TOZ METAL FREN BALATA MALZEMELERNN SRTNME-AINMA PERFORMANSI ZERNE NKONUN ETKS

ZET 
Bu alma iki aamadan olumaktadr. Birinci aamada toz metalurjisi yntemi ile bronz esasl fren balatalarretilmi ve retilen balatalarn srtnme-anma performanslar test edilmitir. kinci aamada bronz esaslbalata tozlarna farkl oranlarda (0,5 - 4 %) Zn tozu ilave edilerek, yeni balata numuneleri retilmi ve retilen Zn ilaveli balata numunelerinin srtnme anma davranlar belirlenerek Zn esasl balata numuneleri ile mukayesesi yaplmtr. Bu amala fren balata numunelerinin younluk, sertlik, srtnme katsays, srtnme kuvveti ve anma miktarlar tespit edilmi, numunelerden sinterleme ncesi ve sonras mikro yap grntleri ile anan yzeylerden SEM grntleri alnm ve numunelerdeki anma trleri tespit edilmitir. Deneyler sonucunda, bu almada kullanlan bronz esaslmetal tozundan retilen fren balata numunelerinin optimum srtnme-anma davranlarnn 350 MPa presleme basncnda ve 820 C sinterleme scaklnda olduu belirlenmitir. Btn balata numunelerinin anma direnci ve srtnme katsays deerleri SAE-J661 standart aralnda kmtr. Anma direnci asndan en iyi sonucu % 0,5 Zn ilaveli srtnme malzemesi verirken, srtnme katsays asndan en iyi sonucu % 2 Zn ilaveli srtnme malzemesi vermitir. 

1. GR
retilmi, yksek scaklklara dayankl ve insan 
saln tehdit etmeyen srtnme malzemeleri Gnmzde yksek scaklklara duyarl ve insan retilmeye allmaktadr [1,2]. Toz metalurjisi saln tehdit eden asbest esasl srtnme retim tekniinin temel avantajlarndan birisi, dier malzemelerinin yerine toz metalurjisi yntemi ile retim yntemleri ile retilmesi zor olan 
M. Boz ve A. Kurt Toz Metal Fren Balata Malzemelerinin Srtnme-Anma Performans zerine inkonun Etkisi 
dayanabildikleri gibi ayn zamanda daha fazla s
iletirler. Srtnme katsaylar da scaklk ve basnla 
daha az deiir [5,6]. 
Sinterlenmi srtnme malzemeleri mhendislikte yaygn olarak, srtnme hareketinin iletimi, veya frenleme ve yavalatma iin kullanlrlar [4,7]. Srtnme malzemelerinin kullanm sebepleri zellikle srtnme katsaylarnn yksek ve kayma zelliklerinin iyi olmasndandr. Ancak srtnme malzemelerinin fonksiyonlarn beklendii gibi yapabilmeleri iin, sadece srtnme katsaysnn yksek olmas yetmez. Srtnme katsaysnn yksek olmasndan ziyade zorlanmalar altnda ve zellikle yksek scaklklarda mmkn olduu kadar sabit bir srtnme katsays deerini muhafaza etmesi gerekir. Bundan baka anma miktarnn az olmas, karmalzemenin izilip hasara uratlmamas, mekanik mukavemetin de maruz kalnan zorlamalara dayanabilecek deerde olmas gerekir [8-10]. 
Yksek scaklklarda toz metal malzemelerin anma orannda nemli artlar olduu grlmtr. Bu artn sebebi ilk oksit tabakasndan sonra, temiz yzeyin yeniden oksitlenmesi ve yzeyden oksit tabakasnn yeniden kalkmas sebebiyledir [12]. Kayma iftlerinin tribolojik davran, uygulanan yke, evre artlarna ve mikroyap gibi parametrelere baldr [13-16]. Baz durumlarda srtnme kuvvetinin, fren ve balata ara yzeylerinde eit dalmad bilinmektedir. zellikle uzun sreli frenlemelerde srtnme yzeyindeki scaklk ve frenleme kuvveti periyodik olarak deiir. Bu deiim de srtnme katsaysnn azalan ve artan deerlerde olmasna sebep olur [17].  
Toz metal srtnme malzemeleri ierisinde Zn tozu ilaveli bronz esasl balata malzemesi retimi konusunda literatrde yeterli aratrma mevcut deildir. Dolaysyla bu almada, Toz metalurjisi ile retilen fren balatalarnn 
srtnme-anma zelliklerinin gelitirilmesi amacyla otomotiv sanayisinde kullanlan T/M balata malzemelerine eitli oranlarda Zn tozu ilave edilerek malzemelerin retilebilmesidir [3]. Bu avantaj, 50 debriyaj ve fren balatalar retimini de mmkn 45 klmtr [4]. Metalik balatalarn, asbest esaslbalatalara gre avantajlar, daha byk hzda enerji 40 absorbe etmeleri ve daha fazla anma direncine sahip 35 olmalardr. Bunlar daha yksek scaklklara 

