Termal sprey kaplamalı fren diskleri için çevreye uyumlu balata geliştirilmesi
Development of environmentally compatible pads for thermal spray coated brake discs
Yazar: OZAN DEMİRDALMIŞ
Danışman: DOÇ. DR. EKREM ALTUNCU
Sakarya Uygulamalı Bilimler Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İmalat Mühendisliği Ana Bilim Dalı /  İmalat ve Tasarım Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology

Özet:
Önceki yıllarda, araç kaynaklı emisyon değerlerinin başında, araç egzozundan çıkan solunması zararlı partiküller sorumlu iken, yapılan çalışmalar ile birlikte katalitik konvertör ve partikül filtrelerinin geliştirilmesi ve özellikle dizel araçlarda egzoz gazlarının üre çözeltisiyle yıkanma sistemlerinin eklenmesi ile birlikte egzoz emisyonları oldukça aşağıya çekilmiştir. Bu bağlamda, araç kaynaklı emisyonun değerlerinin en başına fren balatası ve fren diski çiftinin oluşturduğu PM2.5 ve PM10 sınıflarında havada asılı kalabilen partiküllerin oluşturduğu emisyonlar yerleşmiştir. Bu partiküller havada asılı kaldıklarından dolayı canlılar tarafından solunabilir yapıda olup sağlık açısından zararlı durumlara neden olabilmektedirler. Yaptığımız çalışmada, fren disklerinin aşınmalarını ve dolayısıyla aşınmaya bağlı emisyon değerlerini düşürmek için uygulanan kaplamalar incelenmiştir. Fren disklerine yapılan bu kaplamaların ciddi anlamda aşınma değerlerini düşürdüğü tespit edilmiştir. Ancak yaptığımız testlerde mevcut kaplamasız disklerle iyi performans veren fren balatalarının, disk yüzeyi kaplandıktan sonra yeterli performansı gösteremediği durumlar tespit edilmiştir. Fren diskinin kaplanması ile elde edilen yeni sürtünme yüzeyinin sertlik değeri yükseldiğinden dolayı fren balatasının içerisinde yer alan aşındırıcı ve sürtünme düzenleyici malzemelerin disk yüzeyine olan etkileri azalarak sürtünme katsayısının düşmesine neden olmaktadır. Tezimizde kaplama malzemesi olarak Kromoksit kaplama ele alınmıştır. Kaplama sertliğine bağlı olarak oluştuğu düşünülen performans kaybını düzeltmek için, balata sertliğini düşürerek ve dolayısı ile sıkışabilirliğini yükselterek sürtünme katsayısını artırmak hedefli reçeteler hazırlanmıştır. Balata sertliğinin düşürülmesi ve sıkışabilirlik değerinin artırılması için kauçuk bazlı malzemelerin oransal değerlerini arttırma düşüncesi ile hali hazırda ticari olarak üretilen ve araçlarda kullanılan fren balatası ele alınmış ve içeriğindeki çelik yünü miktarı kademeli olarak düşürülürken, lastik tozu miktarı aynı ağırlıksal oranlar da yükseltilerek beş farklı numune hazırlanmıştır. Temel anlamda emisyonu oluşturan malzemeler balata ve fren diski aşınmalarından kaynaklı olduğu için, standartlarda çoklukla kullanılan aşınma testlerinden yola çıkarak, artan sıcaklık karşısındaki davranışlarına odaklanan testler gerçekleştirilmiş ve sonuçlar incelenmiştir. Çalışma neticesinde kaplanmamış fren diski ile benzer performans özellikleri yakalayan balata reçetesinin %8 çelik yünü azaltarak ve karşılığında %8 lastik tozu artırılarak elde edilen NU4 numaralı reçete olduğu görülmüştür.

Abstract:
In previous years, harmful particulates emitted from vehicle exhausts were primarily responsible for vehicle-related emission values. However, with the development of catalytic converters and particulate filters, as well as the addition of exhaust gas cleaning systems using urea solutions, especially in diesel vehicles, exhaust emissions have been significantly reduced. In this context, emissions consisting of PM2.5 and PM10 class particles that can remain suspended in the air, produced by the brake pad and brake disc pair, have become the primary source of vehicle-related emissions. These particles, being airborne, can be inhaled by living beings and may cause harmful health effects.
In our study, we examined coatings applied to brake discs to reduce their wear and consequently, wear-related emission values. It was found that these coatings significantly reduced wear rates on brake discs. However, our tests revealed that brake pads that performed well with existing uncoated discs sometimes failed to provide adequate performance after the disc surface was coated. This is because the hardness of the new friction surface obtained by coating the brake disc increases, reducing the effects of abrasive and friction-regulating materials in the brake pad on the disc surface, leading to a decrease in the coefficient of friction.
In our thesis, chromium oxide coating was considered as the coating material. To correct the performance loss thought to be due to coating hardness, recipes were prepared aimed at increasing the coefficient of friction by reducing pad hardness and thus increasing compressibility. To reduce pad hardness and increase compressibility, a commercially produced brake pad currently used in vehicles was taken, and five different samples were prepared by gradually decreasing the amount of steel wool in its content while increasing the amount of rubber powder in the same weight ratios.
Since the materials that primarily form emissions are due to pad and brake disc wear, tests focusing on their behavior against increasing temperature were conducted based on wear tests commonly used in standards, and the results were examined. As a result of the study, it was observed that the pad recipe that achieved similar performance characteristics to the uncoated brake disc was the NU4 recipe, obtained by reducing steel wool by 8% and increasing rubber powder by 8% in return.