ONUR ER
KocAELi
tixivnnsirnsi
FEr\
niriMr,Eni
ENsrirttsti
MAKixE
wttinnNDisrici
Af{AniriM
DALr
DOKTORA TF.ZI
RAYLI
ARACLARDA
KULLANILAN
F'RE,NDISKLERININ
vnnurirUr-,ER
cnarirr,i
oorcun
orvriR
oLARAK
trnrrir,ivrpsi
ir,n
urnx.uvir
oznr,rixmniNiN
ivirE$rinirMESi
ONURE,R
Prof.Dr. Erding KALUC
Danr;man,
Kocaep tjniversitesi Prof.I)r. Emel TABANJiiri
t)yesi,
Kocaeli tlniversitesi Prof.Dr. Muharrem YILYI'AZJiiri
Uyesi,
Kocaeli tlniversitesi Prof.Dr. UEur ilZSARAQJiiri
tiyesi,
Sakarya Uyg. Bil. tjniversitesi Prof.f)r. Salim ASLANLARJiiri
tiyesi,
Sakarya tIyg. Bil. tlniversitesii
ÖNSÖZ VE TEŞEKKÜR
Raylı sistemlerin işletilmesinde sürekli daha yüksek hızlara çıkma isteği, bu alanda teknolojinin zaman içerisindeki gelişimine yönelik bir beklenti doğurmuştur. Bu beklenti beraberinde daha güvenilir bir frenleme sürecine sahip sistemlerin kullanılmasını teşvik etmiştir. Raylı araçlarda kullanılan fren diskleri de bu sistemlerin bir parçası olup sürekli araştırma ve geliştirme niteliği taşımaktadır.
Doktora öğrenimim süresince her zaman yanımda olan ve bu tezin tamamlanmasında yardımlarını esirgemeyen tez danışmanım, değerli hocam Sayın Prof. Dr. Erdinç KALUÇ’a sonsuz şükranlarımı ve teşekkürlerimi sunarım. Tez çalışmama sağladıkları akademik desteklerinden dolayı değerli hocalarım Sayın Prof. Dr. Emel TABAN’a ve Sayın Prof. Dr. Uğur ÖZSARAÇ’a teşekkürlerimi borç bilirim. Tez çalışmamı Sanayi Tezleri Programı kapsamında destekleyen T.C. Bilim, Sanayi ve Teknoloji Bakanlığı Bilim ve Teknoloji Genel Müdürlüğü’ne; tez çalışmamın yürütülmesinde emeği geçen T.C. Kocaeli Üniversitesi akademik ve idari personellerine; tez çalışmamdaki döküm, talaşlı imalat ve muhtelif test/analiz faaliyetlerini gerçekleştirmek için fabrikalarında her türlü yardımı yapan EKU Fren ve Döküm Sanayi AŞ’nin saygıdeğer yöneticileri ve personellerine teşekkürlerimi sunarım.
Doktora ders ve tez çalışmalarımda bana göstermiş oldukları fedakârlıklar ve sağlamış oldukları desteklerden ötürü canım aileme teşekkürlerimi borç bilirim.
ii İÇİNDEKİLER ÖNSÖZ VE TEŞEKKÜR ... i İÇİNDEKİLER ... ii ŞEKİLLER DİZİNİ ... v TABLOLAR DİZİNİ ... xi
SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ ... xiv
ÖZET... xvii
ABSTRACT ... xviii
GİRİŞ ... 1
1. GENEL BİLGİLER ... 3
1.1. Raylı Araçlarda Kullanılan Fren Diskleri ... 4
1.2. Raylı Araçlarda Kullanılan Fren Disklerinde Karşılaşılan Problemler ... 7
1.2.1. Düşük çevrimli yorulma ... 7
1.2.2. Termomekanik yorulma ... 8
1.2.3. Termal çatlama ... 8
1.3. Termal Çatlak Oluşumunun Önlenmesi ... 9
1.4. Raylı Araçlarda Kullanılan Fren Disklerinin Tasarım Değişiklikleri ... 10
1.5. Raylı Araçlarda Kullanılan Fren Diski Malzemeleri ... 15
1.6. Dökme Demirler... 17
1.7. VGDD ... 23
2. MALZEME VE YÖNTEM... 30
2.1. Tasarım Kriterleri ... 30
2.2. Model, Yolluk, Maça Tasarımı ve Üretimi ... 34
2.3. Simülasyon Çalışmaları ... 39 2.3.1. Döküm simülasyonu ... 39 2.3.2. Frenleme simülasyonu ... 40 2.4. Döküm Prosesi ... 45 2.4.1. Kalıplama ... 45 2.4.2. Ergitme ... 46 2.4.3. Döküm ve deneysel çalışmaları ... 50
2.4.3.1. Optimum tretman malzemesi miktarının belirlenmesi deneysel çalışmasının metodolojisi ... 53
2.4.3.2. Optimum aşı türünün belirlenmesi deneysel çalışmasının metodolojisi ... 56
2.4.4. Yüzey temizleme ve taşlama ... 59
2.5. İşleme Prosesi ... 60
2.5.1. İşleme ve deneysel çalışmaları ... 61
2.5.1.1. VGDD ve LGDD raylı araç fren disklerinin seramik kesici uçla hassas tornalanmasında kesici uç aşınmasının değerlendirilmesi deneysel çalışmasının metodolojisi ... 62 2.5.1.2. VGDD raylı araç fren disklerinin hassas
tornalanmasında karbür ve CBN kesici uçların yüzey
iii
karşılaştırılması deneysel çalışmasının metodolojisi ... 63
2.5.1.3. VGDD raylı araç fren disklerinin karbür kesici uçla hassas tornalanmasında optimum işleme parametrelerinin seviyelerinin belirlenmesi deneysel çalışmasının metodolojisi ... 64
2.6. Analiz, İnceleme ve Test Çalışmaları ... 66
2.6.1. Kimyasal analiz çalışmaları ... 66
2.6.2. Metalürjik inceleme çalışmaları ... 66
2.6.3. Mekanik ve termal test çalışmaları ... 74
2.6.3.1. Sertlik ölçümleri ... 75
2.6.3.2. Çekme testleri... 77
2.6.3.3. Charpy darbe testleri ... 79
2.6.3.4. Termal iletkenlik ölçümleri ... 81
3. BULGULAR VE TARTIŞMA ... 83
3.1. Simülasyon Çalışmalarının Sonuçları ... 83
3.1.1. Döküm simülasyonunun sonuçları ... 83
3.1.2. Frenleme simülasyonunun sonuçları ... 93
3.1.2.1. Tasarım A için simülasyon sonuçları ... 93
3.1.2.2. Tasarım B için simülasyon sonuçları ... 98
3.1.2.3. Tasarım A ile tasarım B’nin karşılaştırılması ... 103
3.2. Kimyasal Analiz Çalışmalarının Sonuçları ... 103
3.2.1. Optimum tretman malzemesi miktarının belirlenmesi deneysel çalışmasından elde edilen numunelerin kimyasal analiz sonuçları ... 103
3.2.2. Optimum aşı türünün belirlenmesi deneysel çalışmasından elde edilen numunelerin kimyasal analiz sonuçları ... 105
3.3. Metalürjik İnceleme Çalışmalarının Sonuçları ... 107
3.3.1. Optimum tretman malzemesi miktarının belirlenmesi deneysel çalışmasından elde edilen numunelerin metalürjik inceleme sonuçları ... 107
3.3.2. Optimum aşı türünün belirlenmesi deneysel çalışmasından elde edilen numunelerin metalürjik inceleme sonuçları... 109
3.4. Mekanik ve Termal Test Çalışmalarının Sonuçları ... 117
3.4.1. Sertlik ölçümlerinin sonuçları ... 117
3.4.1.1. Optimum tretman malzemesi miktarının belirlenmesi deneysel çalışmasından elde edilen numunelerin sertlik ölçümlerinin sonuçları ... 117
3.4.1.2. Optimum aşı türünün belirlenmesi deneysel çalışmasından elde edilen numunelerin sertlik ölçümlerinin sonuçları ... 118
3.4.2. Çekme testlerinin sonuçları ... 121
3.4.3. Charpy darbe testlerinin sonuçları ... 129
3.4.4. Termal iletkenlik ölçümlerinin sonuçları ... 133
3.5. İşleme Deneysel Çalışmalarının Sonuçları ... 135
3.5.1. VGDD ve LGDD raylı araç fren disklerinin seramik kesici uçla hassas tornalanmasında kesici uç aşınmasının değerlendirilmesi deneysel çalışmasının sonuçları ... 135 3.5.2. VGDD raylı araç fren disklerinin hassas tornalanmasında
karbür ve CBN kesici uçların yüzey pürüzlüğüne etkisinin araştırılması ve kesici uç aşınmalarının karşılaştırılması deneysel
iv
çalışmasının sonuçları ... 136
3.5.3. VGDD raylı araç fren disklerinin karbür kesici uçla hassas tornalanmasında optimum işleme parametrelerinin seviyelerinin belirlenmesi deneysel çalışmasının sonuçları ... 138
4. SONUÇLAR VE ÖNERİLER ... 144
KAYNAKLAR ... 147
KİŞİSEL YAYINLAR VE ESERLER ... 155
v
ŞEKİLLER DİZİNİ
Şekil 1.1. Sürtünme halkası yüzeyinde termal çatlakların meydana geldiği
bir raylı araç fren diski ... 3 Şekil 1.2. Raylı araçlarda kullanılan bir fren diski-balata ikilisi... 5 Şekil 1.3. Fren diski-balata ikilisinin bir raylı araç üzerinde montaj
edildikleri bölgeler ... 5 Şekil 1.4. Raylı araçlarda kullanılan frenleme mekanizmalarının
sınıflandırılması ... 6 Şekil 1.5. Raylı araçlarda kullanılan fren disklerinin çalışma prensipleri:
(a) dingile ve (b) tekerleğe montajlı fren diskleri ... 7 Şekil 1.6. Frenleme esnasında fren diski ve balata sisteminde oluşan ısı
transferi mekanizması ... 9 Şekil 1.7. Optimize edilmiş fren diski havalandırma sistem tasarım örnekleri ... 11 Şekil 1.8. Radyal doğrultuda dikdörtgen ve elmas ve gözyaşı damlası kesitli
kanatçıklara sahip fren diski havalandırma sistem tasarımları ... 13 Şekil 1.9. Fren diski temsili havalandırma sistem tasarımları: (a) radyal,
(b) teğetsel ve (c) radyal ve teğetsel doğrultuda dikdörtgen kesitli
kanatçıklar ... 14 Şekil 1.10. Temsili hava bıçaklı fren diski ... 15 Şekil 1.11. Raylı araçlarda kullanılan fren diski malzemelerinin işletme
hızlarına göre kullanıldıkları hatlar ... 16 Şekil 1.12. Yarı kararlı Fe-Fe3C (sürekli çizgi) ve kararlı Fe-C (kesikli çizgi