30 
Miktar, % 
25 
20 15 10 5 0 

70 90 110 130 150 Ortalama Toz Tane Boyutu, m ekil 1. Zn toz tane boyut dalm
boyutu dalm verilen Zn tozu % 0.5, 1, 2 ve 4 oranlarnda ilave edilerek yeni bir srtnme balata malzemesi retilmitir. retilen Zn ilaveli balata srtnme malzemesi ile Zn ilavesiz bronz esasl
srtnme  balata  malzemesinin  srtnme-anma  
zellikleri karlatrlmtr.  
Hazrlanan  tozlar    boyutlu  hareket  edebilen  

Turbula T2C tipi bir kartrcda 10 dakika sre ile kartrlmtr. Karm tozlar, tek ynl hidrolik pres ile 25x25x7 mm ebatlarndaki kalp ierisine yerletirilerek 350 MPa basnta preslenmitir. 
Balata malzemelerinin sinterleme ilemi bant tamalalev perdesi korumal sinterleme frnnda 820 Cde yaplmtr. 
Sinterleme ilemi, ekil 2de ematik olarak grld gibi n sinterleme, sinterleme ve soutma blgeleri olmak zere  farkl scaklk blgesinden olumaktadr. Sinterlenen numuneler frndan alndktan sonra oda scaklnda soumaya braklmlardr. 

2.1. Karakterizasyon Testi 
retilen fren balata malzemelerinin karakterizasyonu amac ile sinterleme ncesi ve sonras younluklar, anma ncesi ve sonras sertlikleri tespit edilmitir. Malzemelerin younluklar, d = m/v forml ile hesaplanmtr. Burada; younluk (d), ktle (m) ve 
performanslar gelitirilmeye allmtr. 

2. DENEYSEL ALIMALAR 
Bu almada, Toz metalurjisi yntemi ile fren balatas retiminde 0,2-80 m boyut aralndaki bronz esasl (70 % Cu, 8 % Sn, 11 % Fe, 8.5 % Pb ve 

2.5 % Grafit) toz malzeme kullanlmtr. Ayrca, hacim (v) dir. Numunelerin sertlik lmleri Instron 100 Wolpert marka sertlik lm cihaznda Vickers yntemi ile 1 kg. yk uygulanarak yaplmtr. Sertlik 95 lmleri iin anan yzeyden, anma ncesi ve 


bronz esasl balata  tozlarna  ekil 1de  toz tane  Zaman  
ekil 2. Sinterleme ileminin aamalar 
116  Gazi niv. Mh. Mim. Fak. Der. Cilt 21, No 1, 2006  


