtiði yapýlan deneyler ile görülmüþtür.
olmuþtur. Polimer matriksli bir fren balata malzemesi
Kompozisyonlar ayný olsa bile farklý üretim parametreleri
genellikle seramik partikülleri ve lifleri, mineraller, metalik
ile üretilen balatalar çok farklý özellikler
lifler, katý yaðlayýcýlar, elastomerler ve hepsini baðlayan
sergileyebilmektedir. Bu yüzden bir balata malzemesi
fenolik reçine gibi çok sayýda farklý komponentler içerir
tasarýmýnda kompozisyon, üretim ile birlikte bir bütün
(10-20 çeþit). Polimer matriksli fren balata malzemeleri
olarak incelenip araþtýrýlmalýdýr.
dýþýnda metal içermeyen balata malzemeleri de
24
Mühendis ve Makina
Cilt : 47 Sayý: 553
günümüzde taþýtlarda kullanýlan diðer bir balata türüdür.
Uçak sanayinde kullanýmý yoðun olan seramik (C/C,
C/SiC, C/BN, C/B4C) fren balatalarý da en son geliþtirilen
balata malzemeleridir [3].
Özellikle geliþen teknoloji ile birlikte taþýtlarýn hýzý,
büyüklüðü ve aðýrlýðý büyük bir artýþ gösterirken, bu
taþýtlarda kullanýlan fren sistemlerinin boyutlarý tam
tersine küçülmüþtür. Dolayýsýyla birim alana düþen enerji
miktarý artmýþtýr ve çalýþma sýcaklýklarý kullanýlan balata
malzemesindeki komponentlerin sýnýrlarýný aþmýþtýr ve
oluþan ýsýnýn transferinin gerçekleþtirilebilmesi için gerekli
Þekil 1.Disk ve Balata Malzemesinin Þematik Resmi.[2]
yüzey alaný küçülmüþtür [4]. Bu þartlar altýnda fren
þartlarýnda ve yüksek sýcaklýklarda kararlý sürtünme
sisteminin güvenlik sýnýrlarýný aþmadan ve gerekli konforu
katsayýsýna sahip olma özelliklerinin yanýnda daha fazla
saðlayacak þekilde çalýþabilmesi için araç tipini,
ýsý iletirler. Frenleme basýncýnýn artmasý veya olumsuz
yükleme durumunu, kullaným þartlarýný da dikkate alarak
çevresel etkenler (soðuk, sýcak, yað ve tuzlu su) sürtünme
en uygun balata kompozisyonunun seçilmesi gerekir.
katsayýlarýnda büyük deðiþimlere neden olmaz [5].
Yapýlan bu çalýþma ile polimer matriksli fren balata
malzemelerinin kompozisyonunu oluþturan
komponentlerin, literatürde yapýlan çalýþmalardan
faydalanýlarak, olumlu ve olumsuz özellikleri derlenmiþtir.
Kompozisyonun yaný sýra polimer matriksli fren balata
malzemelerinin üretimi ve üretim parametreleri de
literatürdeki farký çalýþmalardan elde edilen sonuçlara
göre deðerlendirilmiþtir.
Polimer Matriksli Fren Balata
Malzemeleri
Ancak metalik balatalarýn gürültü ve vibrasyona eðilimli
olmasý diske hasar vermesi gibi dezavantajlarý vardýr.
Büyük taþýtlarda ve kamyonlarda bu sebepten dolayý
genellikle metalik balatalar tercih edilir. Daha yüksek
konforun tercih edildiði binek tipi hafif taþýtlarda ise
genellikle daha az vibrasyon ve gürültü
oluþturduðundan düþük metalik veya organik balatalar
tercih edilir. Ancak organik balatalarýn da çalýþma
ömürleri kýsadýr ve yüksek sýcaklýklardan büyük oranda
etkilenirler. Her iki tip balatanýn avantajlarýndan
faydalanýp, dezavantajlarýný en düþük seviyede
tutabilmek amacýyla polimer matriksli (yarý-metalik)
balatalar geliþtirilmiþtir. Polimer matriksli balatalar,
Bir fren sisteminin ana fonksiyonu araç hýzýný
metalik ve organik balatalarýn olumlu özelliklerinin
yavaþlatmak, yokuþ aþaðý yollarda hýzý sabit tutmak veya
taþýmasýnýn yaný sýra, seramik balatalar ile
aracý tamamen durdurmaktýr. Bunun için kinetik enerji,
karþýlaþtýrýldýðýnda daha ucuz ve kolay üretilirler. Ancak
disk ve balata arasýndaki sürtünme iþi tarafýndan ýsýya
seramik balatalar kadar yüksek sýcaklýklara karþý dayanýklý
dönüþtürülür.