sistemlerinin faz diyagramı ... 18 Şekil 1.13. Alaşım elementlerinin grafit ve karbür oluşturucu etkileri ... 19 Şekil 1.14. Yaygın ticari dökme demirlerin üretilmesi için temel mikro
yapılar ve prosesler ... 20 Şekil 1.15. VGDD’nin mikro yapı görüntüleri: (a) optik metal mikroskobu
görüntüsü (100x), (b) taramalı elektron mikroskobu (scanning electron microscope – SEM) derin dağlanmış görüntüsü (200x), (c) SEM derin dağlanmış görüntüsü (395x) ve (d) geçirimli elektron mikroskobu (transmission electron microscope – TEM)
görüntüsü ... 23 Şekil 1.16. Vermiküler grafit yapısı için optimum C% ve Si% aralıkları... 26 Şekil 1.17. Farklı küresellik% değerlerine sahip VGDD mikro yapıları (100x) ... 28 Şekil 2.1. Kalıpta işlem tretman tekniğiyle VGDD döküm prosesinin iş akış
şeması ... 33 Şekil 2.2. Geleneksel kalıpta işlem tretman tekniğinde reaksiyon odası ... 34 Şekil 2.3. Kalıpta işlem tretman tekniğinde, NovaCast firması tarafından
geliştirilen reaksiyon odası ve yolluk sistemi ... 35 Şekil 2.4. Kalıpta işlem tretman tekniğinde reaksiyon odalarının Mg
miktarına etkileri: (a) geleneksel ve (b) NovaCast firması
tarafından geliştirilen kalıpta işlem tretman teknikleri ... 35 Şekil 2.5. Raylı araç fren diskinin 3 boyutlu resmi ... 36 Şekil 2.6. Raylı araç fren diski kum kalıp modelinin 3 boyutlu resmi... 37
vi
Şekil 2.7. Raylı araç fren diski maçasının 3 boyutlu resmi ... 37
Şekil 2.8. Raylı araç fren diski yolluk sisteminin 3 boyutlu resmi ... 38
Şekil 2.9. Raylı araç fren diski kum kalıp modeliyle birlikte yolluk sisteminin döküm derecelerinin plakalarına montajı: (a) alt derece ve (b) üst derece... 38
Şekil 2.10. Raylı araç fren diskinin maçası ... 39
Şekil 2.11. Raylı araç fren diski ve eş çalışan balataların 3 boyutlu resmi ... 41
Şekil 2.12. Varsayılan model: Periyodik (yüzeysel ısı akısı) ... 41
Şekil 2.13. Analizlerde kullanılan çok yüzlü (polyhedral) ve altı yüzlü (hexahedral) elemanlar... 42
Şekil 2.14. Frenleme simülasyonu çalışmasında sınır şartları ... 43
Şekil 2.15. Frenleme simülasyonu çalışmasında kullanılan iki farklı raylı araç fren diski havalandırma sistemi tasarımları: (a) tasarım A ve (b) tasarım B ... 45
Şekil 2.16. Kalıp dereceleri: (a) üst kalıp derecesi ve (b) alt kalıp derecesi ... 46
Şekil 2.17. Oblf marka spektrometre cihazı ... 48
Şekil 2.18. Leco marka C-S cihazı ... 49
Şekil 2.19. Ergitme prosesi: (a) ocağın şarj edilmesi ve (b) sıvı metalin ocaktan potaya alınması ... 50
Şekil 2.20. Graphyte Flow termal analiz sistemi ... 51
Şekil 2.21. Tez kapsamında, kalıpta işlem tretman prosesiyle VGDD üretim şeması ... 52
Şekil 2.22. Döküm prosesinde potadan kum kalıba sıvı metal dökülmesi ... 53
Şekil 2.23. Reaksiyon odalarının şekil ve boyutları ... 54
Şekil 2.24. Sarsaktan geçerek yüzey temizleme askılarına asılmış prototip VGDD raylı araç fren diski ... 59
Şekil 2.25. Yüzey temizleme prosesinden sonra istiflenmiş prototip VGDD raylı araç fren diskleri: (a) kalıpta işlem tretman tekniğinin uygulanmasında kullanılan yolluk sistemi ve (b) istif ... 60
Şekil 2.26. Mori Seiki marka V1-553II model CNC işleme merkezi ... 60
Şekil 2.27. Prototip VGDD raylı araç fren diskinin CNC işleme merkezine yüklenmesi ve işleme sonrası sağlanan muhtelif görseller: (a), (b) işleme merkezindeki robot bölgesine yüklenmesi, (c), (d) robot tarafından işleme yapılan bölgeye yüklenmesi ve (e) işleme sonrası ... 61
Şekil 2.28. Dökme demir malzemelerin bazı grafit formları: (a) form III vermiküler grafit, (b) form IV arada olan grafit, (c) form V arada olan grafit ve (d) form VI küresel grafit ... 67
Şekil 2.29. Yumruluk şekil faktörünün tanımlanması ... 68
Şekil 2.30. Farklı yumruluk şekil faktörüne sahip grafitlerin temsili görselleri ... 69
Şekil 2.31. Yumruluk şekil faktörünün araştırılması süreci ... 70
Şekil 2.32. Metkon marka kesme cihazı ... 71
Şekil 2.33. Mikro yapı inceleme öncesi bakalite alınmış numuneler ... 71
Şekil 2.34. Metkon marka zımparalama cihazı ... 72
Şekil 2.35. Parlatma cihazı ve parlatıcı maddeler ... 72
Şekil 2.36. Nikon marka optik metal mikroskobu ... 73
Şekil 2.37. Vega Tescan marka SEM analiz cihazı ... 74
Şekil 2.38. Prototip VGDD raylı araç fren diski üzerinden numune alma: (a) numune alınan bölge ve (b) üzerinden numune alınmış fren diski ... 75
vii
Şekil 2.39. Üzerinden sertlik ölçümü yapılmış numuneler ... 75
Şekil 2.40. Oblf marka sertlik ölçme cihazı ... 76
Şekil 2.41. Prototip VGDD raylı araç fren diskinde sertlik ölçümü yapılan noktalar ... 76
Şekil 2.42. Çekme testleri için işlenmiş numuneler ... 77
Şekil 2.43. Zwick/Roell marka çekme test cihazı ... 78
Şekil 2.44. Çekme test parçasının şekil ve boyutları (mm)... 78
Şekil 2.45. Çekme testi uygulandıktan sonra kopan test parçası ... 79
Şekil 2.46. Charpy darbe testleri için işlenmiş numuneler ... 80
Şekil 2.47. Alşa marka Charpy darbe test cihazı ... 80
Şekil 2.48. Charpy darbe test parçasının şekil ve boyutları (mm) ... 81
Şekil 2.49. Charpy darbe testi uygulandıktan sonra kopan test parçası ... 81
Şekil 2.50. Hot Disk marka termal analiz cihazı ... 82
Şekil 3.1. ~1. s'deki kalıp dolumu ve sıvı metalin sıcaklığı ... 83
Şekil 3.2. ~3. s'deki kalıp dolumu ve sıvı metalin sıcaklığı ... 83
Şekil 3.3. ~5. s'deki kalıp dolumu ve sıvı metalin sıcaklığı ... 84
Şekil 3.4. ~10. s'deki kalıp dolumu ve sıvı metalin sıcaklığı ... 84
Şekil 3.5. ~15. s'deki kalıp dolumu ve sıvı metalin sıcaklığı ... 85
Şekil 3.6. ~20. s'deki kalıp dolumu ve sıvı metalin sıcaklığı ... 85
Şekil 3.7. ~1. s'deki kalıp dolumu esnasında sıvı metalin vektörel hızı... 86
Şekil 3.8. ~3. s'deki kalıp dolumu esnasında sıvı metalin vektörel hızı... 86
Şekil 3.9. ~5. s'deki kalıp dolumu esnasında sıvı metalin vektörel hızı... 87
Şekil 3.10. ~10. s'deki kalıp dolumu esnasında sıvı metalin vektörel hızı ... 87
Şekil 3.11. ~15. s'deki kalıp dolumu esnasında sıvı metalin vektörel hızı ... 88
Şekil 3.12. ~20. s'deki kalıp dolumu esnasında sıvı metalin vektörel hızı ... 88
Şekil 3.13. ~0,4. s'deki kalıp dolumu esnasında sıvı metalin vektörel hızı ... 89
Şekil 3.14. ~0,8. s'deki kalıp dolumu esnasında sıvı metalin vektörel hızı ... 89
Şekil 3.15. ~1,2. s'deki kalıp dolumu esnasında sıvı metalin vektörel hızı ... 90
Şekil 3.16. ~1,7. s'deki kalıp dolumu esnasında sıvı metalin vektörel hızı ... 90
Şekil 3.17. ~2,2. s'deki kalıp dolumu esnasında sıvı metalin vektörel hızı ... 91
Şekil 3.18. ~3. s'deki kalıp dolumu esnasında sıvı metalin vektörel hızı (2 boyutta) ... 91
Şekil 3.19. Katılaşmada çekinti döküm hatasının meydana gelebilme olasılığı bulunan riskli bölgeler ... 92
Şekil 3.20. Acil durum frenlemesi esnasında, tasarım A’nın kullanıldığı prototip VGDD raylı araç fren diski sürtünme halkası yüzeyinde oluşan sıcaklıklar ... 93
Şekil 3.21. Acil durum frenlemesi esnasında, tasarım A’nın kullanıldığı prototip VGDD raylı araç fren diski hava kanatçıklarının simetri ekseninde oluşan sıcaklıklar ... 93
Şekil 3.22. Acil durum frenlemesi esnasında, tasarım A’nın kullanıldığı prototip VGDD raylı araç fren diski sürtünme halkası yüzeyinin zamana bağlı olarak sıcaklık değişimi ... 95
Şekil 3.23. Acil durum frenlemesi esnasında, tasarım A’nın kullanıldığı prototip VGDD raylı araç fren diski hava kanatçıklarının ve hava kanallarının zamana bağlı olarak sıcaklık değişimi ... 96
Şekil 3.24. Acil durum frenlemesi esnasında, tasarım A’nın kullanıldığı prototip VGDD raylı araç fren diski hava kanallarından geçen genel hava akışı ... 97
viii
Şekil 3.25. Acil durum frenlemesi esnasında, tasarım A’nın kullanıldığı prototip VGDD raylı araç fren diski hava kanallarından geçen
detay hava akışı ... 97 Şekil 3.26. Acil durum frenlemesi esnasında, tasarım B’nin kullanıldığı
prototip VGDD raylı araç fren diski sürtünme halkası yüzeyinde
oluşan sıcaklıklar ... 98 Şekil 3.27. Acil durum frenlemesi esnasında, tasarım B’nin kullanıldığı