90 
sonrasnda en az be deiik yerden sertlik lm yaplarak ortalamalar alnmtr. Numunelerden 
Younluk (%) 
85 
80 

sinterleme ncesi ve sonras mikro yap grntleri 
Nicon marka optik mikroskop ile tespit edilmitir. 
Ayrca, SEM grntleri Jeol SN-5600 marka cihazda 
 Sinterleme ncesi

numunelerin anm yzeylerinden alnmtr. 75 
 Sinterleme sonras 

2.2. Performans Testi 
retilen fren balata malzemelerinin performansamac ile srtnme katsays, srtnme kuvveti, anma miktarlar ve numunelerdeki anma trleri tespit edilmitir. Performans deneyleri SAE-J661 normuna gre test yapan srtnme katsays test cihaznda izelge 1de verilen deney artlarnda yaplmtr. Andrma ileminde 250 Hv sertlikte ve 280 mm apnda gri dkme demirden retilmiandrc disk kullanlmtr. Deney sonular anma test cihazna bal bir bilgisayardan alnmtr. 
70 01234 
Zn Miktar, %
ekil 3. Fren balata malzemesinin Zn ilavesine balsinterleme ncesi ve sonras younluk deiimi 
gelerek (ekil 5) srtnme malzemelerinin hacim olarak daralmasn engellemesine katkda bulunduu tespit edilmitir. Ayrca malzemelerin hacimce genilemeleri de sinterleme sonras younluklardrmtr (izelge 2). 
izelge 2. Sinterleme ile malzemelerdeki 
arlk kaybve hacimdeki art



3. DENEYSEL SONULAR ve TARTIMA 


3.1. Karakterizasyon Deneyi Sonular 
Toz metalurjisi yntemi ile retilen bronz esasl balata malzemesi ve bu malzemeye deiik oranlarda Zn ilavesi ile hazrlanan numunelerin sinterleme ncesi ve sonras younluklarekil 3de verilmitir. 
Numune  Arlk Kayb (%)  Hacim Art(mm3)  
Ana malzeme  0,075  8,71  
Ana malzeme + % 0.5 Zn  0,050  9,01  
Ana malzeme + % 1 Zn  0,044  9,45  
Ana malzeme + % 2 Zn  0,038  10,30  
Ana malzeme + % 4 Zn  0,020  10,60  

izelge 2de grld gibi, ana malzemeye ilave edilen Zn orannn artmas ile srtnme malzemelerinde sinterlemeye bal arlk kaybolurken, malzemelerin hacimlerinde art olmutur. Sinterleme esnasnda srtnme malzemelerindeki arlk kaybnda azalma ve hacimdeki artn sebebi; Znnun sinterleme esnasnda dk ergime scaklna sahip malzemelerin dar kmasn engelledii eklinde dnlmektedir. Bu sebeple, darkamayan sv malzemeler bulunduu yerde gerilim oluturarak malzemelerin hacimce genilemelerine imkan salamtr. 
ekil 3de Zn miktarnn artmasna bal olarak srtnme malzemelerinin sinterleme ncesi younluklarnda herhangi bir deiim gzlenmemitir. Fakat sinterleme sonras younluklarda Zn miktarnn artmasna bal olarak bir d grlmtr. Sinterleme sonras younluklarn dmesi, sinterleme esnasnda dk ergime scaklna sahip Pb, Sn ve ilave edilen inkonun da bir ksmnn buharlaarak yapy terk etmesinin yan sra yapda kalan gazlarn hacimsel bymeye neden olmas sebebiyle olduu dnlmektedir. Yap ierisinde sv halde bulunan elementlerin boluklara girerek gzeneklerin kapanmasn engelledii grlmtr (ekil 4). Boluklara dolan kurunun sinterleme esnasnda kresel hale 

izelge 1. Srtnme anma deney artlar
lem Basamaklar Hz Dev/dak  Scaklk C  Yk Kg.  Srtnme  Bekleme  Uygulama says Seilen lm says 
Min.  Max.  Periyot  Dak.  Sn.  Dak.  Sn.  
Yanma  308  82  93  0  45  20  0  0  0  1  0  
Dzenleme  205  82  93  0  23  5  0  0  0  1  0  
I. Altrma  411  93  93  0  68  0  10  0  20  20  5  
I. Yorma  411  93  288  28  68  10  0  0  0  1  0  
I.Toparlama  411  260  93  56  68  0  10  0  20  20  5  
Anma  411  193  204  0  68  0  20  0  10  100  10  
II. Altrma  411  93  343  28  68  10  0  0  0  1  0  
II. Yorma  411  316  93  56  68  0  10  0  0  1  0  
II.Toparlama  411  93  93  0  68  0  10  0  20  20  5  

