Ağır Hizmet Araçlarında Fren Disklerinin Kompozisyonunda Silisyum ve Bakır Elementlerinin Arttırılmasının Balata Aşınmasına Etkisi

Abstract

Bu çalışmada, ağır ticari araçlarda kullanılan gri dökme demir fren disklerinin malzeme kompozisyonunun balata aşınma performansı üzerindeki etkisi incelenmiştir. Özellikle silisyum (Si) ve bakır (Cu) elementlerinin oranlarındaki artışın, balata aşınmasını azaltmadaki rolü değerlendirilmiştir. Çalışmanın ilk aşamasında, referans kompozisyona sahip bir fren diski (Numune 1) kullanılarak, ISO 26866 standardına uygun şekilde atalet dinamometresi testleri gerçekleştirilmiştir. Testler sonucunda, balatalarda beklenenden yüksek aşınma oranları gözlemlenmiştir. Yapılan mikroyapı analizleri, bu aşınmanın, grafit lamellerin kısa ve ince morfolojisinden kaynaklandığını ortaya koymuştur. Bu durumu iyileştirmek amacıyla, artırılmış Si ve Cu içeriğine sahip yeni bir fren diski (Numune 2) üretilmiş ve aynı test prosedürüne tabi tutulmuştur. Elde edilen veriler, yeni disk ile gerçekleştirilen testlerde balata aşınmasının, test limiti değerine göre yaklaşık %26, referans numuneye göre ise yaklaşık %40 oranında azaldığını göstermiştir. Mikroyapı incelemeleri, yeni disk örneğinde daha kalın ve uzun grafit yapılarının oluştuğunu, bunun da Si ve Cu oranlarındaki artışla doğrudan ilişkili olduğunu doğrulamıştır. Elde edilen bulgular, yüksek Si ve Cu içeriğine sahip gri dökme demir disklerin daha stabil bir sürtünme davranışı sergilediğini ve balata aşınmasını önemli düzeyde azalttığını göstermektedir. Bu çalışma, ağır ticari araçlarda fren sistemlerinin dayanıklılığını artırmaya yönelik malzeme optimizasyonu ve mühendislik tasarımlarına önemli katkılar sağlamaktadır.

Keywords

• Si
• Cu
• Ağır ticari araç fren disk mikroyapısı
• Termal iletkenlik
• Homojen grafit lamelleri
• Grafit boyutu

The Effect of Increasing Silicon and Copper Elements in the Composition of Brake Discs on Pad Wear in Heavy-Duty Vehicles

Abstract

In this study, the effect of the material composition of gray cast iron brake discs used in heavy commercial vehicles on brake pad wear performance was investigated. In particular, the role of increased proportions of silicon (Si) and copper (Cu) in reducing pad wear was evaluated. In the first stage of the study, a reference composition brake disc (Sample 1) was tested using an inertia dynamometer in accordance with the ISO 26866 standard. The tests revealed higher than expected wear rates on the pads. Microstructural analyses indicated that this excessive wear was caused by the short and thin morphology of the graphite lamellae. To address this issue, a new brake disc (Sample 2) with increased Si and Cu contents was produced and subjected to the same testing procedure. The results showed that, compared to the reference sample, pad wear decreased by approximately 40%, and by around 26% relative to the test limit value. Microstructural examinations confirmed that the new disc contained thicker and longer graphite structures, which were directly associated with the higher Si and Cu levels. The findings demonstrate that gray cast iron discs with elevated Si and Cu contents exhibit more stable friction behavior and significantly reduce pad wear. This study provides valuable contributions to material optimization and engineering design aimed at enhancing the durability of braking systems in heavy commercial vehicles.

