ES2943832T3 - Material de fricción - Google Patents
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Abstract
Un material de fricción que comprende un material poroso inorgánico en partículas, en el que el material poroso en partículas comprende un agente anticorrosivo absorbido dentro de sus poros. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Material de fricción
Campo de la invención
La invención se refiere a materiales de fricción, en particular a materiales de fricción con aplicaciones en vehículos de motor.
Antecedentes
La corrosión es un problema en muchas industrias, dando como resultando pérdidas anuales estimadas de más de 250 mil millones de dólares. Los materiales de fricción en particular son susceptibles a la corrosión debido a las duras y variadas condiciones de funcionamiento en las que se utilizan. Se estima que la industria automotriz, por ejemplo, sufre pérdidas anuales de más de 100 mil millones de dólares debido a la corrosión.
La composición de los materiales de fricción puede variar con respecto a los componentes utilizados y las cantidades relativas de los mismos, dependiendo de las propiedades deseadas del material de fricción y del sistema de material de fricción empleado. Las clasificaciones de los sistemas de materiales de fricción son, p. ej. metálico, semimetálico, con pequeña cantidad de acero, orgánico sin amianto (NAO), materiales de fricción NAO/que no son de acero y cerámicos. Sin embargo, normalmente los siguientes componentes están contenidos en una formulación de material de fricción: un agente aglutinante, fibras de refuerzo, rellenos y aditivos de fricción tales como abrasivos y lubricantes. La corrosión es un problema en todas estas categorías.
Un ejemplo de un revestimiento de fricción se describe en el documento US5433774, en el que un aglutinante de resina estándar se reemplaza por un aglutinante que contiene silicato inorgánico para mejorar el rendimiento a altas temperaturas y reducir el desvanecimiento de los frenos. No se abordan los problemas particulares relacionados con la corrosión. Otro ejemplo de un material de fricción se puede encontrar en el documento US4994506, en el que una composición de frenos sin amianto incluye xonotlita sintética para una fabricación más sencilla, menor ruido y menos desvanecimiento de los frenos. No se abordan los problemas específicos de la corrosión. Otro ejemplo de un material de fricción sin amianto se describe en el documento US2007/0117881A1, en el que un sistema de material de fricción de dos capas está formando una sola pieza con una placa de presión. El sistema está destinado a reducir el ruido durante el frenado, coloquialmente conocido como "chirrido de frenos", y no aborda el problema de la corrosión de los materiales de fricción y sus superficies de fricción.
La corrosión actúa por variados mecanismos, por ejemplo por corrosión galvánica, mecanismos generales de corrosión y picaduras y puede ser exacerbado por muchos factores, incluyendo fricción, erosión, exfoliación, desaleación, esfuerzo, agrietamiento y fatiga.
Los materiales de fricción a menudo están expuestos a una multitud de estos factores y, en consecuencia, son materiales complejos a la hora de trabajar en la lucha contra la corrosión. Cuando se usa como freno, por ejemplo, el problema de la fricción estática puede ocurrir debido a la corrosión entre las superficies del par de fricción, por ejemplo, un rotor y una pastilla de freno. De hecho, una corrosión fuerte puede hacer que las superficies se adhieran químicamente a través de una capa de corrosión, de manera que la única manera de desprenderlas es ejerciendo una fuerza tangencial acelerando el vehículo hasta vencer la fricción estática.
Esta es una situación altamente indeseable, pero no se puede evitar incluso con los sistemas de frenado modernos. Además de los problemas con la fricción estática, la corrosión de los materiales de fricción, particularmente en los sistemas de frenado, puede conducir a una necesidad más frecuente de reemplazar componentes, mantenimiento preventivo costoso, como pintura o revestimiento, sobrediseño de materiales para compensar, generación de ruido, exclusión del uso de materiales deseables, daños en el equipo, riesgo de fallo del equipo, liberación de productos tóxicos y deterioro estético de los materiales de fricción por corrosión visible.