Gazi niv. Mh. Mim. Fak. Der. Cilt 21, No 1, 2006 

M. Boz ve A. Kurt Toz Metal Fren Balata Malzemelerinin Srtnme-Anma Performans zerine inkonun Etkisi 

ekil 4. Sinterleme ile kurun ve boluk morfolojisindeki deiim. a) % 4 Zn Sinterleme ncesi, b) % 4 Zn Sinterleme sonras, (1: Kurun, 2: Gzenek, 3: Matris) 
sertliklerinin anma ncesi sertliklere gre deimedii grlmektedir. Anma sonras Zn ilavesiz srtnme malzemesindeki bu yksek sertlik artnn sebebi, srtnme-anma esnasnda malzemenin daha kolay deforme olabilmesi ile aklanabilir. Zn ilaveli srtnme malzemelerinin 

anma sonras sertliklerinin deimemesi ise Znnun srtnme esnasnda malzemelerdeki meydana gelebilecek deformasyonu engelledii eklinde dnlmektedir. 
Yaplan deneylerde numunelerin zelliklerini 
ekil 5. Sinterleme sonras % 4 Zn malzemesinde 1 
rakam ile gsterilen blgeden alnan EDS analizi 
ekil 6 incelendiinde, Zn ilaveli srtnme malzemelerinin anma ncesi sertlii ana malzemenin anma ncesi sertliine gre daha yksektir. Ancak anma sonras sertlikler incelendiinde ana malzemenin sertliinin yaklak % 100 artt grlmektedir. Bu sonu, srekli snp souyan ve zaman zaman su ile temas halinde olan malzemeler iin iyi bir sonu deildir. nk balatalardaki fazla sertleme frenleme esnasnda grlt ve ses olarak kendini gstermektedir [10]. Burada nemli olan malzemelerin srtnme ile birlikte sertliklerinin kararl kalmasdr. Burada Zn ilaveli srtnme malzemelerinin anma sonrasbelirleyen en nemli parametrenin ve 2. yorma (srtnme arayzey scaklnn artmas ile malzemedeki srtnme katsaysnn deiimi) ileminin olduu belirlenerek ekil 7de grafiksel olarak artan scakla bal srtnme katsays ve srtnme kuvvetindeki deiim gsterilmitir. Ayrca ekil 8de ise Zn miktarndaki arta bal olarak deney malzemelerindeki anma miktarlargrlmektedir. 
Fren balatalarndan istenen en nemli zelliklerden birisi, frenleme esnasnda srtnmeden dolay aa kan arayzey scaklndaki arta bal olarak srtnme katsaysndaki deiimin minimum seviyede olmasdr (18,19]. ekil 7 incelendiinde 93-345 C 
30 

Srtnme katsays, Srtnme kuvveti, kgs 
100 

25 20 
15 
10 
0,30 
0,25 0,20 0,15 
Sertlik, HV1 
0,10 
50 100 150 200 250 300 350 400 
01234 
Zn miktar, %
Disk-Balata Arayzey Scakl, 0C 
ekil 7. lave Zn miktarna bal olarak, artan scaklk 

ekil 6. Fren balata malzemesinin Zn ilavesine balile srtnme katsays ve srtnme kuvvetindeki anma ncesi ve sonras sertlik deiimi deiim 
Gazi niv. Mh. Mim. Fak. Der. Cilt 21, No 1, 2006 

