Frenlerde karşılaşılan aşınma kuru kayma aşınması diye bilinir. Bu aşınma sırasında birbirleriyle eşleşen yüzeylerde sürtünmeden dolayı ısı oluşur. Bu ısının yayılması sırasında parça enerji soğurur. Bu da hareket eden parçanın sonuçta yavaşlamasına ya da durmasına neden olur [55]. Trenlerde tekerlek üzerinde frenleme, monoblok balatalar (sabolar) veya pabuçlarla sağlanır. Günümüzde üç tür frenleme malzemesi kullanılmaktadır; dökme demir (pik), kompozit ve cam hamuru (sinter) [56].
Trenlerde, frenleme sırasında oluşan yüksek ısının fren pabuçları tarafından dağıtılması gereklidir. Genellikle fren pabuçlarında şu özellikler aranır [55]:
1. Yüksek ısıl iletkenlik 2. İyi sürtünme özelliği 3. Kırılmaya karşı direnç
4. Kabul edilebilir bir dayanç yüzeyi
5. Evre dönüşümlerinden oluşabilecek hacimsel büyümeye karşı direnç 6. Düşük esneklik katsayısı
Dökme demir fren pabuçları çok az masraflı, hazırlanması ve şekillendirilmesi kolay ve tekerlek malzemesine en az zararı olan bir sürtünme malzemesidir. Ayrıca kolay bulunabilirliği ve düşük maliyeti nedeniyle tüm dünya demiryollarında geçmişten bugüne yaygın olarak kullanılmaktadır. Bununla beraber, aşınması oldukça hızlıdır ve sürtünme özellikleri tamamen istenilen düzeyde değildir. Aslında sürtünme katsayısı oldukça düşüktür ve bir taraftan hıza, diğer taraftan uygulama basıncına bağlı olarak çok büyük farklılıklar gösterebilir.
UIC Frenleme Alt Komisyonunun demir-döküm (pik) fren pabuçlarının standardizasyonu ile ilgili olarak yaptığı araştırmalar sonucu, fren pabuçlarından istenilen özellikleri en iyi biçimde sağlayacak alaşımın kır dökme demir olduğunu bildirmiş ve fosfor içeriğini % 1’ler mertebesine indirerek daha az kırılgan olan fosforlu bir döküm seçmiştir. (P 10 dökme demir )
Pik fren pabuçları hızla aşındıklarından bazı şebekelerde, özellikle çok sık duruş yapan banliyö trenlerinde, P 10 dökme demir (pik) fren pabuçlarından yaklaşık 2 kat daha az aşınan P 30 dökme demir (pik) fren pabuçları (% 3 fosfor içeren) kullanılmaktadır. Ancak fosfor, demir dökümün kırılganlık oranını arttırmaktadır ve bu nedenle fren pabucunun mekanik dayanıklılığı, demir dökümün içine, kafesli demir levhadan özel bir demir iskelet gömerek elde edilmektedir [56]. Bu amaçla Türkiye’de halen % 1.2-1.3 fosfor katımlı ve % 0.4-0.5 krom katımlı kır dökme demirlerden üretilen fren pabuçları kullanılmaktadır.
2.8.2. Kompozit Fren Balataları
Teknolojideki gelişmeler cer araçlarının yenilenmesi, mevcut cer araçlarının daha fazla kapasiteyle daha hızlı ve daha etkili çalışmasını da beraberinde getirmektedir.
Fren pabuçları için, demir döküm dışında başka bir malzemenin araştırılmasının kökeninde, pik sabonun sürtünme özelliklerinin yetersizliğini giderme gerekliliği vardır. Bu durumda, daha yüksek bir sürtünme katsayısı sunan ve hıza bağımlı olmayan bir malzemenin hazırlanmasına çalışılmıştır. Organik pabuçlar diye de adlandırılan bu pabuçlar, otomobillerdeki fren balatalarının hazırlanmasında kullanılan karışımlara oldukça yakın karışımlardan üretilmektedirler.
