Kompozit sürtünmeli fren balatalarında yerli uçucu kül katkısının raylı taşıt balata özelliklerine etkisinin incelenmesi ve kullanılabilirliğinin saptanması
For friction composite brake pads, the determination of usage and investigation of  the effects  of  domestic fly ash contribution to the features of friction brake pads
Yazar: EYÜP AKAGÜNDÜZ
Danışman: PROF. DR. AHMET TOPUZ ; DR. MEHMET GÜNEŞ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2014
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Disk fren balataları = Disk brake linings ; İç sürtünme katsayısı = Internal friction coefficient

Özet:
Fren balataları taşıtların en önemli emniyet ve performans parçalarından birisidir. Balata malzemeleri metalik, yarı metalik, kompozit ve karbon bazlı çeşitlere ayrılır. Pek çok fren balatası 10 dan fazla katkı malzemesi içeren kompozit fren balatalarıdır. Bu katkı maddeleri bağlayıcılar, takviye ediciler, sürtünme düzenleyiciler ve dolgu malzemeleridir. Balatalardan stabil sürtünme katsayısı, düşük aşınma hızı, çevreye zarar vermeme, hafiflik, uzun ömür, düşük ses, korozyon direnci, performans karakteristikleri ile uyumlu kabul edilebilir maliyet aranmaktadır. Fren balataları ile ilgili olarak başta otomotiv, demiryolu ve havacılıkta kullanılabilecek fren balatalarıyla ilgili 2000'in üzerinde yayın vardır. Kompozit fren balatalarında çok sayıda değişik katkı malzemesi ve karışım oranlarına göre denemeler yapılmış balata özelliklerinde çok farklı özellikler elde edilmiştir. En uygun karışım formülasyonu ve proses şartları sağlanarak optimum özellikte ve kabul edilebilir maliyette fren balatası üretimi önem arz etmektedir. Özellikle son senelerde termik santrallerin atık bir malzemesi olan uçucu kül bileşimindeki SiO2, Al2O3, Fe2O3'in balata formülasyonlarında kullanıldığı dikkate alınarak doğrudan balata malzemesine katılarak çevreye zararlı bir atığın maliyet azaltıcı bir şekilde kullanılmasını sağlayacak çalışmalar yapılmaktadır. Ancak her termik santralde kullanılan kömür aynı olamadığı gibi uçucu kül bileşim ve miktarları da aynı değildir.
Bu tez kapsamında ilk olarak uçucu kül katkılı fren balatalarının testleri, standartları, formülasyonları ve üretim proses parametreleri konularında detaylı literatür incelemesi yapılmıştır. Ticari olarak kullanılan kompozit tren fren balatası örnekleri incelenmiştir. Termik santrallerden temin edilen uçucu küllerin karakterizasyonları yapılarak balatalara katılabilecek olan uçucu kül cinsleri belirlenmiştir. Yapılan tez kapsamında kütlece %5-40 uçucu kül içeren formülasyonlar oluşturularak bunlardan laboratuvar ölçekli numuneler üretilmiştir. Üretilen numunelere fiziksel, kimyasal, mekanik testlerin yanısıra sürtünme-aşınma testleri uygulanarak en uygun formülasyon ve optimum üretim proses parametrelerine belirlenmiştir.
Tez çalışması sonucunda Yeniköy ve Kemerköy termik santrali'nin uçucu küllerinin kütlece %40 oranında dolgu olarak kullanıldığı formülasyonların incelenen ticari balatalara en yakın sürtünme-aşınma özelliklerini sağladığı tespit edilmiştir.
Uygun balata bileşimi ağırlıkça %40 Yeniköy termik santrali külü, %20 novalak tip fenolik reçine, %5 aramid yünü , % 15 taş yünü, %10 grafit, %5 petrokok, %5 Sb2S3 olarak saptanmıştır. Bu bilesim homojen olarak karıştırılıp 25 Mpa basınç altınta 150 C'de 10 dakika preslenmiş ve son olarak numuneye hava sirküasyonlu bir etüvde 3 saat 180 C'de kür edilerek prototip tren balatası üretilmiştir.

Abstract:
Brake pad is one of the most important safety and performance parts for vehicles. Pad materials are categorized as metallic, semi-metallic, composite and carbon-based types. Many of brake pads are composite brake pads containing more than 10 additives. These additives include binders, rein forcefibers, friction modifiers and fillers. Pads are expected to have performance characteristics such as stable coefficient of friction, low wear rate, environmentally friend, light weight, long life, low noise, corrosion resistance along with acceptable costs. There are over 2000 publications regarding the brake pads mainly employed in automotive industry and aviation and railways. Many trials and experimentations have been carried out for composite brake pads with respect to many different additives and mixture ratios and different characteristics have been obtained at the end. It is important in the production of brake pads that optimal mixture formulation and process conditions for optimum functionality are applied for acceptable cost. Especially in recent years, regarding that the waste material "fly ash" from thermal power plants, which includes SiO2, Al2O3, Fe2O3 in its composition, are being used in the pad formulations, Studies have been carried out to employ the waste material hazardous to the environment by recycling it in the pads materials thus reducing the production costs.  However, just like all the coal types used in the thermal power plants are not similar, the composition and the quantity of fly ash types are not the same.  
In this thesis first a detailed literature research was made in the topics of brake pads containing fly ash, characterization, testing, standards, formulation and process parameters. Commercial composite brake pad samples were investigated. Characterizations of fly ash samples obtained from different power plants were made and fly ash types which can be used in the production of brake pads were identified. In this thesis formulations that contain 5-40 %wt. fly ash were developed and samples were produced in laboratory scale. Physical, mechanical, chemical as well as tribological tests were applied to determine the optimum formulation and production terms. Result of thesis especially formulations which include Yeniköy and Kemerköy Power Plants fly ash 40 %wt. as filler exhibited the closest tribological properties to commercial brake pads.
Proper brake lining composition which 40% wt. Yenikoy thermal power plant fly ash, 20% wt. novolac type phenolic resin, 5% wt. aramid wool, 15% wt. rock wool, 10% wt. graphite, 5% wt.petroleum coke, 5% wt. Sb2S3 has been determined. This compositions is mixed homogenly and the prepared composition is hot moulded under 25 MPa pressure at 150C in 10 minutes and the prepared sample is post cured in an air circulated oven 3 hours at 180C. Eventually prototype railway brake pads was produced.