Además de la gran cantidad de problemas relacionados con la corrosión de los materiales de fricción, no se pueden ignorar otras consideraciones cuando se busca aliviar la corrosión. En particular, debe considerarse el rendimiento de fricción (coeficiente de fricción), la tasa de desgaste y la generación de ruido.
En un sistema de frenos de un automóvil, que comprende normalmente una pastilla de freno y un rotor metálico, los problemas surgen cuando cualquiera de los componentes se corroe. En cuanto a la corrosión de las pastillas de freno, los problemas comunes son daños estéticos, agrietamiento, generación de ruido, desvanecimiento, reducción de la eficiencia, mayor distancia de frenado y fricción estática en el disco. En cuanto a la corrosión del disco/rotor metálico, los problemas comunes son daños estéticos, rayaduras y marcas de surcos en los frenos de disco, montaje contaminado de reemplazo de pastillas de freno, marcas de presión, efectos de sensación de pedal para el conductor, reducción de la vida útil de los componentes y fricción estática en la pastilla de freno. Los problemas relacionados con la fricción estática son especialmente agudos para los frenos de estacionamiento.
El documento US2011/0297041A divulga un método para producir un revestimiento de fricción de una zapata de freno, comprendiendo la composición un material portador de poro abierto, un aglutinante y un material funcional.
El documento JP H05247445 A divulga un material de fricción que comprende partículas porosas de silicato de calcio hidratado.
Sumario de la invención
Para resolver los problemas antes mencionados, la presente invención proporciona un material de fricción que comprende un material poroso inorgánico en partículas, en donde el material poroso en partículas comprende un agente anticorrosión absorbido dentro de sus poros, en donde el agente anticorrosión comprende un silicato alcalino.
La inclusión de un agente anticorrosión dentro de los poros de un material en partículas facilita una buena dispersión del agente anticorrosión por todo el material de fricción. Además, la inclusión de un agente anticorrosión de esta manera facilita la liberación controlada del agente anticorrosión a lo largo del tiempo. Cuando se utiliza como pastilla de freno, esto significa que el material de fricción puede experimentar menos o evitar por completo la corrosión dañina durante el uso.
Asimismo, la presente invención permite la liberación de agentes anticorrosión a la superficie de fricción que antes no podían ser utilizados debido a su forma líquida. En particular, el vidrio soluble es un agente anticorrosión deseable para usar debido a su capacidad para crear condiciones de pH alto en la superficie de fricción, lo que hace que las reacciones químicas de la corrosión, especialmente en metales y aleaciones como el acero, sean desfavorables.
Los beneficios de una menor corrosión pueden ser importantes, especialmente en aplicaciones de frenos de automóviles donde el contacto metal-metal entre un rotor y una pastilla de freno que incluye, p. ej. las fibras de acero u otros componentes metálicos, normalmente sufrirían fricción estática y otros problemas relacionados con la corrosión. En consecuencia, la invención también proporciona una pastilla de freno que comprende el material de fricción descrito anteriormente.
Otro aspecto de la invención proporciona un sistema de frenado que comprende un rotor metálico y la pastilla de freno de la invención. El rotor metálico puede ser una aleación tal como acero. Preferentemente, el sistema de frenado es un sistema de frenado de automóvil. Los problemas asociados con la corrosión son agudos en los vehículos de motor, especialmente en condiciones invernales donde la sal aplicada a las carreteras puede acelerar las tasas de corrosión. Se ha observado que el sistema de frenado de la invención funciona bien en condiciones que simulan condiciones invernales, así como a temperatura ambiente y temperaturas más altas.
En un ejemplo preferido, el sistema de frenado es un sistema de freno de estacionamiento electrónico. Los sistemas de freno de estacionamiento electrónicos disponibles actualmente son propensos a la fricción estática y la inclusión del material de fricción de la invención como pastilla de freno en un sistema de freno de estacionamiento electrónico puede evitar los problemas mencionados anteriormente relacionados con la fricción estática. Esto ofrece la posibilidad de prolongar la vida útil de los componentes y mejorar el rendimiento de frenado a lo largo de la vida útil del sistema de frenado.
