La sustitución del cobre en pastillas de freno orgánicas mediante polvos metálicos y el estudio de su reacción con los lubricatnes sólidos.

Resumen

El objetivo principal de la presente tesis ha sido el estudio de la sustitución del polvo de cobre en pastillas de freno orgánicas de formulación bajo-metálico para su uso en vehículos. De este modo, se ha querido fabricar una pastilla de freno más respetuosa con el medioambiente de acuerdo a las leyes estadounidenses, que exigen la reducción del cobre de estos materiales a una cantidad menor del 5% en peso para el 2021 y a 0,5% en peso para el 2025. Este trabajo es el resultado de un proyecto de colaboración con GAMA S.p.A., productor de pastillas de freno, Pometon S.p.A., fabricante de polvo metálico y el CEIT. La empresa italiana Pometon, que actualmente fabrica polvo de cobre y bronce para distintas formulaciones de pastillas de freno, ha financiado el proyecto sobre el que se sustenta esta tesis. El material de fricción desarrollado en este trabajo debía cumplir con las exigencias de los consumidores en cuanto a comportamiento en fricción y desgaste se refiere, es decir, proporcionar un coeficiente de fricción estable en un amplio rango de presión, velocidad y temperatura, así como un bajo desgaste de la pastilla y del disco de freno. Estas propiedades, a su vez, están relacionadas con la presencia de una capa de transferencia en la interfaz entre la pastilla y el disco. Dicha capa se forma, en gran medida, debido a la compactación de partículas debris desprendidas durante el frenado y presenta una composición química y una microestructura distinta a la de las pastillas. Así mismo, la capa de transferencia será la responsable de proporcionar un buen comportamiento en fricción y desgaste del material. En el presente trabajo, se presenta el estudio de la sustitución del polvo de cobre por constituyentes alternativos fabricados por Pometon. De este modo, en una primera fase se emplearon polvos de Sn, Fe esponja y Zn. Posteriormente, se diseñaron los polvos Brakealloy, formados por una mezcla de Fe esponja y metales de bajo punto de fusión (Sn, Zn o Bi). Los polvos Brakealloy fueron fabricados a partir de la difusión en estado líquido del Fe esponja con los metales mencionados. Finalmente, en una última fase, se estudió la sustitución del 4% del polvo metálico por Fibras de Carbono (FC) de elevada estabilidad térmica para las formulaciones con Zn y Brakealloy Z (Fe-Zn), así como la adición de un grafito especial de elevada conductividad térmica. El efecto de la sustitución del cobre en el comportamiento tribológico de la pastilla se ha estudiado empleando el dinamómetro de inercia de acuerdo al test AK-Master SAE J2522. El desgaste, por su parte, se ha determinado midiendo el cambio de espesores de las pastillas y de los discos tras dicho ensayo. Por otro lado, se ha llevado a cabo una caracterización de la capa de transferencia en cada uno de los discos, relacionando los compuestos determinados en dicha capa con el comportamiento tribológico que presenta el material. Además, se realizó un diseño y puesta en marcha de un dispositivo de ensayos de fricción/desgaste, similar a un Pin-on-disk en el CEIT, pero que permite el ensayo de piezas de mayor superficie, así como el empleo de condiciones de presión y velocidad más exigentes. Para la caracterización de la capa de transferencia se han utilizado las técnicas de difracción con ángulo rasante (GIXRD), perfilómetro y caracterización microestrutural mediante Microscopio Electrónico de Barrido (SEM) y análisis EDS. Además, se han preparado secciones transversales de los discos de freno mediante Focused Ion Beam (FIB) para su posterior caracterización mediante FEG-SEM. Así mismo, para un disco en concreto se preparó una lámina delgada o foil con el objetivo de caracterizar la nanoestrutura de la capa mediante Microscopía Electrónica de Transmisión (TEM). Los primeros ensayos de fricción realizados en el dinamómetro determinaron que la pastilla con polvo de Zn presentaba un buen comportamiento en fricción y el bajo desgaste observado fue atribuido a la presencia de óxido de Zn y sulfuro de Zn en la capa de transferencia, ya que se conoce que actúan como lubricantes a elevadas temperaturas. La formación de sulfuros metálicos y compuestos intermetálicos Metal-Sb, determinó la importancia de las reacciones tribo-químicas que tienen lugar entre los constituyentes de la pastilla, en especial el lubricante Sb2S3 y los polvos metálicos, afectando en gran medida en la formación de la capa de transferencia. Dichas reacciones se observaron también en las secciones de las pastillas de freno. Posteriormente, se observó que la sustitución del Cu por polvos Brakealloy proporcionaba en todo los casos un coeficiente de fricción mayor que la formulación base con Cu, y una menor resistencia al fade, excepto para el Brakealloy ZC con Zn y Cu. Por otro lado, en general, el desgaste de las pastillas y discos fue mayor al emplear polvos Brakealloy. Este comportamiento se ha asociado a la menor reactividad de los polvos Brakealloy con el lubricante Sb2S3, ya que las fases intermetálicas que presentan estos polvos, creadas debido a la difusión de los metales en el Fe esponja, dificultan la reacción con el lubricante disminuyendo, por tanto, la concentración de óxidos metálicos de la capa de transferencia. Además, se estudió la sustitución del Sb2S3 por un lubricante sólido basado en sulfuro de estaño con el fin de reducir el contenido en compuestos de Sb en la pastilla debido a su carácter tóxico. Dicha sustitución se llevó a cabo para las formulaciones con Brakealloy Z y polvo de Zn ultrafino. Los resultados obtenidos mostraron un mejor comportamiento a fricción, en especial a elevadas temperatura, al emplear el lubricante SnS, aumentando la resistencia al fade para la formulación Brakealloy Z y, obteniendo en ambos casos un comportamiento similar al de la formulación base con Cu. En este caso, se determinó una menor reactividad del lubricante SnS con los polvos metálicos, sin que se llegara a formar ningún compuesto intermetálico, al contrario de lo que se había observado anteriormente con el Sb2S3. En una última fase, se sustituyó el 4% de polvo metálico Zn y Brakealloy Z por FC consiguiendo un coeficiente de fricción menor y más estable. De este modo, la formulación M5Lub2FC diseñada presentó un comportamiento en fricción muy similar al material de referencia con cobre.Paralelamente, se prepararon mezclas binarias con los lubricantes sólidos (Sb2S3 y SnS) y adición de polvos metálicos (Cu, Fe, Zn, Sn y Brakealloys) para estudiar con detalle la reacción entre los lubricantes y los polvos metálicos. Este estudio se realizó mediante las técnicas de DSC-TGA y por difracción de rayos-X tras someter las mezclas a distintos tratamientos térmicos en aire y argón. En general se determinó que los productos obtenidos mediante estos tratamientos fueron los mismos que se determinaron en la capa de transferencia, a pesar de que las reacciones no se produjeron bajo las mismas condiciones (presión y fricción). Finalmente, GAMA realizó la validación industrial de una de las formulaciones desarrolladas en esta tesis, obteniéndose un buen comportamiento en fricción, incluso superior al demostrado en los ensayos de laboratorio mediante una ligera modificación de la matriz orgánica, tras ajustarla a una formulación comercial suya. Así mismo, el resultado del test de ruido fue satisfactorio.