Keywords

• Si
• Cu
• Microstructure of heavy commercial vehicle brake disc
• Thermal conductivity
• Homogeneous graphite lamellar
• Graphite size

References

1. [1] Borawski, Andrzej. "Conventional and unconventional materials used in the production of brake pads–review." Science and Engineering of Composite Materials 27.1 (2020): 374-396.
2. [2] Voloacă, Ştefan, et al. "Motor Vehicle Brake Pad Wear—A Review." Vehicles 7.2 (2025): 52.
3. [3] Singhal, Prachi, and Kuldeep K. Saxena. "Effect of silicon addition on microstructure and mechanical properties of grey cast Iron: An overview." Materials Today: Proceedings 26 (2020): 1393-1401.
4. [4] Mulani, Shoaib Munir, et al. "A review on recent development and challenges in automotive brake pad-disc system." Materials today: proceedings 56 (2022): 447-454.
5. [5] Boulifa, Iliasse, and Ali Hadji. "Study of the influence of alloying elements on the mechanical characteristics and wear behavior of a ductile cast iron." Fracture and Structural Integrity 15.56 (2021): 74-83.
6. [6] Milli Eğitim Bakanlığı, Gri (Esmer) dökme demir. Ankara, Türkiye: MEB Yayınları, (2011).
7. [7] Günen, Ali, Melik Çetin, and Tarkan Subaş. "Friction and Wear Behavior of High-Silicon Lamellar Graphite Cast Iron Truck Brake Discs." Çukurova Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Dergisi 38.4 (2023): 1023-1034.
8. [8] Musa, Zahraddeen. Effects of Copper Addıtıon and Sectıon Thıckness on Some Mechanıcal Propertıes and the Morphology of Graphıte Flakes in Grey Cast Iron. Diss. 2016.

9. [9] Tonolini, Pietro, et al. "Wear behavior of Nb alloyed gray cast iron for automotive brake disc application." Metals 13.2 (2023): 365.
10. [10] Grigoratos, Theodoros, and Giorgio Martini. "Brake wear particle emissions: a review. Environmental science and pollution research 22.4 (2015): 2491-2504.
11. [11] Xu, Zhuo, Guiquan Wang, and Yanxiang Li. "Thermal Cracking and Friction Performance of Two Kinds of Compacted Graphite Iron Brake Discs under Intensive Braking Conditions." Metals 14.3 (2024): 332.
12. [12] Cueva, G., et al. "Wear resistance of cast irons used in brake disc rotors." Wear 255.7-12 (2003): 1256-1260.
13. [13] International Organization for Standardization. (2009). ISO 26866:2009 Road vehicles — Brake lining friction materials — Standard wear test procedure for commercial vehicles with air brakes.
14. [14] Çınarcık, Zehra, and Bora Güntay. "Ağır Hizmet Araçlarında Kullanılan Fren Disklerinde Mikroyapının Çatlak Dayanımına Etkisi." Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Part C: Tasarım ve Teknoloji 12.4 (2024): 913-924.
15. [15] ASTM International, “ASTM A247: Standard test method for evaluating the microstructure of graphite in iron castings,” Annual Book of ASTM Standards, vol. 1, 1985.
16. [16] ISO, ISO 6892-1:2019 – Metallic materials — Tensile testing — Part 1: Method of test at room temperature, International Organization for Standardization, Geneva, Switzerland, 2019.
17. [17] DIN, DIN EN 1561:2012-01 – Founding – Grey cast irons. Berlin, Germany: DIN, 2012.
18. [18] Song, Liang, et al. "Effects of silicon on mechanical properties and fracture toughness of heavy-section ductile cast iron." Metals 5.1 (2015): 150-161.
19. [19] Kutelu, B. J., O. O. Ogundeji, and R. T. Oluyori. "Microstructure Characteristic and Mechanical Properties of Copper Influenced Grey Cast Iron." Saudi J. Civ. Eng 8 (2024): 5-65.
20. [20] Agunsoye, J. O., et al. "The effect of copper addition on the mechanical and wear properties of grey cast iron." Journal of Minerals and Materials Characterization and Engineering 2.5 (2014): 470-483.
21. [21] Ma, Xu, et al. "Effect of Cu addition on the braking performance of Fe–Si alloy-modified C/C–SiC brake materials." Wear 477 (2021): 203851.
22. [22] Zhang, Y., et al. "Investigation of tribological properties of brake shoe materials—phosphorous cast irons with different graphite morphologies." Wear 166.2 (1993): 179-186.
23. [23] Hatate, M., et al. "Influences of graphite shapes on wear characteristics of austempered cast iron." Wear 251.1-12 (2001): 885-889.