La presente invención también proporciona un método para fabricar un material de fricción, comprendiendo el método:
a. mezclar un material poroso inorgánico en partículas con otros materiales de partida para formar una mezcla, en donde el material poroso inorgánico en partículas comprende un agente anticorrosión absorbido dentro de sus poros, en donde el agente anticorrosión comprende un silicato alcalino;
b. colocar la mezcla en un molde;
c. someter la mezcla en el molde a una presión de 10 a 70 MPa.
Preferentemente, la etapa de mezclado es una etapa de mezclado en seco de acuerdo con los estándares de la industria. La mezcla en seco se usa comúnmente para la fabricación de materiales de fricción con el fin de evitar el agrietamiento durante el prensado y/o el curado del material de fricción que normalmente se esperaría que ocurriera al incluir un líquido en la formulación. La presente invención, sin embargo, puede incluir agentes anticorrosión líquidos en un material de fricción incorporándolos en los poros de un material poroso inorgánico en partículas antes de mezclarlo con los demás ingredientes. El nivel de saturación del agente anticorrosión se controla cuidadosamente para equilibrar la resistencia del material de fricción con el efecto anticorrosivo del agente anticorrosión.
Preferentemente, el método de la invención comprende una etapa preliminar de impregnar el material poroso inorgánico en partículas con el agente anticorrosión.
Los otros ingredientes de partida a mezclar con el material poroso inorgánico en partículas impregnado son ingredientes de material de fricción comúnmente utilizados. Los ejemplos de ingredientes adecuados y cantidades relativas adecuadas se analizan con más detalle a continuación.
Los productos y el método de la invención superan los desafíos de reducir la corrosión en materiales de fricción, especialmente para aplicaciones de frenado, sin comprometer la facilidad de fabricación o la resistencia o tenacidad del material de fricción.
Breve descripción de los dibujos
La figura 1 muestra los resultados de la prueba del ejemplo 2;
La figura 2 muestra los resultados de la prueba del ejemplo 2;
La figura 3 muestra los resultados de la prueba del ejemplo 2.
Descripción detallada
Material poroso en partículas
El material de fricción de la invención comprende un material poroso inorgánico en partículas que está impregnado con un agente anticorrosión.
Los materiales porosos en partículas adecuados incluyen silicatos de calcio, silicatos primarios, bolas de fibra inorgánica, vermiculita, halloisita, zeolitas, óxido de hierro poroso y óxido de hierro micáceo.
Estos materiales son portadores adecuados para agentes anticorrosión debido a sus diversas propiedades. Por ejemplo, además de ser porosos, estos materiales son térmicamente resistentes hasta 800 °C o incluso más, lo cual es importante en los materiales de fricción para evitar la degradación. Los materiales de fricción deben soportar grandes y rápidos cambios de temperatura, por ejemplo durante el frenado.
Estos materiales también pueden ser adecuados debido a su alta área superficial específica. El área superficial específica se mide en m2/g como el área superficial BET (Brunauer-Emmett-Teller), determinada, por ejemplo, de acuerdo con el método de prueba ISO9277:2010. Incluye el área superficial dentro de los poros y es indicativa de la capacidad del material poroso inorgánico en partículas para retener el agente anticorrosión absorbido. El material en partículas poroso puede tener un valor BET de 30 a 50 m2/gramo.
El material poroso inorgánico en partículas tiene preferentemente un tamaño de partícula promedio en número entre 5 |jm y 3 mm, como entre 5 jm y 1 mm, como 5 jm y 300 jm . Se puede preferir este intervalo de tamaño de partícula ya que las partículas más pequeñas no tendrían poros lo suficientemente grandes para absorber el agente anticorrosión, mientras que las partículas más grandes pueden no distribuirse adecuadamente durante la mezcla de los ingredientes para un material de fricción durante la producción.