Karbon içeren malzemeler, triboloji uygulamaları için önemli bir potansiyele sahiptirler. Örneğin grafit, hekzagonal olarak dizilmiş karbon tabakalarından oluşur ve bunlar zayıf Van der Waals bağlarıyla tutulurlar, bundan dolayı iyi bir katı yağlayıcı olarak bilinir. Triboloji uygulamalarında kullanılmaları, karbon matriks içine karbon fiberlerinin güçlendirici olarak katılmaları suretiyle olur. Bu biçimde imal edilen kompozitlere karbon-karbon kompozitleri (C-C kompozitleri) adı verilir [57,58]. Bunlar otomotiv endüstrisinde özellikle fren uygulamalarında fren balatası olarak kullanılırlar [59-61]. C-C kompozit malzemelerin ilk çıkışlarındaki kullanım alanları ise havacılık ve uzay sanayii olmuştur. Nedeni bu malzemelerin düşük yoğunluklu, yüksek ısıl iletkenliğe sahip, özellikle yüksek sıcaklık uygulamalarında üstün mekanik özellikler göstermeleridir [62-64]. Yüksek termal kararlılık ve ısı kapasiteleri, bu kompozitlerin geniş bir sıcaklık aralığında kullanılmalarına olanak tanır [65]. Hava taşıtlarının frenleme mekanizmalarında da bu malzemeler kullanılır; çünkü bu tip malzemeler için temel gereklilik yüksek termal kapasite, iyi mukavemet, aşınma dayanımı ve yüksek termal iletkenliğe uyumlu yeterli sürtünme katsayısıdır [66-68].
Kısaca fren malzemeleri ısıyı iyi bir şekilde emebilmelidir. Bu sayede sürtünmeden dolayı zaten aşırı ısınmış olan frenleme yüzeyinin sıcaklığının daha da yükselmesini engelleyebilirler. C-C kompozitleri yüksek kayma hızlarında bile kararlı sürtünme katsayısı değerleri verirler, bu üstün özelliklerinden dolayı metalik fren balatalarının yerlerine kullanılmaya başlamışlardır. Bu uygulamalardan biri de trenlerde fren balatası olarak tercih edilmeleridir. Daha önce dökme demirden imal edilen bu balatalar, artık demiryolu endüstrisinin gelişip çağa ayak uydurmasıyla, C-C kompozit malzemeden üretilen çok hafif, mükemmel mekanik ve ısıl özellikler gösteren fren balatalarıyla değiştirilmiştir. İçeriğinde yüksek oranda karbon bulunan, bu pabuçlar, reçineli lifler ve sürtünmeyi belirleyen katkı malzemelerinden oluşmaktadır. Pabuçların üretimi, kalıba koyma (pres altında kalıp) ve pişirme yoluyla yapılmaktadır [56].
İlk üretilen kompozit pabuçlar çok çabuk aşınıyor iken üreticiler tarafından yapılan sürekli araştırmalar sonucu yapılan iyileştirmeler, uygun bir aşınma/maliyet oranı elde edilmesini sağlamıştır.
Kompozit fren pabuçlarının dökme demir pabuçlara oranla avantajları şu şekildedir:
1. Ortalama 5-10 katı daha fazla aşınma ömrüne sahiptir.
2. Pik ağırlığın sadece ¼ oranında bir ağırlığa sahiptir.
3. Daha kolay ve daha hızlı sökülüp takılır.
4. Kullanımı güvenlidir.
5. Daha rahat stoklama olanağı vardır.
6. Daha az termal çatlak oluşumu.
7. Tekerleği iyi kavraması.
8. Bakım aralığının daha uzun olması.
9. Daha fazla aks yüküne dayanması.
10. Daha hızlı kavraması.
11. Boji veya demiryolu hattında yangına neden olmaz.
12. Sessiz olması.
13. Düzensiz ve ani hareketi yoktur.
14. Tehlikeli parçalar içermez.
Nispeten sabit olan sürtünme katsayıları, demir döküm pabuçlarda olduğu gibi, kuvvet varyasyonları doğuran ve hıza bağımlı organlara başvurmadan, araçlardaki yüksek güçlü frenlemeyi gerçekleştirmeyi sağlamaktır. Bu durum, araçlar üzerindeki kumanda sistemlerinde bir hafifletme ve basitleştirmeye yol açmaktadır.
Sürtünme katsayısının yüksek değeri, pabuç sayısını azaltmaya ve dolayısıyla boji (trenin sekiz adet tekerinin takılı olduğu yürüyüş takımı) yapılarını ve kumanda kollarını kolaylaştırmaya olanak vermektedir ve hatta boji üzerine kolayca adapte olan fren blokları kullanmayı da mümkün kılmaktadır. Nem altında sürtünme katsayısında önemli düşüşe rastlanmaktadır.
Kompozit balatalar, dökme demir olanlardan çok daha az aşındığı için, bunların kullanımı, ilk maliyetleri pik sabolara göre daha pahalı olmasına rağmen, bakım yönünden düşünülürse daha karlıdır.
Bu pabuçların tekerlek üzerinde gerçekleştirdiği sürtünme, gerek frenleme sırasında gerekse yuvarlanma sırasında, dökme demir balatalarla frenlenen tekerleklerden daha küçük bir gürültü çıkarmaktadır.
Bu kompozit fren balatalarının bir dezavantajı; özellikle düşük hızla “tek makine” olarak seyreden lokomotifler açısından ciddi bir sıkıntı oluşturmasıdır [56].