deðildirler [6]. Asbestli balatalar ile karþýlaþtýrýldýðýnda ise,
Fren balatalarý istenen sürtünme kararlýlýðý, çalýþma
polimerik balatalar çevre ve insan saðlýðýný tehdit
ömrü, minimum gürültü ve vibrasyonu karþýlamak üzere
etmeden uygun bir kompozisyon tasarýmý ile daha
tasarlanmalýdýr. Sürtünme kararlýlýðý fren balatasýnda
yüksek performans saðlayabilmektedir. Ancak en
sýcak, soðuk, ýslak ve kuru çevre koþullar altýndaki ve farklý
önemli dezavantajý aramid (kevlar), reçine, lastik tozu,
frenleme hýzlarýndaki performansýný ifade eder. Bu
kauçuk gibi polimer malzemeler içermesi nedeniyle
bakýmdan güvenliði etkileyen faktörlerin baþýnda gelir.
yüksek sýcaklýklara karþý dayanýmý düþüktür ve yapýsý
Metalik balatalar, genellikle çok aðýr frenleme
sýcaklýkla birlikte büyük oranda deðiþir. Bu sebeple birçok
Mühendis ve Makina
Cilt : 47 Sayý: 553
25
araþtýrmacý tarafýndan yoðun olarak incelenen
katsayýsýnýn düþtüðü tespit edilmiþtir [16]. Bu durumun en
frenlemede zayýflama (fade) olarak bilinen olayýn
baþta gelen sebebi çelik yünü etkisiyle artan aþýnma
oluþumunda en önemli etkendir [7-10].
oraný ve ara yüzeyde oluþan sürtünme filminin kalýnlýðýnýn
artarak temasý kesmesidir.
Polimer Matriksli Fren Balata
Malzemelerinin Kompozisyonu
Bakýr ve bakýr alaþýmlarý sürtünme ara yüzeyinde
genelde termal daðýlýmý iyileþtirmek için eklenir. Ayrýca
bakýr yüksek sýcaklýklarda ara yüzeyde bakýr oksit
Polimer matriksli balata malzemeleri, polimer bir
oluþturarak sürtünme katsayýsýný kararlý kýlar. Bu malzeme
matriks içerisinde lifli yapýsal malzemeler, metal veya
genellikle balataya karþýt yüzeye (diske) olan
mineral dolgu partikülleri ve katý yaðlayýcýlardan
agresivliðinden sakýnmak ve sürtünme deðiþimini kontrol
oluþmaktadýr [2]. Bu malzemelerin seçimi ve oranlarý
etmek için eklenir [15].
frenleme performansý üzerinde birinci derecede etkin
Alüminyum lifler sürtünme malzemesine genellikle
olmasý sebebiyle son yýllarda farklý malzemeler ve farklý
alüminyum metal matriksli kompozit (Al-MMC) fren
oranlarýn balata performansý üzerindeki etkileri direkt
diskleri kullanýldýðý zaman eklenir. Al lifler içeren bir
olarak deneylerle veya geliþtirilen optimizasyon
sürtünme malzemesi, bakýr ve çelik yününe göre kayma
metotlarý ile ya da deneysel tasarým metotlarý
hýzýndan daha az etkilenir [15].
kullanýlarak gerek numune sayýsýný en aza indirip maliyeti
Aramid lifler, lif doðrultusunda güçlü bir kovalent bað
düþürmek, gerekse zaman kaybýný önlemek bakýmýndan
ve enine doðrultuda da zayýf hidrojen baðýna sahip olan
balata kompozisyonu tasarýmýnda önemli yer
kristal yapýsý sebebiyle yüksek derecede anizotropik
tutmaktadýr [11-13].