Ktle kayb, % 
25 
20 
15 
10 
5 
0 

Zn miktar , % 
ekil 8. Deien Zn miktarna gre anma miktarndaki deiim 
scaklk aralnda en dk srtnme katsaysdeerini (0.172-0,165) % 0.5 Zn ilaveli srtnme malzemesi verirken, en yksek srtnme katsaysdeerini (0,236-0,210) ise % 4 Zn srtnme malzemesi vermitir. Ostermeyer [20] srtnme katsaysnn dinamii zerine yapm olduu almada srtnme katsaysnn arayzey scaklndaki arta bal olarak azalacanbelirtmitir. 93-345 C scaklk aralnda srtnme katsays asndan en byk d Zn ilavesiz srtnme malzemesi gstermitir. Ancak bu almada Zn ilaveli srtnme malzemelerinin srtnme katsaylarnda fazla bir deiim grlmemitir. Genelde btn Zn ilaveli srtnme malzemelerinde, arayzey scaklndaki arta balolarak srtnme katsays kararl bir ekilde devam etmitir. 93-345 C scaklk aralnda srtnme katsays asndan en iyi sonucu ise % 0,222 ile 2 Zn ilaveli srtnme malzemesinin verdii grlr. Genellikle srtnme katsays () 0.1 ila 0.7 arasnda, srtnme kuvveti ve disk-balata ara yzey scaklna bal olarak deitii literatrde vurgulanmtr [21]. Ayrca disk ile balata ara yzeyindeki scakln ortalama 300 ila 350 C civarnda olduu SAEJ661de belirtilmitir. ekil incelendiinde literatrle paralel olduu grlmektedir. 
ekil 7 incelendiinde srtnme katsaysnda az miktarda dme eklinde inili kl srekli bir deiim grlmektedir. Anderson [22] bunun sebebini, srtnme sresince disk yzeyindeki temas blgelerinin iine doru snn periyodik olarak srekli deimesinden kaynaklandn belirtmitir. Bu etkiden dolay srtnme katsaysnda srekli bir deiim meydana gelir. Ayrca bu durumu Stachowiak ve Batchelor [23] srtnme iftlerinin yzeyindeki przlerde birleme olmas ve bymesi ile aklar. Bu durumda bir yapma ve bir brakma hali srekli tekrarlanr, bu da srtnme katsaysnda srekli artma ve azalmaya neden olur. 
Deneylerde srtnme kuvveti deerleri 98 0C ile 345 0C scaklk arasnda, her bir scaklk deeri karlbir srtnme kuvveti deeri alnmtr. Srtnme kuvveti, farkl srtnme malzemelerinde farkldeerler gstermitir. Srtnme katsays en yksek malzemenin, srtnme kuvveti de dierlerine gre daha yksek olduu gzlenmitir (ekil 7). Arlka % 2 ve % 4 Zn ieren srtnme malzemelerindeki srtnme kuvvetinin yksek olmas, srtnme yzeyinde meydana gelen srtnme katsaysndaki deiimden kaynakland dnlmektedir. Anderson [22] srtnme kuvveti deiiminin disk kalnlk deiimi, diskin scakl, ve srtnme yzeyinde meydana gelen bileenlerden gl bir ekilde etkilendiini rapor etmitir. Jang ise [24] yksek ara yzey scaklklarnda srtnme kuvvetinin bu derece artmasnn ve azalmasnn sebebini, dkme demirden yaplan diskin mikro yapsnn homojen olmadndan kaynaklandn belirtmitir. 
Bilindii gibi fren balatalarndan anmann sfr olmas beklenemez. nk anma direnci ok yksek srtnme malzemeleri kar malzemenin anmasna sebep olur. Bu nedenle balata malzemelerinde anma direncinden ziyade srtnme katsaysnn scaklk karsndaki deiimi nemli grlr. Bu almada srtnme malzemesi olarak kullanlan ana malzemenin anma miktar % 22,46 bulunmutur. Ana malzemeye % 0.5 Zn ilave edildiinde anma miktar % 14,5e dt grlmtr (ekil 8). Bu sonu anma direnci ynnden olumlu olmakla birlikte, srtnme katsays incelendiinde (ekil 7), dk srtnme katsays deerleri vermitir. % 1, % 2 ve % 4 Zn ilave edilmi numunelerde anma miktarlar srasyla % 16, % 20 ve % 23 deerlerindedir. ekil 9da srtnme malzemelerindeki anma mekanizmas ve anma miktar daha iyi grlmektedir. ekil 10da ise % 4 Zn ilaveli srtnme malzemesinden alnan EDS analiz sonucu verilmitir. 
Srtnme malzemelerinin anma yzeylerinden alnan SEM grntlerinde btn malzemelerde aynanma mekanizmalarnn olduu ve srtnme malzemeleri ierisindeki Zn miktarnn artmasna bal olarak anma izgilerinin daha derin ve geniledii grlmektedir. Stachowiak ve Batchelor 
[23] almalarnda anan metalin sertlii (Hm) ile andrc diskin sertlii arasndaki orann (Ha) anmada bir kriter olduunu ortaya koymulardr. Hm/Ha < 0.8 ise metalde ar kazma anmasnn meydana geldii rapor edilmitir. Deneylerde kullanlan andrc diskin sertlii 280 Hv ve deney numunelerinin sertlii ise ortalama 120 Hv olarak llmtr. Dolaysyla balata numunesinin disk sertliine oran yaklak 0.4tr. Buradan da grlecei gibi yksek bir abrasiv anmann olmasdoaldr. 
% 4 Zn ilaveli srtnme malzemesinden alnan EDS analiz sonucu incelendiinde, Zn orannn % 12 ve Pbnin ise % 19 0lduu grlmektedir. Bu sonular, malzemelerin sinterlenmesi esnasnda dk ergime scaklna sahip Pb ve Znnin buharlaamadan numunelerin ierisindeki gzeneklerde sv olarak hep 
Gazi niv. Mh. Mim. Fak. Der. Cilt 21, No 1, 2006 