Cuando el material poroso en partículas se selecciona de silicatos de calcio, silicatos primarios, vermiculita, halloisita, zeolitas, óxido de hierro poroso y óxido de hierro micáceo, el diámetro promedio en número es preferentemente de 5 jm a 300 jm , más preferentemente, el tamaño de partícula promedio en número puede ser de 35 a 85 jm . El tamaño de partícula promedio en número de estos materiales se puede determinar mediante, por ejemplo, métodos de difracción láser.
Cuando se utilizan bolas de fibra inorgánica como material poroso en partículas en la invención, el tamaño de partícula promedio en peso de las bolas de fibra es preferentemente de 0,5 a 1,5 mm, más preferentemente de 0,6 a 1 mm. Esto se puede calcular, por ejemplo, mediante técnicas de tamizado y pesaje.
La polaridad de la superficie de estos materiales también puede ser una ventaja cuando es compatible con la polaridad del agente anticorrosión que lleva, especialmente cuando el agente anticorrosión es un líquido o una solución.
El tamaño de poro de estos materiales debe ser lo suficientemente grande para infiltrar una solución líquida de agente anticorrosión mezclando a temperatura ambiente. Por ejemplo, el tamaño mínimo de poro puede ser de al menos 0,01 jm . El tamaño de por debe ser lo suficientemente pequeño para mantener un líquido en la partícula durante el prensado en caliente. Por ejemplo, el tamaño máximo de poro no puede ser superior a 5 micrómetros. El tamaño de poro se puede medir utilizando la norma ISO 16901-2:2006.
El valor de absorción de aceite se correlaciona con el nivel máximo de agente anticorrosión que puede absorber estos materiales. Los valores de absorción de aceite pueden determinarse de acuerdo con la norma ISO787-5:1980. Los valores de absorción de aceite de los materiales porosos inorgánicos están adecuadamente en el intervalo de 100 500, preferentemente 200-400, por ejemplo alrededor de 300. Las partículas porosas de silicato de calcio pueden tener una capacidad de absorción de aceite del 100 al 300 %. Esta capacidad de absorción de aceite se mide utilizando el método ASTM D281-31.
Además, el material poroso en partículas debe cumplir preferentemente con los requisitos de salud y seguridad.
Se prefieren particularmente los silicatos de calcio, por ejemplo xonotlita sintética conocida comercialmente como
PROMAXON®. La xonotlita tiene la fórmula química Ca6SÍ6O i7(OH)2. La morfología de este material es tal que es un portador ideal de materiales líquidos y sólidos. El interior poroso, la estructura acicular combinada con una capa exterior dura hacen posible esta funcionalidad. Los silicatos de calcio son especialmente ventajosos cuando el agente anticorrosión es un silicato alcalino debido a la compatibilidad química, lo que facilita un fácil procesamiento para infiltrar el agente anticorrosión en los poros.
Preferentemente, el material poroso inorgánico en partículas es un material de silicato de calcio. Los materiales porosos en partículas de silicato de calcio pueden tener una temperatura de fusión de hasta 1540 °C, lo que les hace sumamente adecuados para su inclusión en un material de fricción que está sujeto a altas temperaturas, por ejemplo una pastilla de freno.
Otro tipo de material poroso inorgánico en partículas adecuado para usar en la presente invención son las bolas de fibra inorgánica. Las bolas de fibra inorgánica como se usan en el presente documento son fibras inorgánicas entretejidas o enredadas que forman "bolas", es decir, fibras inorgánicas aglomeradas. Estas bolas o aglomerados de fibras inorgánicas también pueden denominarse gránulos. Las bolas de fibra son diferentes de las fibras sueltas o dispersas, que no se enredan entre sí.
La longitud y el diámetro de las fibras inorgánicas de las bolas de fibra inorgánica pueden variar dentro de amplios intervalos. Preferentemente, la longitud promedio en peso de fibra inorgánica de las fibras inorgánicas que forman las bolas de fibra inorgánica es de 100 a 300 pm, tal como de 125 a 175 pm. El diámetro promedio en peso de las mismas fibras es preferentemente de 4 a 15 pm, tal como de 5 a 10 pm.