özellik sergilemektedir [17]. Bu bakýmdan, güçlü bir yapý
Polimer matriksli balata kompozisyonlarýnda
saðlamak için liflerin uygun doðrultularda üretilmesi
kullanýlan malzemeler sahip olduklarý görev bakýmýndan
gerekir. Aramid liflerin miktarý ile ýsýl direnç doðru orantýlý
beþ gruba ayrýlmaktadýr. Aþaðýda bu gruplarý oluþturan
olarak artarken, sürtünme kararlýlýðý çok fazla deðiþmez
malzemeler ile ilgili literatürde yapýlan çalýþmalar
[18].
verilmiþtir:
olarak kullanýlan aramid, lifli yapýsý sebebiyle abrasiv
Genellikle balata malzemesi içerisinde yapýsal
olarak da görev yapar. Sürtünme esnasýnda sýcaklýk
Yapýsal Malzemeler
Yapýsal malzemeler, balatada mekaniksel dayaným,
450oC'yi aþtýðýnda ise yaðlayýcý olarak görev yapmaya
baþlar [19].
sertlik, termal stabilite, aþýnma direnci ve kararlý bir
sürtünme üretir. Genellikle çelik yünü, Cu lifleri, Al lifleri,
kaya yünü, cam yünü, seramik lifler ve aramid (kevlar) lifler
tek baþýna veya farklý kombinasyonlarda kullanýlýrlar [14].
Baðlayýcýlar
Baðlayýcýlar, tüm bileþenleri bir arada tutmak ve
kararlý bir matriks oluþturmak için kullanýlýr. Bu malzemeler
Günümüzde, çelik yünü iyi aþýnma direnci ve yüksek
polimer esaslý olduðundan, yüksek sýcaklýklara
sýcaklýklarda kararlý bir sürtünme sergilemesi nedeniyle
dayanýksýzdýrlar ve sürtünme malzemesinin içinde
kullaným alaný oldukça geniþtir, ancak diskte aþýnma,
deðiþimi en az tahmin edilebilen komponentlerdir.
kalýnlýk deðiþimine, vibrasyon ve gürültüye sebebiyet
Genel olarak termoset veya novolac tipte fenolik reçine
verirler. Bununla birlikte yapý içerisinde çelik yünü oranýnýn
yer alýr ve sönümlemeyi arttýrmak için lastik tozu ile birlikte
artmasýyla kesikli sürtünmeye olan eðilimi þiddetli bir
kullanýlýr [14].
þekilde arttýrdýðý gözlenmiþtir [15]. Çelik yünü içeren
Fenolik reçine gibi polimer malzemeler, her reçine
sürtünme malzemesinde kayma hýzý arttýkça sürtünme
tipi için farklý olan bir sýcaklýk aralýðýnda baðlayýcýlýk
26
Mühendis ve Makina
Cilt : 47 Sayý: 553
özelliði kazanýr. Bu olay polimerizasyon olarak bilinir ve
baðlayýcý reçine ile uyumluluðu da son on yýl içinde
katlý bað (C=C gibi) yapýsýna sahip küçük temel
yapýlan araþtýrmalarda dikkati çekmiþtir. Abrasivler
moleküllerin, herhangi bir yan ürün oluþturmaksýzýn ýsý
üzerine yapýlan bir çalýþmada [17] balata malzemesi
vererek her molekülün birbiriyle tek katlý yeni bað ile zincir
içinde yer alan aramid lifleri ve potasyum titanat'ýn
þeklinde makromolekülleri meydana getirir [20]. Ancak,
sinerjistik etkisi ile optimum oranlarda kullanýmýnýn en iyi
frenleme esnasýnda oluþan çok yüksek sýcaklýklar
polimerin yapýsýný bozarak kimyasal baðlarýn yanmasýna
ve baðlayýcýlýk özelliðini yitirmesine neden olur ve
balata-disk ara yüzeyinde oluþan sürtünme
kuvvetlerinde büyük bir düþüþ meydana gelir. Dolayýsýyla
reçine konsantrasyonunun düþük olmasý fiziksel
özelliklerin zayýf olmasýna, yüksek konsantrasyonu ise
yüksek sýcaklýklarda sürtünme katsayýsýnýn düþmesine
sebep olur [21, 22, 23]. Porozite ve sertlik gibi sürtünme
sonucu verdiði gözlenmiþtir. Aramid liflerin malzemeleri
bir arada tutma kabiliyeti ve potasyumun ýsýl direnci
birbirini tamamlayarak balata-disk ara yüzeyinde oluþan
sürtünme filminin bað dayanýmýný arttýrmýþtýr.