prototip VGDD raylı araç fren diski hava kanatçıklarının simetri
ekseninde oluşan sıcaklıklar ... 98 Şekil 3.28. Acil durum frenlemesi esnasında, tasarım B’nin kullanıldığı
prototip VGDD raylı araç fren diski sürtünme halkası yüzeyinin
zamana bağlı olarak sıcaklık değişimi ... 100 Şekil 3.29. Acil durum frenlemesi esnasında, tasarım B’nin kullanıldığı
prototip VGDD raylı araç fren diski hava kanatçıklarının ve hava
kanallarının zamana bağlı olarak sıcaklık değişimi ... 101 Şekil 3.30. Acil durum frenlemesi esnasında, tasarım B’nin kullanıldığı
prototip VGDD raylı araç fren diski hava kanallarından geçen
genel hava akışı ... 102 Şekil 3.31. Acil durum frenlemesi esnasında, tasarım B’nin kullanıldığı
prototip VGDD raylı araç fren diski hava kanallarından geçen
detay hava akışı ... 102 Şekil 3.32. Optimum tretman malzemesi miktarının belirlenmesi deneysel
çalışmasından elde edilen numunelerin C% ve Si% değerlerine göre vermiküler grafit yapısında elde edilip edilmediklerinin
değerlendirilmesi ... 105 Şekil 3.33. Optimum aşı türünün belirlenmesi deneysel çalışmasından elde
edilen numunelerin C% ve Si% değerlerine göre vermiküler grafit
yapısında elde edilip edilmediklerinin değerlendirilmesi ... 107 Şekil 3.34. A5 numunesinin (625 g tretman malzemesi ve aşısız), sırasıyla,
parlatılmış ve dağlanmış mikro yapı görüntüleri (100x büyütme) ... 108 Şekil 3.35. B1 numunesinin (390 g tretman malzemesi ve aşısız), sırasıyla,
parlatılmış ve dağlanmış mikro yapı görüntüleri (100x büyütme) ... 108 Şekil 3.36. C1 numunesinin (500 g tretman malzemesi ve aşısız), sırasıyla,
parlatılmış ve dağlanmış mikro yapı görüntüleri (100x büyütme) ... 109 Şekil 3.37. XA9 numunesinin (Inogen 75 aşı türü ve 625 g tretman
malzemesi), sırasıyla, parlatılmış ve dağlanmış mikro yapı
görüntüleri (100x büyütme) ... 110 Şekil 3.38. XC9 numunesinin (Inogen 75 aşı türü ve 500 g tretman
malzemesi), sırasıyla, parlatılmış ve dağlanmış mikro yapı
görüntüleri (100x büyütme) ... 110 Şekil 3.39. XA14 numunesinin (SB 5 aşı türü ve 625 g tretman malzemesi),
sırasıyla, parlatılmış ve dağlanmış mikro yapı görüntüleri
(100x büyütme) ... 111 Şekil 3.40. XC14 numunesinin (SB 5 aşı türü ve 500 g tretman malzemesi),
sırasıyla, parlatılmış ve dağlanmış mikro yapı görüntüleri
(100x büyütme) ... 111 Şekil 3.41. XA14 numunesinin (SB 5 aşı türü ve 625 g tretman malzemesi)
dağlanmış mikro yapı görüntüsü (500x büyütme) ... 111 Şekil 3.42. XA9 numunesinin (Inogen 75 aşı türü ve 625 g tretman
ix
malzemesi) kırılma yüzeyinin SEM görüntüsü (sırasıyla, 1kx,
500x ve 100x büyütme) ... 113
Şekil 3.43. XC9 numunesinin (Inogen 75 aşı türü ve 500 g tretman malzemesi) kırılma yüzeyinin SEM görüntüsü (sırasıyla, 1kx, 500x ve 100x büyütme) ... 114
Şekil 3.44. XA14 numunesinin (SB 5 aşı türü ve 625 g tretman malzemesi) kırılma yüzeyinin SEM görüntüsü (sırasıyla, 1kx, 500x ve 100x büyütme) ... 115
Şekil 3.45. XC14 numunesinin (SB 5 aşı türü ve 500 g tretman malzemesi) kırılma yüzeyinin SEM görüntüsü (sırasıyla, 1kx, 500x ve 100x büyütme) ... 116
Şekil 3.46. A4 numunesinin (625 g tretman malzemesi ve aşısız) sertlik değerleri (ortalama sertlik değeri=203,5 HB) ... 117
Şekil 3.47. B1 numunesinin (390 g tretman malzemesi ve aşısız) sertlik değerleri (ortalama sertlik değeri=190,3 HB) ... 117
Şekil 3.48. C1 numunesinin (500 g tretman malzemesi ve aşısız) sertlik değerleri (ortalama sertlik değeri=200,3 HB) ... 118
Şekil 3.49. XA9 numunesinin (Inogen 75 aşı türü ve 625 g tretman malzemesi) sertlik değerleri (ortalama sertlik değeri=210,8 HB) ... 119
Şekil 3.50. XC9 numunesinin (Inogen 75 aşı türü ve 500 g tretman malzemesi) sertlik değerleri (ortalama sertlik değeri=207,2 HB) ... 119
Şekil 3.51. XA14 numunesinin (SB 5 aşı türü ve 625 g tretman malzemesi) sertlik değerleri (ortalama sertlik değeri=208,9 HB) ... 120
Şekil 3.52. XC14 numunesinin (SB 5 aşı türü ve 500 g tretman malzemesi) sertlik değerleri (ortalama sertlik değeri=200,2 HB) ... 120
Şekil 3.53. XA7 numunesinin (Inogen 75 aşı türü ve 625 g tretman malzemesi) gerilme-uzama eğrisi ... 122
Şekil 3.54. XA9 numunesinin (Inogen 75 aşı türü ve 625 g tretman malzemesi) gerilme-uzama eğrisi ... 123
Şekil 3.55. XC7 numunesinin (Inogen 75 aşı türü ve 500 g tretman malzemesi) gerilme-uzama eğrisi ... 123
Şekil 3.56. XC9 numunesinin (Inogen 75 aşı türü ve 500 g tretman malzemesi) gerilme-uzama eğrisi ... 123
Şekil 3.57. XA13 numunesinin (SB 5 aşı türü ve 625 g tretman malzemesi) gerilme-uzama eğrisi ... 124
Şekil 3.58. XA14 numunesinin (SB 5 aşı türü ve 625 g tretman malzemesi) gerilme-uzama eğrisi ... 124
Şekil 3.59. XC12 numunesinin (SB 5 aşı türü ve 500 g tretman malzemesi) gerilme-uzama eğrisi ... 124
Şekil 3.60. XC14 numunesinin (SB 5 aşı türü ve 500 g tretman malzemesi) gerilme-uzama eğrisi ... 125
Şekil 3.61. Çekme mukavemeti değeri üzerine parametrelerin ana etkileri ... 125
Şekil 3.62. Çekme mukavemeti değeri üzerine parametreler arası etkileşimler ... 126
Şekil 3.63. Mikro yapı ile çekme mukavemeti ve küresellik arasındaki ilişki ... 127
Şekil 3.64. Ortalama çekme mukavemeti ile küresellik arasındaki ilişki ... 128
Şekil 3.65. Ortalama çekme mukavemeti ile ortalama sertlik arasındaki ilişki ... 128
Şekil 3.66. Tüm numunelerin ortalama Charpy darbe dayanımı değerlerinin sıcaklık seviyesine göre değişimleri ... 130 Şekil 3.67. Charpy darbe testi uygulanan bir numunede oluşan kırılma
x
yüzeyleri ... 131 Şekil 3.68. C%, perlit% ve küresellik% değerlerinin bir fonksiyonu olarak
dökme demirlerin termal iletkenliği ... 133 Şekil 3.69. LGDD, VGDD ve KGDD mikro yapılarındaki termal iletkenlikler ... 134 Şekil 3.70. Tez kapsamında dökülen ve termal iletkenlik katsayısı
36,03 W/m.K olarak ölçülen vermiküler grafitli XA14 numunesi (ortadaki görsel) ile literatürden elde edilen lamel (soldaki görsel) ve küresel (sağdaki görsel) grafitli dökme demirlerin SEM
görüntüleri üzerinden termal iletkenliklerinin karşılaştırılması
(50 µm ölçeği her 3 SEM görüntüsü için geçerlidir) ... 135 Şekil 3.71. Prototip VGDD raylı araç fren diski sürtünme halkası yüzeyi
üzerinden yüzey pürüzlüğü ölçümleri yapılan bölgeler ... 139 Şekil 3.72. Yüzey pürüzlüğü değeri üzerine parametrelerin ve parametreler
arası etkileşimlerin Pareto grafiği (α=0,05 ve Lenth’s PSE=0,135) ... 140 Şekil 3.73. Yüzey pürüzlüğü değeri üzerine parametrelerin ana etkileri ... 140 Şekil 3.74. Yüzey pürüzlüğü değeri üzerine parametreler arası etkileşimler ... 141 Şekil 3.75. Yüzey pürüzlüğü değeri üzerine ilerleme oranı ve paso
parametrelerinin etkilerinin kontur grafiği... 141 Şekil 3.76. Yüzey pürüzlüğü değeri üzerine ilerleme oranı ve kesme hızı
xi
TABLOLAR DİZİNİ
Tablo 1.1. LGDD raylı araç fren disklerinin termal çatlaklardan dolayı
değiştirilme yüzdesi ... 4
Tablo 1.2. Raylı araçlarda kullanılan fren disklerinin montaj yapıldıkları yere göre boyutları ... 15
Tablo 1.3. Dökme demirlerin sınıflandırılması ... 21
Tablo 1.4. Genel amaçlı uygulamalar için kullanılan alaşımsız ticari dökme demirlerin kimyasal kompozisyonu ... 22
Tablo 1.5. VGDD üretiminde kullanılan tretman tekniklerinin karşılaştırılması ... 25
Tablo 1.6. Alaşım elementlerinin etkileri ... 27
Tablo 1.7. LGDD, VGDD ve KGDD’lerin oda sıcaklığındaki genel mekanik ve termal özellikleri ... 28
Tablo 2.1. Tasarım kriterleri için karşılaştırma tablosu ... 31
Tablo 2.2. Frenleme simülasyonu çalışmasında kullanılan analiz isterleri ... 43
Tablo 2.3. Frenleme simülasyonu çalışmasında kullanılan çözücü ayarları ... 44
Tablo 2.4. Prototip VGDD raylı araç fren diskinin hedeflenen kimyasal kompozisyonu (%) ... 47
Tablo 2.5. Ocak şarj malzemeleri, miktarları, verimleri ve kimyasal kompozisyonları (%) ... 47
Tablo 2.6. Teorik olarak hesaplanan ocak kimyasal kompozisyonu (%) ... 48
Tablo 2.7. Analiz cihazları kullanılarak ölçülen nihai ocak kimyasal kompozisyonu (%) ... 48