El diámetro promedio en peso de la bola de fibras es preferentemente de no más de 1,5 mm. Opcionalmente, las bolas de fibra tienen un diámetro promedio ponderado en el intervalo de 0,5 mm a 1,5 mm, preferentemente de 0,6 mm a 1 mm.
El tamaño de la bola de fibras se determina utilizando tamices. Se determina cada masa de las bolas de fibra que quedan en los tamices con una malla específica. A partir de los datos obtenidos, se calcula el peso promedio del tamaño de la bola de fibras.
Una ventaja de usar bolas de fibra como soporte para el agente anticorrosión es que la aspereza del ruido y la vibración del material de fricción se puede reducir cuando se usa, p. ej. para frenar.
Las bolas de fibra inorgánica se pueden fabricar en un mezclador. Mediante un proceso de mezcla, las fibras inorgánicas sueltas se agitan o se hacen rodar unas contra otras de manera que se produce la aglomeración para formar las bolas de fibra inorgánica. El mezclador preferentemente proporciona un movimiento circular. Preferentemente, el proceso implica mezclar las fibras inorgánicas con un líquido en un mezclador y secar la mezcla obtenida, para mejorar la firmeza de las bolas de fibra resultantes. Se puede usar un aglutinante para mejorar la resistencia mecánica de las bolas de fibra.
Preferentemente, el material poroso inorgánico en partículas tiene una morfología de partículas sustancialmente esférica.
Preferentemente, el material poroso inorgánico en partículas tiene un tamaño de partícula de aproximadamente 35-85 pm.
Preferentemente, el material poroso inorgánico en partículas comprende microporos en el exterior y macroporos en el interior. Esta estructura especial puede facilitar la liberación controlada del agente anticorrosión y ayudar a un mayor grado de saturación en comparación con diferentes estructuras de poros. Productos vendidos con el nombre comercial Promaxon®, por ejemplo Promaxon®-D, son materiales en partículas adecuados.
En algunas realizaciones, el material poroso inorgánico en partículas comprende partículas con un tamaño de partícula promedio en número de 5 pm a 300 pm. Los materiales adecuados son cualquiera de los silicatos de calcio, silicatos primarios, vermiculita, halloisita, zeolitas, óxido de hierro poroso y óxido de hierro micáceo. Son especialmente adecuados los silicatos de calcio como PROMAXON®.
En algunas realizaciones, el material poroso inorgánico en partículas comprende partículas con un tamaño de partícula promedio en peso de 0,5 a 1,5 mm. Los materiales adecuados son bolas de fibra inorgánica, especialmente las hechas de fibras vítreas artificiales como la lana de roca.
En algunas realizaciones, el material poroso inorgánico en partículas comprende una mezcla de tamaños de partículas. En tales realizaciones, tanto bolas de fibra inorgánica como materiales más pequeños como silicatos de calcio, silicatos primarios, vermiculita, halloisita, zeolitas, el óxido de hierro poroso y el óxido de hierro micáceo se pueden usar en combinación. Se prefiere especialmente una combinación de partículas de silicato de calcio y bolas de fibra inorgánica.
Agente anticorrosión
Un agente anticorrosión se absorbe en los poros del material poroso en forma de partículas. Mediante esta interacción, es posible la liberación controlada del agente anticorrosión a las superficies del par de fricción.
Los agentes anticorrosión preferidos incluyen silicatos alcalinos. Los silicatos alcalinos suelen tener la fórmula general SO 2/M2O, donde M es un metal alcalino. Los silicatos alcalinos adecuados para usar en el método de la invención pueden estar en la forma conocida como "vidrio soluble", que es una solución acuosa del silicato alcalino. En forma de vidrio soluble, el agente anticorrosión es la solución de silicato alcalino. La relación de SiO2 :M2O determina la alcalinidad. Se prefiere que en la invención se utilicen formas alcalinas.