Sürtünme tozu organik esaslý bir malzemedir ve
genellikle yüksek sýcaklýklarda sürtünme dayanýmýný ve
soðuk aþýnmayý iyileþtirmek için kullanýlýr. Baðlayýcý
sistemin elastikiyetini arttýrýr, kesikli sürtünme ve buna
baðlý olarak oluþan gürültü ve vibrasyonu azaltýr [16, 19].
Balatada abrasiv olarak yer alan pirincin içerisindeki
malzemesinin fiziksel özelliklerinin deðiþimi reçine
çinko sürtünme esnasýnda balata yüzeyinden diske
oranýyla orantýlýdýr, moleküler bað yapýsý deðiþtirilerek
transfer olur. Bu sebeple frenleme sonrasýnda balata
termal dayanýmý arttýrýlabilir ve balatanýn disk
yüzeyi ve sürtünme tabakasý içerisinde yer almaz. Disk
malzemesine alýþma süresi kýsaltýlabilir [24].
yüzeyi incelediðinde ise Zn ve O'nin homojen bir þekilde
daðýlmýþ olduðu görülülür. Bu yüzden pirinç abrasive
olarak görev yapmasýnýn yaný sýra, yüksek sýcaklýklarda
Abrasivler
Abrasivler, disk-balata ara yüzeyinde yüksek ve kararlý
oluþan çinko oksit sebebiyle katý yaðlayýcý olarak da
bir sürtünme katsayýsý saðlamak için katýlýrlar [14].
görev yapar [27, 28]. Benzer durum kalsiyum sülfatta da
Abrasive olarak kullanýlan ZrSiO4, potasyum titanat,
meydana gelir [29].
sürtünme tozu (cashew partikülleri), pirinç ve silikat
sürtünme katsayýsýný arttýrmalarýna karþýn uygun yaðlayýcý
ve yapýsallarýn kullanýlmamasý durumunda disk
aþýnmasýna sebep olurlar.
Abrasiv olarak kullanýlan ZrSiO4 (zirkonyum silikat)
sürtünme torku üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Yüksek
oranlarda kullanýlmasý durumunda yüksek bir sürtünme
katsayýsý saðlamasýna karþýn tork kararsýzlýðýný arttýrdýðý
gözlenmiþtir [25]. Tork deðerinin büyük deðiþimler
Yaðlayýcýlar
Fren sistemlerinde yaðlayýcý olarak genellikle grafit,
farklý metal sülfitler, antimonite (Sb2S3) gibi katý yaðlayýcý
tercih edilmektedir. Katý yaðlayýcýlar normal þartlar
altýnda rotor yüzeyinde sürtünme filmi oluþturur ve bu
filmin sürtünme katsayýsýný öncelikle yüksek sýcaklýklarda
stabilize etme, balata-disk aþýnma kontrolünü saðlama,
gürültü eðilimini azaltma ve vibrasyonu sönümleme gibi
çeþitli faydalarý bulunmaktadýr [30, 31].
sergilemesi ise ara yüzeyde oluþan sürtünme
Grafit, karbon elementinden oluþan bir polimorftur.
tabakasýnýn kalkmasýna neden olur ve bu durum aþýnma
Balata malzemesi içinde iyi bir yaðlayýcý ve ucuz olmasý
miktarýný arttýrdýðý için istenmez.
sebebiyle yaygýn olarak kullanýlmaktadýr. Ancak
Potasyum titanat lifleri'nin direkt olarak sürtünme ve
700oC'nin üzerindeki sýcaklýklarda yanmaktadýr. [21]
aþýnma davranýþýný iyileþtirdiði yapýlan araþtýrmalarda
Tablo 1.'deki gibi bir kompozisyona sahip balata
ispatlanmýþtýr [26]. Özellikle yüksek sýcaklýklarda (204oC
malzemesinde yapýlan testler esnasýnda Sb2S3’in
civarýnda) aþýnmanýn %40 azaldýðý, sürtünmenin %30
arayüzeyde yüksek sýcaklýklarda (> 450oC) oluþturduðu
arttýðý tespit edilmiþtir. Termal dayanýmýn yanýnda
antimon oksit tabakasýnýn yaðlayýcý etkisi dolayýsýyla
Mühendis ve Makina
Cilt : 47 Sayý: 553
27
Tablo 1. Polimer Matriksli Balata Malzemesi Ýçin Kompozsiyon (%hac) [25].