Tablo 2.8. Analiz cihazları kullanılarak ölçülen nihai pota kimyasal kompozisyonu (%) ... 48
Tablo 2.9. Lamet 5504 Nodulariser tretman malzemesinin kimyasal kompozisyonu (%) ... 53
Tablo 2.10. Optimum tretman malzemesi miktarının belirlenmesi deneysel çalışmasının parametre ve seviyeleri ... 54
Tablo 2.11. Optimum tretman malzemesi miktarının belirlenmesi deneysel çalışmasında numunelerin kodlanması ... 55
Tablo 2.12. Optimum tretman malzemesi miktarının belirlenmesi deneysel çalışmasından sağlanan bazı önemli proses parametrelerinin seviyeleri ... 55
Tablo 2.13. Inogen 75 ve SB 5 aşılarının bazı önemli özellikleri ... 56
Tablo 2.14. Optimum aşı türünün belirlenmesi deneysel çalışmasının parametreleri ve seviyeleri ... 56
Tablo 2.15. Optimum aşı türünün belirlenmesi çalışması için istatistiksel olarak tasarlanmış L4 deney matrisi ... 57
Tablo 2.16. Optimum aşı türünün belirlenmesi deneysel çalışmasında numunelerin kodlanması ... 58
Tablo 2.17. Optimum aşı türünün belirlenmesi deneysel çalışmasından sağlanan bazı önemli proses parametrelerinin seviyeleri ... 58
xii
Tablo 2.18. İşleme prosesiyle ilgili deneysel çalışmalarda kullanılan kesici
uçların özellikleri ... 62 Tablo 2.19. VGDD ve LGDD raylı araç fren disklerinin seramik kesici uçla
hassas tornalanmasında kesici uç aşınmasının değerlendirilmesi
deneysel çalışmasının değişken parametre ve seviyeleri ... 63 Tablo 2.20. VGDD ve LGDD raylı araç fren disklerinin seramik kesici uçla
hassas tornalanmasında kesici uç aşınmasının değerlendirilmesi
deneysel çalışmasının sabit parametreleri ve seviyeleri ... 63 Tablo 2.21. VGDD raylı araç fren disklerinin hassas tornalanmasında karbür
ve CBN kesici uçların yüzey pürüzlüğüne etkisinin araştırılması ve kesici uç aşınmalarının karşılaştırılması deneysel
çalışmasının değişken parametre ve seviyeleri ... 64 Tablo 2.22. VGDD raylı araç fren disklerinin hassas tornalanmasında karbür
ve CBN kesici uçların yüzey pürüzlüğüne etkisinin araştırılması ve kesici uç aşınmalarının karşılaştırılması deneysel
çalışmasının sabit parametreleri ve seviyeleri ... 64 Tablo 2.23. VGDD raylı araç fren disklerinin karbür kesici uçla hassas
tornalanmasında optimum işleme parametrelerinin seviyelerinin belirlenmesi deneysel çalışmasının değişken parametreleri ve
seviyeleri ... 65 Tablo 2.24. VGDD raylı araç fren disklerinin karbür kesici uçla hassas
tornalanmasında optimum işleme parametrelerinin seviyelerinin belirlenmesi çalışması için istatistiksel olarak tasarlanmış L8
deney matrisi ... 65 Tablo 2.25. Yumruluk şekil faktörüyle sınıflandırılan grafit formları ... 68 Tablo 3.1. A4 numunesinin (625 g tretman malzemesi ve aşısız) kimyasal
kompozisyonu (%) ... 104 Tablo 3.2. B1 numunesinin (390 g tretman malzemesi ve aşısız) kimyasal
kompozisyonu (%) ... 104 Tablo 3.3. C1 numunesinin (500 g tretman malzemesi ve aşısız) kimyasal
kompozisyonu (%) ... 104 Tablo 3.4. XA9 numunesinin (Inogen 75 aşı türü ve 625 g tretman
malzemesi) kimyasal kompozisyonu (%) ... 105 Tablo 3.5. XA14 numunesinin (SB 5 aşı türü ve 625 g tretman malzemesi)
kimyasal kompozisyonu (%) ... 106 Tablo 3.6. XC7 numunesinin (Inogen 75 aşı türü ve 500 g tretman
malzemesi) kimyasal kompozisyonu (%) ... 106 Tablo 3.7. XC14 numunesinin (SB 5 aşı türü ve 500 g tretman malzemesi)
kimyasal kompozisyonu (%) ... 106 Tablo 3.8. Optimum tretman malzemesi miktarının belirlenmesi deneysel
çalışmasından elde edilen numunelerin perlit%, ferrit% ve
küresellik% değerleri ... 108 Tablo 3.9. Optimum aşı türünün belirlenmesi deneysel çalışmasından elde
edilen numunelerin perlit%, ferrit% ve küresellik% değerleri ... 110 Tablo 3.10. Optimum aşı türünün belirlenmesi deneysel çalışmasından elde
edilen numunelerin çekme değerleri ... 121 Tablo 3.11. Optimum aşı türünün belirlenmesi deneysel çalışmasından elde
edilen numunelerin Charpy darbe dayanımı değerleri ... 129 Tablo 3.12. Prototip VGDD raylı araç fren disklerinin metalürjik ve mekanik
xiii
özelliklerinin bir arada değerlendirilmesi ve birbirleriyle
ilişkilendirilmesi ... 132 Tablo 3.13. Optimum aşı türünün belirlenmesi deneysel çalışmasından elde
edilen XA14 numunesinin (SB 5 aşı türü ve 625 g tretman
malzemesi) termal iletkenlik değerleri ... 133 Tablo 3.14. VGDD ve LGDD raylı araç fren disklerinin seramik kesici uçla
hassas tornalanmasında yüzey pürüzlüğünün başladığı süre ile
kesici uç aşınması arasındaki ilişki ... 136 Tablo 3.15. VGDD raylı araç fren disklerinin karbür ve CBN kesici uçlarla
hassas tornalanmasında yüzey pürüzlüğünün artmaya başladığı
paso sayısı ile kesici uçların aşınması arasındaki ilişki ... 137 Tablo 3.16. Optimum işleme parametrelerinin seviyelerinin belirlenmesi
xiv SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ %. : Yüzde °. : Derece °C. : Derece Celcius °F. : Derece Fahrenheit °K. : Derece Kelvin µ : Sürtünme katsayısı µm. : Mikrometre µm2. : Mikrometrekare a : Yavaşlama ivmesi, (m/s2)
A : Yumruluk şekil faktörü hesaplanan grafitin alanı, (µm2) A1 : Ötektoid reaksiyon sıcaklığı
A3 : Ötektoid altı çeliklerde tam ostenit alanına geçiş sıcaklığı
Acm : Ötektoid altı çeliklerde tam ostenit alanına geçiş sıcaklığı
Al : Alüminyum Al2O3 : Alüminyum oksit
Am : Im çapındaki dairenin alanı, (µm2)
Ap : Balata sürtünme yüzeyi alanı, (cm2)
ap : Paso, (mm)
Ba : Baryum C : Karbon Ca : Kalsiyum Ce : Seryum CeO2 : Seryum oksit
cm2. : Santimetrekare Co : Kobalt
Cr : Krom Cu : Bakır
Dinlet : Raylı araç fren diski iç çapı, (mm)
Doutlet : Raylı araç fren diski dış çapı, (mm)
Dwheel : Tekerlek dış çapı, (mm)
Fdisc : Fren diski üzerine uygulanan kuvvet, (N)
Fe : Demir
Fe3C : Demir karbür
FePO4 : Demir fosfat
FeS : Demir sülfür
FeSiMg : Ferrosilisyum magnezyum demir alaşımı FeTi : Ferrotitanyum demir alaşımı
fn : İlerleme oranı, (mm/dev)
g. : Gram ɣ-Fe : Gama-demir GPa. : GigaPascal HB. : Brinell sertliği
xv
Im : Yumruluk şekil faktörü hesaplanan grafitin en fazla eksen uzunluğu, (µm)
J. : Joule kg. : Kilogram kg/m.s. : Kilogram/metre.saniye kg/m3. : Kilogram/metreküp kg/s. : Kiogram/saniye km/h. : Kilometre/saat kN. : KiloNewton k-ε : k-Epsilon l. : Litre La : Lantanum
LEc : Etkin kesme kenarı uzunluğu, (mm)
m/min. : Metre/dakika m/s. : Metre/saniye m/s2. : Metre/saniyekare
m3. : Metreküp
Mdisc : Raylı araç fren diski başına düşen kütle miktarı, (t)
Mg : Magnezyum MgO : Magnezyum oksit min. : Dakika ml. : Mililitre mm. : Milimetre mm/dev. : Milimetre/devir mm/min. : Milimetre/dakika Mn : Manganez MnS : Mangan sülfür Mo : Molibden MPa. : MegaPascal
Mvehicle : Raylı araç dolu ağırlığı, (t)
n : Raylı araçtaki fren diski miktarı, (adet) N. : Newton
Nb : Niobyum Nd : Neodimyum Ni : Nikel
np : Yüzey pürüzlüğünün artmaya başladığı paso sayısı, (adet)
O2 : Oksijen
P : Fosfor
Q : Fren diskine bir taraftan giren ısı akısı, (W) r : Yarıçap, (mm)
Ra : Yüzey pürüzlüğü, (µm) rad/s. : Radyan/saniye
RC H : Reaksiyon odasının yükseklikleri, (mm) RC L : Reaksiyon odasının uzunlukları, (mm) RC W : Reaksiyon odasının genişliği, (mm) rd : Raylı araç fren diski efektif yarıçapı, (m)
REc : Köşe yarıçapı, (mm)
rw : Tekerlek efektif yarıçapı, (m)
S : Kükürt
xvi s. : Saniye
Sc : Kesici uç kalınlığı, (mm)
Si : Silisyum Si3N4 : Silisyum nitrür
SiC : Silisyum karbür Sn : Kalay
Sr : Stronsiyum t. : Ton
Ti : Titanyum
ti : Yüzey pürüzlüğünün görsel olarak başladığı işleme süresi, (min)
TiC : Titanyum karbür TiCN : Titanyum karbonitrür Tilk : Başlangıç sıcaklığı, (°C)
TiN : Titanyum nitrür
tz : Raylı araç durma süresi, (s)
V : Vanadyum
V0 : Raylı araç başlangıç hızı, (km/h)
Vc : Kesme hızı, (m/min)
Vwind : Seyrüsefer rüzgar hızı, (m/s)
W. : Watt W/m.K. : Watt/metre.derece Kelvin WC : Tungsten karbür Zr : Zirkonyum α-Fe : Alfa-demir δ-Fe : Delta-demir Kısaltmalar
BSE : Back-Scattered Electrons (Geri Saçılmış Elektronlar)