Al incorporar vidrio soluble u otro agente anticorrosión líquido en los poros del material poroso en partículas, es posible proporcionar vidrio soluble u otros agentes anticorrosión líquidos en materiales de fricción donde antes esto no era posible. En particular, los materiales de fricción normalmente se producen mediante un proceso de mezcla en seco, que ha excluido previamente el uso de algunos agentes anticorrosión que se suministran en forma líquida. En la presente invención, esto es un beneficio ya que permite un método conveniente para distribuir el agente anticorrosión en las partículas porosas que se pueden introducir en la premezcla de ingredientes del material de fricción seco.
El material de fricción contiene preferentemente al menos 0,5 % en peso de silicato alcalino como proporción del material de fricción total basado en la adición de material de partida para el material de fricción. Más preferentemente, el material de fricción contiene al menos 1 % en peso de silicato alcalino, tal como al menos 2 % en peso de silicato alcalino. Es posible que cantidades más bajas no presenten una mejora notable en la corrosión, eficiencia y desgaste en comparación con los materiales de fricción sin silicato alcalino. El material de fricción contiene preferentemente no más del 10% en peso de silicato alcalino como proporción del material de fricción total. Más preferentemente, el material de fricción no contiene más del 9 % en peso de silicato alcalino, tal como no más del 8 % en peso de silicato alcalino. Cantidades más altas pueden causar una abrasividad excesiva del material de fricción, lo que puede conducir a niveles indeseablemente altos de fricción y desgaste. En el material de fricción final el agua utilizada como disolvente, p. ej., en vidrio soluble, puede quedar retenida en los poros, p. ej., como agua de hidratación, o parte o la totalidad del agua puede evaporarse durante el proceso de producción. El nivel de silicato alcalino basado en los niveles de SO 2/M2O seco en el producto final están preferentemente en el intervalo de 0,2 % a 5 % en peso, preferentemente de 0,4 a 3 % en peso.
Cuando se incluye silicato alcalino en una cantidad de 0,5 % en peso a 10 % en peso, como proporción del material de fricción, el silicato alcalino puede mejorar el comportamiento frente a la corrosión y la fricción del material de fricción y reducir la tasa de desgaste en comparación con un material de fricción que no contiene silicato alcalino.
En relación con el material poroso inorgánico en partículas, un agente anticorrosión líquido puede estar presente a una saturación de 5 a 200 % p/p, preferentemente de 10-100 % p/p, más preferentemente de 25 a 75 % p/p. Esta cantidad es relativa al peso del material poroso inorgánico en partículas, de manera que, por ejemplo, donde el 25 % p/p de agente anticorrosión se absorbe en los poros del material poroso inorgánico en partículas, la proporción de agente anticorrosión: material poroso inorgánico en partículas es 25:100. El nivel de saturación se puede medir determinando la masa de solución de agente anticorrosión que puede ser absorbida por una masa predeterminada del material poroso usando un método correspondiente a la prueba de absorción de aceite ISO787-5:1980.
En relación con el material poroso, expresado como porcentaje del peso seco del agente anticorrosión sobre el peso seco de la combinación del material poroso y el agente anticorrosión, el agente anticorrosión puede estar presente en una cantidad de entre 1,5 y 50 % en peso, preferentemente entre 3 y 45 % en peso, preferentemente entre 13 y 45 % en peso o entre el 13 y 35 % en peso o entre 14 y 28 % en peso. La medición del peso seco excluye el agua ligada física o químicamente.
Se prefieren los silicatos alcalinos como agente anticorrosión porque son lo suficientemente inertes para usar en un material de fricción sin requerir etapas de procesamiento adicionales. Además, cuando el material poroso en partículas es un material de silicato de calcio, los silicatos alcalinos son químicamente compatibles con el silicato de calcio, facilitando la absorción de los silicatos alcalinos anticorrosión en el material poroso en partículas.