Disk Malzemesi: Gri Dökme Demir.
sürtünme kararlýðýný iyileþtirdiði ortaya çýkmýþtýr.
Dinamometre üzerinde gerçekleþtirilen aþýnma
testlerinde ise en düþük aþýnma oranýnýn maksimum
Sb2S3 ve minimum ZrSiO4 kullanýlmasý durumunda elde
edilmiþtir [25, 31].
Ancak son yýllarda Sb2S3 üzerine yapýlan çalýþmalar,
Polimer Matriksli Fren Balata
Malzemelerinin Üretimi
Fren balata malzemeleri çok ince tozlar halindeki
metal veya metal dýþý malzemelerin karýþtýrýlmasý,
bu malzemenin kanser riski taþýdýðýný göstermiþtir. Sb'nin
istenilen formda preslenmesi ve kontrollü bir atmosfer
frenleme esnasýnda bileþikten ayrýlmasý ile bir kýsmýnýn
altýnda belirlenen süre içerisinde sinterlenmesini
havaya toz olarak karýþtýðýný, bir kýsmýnýn ise oksijen ile
kapsayan üretim prosesinden oluþmaktadýr. Bu yöntem
Sb2O3 oluþturduðunu (Sb2O3 fizyolojik sývý içerisinde
ile tek bir aþamada üretim yapmak mümkündür [33].
çözünebilir) ve bunlarýn insan saðlýðýný tehdit eden
kanserojen maddeler olduðu tespit edilmiþtir.[32]
Fren balata üretiminde bu yöntemin tercih
edilmesinin temel nedeni farklý özelliklere sahip karýþým
malzemelerinin özelliklerini yitirmeden üretiminin
Dolgu Malzemeleri
Dolgu malzemeleri, temelde maliyeti azaltmak ve
üretilebilirliðini iyileþtirmek için kullanýlýr. Mika ve
vermikülit'in yaný sýra BaSO4, potasyum titanat, aramid
lifler, CaCO3 ve Al2O3 da genelde kullanýlan diðer dolgu
malzemeleridir. [14]
gerçekleþtirilebilmesidir. Yüksek sýcaklýklara karþý
dayanýmý düþük olan lastik tozu, kauçuk, reçine gibi
polimer esaslý malzemeler üretim esnasýnda yanarak
özelliklerini yitirebilirler. Dolayýsýyla fren balata
malzemeleri yüksek sýcaklýkta gerçekleþtirilen döküm gibi
yöntemlerle üretilemez. Toz metalürjisi yöntemiyle
yapýlan bir fren balatasý üretiminde ise balatayý oluþturan
Vermikülit frenleme esnasýnda oluþan yüksek
tüm malzemeler üretim esnasýnda özelliklerini korur,
sýcaklýklar sebebiyle ekseni boyunca akordiyon gibi
istenen boyutlara sahip gözenekli bir yapý elde edilebilir
uzamaktadýr. Bu karakteristik genleþmenin, yapýda
ve farklý boyut ve þekle sahip malzeme tozlarýný saðlam,
bulunan kristal suyunun aniden buharlaþmasý sonucu
hassas ve yüksek performanslý parçalara dönüþtürür.
oluþan buhar basýncýndan kaynaklandýðý
Polimer matriksli balata malzemelerinin üretimi;
düþünülmektedir. 870 o C'nin üzerinde içerdiði su
karýþtýrma, þekillendirme (kalýplama) ve daha sonra
buharlaþýr ve geriye kalan partiküller solucan (helisel)
partiküllerin sinterleme yolu ile ýsýl baðlanmasý
þeklinde geniþler [19, 3].
basamaklarýný içerir.