CAE : Computer Aided Engineering (Bilgisayar Destekli Mühendislik) CBN : Cubic Boron Nitride (Kübik Bor Nitrür)
CE : Carbon Equivalent (Karbon Eşdeğeri)
CGI : Compacted Graphite Cast Iron (Sıkıştırılmış Grafitli Dökme Demir) CNC : Computer Numerical Control (Bilgisayarlı Nümerik Kontrol)
ISO : International Organization for Standardization (Uluslararası Standartlar Organizasyonu)
KGDD : Küresel Grafitli Dökme Demir LGDD : Lamel Grafitli Dökme Demir N/A : Not Available (Mevcut Değil)
PPI : Pores per Inch (İnç Başına Gözenekler) RE : Rare Earth (Nadir Toprak Elementleri)
SEM : Scanning Electron Microscope (Taramalı Elektron Mikroskobu) TC : Total Carbon (Toplam Karbon)
TEM : Transmission Electron Microscope (Geçirimli Elektron Mikroskobu) VGDD : Vermiküler Grafitli Dökme Demir
xvii
RAYLI ARAÇLARDA KULLANILAN FREN DİSKLERİNİN VERMİKÜLER GRAFİTLİ DÖKME DEMİR OLARAK ÜRETİLMESİ İLE MEKANİK ÖZELLİKLERİNİN İYİLEŞTİRİLMESİ
ÖZET
Bu tez çalışmasında, raylı araçlarda kullanılan fren disklerinin vermiküler grafitli dökme demir olarak üretilmesiyle lamel grafitli dökme demire göre mekanik özelliklerinin ve küresel grafitli dökme demire göre termal özelliklerinin geliştirilmesi amaçlanmıştır. Döküm prosesinde, optimum tretman malzemesi miktarının ve optimum aşı türünün belirlenmesi; işleme prosesinde ise, optimum işleme parametrelerinin belirlenmesi amaçlanmıştır. Bu optimum seviyelerin endüstride dökümhane ve talaşlı imalat işletmelerine yol gösterici nitelikte olacağı düşünülmüştür. Tez çalışması genel olarak literatür taraması, simülasyon, döküm prosesi, işleme prosesi ve test aşamalarından oluşmaktadır. Raylı araç fren diskinin optimum havalandırma sistem tasarımını belirlemek için frenleme simülasyonu yapılmıştır. Döküm prosesinin kalitesini henüz tasarım aşamasında sağlamak için döküm simülasyonu yapılmıştır. Döküm prosesi kalıpta işlem tretman tekniği kullanılarak kum kalıba döküm şeklinde yapılmıştır. Döküm ve işleme prosesleriyle ilgili gerçekleştirilen deneysel çalışmalarda tam faktöriyel deney tasarımı metodolojisi kullanılmıştır. Tez kapsamında, vermiküler grafitli dökme demir raylı araç fren diskleri başarıyla üretilmiştir. En yüksek çekme mukavemeti değerini (509,5 MPa) veren kombinasyon olan SB 5 aşı türünün ve 625 g tretman malzemesi miktarının döküm prosesinde optimum seviyeler olduğu tespit edilmiştir. En düşük yüzey pürüzlüğü değerini (1,02 µm) veren kombinasyon olan 200 veya 300 m/min kesme hızının, 0,2 mm/dev ilerleme oranının ve 0,5 mm paso miktarının işleme prosesinde optimum seviyeler olduğu tespit edilmiştir.
Anahtar Kelimeler: Fren Diski, Frenleme Simülasyonu, Mekanik Özellikler, Raylı
xviii
IMPROVEMENT OF MECHANICAL PROPERTIES WITH MANUFACTURING AS VERMICULAR GRAPHITE CAST IRON OF BRAKE DISCS USED ON RAIL VEHICLES
ABSTRACT
In this thesis study, it has been aimed to improve the mechanical properties with respect to lamellar graphite cast iron and the thermal properties with respect to spheroidal graphite cast iron by manufacturing as vermicular graphite cast iron of brake discs used on rail vehicles. It has been aimed to determine the optimum treatment material quantity and inoculation type in casting process and the optimum machining parameters in machining process. It has been thought that these optimum levels will guide the foundry and machining businesses in industry. The thesis study has been consisted of literatüre review, simulation, casting, machining and test phases in general. To determine the optimum ventilation system design of the rail vehicle brake discs has been conducted braking simulation. To ensure the quality of the casting process in the design phase has been conducted casting simulation. The casting process has been into the sand mold by using the in-mold treatment technique. For experimental studies related to casting and machining processes have been used the full-scale factorial design of eperiments. In the scope of the thesis, rail vehicle brake discs have been successfully produced from vermicular graphite cast iron. It has been determined that the SB 5 inoculation type and 625 g of treatment material quantity, which is the combination giving the highest tensile strength value (509.5 MPa) are optimum levels in the casting process. It has been determined that the 200 or 350 m/min of cutting speed, 0.2 mm/rev of feed rate and 0.5 mm of cutting depth, which is the combination giving the lowest surface roughness value (1.02 µm) are optimum levels in the machinimg process.
Keywords: Brake Disc, Braking Simulation, Mechanical Properties, Rail Vehicle,
1
GİRİŞ
Fren diskleri, raylı araçlarda kullanılan bir güvenlik parçası olup, özellikle, acil durum frenlemelerinde önemli bir emniyet unsuru taşımaktadır. Bundan dolayı, fren disklerinden işletme şartlarında işlevlerini tam olarak yerine getirmeleri beklenmektedir. Fren disklerinin, frenleme esnasında açığa çıkan enerjiyi herhangi bir problem meydana gelmeden soğurması gerekmektedir. Raylı araçlarda kullanılan dökme demir fren diskleri lamel grafitli dökme demir (LGDD) ve küresel grafitli dökme demirdir (KGDD). İşletme şartlarında, bu dökme demirler bir takım problemlerle karşılaşabilmektedir. LGDD’nin düşük tokluk özelliğinden dolayı raylı araç fren diski sürtünme halkasında termal çatlaklar oluşabilmektedir. KGDD’nin düşük termal iletkenliğinden dolayı raylı araç fren diskinde yapısal çarpılmalar meydana gelebilmektedir. Bu problemler frenleme performansını kararsız hale getirebilmekte ve bakım maliyetini arttırabilmektedir.
Bu tezde, raylı araçlarda kullanılan fren disklerinin vermiküler grafitli dökme demir (VGDD) olarak üretilmesiyle LGDD’ye göre mekanik özelliklerinin ve KGDD’ye göre termal özelliklerinin geliştirilmesi amaçlanmıştır. Bu geliştirmenin bir sonucu olarak, mekanik ve termal özellikleri açısından LGDD ve KGDD’nin arasında yer alan VGDD’den üretilen raylı araç fren diskleriyle tokluk ve termal iletkenlik arasında iyi bir denge sağlanması düşünülmüştür. Böylece, raylı araç fren disklerinde meydana gelebilen termal çatlama ve çarpılma problemlerinin iyileştirilerek frenleme performansında kararlılık ve ömürde artış sağlanması hedeflenmiştir. Bu durum, raylı araç fren disklerinin nispeten daha uzun aralıklarla değiştirilmesine neden olabileceğinden dolayı bakım maliyetinde azalış öngörülmüştür.
Tez çalışması kapsamında geliştirilen raylı araç fren diskinin optimum havalandırma sistem tasarımını belirlemek için frenleme simülasyonu yapılmıştır. Belirlenen optimum havalandırma sistem tasarımı esas alınarak raylı araç fren diskinin maça modeli, kum kalıp modeli ve yolluk sistemi tasarlanmıştır. Bunların döküm prosesine uygunluğunu kontrol etmek için döküm simülasyonu yapılmıştır. Uygunluğu kontrol
2
edilen maça modeli, kum kalıp modeli ve yolluk sistemi üretilmiştir. Raylı araç fren diskinin VGDD olarak dökülebilmesi için in-mold (kalıpta işlem) tretman tekniği kullanılmıştır. Döküm prosesiyle ilgili iki adet deneysel çalışma yapılmıştır. Bu çalışmalar optimum tretman malzemesi miktarının belirlenmesi ve optimum aşı türünün belirlenmesidir. Dökülen VGDD raylı araç fren diskleri işlenmiştir. İşleme prosesiyle ilgili üç adet deneysel çalışma yapılmıştır. Bu deneysel çalışmalardan birisi optimum işleme parametre seviyelerinin belirlenmesidir. VGDD raylı araç fren disklerine kimyasal, metalürjik, mekanik ve termal özelliklerinin belirlenmesi için bazı analizler, incelemeler ve testler uygulanmıştır. Kimyasal özelliklerin belirlenmesinde spektrometre ve karbon-kükürt (C-S) analizleri; metalürjik özelliklerin belirlenmesinde optik metal mikroskobu ve taramalı elektron mikroskobu incelemeleri; mekanik ve termal özelliklerin belirlenmesinde sertlik ölçümü, çekme testi, Charpy darbe testi ve termal iletkenlik ölçümü yapılmıştır.