M. Boz ve A. Kurt Toz Metal Fren Balata Malzemelerinin Srtnme-Anma Performans zerine inkonun Etkisi 

ekil 9. Artan Zn miktarna bal olarak numunelerin anma yzeylerinden alnan SEM grntleri 
birlikte kurunun da katlatnn bir gstergesi olarak dnlebilir (ekil 5), veya srtnme-anma esnasnda anma yzeyine doru hareketi ile aklanabilir. 

4. SONULAR VE DEERLENDRME 
Yaplan bu almada deiik oranlarda Zn tozu ilave edilerek toz metalurjisi yntemi ile bronz esasl balata retilmi ve retilen balatalarn srtnme-anma zellikleri incelenerek aadaki sonular tespit edilmitir. 
1. 
Fren balatas olarak retilen malzemelerin optimum srtnme-anma zellikleri 350 MPa presleme basncnda ve sinterleme scaklnn 820 0C olduu tespit edilmitir. 

2. 
Balata malzemesine ilave edilen Zn tozunun ergime derecesinin dk olmas nedeni ile ilave Zn oranarttka numunelerin sinterleme younluunu drd grlmtr. 


3.Anma sonras ana malzemenin sertlii yaklak % 100 artarken, Zn ilaveli srtnme malzemelerinin sertliklerinde bir deiim olmamtr. 
4. Srtnme ile ara yzey scaklnn artmasna balolarak en kararl srtnme katsayn 0,222 ile % 2 
Gazi niv. Mh. Mim. Fak. Der. Cilt 21, No 1, 2006 


Zn ilave edilmi balata malzemesi vermitir. En yksek anma ana malzemede olurken, en dk anmann % 0,5 ve % 1 Zn ilave edilmi balata malzemelerinde olduu tespit edilmitir. 
5. SAE-J661 standardna gre, retilen balata malzemeleri debriyaj balatas olarak kullanlabilir olduu tespit edilmitir. 
TEEKKR 
Bu alma DPT 2003 K120470-12 kodlu proje kapsamnda yaplmtr. Gazi niversitesine ve DPTna proje desteklerinden dolay teekkr ederiz. 