BaSO4 miktarý azaltýldýðýnda yüksek sýcaklýklarda dahi
Karýþtýrma: Karýþtýrma iþleminin tipi çoðunlukla
sürtünme katsayýsý kararlýlýðýný koruduðu, ancak aþýnma
karýþýmý oluþturan malzemelerin türüne baðlýdýr. Özellikle
oranýnýn önemli derecede arttýðý gözlenmiþtir. Alternatifi
yoðunluklarý, partikül boyutlarý ve bazen yüzey
olarak CaCO3 kullanýlýr. Daha ucuzdur, ancak yüksek
karakteristikleri ve þekilleri önemli farklýlýklar gösteren toz
sýcaklýklarda dayanýksýzdýr [19].
bileþenlerde karýþtýrma iþlemi zor olabilmektedir.
28
Mühendis ve Makina
Cilt : 47 Sayý: 553
Karýþtýrma iþlemi segregasyonu önlemek açýsýndan çok
kompozisyona sahip olan karýþýmýn bir kalýp içerisinde
dikkatli bir þekilde yapýlmalýdýr. Segregasyonu önlemek
belirli basýnçta yoðunlaþtýrýlmasýdýr. Bu iþlem soðuk olarak
için karýþýma genellikle yaðlayýcý (grafit gibi) eklenir [34]
gerçekleþtirilmekte ve balatanýn ön þeklini oluþturmak
ve düþük viskoziteye sahip olan toz veya sývý (sývý reçine
için 200-600 MPa basýnç uygulanmaktadýr.
gibi) komponentlerin homojen karýþmasý için karýþtýrýcý
Sýcak Þekillendirme: Bu proses genellikle
kollar ile kesici býçaklarýn birlikte karýþtýrma iþlemini
kalýplamada yoðunluk ile yakýndan ilgilidir. Þekillendirme
gerçekleþtirmesi gerekir.[35]
burada, balatanýn son boyutlarýna oldukça yakýn
Kalýplama: Kalýplama iþlemi, karýþtýrma iþleminden
hatlarýn oluþmasý anlamýndadýr. Ýþlem yaklaþýk 140-
sonra homojen olarak daðýlmýþ olan toz partiküllerinin
250 o C civarýnda yapýlmaktadýr. Bazý balatalarýn
hidrolik veya mekanik preslerle bir kalýp içerisinde
üretiminde ön ve sýcak þekillendirme iþlemleri tek bir
sýkýþtýrýlmasý iþlemidir. Kalýp içerisine tozlar doldurulduktan
aþamada uygulanabilmektedir [35].
sonra, üst baský plakasý ile tek yönlü basma gerçekleþir.
Sinterleme: Sinterleme, yüksek sýcaklýklarda kontrollü
Uygulanan basýnç arttýkça toz kütlesinin yoðunluðu artar,
atmosfer altýnda toz partiküllerinin kimyasal
gözenek oraný azalýr [36]. Aþaðýda verilen (1) no'lu
baðlanmasýný saðlayan iþlemdir. Özellikle, fren
denklemden de görüldüðü gibi sýkýþma oraný porozite
balatalarýnda sinterleme koþullarý (sýcaklýk ve süre) reçine
üzerinde direk etkiye sahiptir; [35]
üreticileri tarafýndan belirlenir ve reçinenin yapýsýna zarar
P=100 - V
(1)
vermeyecek üretim parametrelerinde gerçekleþir.
Ayrýca sinterleme sýcaklýðý, süresi ve atmosferi
P (% porozite) ve V (% sýkýþma oraný) deðerleri Young
gözenekliliði de büyük oranda etkiler. Çünkü sýcaklýkla
modülü ve malzemenin sönümleme özelliði ile
baðlayýcý reçinenin akýcýlýðý ve dolayýsýyla gözeneklilik de
doðrudan ilgilidir. Bu yüzden kalýplama parametreleri
deðiþir. Gözenekliliðin en önemli avantajý, ses ve
fren balata malzemesinin özelliklerine doðrudan
vibrasyonu sönümleme özelliklerine sahip olmasýdýr [37].
etkilediði için oldukça önemlidir.
Balata üretiminde kullanýlan farklý araþtýrmacýlarýn tespit
Bazý araþtýrmacýlarýn yaptýklarý çalýþmalar ile
ettikleri üretim parametreleri Tablo 2'de verilmiþtir.