Döküm ve işleme prosesleriyle ilgili gerçekleştirilen deneysel çalışmalardan elde edilen verilerin literatüre özgün katkı sağlayacağı düşünülmektedir. Deneysel çalışmalarda tam faktöriyel deney tasarımı metodolojisi kullanılmıştır. Optimum tretman malzemesi miktarı ve optimum aşı türü verilerinin endüstride dökümhane işletmelerine; optimum işleme parametre seviyeleri verisinin ise endüstride talaşlı imalat işletmelerine yol gösterici nitelikte olacağı düşünülmektedir. VGDD raylı araç fren diski ülkemizde bir ilk olarak bu tez çalışması kapsamında üretilmiştir. Bu husus, ülkemizin 2023 hedefleri doğrultusunda ihtiyaç duyabileceği raylı araç fren diski ihtiyacını yerli üretimle geliştirilmiş VGDD raylı araç fren diskleriyle karşılamak için bir fırsat yaratmaktadır.
Bu tez, T.C. Sanayi ve Teknoloji Bakanlığı, Bilim ve Teknoloji Genel Müdürlüğü tarafından Sanayi Tezleri Programı kapsamında desteklenmiştir.
3
1. GENEL BİLGİLER
Raylı araçların hareket halinde sahip oldukları kinetik enerji frenleme esnasında sürtünme yoluyla termal enerjiye dönüşmektedir. Bu süreç boyunca açığa çıkan ısı miktarı raylı aracın sahip olduğu kütle ve hızı ile doğru orantılı olarak değişim göstermektedir. Bu ısı miktarının nispeten yüksek değerlere ulaşması, özellikle, fren diskinin sürtünme halkası yüzeyinde termal çatlakların meydana gelmesine sebep olabilmektedir [1]. Şekil 1.1’de, sürtünme halkası yüzeyinde bir seri termal çatlağın meydana geldiği bir raylı araç fren diski görülmektedir.
Şekil 1.1. Sürtünme halkası yüzeyinde termal çatlakların meydana geldiği bir raylı araç fren diski [1]
Frenleme esnasında meydana gelen enerji dönüşümünün ~90%’ı fren disklerinde termal enerji olarak depolanırken bu enerjinin bir kısmı da ortama transfer edilmektedir [2]. Bu husus, termal çatlakların oluşumunu teşvik etmektedir [1]. Frenleme esnasında nispeten yüksek miktarda enerji üretilmektedir. Örnek olarak, Shinkansen marka 500 serisi A-16 yüksek hızlı raylı aracı tüm koltukları doluyken ~509x103 kg kütleye sahip olup maksimum ~83,3 m/s≈300 km/h hız ile işletilirken tamamen durdurulması için soğurulması gereken enerji miktarı 1.770x106 J’dir. Bu
miktar, 4,2 m3=4.200 l suyun sıcaklığını donma noktasından kaynama noktasına arttırmak için gerekli enerji miktarıyla eşdeğerdir. Dahası, binek bir otomobil tarafından kullanılan enerji miktarının ~1.500 katıdır [3]. Bir başka örnek olarak, TGV
4
marka yüksek hızlı raylı araçta kullanılan acil durum frenlemesi esnasında her bir fren diski başına dağıtılan enerji miktarı 25x106 J değerine ulaşabilmektedir [4].
Fren diskinin sürtünme halkası yüzeyinden belirli bir seviyeye kadar içeriye girerek yayılan termal çatlakların şiddetli frenleme sürecinden dolayı meydana geldiği bilinmektedir [5]. Bu termal çatlaklar ciddi kazalara, frenleme performansında düşüşlere ve sürtünen malzemelerin sık aralıklarla değiştirilmesinden dolayı bakım maliyetlerinde bir artışa sebep olabilmektedir. Ayrıca, çatlak ilerleme karakteristiği fren diskinin ömrünü belirlemektedir [6]. Tablo 1.1’de, Kore’de konvansiyonel hatlarda işletilen Saemaul marka raylı araçlarda kullanılan LGDD fren disklerinin termal çatlaklardan dolayı yıllar bazında değiştirilme yüzdeleri görülmektedir.
Tablo 1.1. LGDD raylı araç fren disklerinin termal çatlaklardan dolayı değiştirilme yüzdesi [7]
Değiştirme Periyodu (yıl) 2-3 3-4 4-5 Toplam
Değiştirme Oranı (%) 15 54,9 30,1 100
Tablo 1.1’e göre, konvansiyonel hatlarda işletilen raylı araçlarda kullanılan LGDD fren disklerinin termal çatlaklardan dolayı değiştirilmesi çoğunlukla 3-4 yıl içerisinde gerçekleşmektedir.
1.1. Raylı Araçlarda Kullanılan Fren Diskleri
Raylı araçlar belirli ürün gruplarının bir araya getirilmesi ile oluşturulmaktadır. Bu ürün grupları genel olarak araç gövdesi, iç yerleşim düzeni, boji, tahrik donanımı ve konfor sistemidir. Fren diskleri boji ürün grubu içerisinde yer almaktadır [8]. Şekil 1.2 ve 1.3’de, sırasıyla, raylı araçlarda kullanılan fren diski-balata ikilisi ve bir raylı araç üzerinde montaj edildikleri bölgeler görülmektedir.
5
Şekil 1.2. Raylı araçlarda kullanılan bir fren diski-balata ikilisi [9]
Şekil 1.3. Fren diski-balata ikilisinin bir raylı araç üzerinde montaj edildikleri bölgeler [4]
Frenler, fren momentinin oluşturulması ve enerji değişiminin gerçekleştirilmesi olmak üzere iki ana fonksiyonu yerine getirmektedir. Buradaki enerji değişimi kinetik enerjinin termal enerjiye dönüştürülmesi ve sürtünme mekanizması sonucu üretilen ısının atılması olarak yorumlanmaktadır [10]. Şekil 1.4’de, raylı araçlarda kullanılan frenleme mekanizmaları görülmektedir.
6
Şekil 1.4. Raylı araçlarda kullanılan frenleme mekanizmalarının sınıflandırılması [3]
Şekil 1.4’de sınıflandırılan frenleme mekanizmalarından sadece mekanik frenler sınıfı termal çatlak oluşumuna yol açabilmektedir. Bunun nedeni, termal çatlak oluşumunu tetikleyen unsurlardan birisi olan kinetik enerjinin termal enerjiye dönüştürülmesinde mekanik bir süreç olan sürtünme olayının devreye girmesidir. Bununla birlikte, mekanik frenler sınıfına dâhil olan bandaj frenlerde, frenleme olayı fren pabucunun tekerlek bandajına sürtünmesine dayanmaktadır. Dolayısıyla, sürtünme yoluyla üretilen ısı tekerlek bandajında termal çatlaklara yol açabilmektedir. Diğer taraftan, dingile ve tekerleğe montajlı fren disklerinde ise frenleme süreci doğrudan fren diski üzerinden oluşmaktadır. Bundan dolayı, sürtünme yoluyla üretilen ısı fren disklerinde termal çatlak oluşumuna yol açabilmektedir.
Fren diskleri sadece raylı araçlarda değil, aynı zamanda genel olarak tüm araç uygulamalarında bir güvenlik parçası olarak kabul edilmektedir. Bundan dolayı, çalıştıkları süre zarfında güvenilir olmaları ve emniyetli çalışmaları gerekmektedir [11, 12]. Raylı araçlarda kullanılan fren diskleri montaj yapıldıkları yere göre iki grupta sınıflandırılmaktadır. Bunlar dingile montajlı ve tekerleğe montajlı fren diskleridir [3]. Şekil 1.5’te, bu sistemlerin çalışma prensipleri görülmektedir.
Adezyonlu Frenler Mekanik Frenler Bandaj Frenler Dingile Montajlı Disk Frenler Tekerleğe Montajlı Disk Frenler Elektrikli Frenler Dinamik Frenler Rejenaratif Frenler Adezyonsuz Frenler Hava Dirençli Frenler Elektromanyetik Frenler
7
Şekil 1.5. Raylı araçlarda kullanılan fren disklerinin çalışma prensipleri: (a) dingile ve (b) tekerleğe montajlı fren diskleri [3]
Fren diskleri esas olarak enerji türlerini dönüştürerek fonksiyonları yerine getiren mekanizmalar olarak nitelendirilmektedir. Bir raylı araç, belirli bir hızla hareket ettiği zaman bir kinetik enerjiye sahiptir. Frenleme esnasında, fren diski ile ona karşı basınç uygulayan balata arasındaki sürtünme mekanizması kinetik enerjiyi termal enerjiye dönüştürmektedir. Fren diski soğurken ısı yayılmakta ve raylı araç yavaşlatılmaktadır [1, 10, 11, 13-16]. Bu süreçte, sürtünme yoluyla üretilen ısı termal çarpılmalara neden olabilmektedir. Termal çarpılmalar ise fren diski ve balata arasında lokal temas alanlarına ve fren diski sürtünme halkasında sıcak nokta oluşumlarına yol açmaktadır. Sıcak noktalar sürtünme halkası yüzeyindeki yüksek termal gradyanlardır. Bunlar, fren disklerinde hasar ve erken bozulmaya yol açabilen en tehlikeli olgular arasında sayılmaktadır. Bu sıcak noktalardan dolayı oluşan termomekanik süreç çekme ve basma gerilmelerinin bir çevrimine neden olmaktadır. Sonuç olarak, düşük çevrimli yorulma meydana gelebilmekte ve bu husus fren diski sürtünme halkası yüzeyinde termal çatlak oluşumunu teşvik etmektedir [17].
