Demir-karbon alaşımlarından üretilen fren disklerinin aşınma dirençlerinin iyileştirilmesi
Improving the wear resistance of brake discs produced from iron-carbon alloys
Yazar: HÜSEYİN KAYA
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA ACARER
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Dökme demir = Cast iron ; Fren = Brake ; Fren sistemleri = Brake systems ; Frenleme = Breaking

Özet:
Fren sistemleri taşıtlardaki en önemli aktif güvenlik sistemidir. Durma veya yavaşlama anında taşıtın kinetik enerjisini ısı enerjisine dönüştürürler. Diskli fren sisteminin temel parçası fren diskidir. Fren diski gerektiği zaman emniyetli bir şekilde yavaşlama ve durmayı sağlayacak yapı ve özelliklerde olmalıdır.  Literatürde, özelliklerinin uygun, üretiminin kolay ve ucuz olması sebebi ile fren diski malzemesi olarak yaygın olarak LGDD kullanıldığı görülmüştür (Wang ve ark., 2022). Fakat LGDD grafit uçlarının sivri olmaları aşırı termal yorulma durumunda çatlak oluşumuna neden olmaktadır. VGDD grafit yapısı bakımından solucanımsı bir yapıya sahiptir. Bu yapının yuvarlak uçlu olması malzemenin yüksek sıcaklık ve çatlama direncini artırmaktadır. Bu nedenle yüksek hızlı trenlerin fren diski yapımında yaygın olarak kullanılmaktadır (Lim ve Goo, 2011). Ancak literatürde binek taşıtların fren diski üretiminde VGDD malzeme kullanıldığına dair kapsamlı bir çalışmaya rastlanılmamıştır. 
Taşıt hızlarının giderek arttığı günümüzde bu alandaki çalışmalara katkı sağlamak amacıyla 17 farklı merdiven basamak numunesi üretilmiştir. Spektral analizi ve mikro görüntüsü incelenen numunelerden 17. numunenin vermiküler yapıda olduğu, çalışmada kullanılacak olan VGDD fren disklerinin bu kompozisyon ve süreçte üretilebileceği görülmüştür.
Seçilen ticari bir taşıta ait LGDD OEM fren diski ile aynı boyut ve ölçülerde VGDD fren diskleri üretilmiştir.  LGDD yapıdaki OEM fren diskleri ve üretilen VGDD yapıdaki fren diskleri soğuk ve sıcak frenleme şartlarında test edilerek; sürtünme katsayıları, sıcaklık oluşumları ve aşınma miktarları bakımından karşılaştırılmıştır.
Çalışma sonucunda soğuk frenleme testlerinde sürtünme katsayısı ortalaması vermiküler diskte 0.3247, OEM diskte 0.3244 olarak, vermiküler diskin, OEM diske göre % 14.8 oranında daha az aşındığı tespit edilmiştir. Sıcak frenleme testlerinde ise maksimum sürtünme katsayısı 250-300 oC aralığında vermiküler diskte 0.386, OEM diskte ise 0.363 olduğu, vermiküler diskin OEM diske göre % 46 daha az aşındığı belirlenmiştir. Çalışmada maksimum sıcaklık oluşumu ortalama olarak vermiküler diskte 530 oC, OEM diskte ise 656 oC olarak gerçekleşmiş olup; vermiküler diskte OEM diske göre % 19 daha az sıcaklık oluştuğu bulunmuştur.
Çalışmada elde edilen verilere göre VGDD'den üretilen fren disklerinin günümüzde yaygın olarak kullanılan LGDD OEM disklere göre daha üstün özelliklere sahip olduğu görülmüştür.

Abstract:
Brake systems are the most important active safety systems in vehicles. They convert the kinetic energy of the vehicle into thermal energy during braking or deceleration. The brake disc is the fundamental component of a disc brake system. The brake disc must have the structure and properties to ensure safe deceleration and stopping when needed.
In the literature, it has been observed that LGCI is widely used as a brake disc material due to its suitable properties, easy and inexpensive production (Wang et al., 2022). However, the sharp edges of LGCI graphite tips can cause cracks in extreme thermal fatigue conditions. VGCI has a worm-like graphite structure. The rounded tips of this structure increase the material's high temperature and crack resistance. For this reason, it is widely used in the production of high-speed train brake discs (Lim and Goo, 2011). However, there is no comprehensive study in the literature on the use of VGDD material in the production of brake discs for passenger vehicles.
In order to contribute to the studies in this field, where vehicle speeds are increasing, 17 different step-shaped samples were produced. Spectral analysis and micrographs of the samples showed that the 17th sample had a vermicular structure, and it was determined that  VGCI brake discs to be used in the study could be produced with this composition and process.
VGCI brake discs were produced with the same dimensions and sizes as the LGCI OEM brake disc of a selected commercial vehicle. The OEM brake discs with LGCI structure and the produced VGCI brake discs were tested under cold and hot braking conditions, and their friction coefficients, temperature formation, and wear amounts were compared.
As a result of the study, the average friction coefficient in cold braking tests was found to be 0.3247 for the vermicular disc and 0.3244 for the OEM disc, and the vermicular disc was found to wear 14.8% less than the OEM disc. In hot braking tests, the maximum friction coefficient was 0.386 for the vermicular disc and 0.363 for the OEM disc in the range of 250-300°C, and the vermicular disc was found to wear 46% less than the OEM disc. In the study, the maximum temperature formation was found to be 530°C on average for the vermicular disc and 656°C for the OEM disc, and it was found that 19% less temperature was generated in the vermicular disc compared to the OEM disc.
According to the data obtained in the study, it was seen that the brake discs produced from VGCI have superior properties compared to the widely used LGDD OEM discs today."