Tablo 2. Farklý Araþtýrmacýlara Göre Üretim Parametreleri.
kalýplama basýncý ve zamanýnýn yüzey sertliði üzerinde
çok önemli bir etkiye sahip olduðunu göstermiþlerdir
[37]. Balatalarda kalýplama ön ve sýcak þekillendirme
olmak üzere iki aþamada gerçekleþen bir prosestir;
Ön þekillendirme: Karýþtýrma iþleminden sonra belirli
Mühendis ve Makina
Cilt : 47 Sayý: 553
Sonuç
Kullanýmda yer alan ve henüz geliþim aþamasýnda
olan polimer matriksli fren balata malzemelerinin
kompozisyonlarýna bakýldýðýnda, içinde bulundurduðu
29
komponent ve oranlarýna göre balata malzemesinin
15.
sergilediði tribolojik özellikler de deðiþim göstermektedir.
Taþýtýn tipi, yükleme durumu, çevre koþullarý, trafik
durumu gibi faktörler de göz önüne alýnarak uygun bir
16.
17.
balata malzemesinin seçimi ve üretim parametrelerinin
optimizasyonu ile frenlemeden istenen performansý ve
18.
konforu saðlamak mümkündür. Yapýlan bu çalýþma ile,
polimer matriksli fren balata malzemelerinin
19.
kompozisyonunu oluþturan komponentlerin ve üretim
20.
parametrelerinin sürtünme performansý bakýmýndan
önemi literatürdeki çalýþmalar derlenerek sunulmuþtur.
Kaynakça
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
30
Paustenbach, D.J., Richter, R.O., Finley, B.L., and Sheehan,
P.J. (2003) An Evaluation of the Historical Exposures of
Mechanics to Asbestos in Brake Dust, Applied Occupational
and Environmental Hygiene, 18: 786804.
Paustenbach, D.J., Finley B.L., Lu E.T., Brorby G.P., Sheehan
P.J. (2004) Environmental and Occupational Health Hazards
Associated with the Presence of Asbestos in Brake Linings and
Pads (1900 To Present):A “State-Of-The-Art” Review. Journal of
Toxicology and Environmental Health, Part B, 7:33110
Blau,P.J. (2001) Compositions, Functions, and Testing of
Friction Brake Mater. and Their Additives,U.S. Department of
Energy, Office of Transportation Technologies,USA,38.
Day,A.J. (2000) Friction, Friction Materials, and Brake
Operational Characterstics, Short Course on the Braking of
Road Vehicles,University of Bradford,4-8 September p.13.
Uygur, M.E., (1996) Balata Üretim Teknolojisi, I.Ulusal Toz
Metalurjisi Kongresi, Bildiriler kitapçýðý, Gazi Üniversitesi,
Ankara, s. 6-17.
Boz,M., (2003) Seramik Takviyeli Bronz Esaslý Toz Metal Fren
Balata Üretimi ve Sürtüme-Aþýnma Özel. Araþtýrýlmasý, Doktora
Tezi, Gazi Üniversitesi, Ankara. s. 3-47.
Österle,W., Griepentrog,M., Gross, T.H. and Urban,I. (2001)
Chemical and microstructural changes induced by friction
and wear of brakes, Wear 251. 14691476.
Bark,L.S. (1977) Wear 41, 309.
Jacko,M.G. 1978. Wear 46 (1978) 163.
Schneýder, L. (1988) Schmierungstechnik (Berlin) 19 (1988) 205.
Jacko,G.K. and Rhee,S.K. (1992) Kirk Othmer
Encyclop.Chem.Tech., 4th edn, John Wiley & Sons, New York,
523-536.
Lu,Y. (2004) Optimization of a Semimetallic Friction Material
Formulation. Jouranl of Reinforced Plastics and Composites,
Vol. 23, No. 14., 1537-1545.
Lu,Y., Tang, C.F. and Wright, M.A. (2002) Optimization of a
Commercial Brake Pad Formulation. Journal of Applied
Polymer Science, Vol.84, 2498-2504.
Eriksson,M., Bergman, F. and Jacobson,S. (2002) On the
Nature of Tribological Contact in Gutomotive Brakes, Wear
252. 26-36.
21.
22.
23.
24.
25.
26.
27.
28.
29.
Jang,H., Ko,K.,Kim, S.J., Basch, R.H. and Fash, J.W. (2003)
The Effect of Metal Fibers on the Friction Performance of
Automotive brake friction materials, Wear (article in press).