1.2. Raylı Araçlarda Kullanılan Fren Disklerinde Karşılaşılan Problemler 1.2.1. Düşük çevrimli yorulma
Bir parçaya uygulanan tekrarlı gerilmeler çok yüksekse, çevrim başına biriken deformasyon enerjisi de yüksek olmaktadır. Bu, düşük çevrimli yorulma karakteristiğidir. Düşük çevrimli yorulma koşulları altında parça ömrünün çok kısa bir bölümünü çatlak oluşumu aşamasında, uzun bir bölümünü yorulma hasarının çatlak ilerleme aşamasında harcamaktadır [18]. Düşük çevrimli yorulma 105 çevrimden daha
8
1.2.2. Termomekanik yorulma
Malzemenin eş zamanlı olarak değişen yük ve sıcaklıklara maruz kaldığı özel bir yorulma türüdür. Ömür tahmini için kullanılan ve sabit yüksek sıcaklıkta gerçekleştirilen izotermal yorulma deneyleri genellikle termomekanik yorulma koşullarında uygulanmamaktadır. Bunun nedeni, malzeme özelliklerinin sıcaklıkla değişmesi ve termomekanik yorulma koşullarında farklı hasar mekanizmalarının da yorulma ömrü üzerinde etkili olmasıdır. Ömür tahmini için termomekanik yorulma koşulları altında gerçekleşen gerilme-uzama davranışları, çatlak başlama davranışı ve çatlak ilerleme hızları kullanılmaktadır. Gerçekte, değişen sıcaklığın etkisiyle oluşan hasarın da dikkate alınması gerekmektedir [20].
1.2.3. Termal çatlama
Raylı araçlarda, özellikle acil durum frenlemesi esnasında, fren diski sürtünme yoluyla üretilen ısıya maruz kalırken termal genleşme meydana gelmektedir. Termal genleşme fren diskinin yapısal şekli ve sürtünme halkası yüzeyine uygun olarak hareket eden frenleme basıncı tarafından bastırıldığı için sürtünme halkası yüzeyinde basma gerilmesi meydana gelmektedir. Bu gerilmenin tam tersine, soğuma esnasında ise çekme gerilmesi meydana gelmekte ve soğuma sonrası sürtünme halkası yüzeyinde kalıntı gerilmeler oluşmaktadır. Bu frenleme sürecinin tekrar edilmesi durumunda sürtünme halkası yüzeyinde termal yorulma çatlakları meydana gelmektedir. Dahası, tekrarlanmış frenlemeden kaynaklı aşınma ve termal yorulmanın sebep olduğu çarpılma, fren diski ve balata arasında düzensiz bir temas yüzeyine yol açarak üretilen sürtünme ısısını lokal bir alan üzerinde yığmaktadır [12, 13]. Analizler, fren disklerinde meydana gelen bu problemin düşük çevrimli termomekanik yorulmanın bir sonucu olduğunu göstermektedir [5, 13, 17]. Diğer taraftan, fren diski kristal yapısı makroskobik sıcak nokta alanlarında değişmekte ve bu alanlarda martenzit faz oluşumu meydana gelmektedir. Martenzit çok sert ve kırılgan bir yapıya sahiptir. Sıcak nokta alanlarının çevresindeki çatlaklar martenzit faz oluşumundan sonra soğuma esnasında meydana gelmektedir [17].
9
1.3. Termal Çatlak Oluşumunun Önlenmesi
Frenleme esnasında, fren diski ve balata sisteminde oluşan ısı transferi mekanizması, bir diğer deyişle, termomekanik bağlantılar termoelastik kararsızlıklara yol açabilmektedir. Özellikle, acil durum frenlemelerinde, kritik kayma hızının aşıldığı durumlarda fren diski sürtünme halkası yüzeyinde sıcak nokta ve termal bant oluşumları meydana gelebilmektedir. Kritik kayma hızı sınırını yükseltmek için termal genleşme katsayısının minimize edilmesi gerekmektedir. Bunun için ise fren diskinde optimum bir soğutma sürecinin sağlanması gerekmektedir [21-24]. Şekil 1.6’da, fren diski ve balata sisteminde oluşan ısı transferi mekanizması görülmektedir.
Şekil 1.6. Frenleme esnasında fren diski ve balata sisteminde oluşan ısı transferi mekanizması [21]
Fren sistemi elemanlarının çok çabuk ısınmasını önlemek için ısı depolama kapasitelerinin büyük olması gerekmektedir. Bu kapasite özgül ısı kapasitesi ve fren ağırlığının çarpımıyla elde edilmektedir. Bu durumda, fren sisteminin büyük ve özgül ısı kapasitesinin yüksek olması gerekmektedir [22].
10
Fren sistemlerinde, frenleme esnasında üretilen ısının mümkün olduğunca hızlı bir şekilde sistemden uzaklaştırılması gerekmektedir. Böylece, frenleme esnasında sistem sıcaklığının hızla artması önlendiği gibi frenleme süreci tamamlandığında sistemde hızlı bir soğuma sağlanmış olmaktadır. Bundan dolayı, fren sistemlerinin yerleştirildiği bölgenin kapalı olmaması gerekmektedir. Isı transferinin arttırılabilmesi için fren sistemlerinin seyir rüzgârına maruz kalacak şekilde montaj yapılması gerekmektedir. Ayrıca, ısı transferi yüzey alanının arttırılması ısının sistemden daha hızlı bir şekilde uzaklaştırılmasını sağlamaktadır [22].
Özellikle, termal çatlaklar başta olmak üzere frenleme esnasında oluşan yüksek sıcaklıkların ortaya çıkarabileceği problemleri azaltmak ve frenleme performansını arttırmak için fren sistemlerine hem konsrüktif hem de metalürjik uygulamaların yapılabileceği düşünülmektedir [25]. Örnek olarak, konstrüktif açıdan daha etkili bir soğutma sağlayan havalandırma sistem tasarımları [21, 25] ve metalürjik açıdan yüksek C’li dökme demirler verilebilmektedir [25, 26]. Ayrıca, yüksek termal gerilmelere maruz kalan fren diski termal yorulmaya karşı daha iyi mukavemet gösteren malzemelere ihtiyaç duymaktadır. Bu durumda, Ni, Cr ve Mo’lu dökme demirler kullanılmaktadır. Bununla birlikte, bu alaşım elementlerinin nispeten yüksek maliyetli olması biz dezavantaj yaratmaktadır [13].
Fren diski kalınlığının da termoelastik kararsızlık üzerine etkisi bulunmaktadır. Bu parametre azaltıldığında kritik kayma hızında önemli ölçüde bir artış olduğu belirtilmektedir [27].
Fren diskinin dökülmesi ya da işlenmesi esnasında meydana gelebilecek kalıntı gerilmelerin giderilmesi amacıyla fren diskine ısıl işlem uygulanması gerekebilmektedir. Kalıntı gerilmeleri giderilmemiş fren diski daha düşük bir kritik kayma hızına sahip olmaktadır. Kalıntı gerilmelerin sıcak nokta oluşma sınırını aşağıya doğru çektiği bildirilmektedir [24].
1.4. Raylı Araçlarda Kullanılan Fren Disklerinin Tasarım Değişiklikleri
Etkili bir soğutma sağlaması açısından raylı araçlarda kullanılan fren disklerinin çoğunda havalandırma sistemi bulunmaktadır. Bu havalandırma sistemi kanatçık ve kanallardan meydana gelmektedir. Havalandırma sistemine sahip fren diskleri,
11
frenleme esnasında, fren diskinin soğutulmasında ve yüksek termal direnç elde edilmesinde çok önemli bir rol oynamaktadır [28-30]. Bu fren disklerinin soğutma etkisi iki temel unsura bağlı olmaktadır. Bunlar, fren diski içinden geçen kütle debisi, bir diğer deyişle, fren diskinin hava pompalama etkisi ve fren diskinin yüzeyi üzerindeki ısı transferi katsayısıdır [29].
Havalandırma sistemindeki kanatçıkların önemli bir görevi de fren diskinin alt ve üst sürtünme halkaları arasında mekanik bir bağlantı sağlamaktır. Bu bağlantının mukavemetini arttırmak için malzeme sabit kalmak koşuluyla hava kanatçıklarının kesit alanlarını büyütmek gerekmektedir. Bu durum, kanalların kesitlerinde azalışa ve fren diskinin kütlesinde artışa sebep olmaktadır. Sürtünme halkaları arasında hem etkili hava akışı hem de yüksek mukavemet sağlamak için havalandırma sistem tasarımları üzerine optimizasyon çalışmalarının yapılması gerekmektedir [31]. Şekil 1.7’de, bu bağlamda optimize edilmiş fren diski havalandırma sistem tasarım örnekleri görülmektedir.
Şekil 1.7. Optimize edilmiş fren diski havalandırma sistem tasarım örnekleri [31]
12
Raylı araçlarda kullanılan fren disklerinin havalandırma sistem tasarımlarında farklı geometrilere sahip kanatçıklar bulunmaktadır. Bunların frenleme ve termal performans üzerine etkileri bir takım parametrelerinin seviyeleri optimize edilerek iyileştirilebilmektedir. Bu parametreler kanatçık sayısı, şekli (kesiti), boyutu, açısı ve pozisyonu olmak üzere beş adettir [32, 33]. Optimum frenleme ve termal performans sağlanması için en etkili parametre kanatçık sayısıdır. Diğer taraftan, şekil ve açı parametreleri de optimize edilerek ısı transferi geliştirilebilmektedir [32]. Optimize edilmemiş fren diski havalandırma sistem tasarımları optimum hava akışı üretemediklerinden dolayı etkili bir sıcaklık dağılımı sağlayamamaktadır [30].
Havalandırma sistemine sahip bir fren diskinin raylı araçlarda kullanılması, iç hava akışı tarafından oluşturulmuş itimli bir konveksiyon sağlarken hem yüzey alanını (atmosfere maruz kalmış ilave alan) hem de ısı transferi katsayısını arttırmaktadır [21]. Bu fren disklerinin sürtünme halkası yüzeyindeki ısı üretimi, kanal yapısındaki hava sirkülasyonu sayesinde katı, bir diğer deyişle, havalandırma sistemine sahip olmayan fren disklerine nazaran daha düşük olmaktadır [33, 34]. Raylı araçlarda kullanılan fren disklerindeki havalandırma sistemleri, kanatçıklarının doğrultusuna göre radyal ve teğetsel olmak üzere ikiye; kesitlerine göre dikdörtgen, kare, elmas, daire ve gözyaşı damlası olmak üzere beşe ayrılmaktadır [21, 28-30, 32, 33, 35, 36]. Ayrıca, belirli bir düzende eğrisel formlarda kanatçıklardan meydana gelmiş havalandırma sistem tasarımları da mevcuttur [37].
