Demir yolu taşıtları için asbest içermeyen organik esaslı kompozit  balata bileşimlerinin geliştirilmesi
Development of non-asbestos organic based composite brake lining compositions for railway vehicles
Yazar: HARUN YANAR
Danışman: PROF. DR. GENÇAĞA PÜRÇEK
Karadeniz Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Disk fren balataları = Disk brake linings ; Fren balatası = Brake lining

Özet:
Bu çalışmada, demiryolu taşıtlarına yönelik hegzagonal bor nitrür (h-BN) katkılı ve katkısız K-tipi kompozit balata bileşimlerinin tabandan tavana bir yaklaşımla geliştirilmesi amaçlanmıştır. Bu geliştirme sürecinde iki aşamalı tribolojik testler uygulanmıştır.  İlk aşamada bileşimler pin-on-disk tipi bir balata malzemesi test sisteminde NF F 11-291 standardına göre aralıklı ve sürekli frenleme testlerine tabi tutulmuştur. Bu kapsamda belirlenen başlangıç bileşimi üzerinden sırasıyla; fiber (taş yünü), sürtünme düzenleyici (CNSL), reçine ve çelik fiberi oranı optimizasyonu yapılarak optimum özellik çıktıları açısından h-BN içermeyen optimum bir balata bileşimi geliştirilmiştir. Bu bileşim üzerine farklı oranlardaki h-BN katkısı yine aynı yaklaşımla incelenmiştir. Elde edilen 
sonuçlara göre, taş yünü fiberi miktarının artırılması bileşimin sürtünme katsayısını düşürmüş ve daha stabil bir değişim karakteri kazandırmıştır. Devamında katılan kaju meyvesi kabuk sıvısı (cashew nut shell liquid (CNSL)) bileşimin aşınma direncini artırırken, sürtünme katsayısını düşürmüştür. Yapıdaki fenolik reçine oranının azaltılması bileşimin mekanik özelliklerini olumsuz etkilerken, sürtünme katsayısını artırmıştır. Yapıya eklenen çelik fiberi ise bileşimin ısıl iletkenliğini ve sürtünme katsayısını artırırken,  sertlik ve basma dayanımını düşürmüştür. Bu çıktılar üzerinden optimize edilen bu temel bileşim (SF-3) üzerine ilave edilen %1,5 oranındaki h-BN katkısı (BN-2) optimum özellik çıktısı açısından en iyi bileşim olarak belirlenmiştir.  Daha sonra h-BN içermeyen ve içeren optimize bileşimlerden gerçek boyutlu demir yolu araç balataları üretildi ve bunlardan çıkarılan numuneler düşük ölçekli (1/10) dinamometre testlerine tabi tutuldu. Bu testlerden elde edilen sonuçlarla küçük numune bazlı pin-on-disk esaslı çalışmalardan elde edilen sonuçların uyumu ortaya konularak nihai bileşimler geliştirilmiş oldu.

Abstract:
In this study, it is aimed to develop new K-type composite brake lining (pad) compositions with and without hexagonal boron nitride (h-BN) for railway vehicles with a bottom-up approach. In this context, tribological tests were performed in two stages. In the first stage, the samples were subjected to intermittent and continuous braking tests according to NF F 11-291 standard with using a pad-on-disk type brake pad material testing system. First of all, fiber (rock wool), friction modifier (CNSL), resin and steel fiber content optimization has been made on the starting brake pad material composition and an optimum brake pad composition without hexagonal boron nitride (h-BN) has been developed in terms of property outputs. The effect of different amount of h-BN on this composition was investigated with the same approach. In general, increasing the amount of rock fiber in the matrix decreased the average coefficient of friction of the samples, while improved the stability of the friction coefficient. The subsequently added cashew nut shell liquid (CNSL) improved the wear resistance of the sample and decreased the friction coefficient value. Decreasing the content of phenolic resin in the matrix structure increased the friction coefficient while it affected the mechanical properties of the samples adversely. On the other hand, adding the steel fiber to the structure increased the thermal conductivity and friction coefficient of the sample and decreased its hardness and compressive strength. The 1.5 % h-BN ingredient (BN-2) that was added on this developed composition (SF-3) was determined as the best composition giving the optimum properties. At the final stage of the study, full-size brake linings were produced from these optimum compositions and the samples extracted from them were subjected to low-scale (1/10) dynamometer tests to verify the results obtained from pad-on-disk based studies.