Jang,H., Lee, J.S. and Fash, J.W. (2001) Compositional
Effects of the Brake Friction Material on Creep Groan
Phenomena, Wear 251. 1477-1483.
Kim,S.J., Cho, M.H., Lim,D.S. and Jang, H. (2001) Synergistic
Effects of Aramid Pulp And Potassium Titanate Whiskers in the
Automotive Friction Material, Wear 251,1484-1491.
Kim,S.J. and Jang,H. (2000) Friction and Wear of friction
Materials Containing Two Different Phenolic Resins Reinforced
With Aramid Pulp. Tribology International 33, 477-84.
Nicholson,G. 1995. Facts About Friction, P&W Price
Enterprises,Inc.,Croydon, PA.
Demirci, A.H. (2004) Mühendislik Malzemeleri, Önemli
Endüstriyel Malzemeler ve Isýl Ýþlemleri, Alfa Akademi Basým
Yayým Ltd.Þti. Eminönü/ Ýstanbul. S.176-229.
Spurr,R.T. (1972) Fillers in Friction Materials, Wear 22, 367-409.
Walsh,P. and Spurr, R.T. (1979) Journal in Mech E (Railway Div),
C 161, 137.
Abbasi,F.,Shojael,A. and Katbab, A.A. (2000)Thermal
Interaction Between Polymer-based Composite Friction
Materials and Counter faces.Jour of Applied Pol
Sci,Vol.81,364-369.
Kim,S.J. and Jang,H. (2000) Friction and Wear of Friction
Materials Containing Two Different Phenolic Resins Reinforced
With Aramid Pulp. Tribology International 33, 477-84.
Jang,H. and Kim, S.J. (2000) The Effects of Sb2S3 And
Zirconium Silicate ZrSiO4 in the Automotive Brake Friction
Material on Friction Characteristics. Wear 239, 229236.
Halberstadt, M. L., Mansfield, J. A., Rhee, S.K. (1977) Effects
of Potassium Titanate Fiber on the Wear of Automotive Brake
Linings, International Conference on the Wear of Materials, St.
Louis, Mo., U.S.A., April 2628.
Prasad,S.V. and Zabinski,J.S. (1997) Tribological Behaviour of
Nanocristalline Zinc Oxide Films, Wear 203-204. 245-256.
Österle,W. and Urban,I. (2004) Friction Layers and Friction
Films on PMC Brake Pads, Wear 257, 215-226.
John,P.J.,Prasad,S.V.,Vaevodýn, A.A. and Zabinski, J.S.
(1998) Calcium Sulphate as a High Temperature Solid
lubricant. Wear 219. 155-161.
30.
31.
32.
Godet,M.(1984) The Third-Body Approach: A Mechanical
Wiew of Wear, Wear 100.437-452.
Munz,M., Schulz, E. and Sturm, H. (2002) Use of scaning force
microscopy studies with combined friction, stiffness and
thermal diffusivity contrasts for microskopic characterization of
automotive brake pads. Surface and Interface Analysis 33.
100-107.
Uexküll, O., Skerfving, S., Doyle, R. and Braungart, M. (2005)
Antimony in brake pads-a carcinogenic component?
Journal of Cleaner Production 13, 1931.
33.
Yavuz, N. (2002) Toz Metalurjisi Ders Notlarý. Uludað Üniversitesi
Müh-Mim. Fak. Makine Müh.Böl. Bursa.
34.
Kuhn, H.A., Lawley, A. (1978) Powder Metallurgy Processing
New Techniques and Analyses, Academic Press, New York,
San Francisko.
35.
Oehl,K.H. and H.G.Paul.1990.Brake Linings for Road
Vehicles.Verlag Moderne Ýndustrie AG&Co,D-8910,Box
1751,Germany.p. 4-44.
36.
Öveçoðlu, M.L. (1997) Toz Metalurjisi Tarihsel Geliþimi, Üretim
Aþamalarý ve Yeni Eðilimler, 9. Uluslar Arasý Metalurji ve
Malzeme Kongresi, Ýstanbul, Türkiye, s. 449-475.
37.
Kým,S.J., Kim, K.S. and Jang,H. (2003) Optimization of
Manufacturing Parameters For a Brake Lining Using Taguchi
Mühendis ve Makina
Cilt : 47 Sayý: 553