Havalandırma sistem tasarımlarında, radyal doğrultuda dikdörtgen kesitli kanatçığa sahip fren disklerinin kanallarından geçen kütle debisi miktarı ve ısı transferi katsayısı, elmas ve gözyaşı damlası kesitli kanatçığa sahip fren disklerinden sırasıyla ~13,5% ve ~6,8% daha yüksektir. Ayrıca, bu havalandırma sistem tasarımlarına sahip fren disklerinde taşınan toplam ısı miktarı karşılaştırıldığında 20 rad/s’de 4,9% dikdörtgen kesitli; 60 rad/s’de 0,68% elmas ve gözyaşı damlası kesitli; 100 rad/s’de 0,72% dikdörtgen kesitli fren diskinde daha büyüktür. Bununla birlikte, elmas ve gözyaşı damlası kesitli fren diskinde, kanatçıkların dağılımından dolayı dikdörtgen kesitli fren diskine nazaran daha düşük termal gerilmeler meydana gelmektedir. Bunun bir sonucu olarak, elmas ve gözyaşı damlası kesitli fren disklerinde termal çatlak mevcudiyeti dikdörtgen kesitli fren disklerine nazaran daha az olmaktadır [33]. Şekil 1.8’de, radyal
13
doğrultuda dikdörtgen kesitli ve elmas ve gözyaşı damlası kesitli kanatçıklara sahip havalandırma sistem tasarımları görülmektedir.
Şekil 1.8. Radyal doğrultuda dikdörtgen ve elmas ve gözyaşı damlası kesitli kanatçıklara sahip fren diski havalandırma sistem tasarımları [33]
Havalandırma sistemine sahip fren disklerinde soğumanın aerodinamik (hava pompalama) kayıplara oranı (konveksiyon/aerodinamik) faydalı bir karşılaştırma kriteri olmakta ve fren diski soğutma etkinliğinin ölçülmesinde bir pratik sunmaktadır [35]. Bu oran:
Aerodinamik kayıplar açısından;
- radyal ve teğetsel doğrultuda dikdörtgen kesitli en düşük, - teğetsel doğrultuda dikdörtgen kesitli orta,
- radyal doğrultuda dikdörtgen kesitli en yüksektir. Soğuma etkisi açısından;
- radyal ve teğetsel doğrultuda dikdörtgen kesitli, teğetsel doğrultuda dikdörtgen kesitli ile eşdeğer,
- radyal doğrultuda dikdörtgen kesitli en yüksektir. Soğuma etkisinin aerodinamik kayıplara oranı açısından; - radyal doğrultuda dikdörtgen kesitli en düşük,
- teğetsel doğrultuda dikdörtgen kesitli orta,
- radyal ve teğetsel doğrultuda dikdörtgen kesitli kanatçığa sahip havalandırma sistemi en yüksektir [35]. Şekil 1.9’da, yukarıda bahsi geçen havalandırma sistem tasarımları temsili olarak görülmektedir.
14
Şekil 1.9. Fren diski temsili havalandırma sistem tasarımları: (a) radyal, (b) teğetsel ve (c) radyal ve teğetsel doğrultuda dikdörtgen kesitli kanatçıklar [35] Havalandırma sistemine sahip fren diskleri iki adet sürtünme halkasına sahiptir. Bu halkalar, hava kanatçıkları tarafından birbirlerinden ayrı tutulmaktadır. Geliştirilen bir tasarımda, kanatçıklara ilave olarak hava bıçakları da kullanılmaktadır. Hava bıçakları, havalandırma sisteminde sürtünme halkalarının iç çapından dışarıya doğru belirli bir miktar uzatılmış ve fren diskine bağlanmış şekilde konumlandırılmaktadır. Hava bıçakları, fren diski döndüğü esnada, sürtünme halkaları arasındaki boşluktan dolayı soğuyan hava akışını daha etkili bir şekilde dağıtmaktadır. Hava bıçakları bir ya da daha fazla sac metal tarafından oluşturulmaktadır. Bu sac metal(ler) hava kanatçıklarından bazılarına bağlanmaktadır. Bağlantı yapıştırma ya da mekanik olarak bir kilit mekanizması ile sağlanabilmektedir [38]. Şekil 1.10’da, hava bıçaklı fren diski temsili olarak görülmektedir.
15 Şekil 1.10. Temsili hava bıçaklı fren diski [38]
Tablo 1.2’de, raylı araçlarda kullanılan dingile ve tekerleğe montajlı fren disklerinin boyutlarıyla ilgili dış çap ve kalınlıklarına ait ölçüm aralıkları görülmektedir.
Tablo 1.2. Raylı araçlarda kullanılan fren disklerinin montaj yapıldıkları yere göre boyutları [9]
Boyutlar/Montaj
Yapıldıkları Yer Dingile Montajlı Fren Diski
Tekerleğe Montajlı Fren Diski
Dış Çap (mm) 460-700 370-1.085
Kalınlık (mm) 60-170 112-145
1.5. Raylı Araçlarda Kullanılan Fren Diski Malzemeleri
Raylı araçlarda kullanılan fren diski malzemesi olarak sıklıkla, nispeten daha iyi metalürjik kararlılık davranışı sergileyen dökme demirler kullanılmaktadır [13, 39]. Özellikle, konvansiyonel hatlarda işletilen raylı araçların fren diskleri dökme demirden üretilmektedir. Yüksek hızlı raylı araçlarda kullanılan dökme demirlerde Ni,
16
Cr ve Mo’lu özel kimyasal kompozisyonlar kullanılmaktadır. Bu durumdan anlaşılacağı üzere, yüksek hızlı raylı araçlarda kullanılan fren disklerinin mekanik ve termal yüklere karşı daha mukavemetli olması gerekmektedir [40]. Şekil 1.11’de, raylı araçların işletme hızlarındaki değişimle gereksinim duyulan bazı fren diski malzemeleri arasındaki ilişki görülmektedir.
Şekil 1.11. Raylı araçlarda kullanılan fren diski malzemelerinin işletme hızlarına göre kullanıldıkları hatlar [9]
Raylı araçlarda kullanılan fren diskleri genellikle LGDD’den üretilmektedir. Bunun nedenleri yüksek termal iletkenlik, yüksek termal dağılma gücü, termal yüklere direnç, düşük maliyet ve üretiminin basitliğine dayanmaktadır [5, 11, 14, 40]. Bu fren disklerinin üretiminde kullanılan bir diğer dökme demir KGDD’dir. Bu malzemenin seçimi esas olarak LGDD’ye göre daha yüksek tokluk davranışına sahip olmasından kaynaklanmaktadır [11, 12]. Tokluk davranışı, özellikle raylı araçlarda kullanılan fren disklerinde, frenleme esnasında meydana gelebilen akma mukavemetine yakın termoelastik ve plastik gerilmeleri karşılamaya gereksinim duyulduğundan dolayı büyük önem taşımaktadır [12]. LGDD, KGDD ile karşılaştırıldığında daha büyük termal iletkenlik; daha düşük elastikiyet modülü özellikleri vermektedir. KGDD’nin düşük termal direncinden dolayı fren disklerinde kullanımının pek uygun olmadığı bilinmektedir [39].
Fren disklerinde kullanılan dökme demir malzemelerin iyi bir termal iletkenliğe sahip olması için kimyasal kompozisyonu genel olarak 3,5-4% C, 1,6-2% Si, 0,5-0,8% Mg, 0,4-1,2% Mo ve kalan Fe içermesi gerekmektedir. Böyle bir kompozisyonun matris
17
yapısı perlit formundadır. Mo miktarı 1,2%’den daha fazla olduğu takdirde karbür oluşumu ya da döküm hatası gözlemlenebilmektedir [41].
LGDD’ler Ca, Sr ve Ba başta olmak üzere farklı aşılayıcılarla aşılanmaktadır. Aşılamayla birlikte kimyasal kompozisyona 6%’ya kadar Cu, 12%’ye kadar Ni, 5%’e kadar Cr ve 1%’e kadar Zr alaşım elementleri ilave edildiğinde mevcut LGDD’lere nazaran daha yüksek termal ve korozyon direnci elde edilmektedir [42].
LGDD fren disklerinde termal yorulma ve aşınma direncini geliştirmek için alaşım elementlerinin miktarlarının çok iyi ayarlanması gerekmektedir. Diğer taraftan, taneler arası karbür ötektik fazına sahip olumsuz mikro yapılardan kaçınılması arzu edilmektedir [43].
1.6. Dökme Demirler
Dökme demir kavramı geniş bir demir alaşımları ailesini tanımlamaktadır. Dökme demir, çelikten daha yüksek C ve Si miktarına sahiptir. Daha yüksek C miktarından dolayı dökme demirin yapısı çeliğin sahip olduğundan daha zengin bir C fazı sunmaktadır. Öncelikle kimyasal kompozisyon, soğuma hızı ve eriyik tretmanına bağlı olarak dökme demir, termodinamik açıdan yarı kararlı Fe-Fe3C sisteminde ya da
kararlı Fe-C sisteminde katılaşabilmektedir. Ötektik içindeki zengin C fazı yarı kararlı katılaşmada Fe3C ve kararlı katılaşmada grafit olarak karşımıza çıkmaktadır. Sadece Fe-Fe3C ya da Fe-C ikili sistemi esas alındığında dökme demir 2%’den daha fazla C
içeren bir Fe-C alaşımı olarak tanımlanmaktadır. Diğer taraftan, dökme demir kompozisyonundaki Si ve diğer alaşım elementleri ostenit içindeki C’nin maksimum çözülebilirliğini önemli ölçüde değiştirebilmektedir. Kararlı ya da yarı kararlı ötektik oluşumu birçok faktörün bir fonksiyonudur. Bu faktörler sıvı metalin çekirdeklenme potansiyeli, kimyasal kompozisyonu ve soğuma hızını içermektedir. İlk iki faktör demirin grafitlenme potansiyelini belirlemektedir. Yüksek bir grafitlenme potansiyeliyle zengin C fazı olarak grafitli demir; düşük bir grafitlenme potansiyeliyle Fe3C’li demir üretilmektedir. İki temel ötektik tipi vardır. Bunlar kararlı ostenit-C ve
yarı kararlı ostenit- Fe3C’dir. Bunların mukavemet, sertlik, tokluk ve süneklik gibi
mekanik özelliklerinde geniş farklılıklar bulunmaktadır. Bundan dolayı, dökme demirin metalürjik prosesinin temel amacı arzu edilen mekanik özelliklere ulaşmak için ötektiğin türünü, miktarını ve şeklini ayarlamak ve kontrol etmektir [44]. Şekil