Los silicatos alcalinos pueden aumentar el pH de la superficie de fricción, haciendo que las condiciones cinéticas y termodinámicas sean menos favorables para la corrosión.
De los silicatos alcalinos, se prefieren el silicato de sodio y el silicato de potasio. El silicato de sodio y el silicato de potasio están disponibles como una solución acuosa conocida como vidrio soluble. El vidrio soluble tiene beneficios ambientales al no requerir ningún otro disolvente que pueda ser dañino para el medio ambiente, animales o personas y que puedan utilizar energía en su producción. Además, la forma de solución acuosa de silicatos alcalinos es conveniente para la producción del material de fricción. Se prefiere particularmente el silicato de sodio. El silicato de sodio de la fórmula SiO2/Na2O es adecuado para su uso en la invención debido a su bajo costo, disponibilidad inmediata y altas tasas de disolución.
Preferentemente, el silicato alcalino es silicato de sodio con una relación SiO2:Na2O de O de no más de 3,5,
preferentemente no más de 3,25. La relación de SiO2 :Na2O es preferentemente al menos 1,60, más preferentemente al menos 3,00. Estas relaciones pueden reducir la cantidad de desgaste de la pastilla y el disco de freno cuando el producto de fricción se usa como pastilla de freno.
Antes de la incorporación al material de fricción, el material poroso inorgánico en partículas se seca preferentemente de modo que el contenido de humedad (por ejemplo, agua) no sea superior al 10 % en peso, preferentemente no superior a 5 % en peso, más preferentemente no superior a 3 % en peso, y lo más preferentemente no superior a 2 % en peso, expresado como porcentaje en peso del peso total del material poroso inorgánico en partículas, el agente anticorrosión y la humedad. Al eliminar la humedad, se mejora la resistencia del material de fricción, porque el vapor liberado durante la producción del material de fricción, que puede implicar etapas de calentamiento, puede provocar la formación de grietas en el material de fricción, que debilitan el material de fricción. Por lo tanto, la tenacidad del material de fricción se puede mejorar reduciendo la cantidad de vapor que se puede generar.
La etapa de secado puede ser activa, es decir, sometiendo el material poroso inorgánico en partículas impregnado con agente anticorrosión a un ambiente de calentamiento y/o deshumidificación, o pasiva, es decir, permitiendo que la humedad se evapore de forma natural. Así, preferentemente, el agente anticorrosión está en forma sólida con un bajo contenido de humedad inmediatamente antes de mezclarlo con otros componentes para formar un material de fricción. El material poroso inorgánico en partículas permite una buena dispersión del agente anticorrosión por todo el material de fricción y facilita el procesamiento.
Material de fricción
El material de fricción comprende el material en partículas inorgánico poroso de la invención dispersado en una matriz e impregnado con el agente anticorrosión de acuerdo con la invención.
La invención es aplicable en general a los materiales de fricción. Las formulaciones de material de fricción preferidas son aquellas generalmente conocidas como orgánicas sin amianto (NAO), bajo contenido metálico y bajo contenido de acero. Preferentemente, el material de fricción es un material de fricción de tipo NAO (orgánico sin amianto). El material contiene adecuadamente un aglutinante orgánico.
Un material de fricción NAO de ejemplo puede comprender, en volumen % v/v, además del material en partículas inorgánico poroso impregnado con agente anticorrosión:
1-30 % fibras minerales, como 3-15 %
0- 3 % fibras de acero, como 0-1 %
1- 40 % abrasivos, como 10-30 %
1-20 % lubricantes sólidos, como 5-12 %, o cuando el grafito, 5-15 %
5-45 % aglutinante, como 5-25 % de aglutinante, preferentemente 10-20 % 0- 10 % fibras de aramida, preferentemente 3-7 %
1- 20 % cargas inorgánicas y orgánicas, preferentemente 3-10 %
El material de fricción puede ser un material de fricción NAO de "bajo contenido metálico", es decir, contiene una cantidad baja, por ejemplo, entre 0 y 30 % en peso, preferentemente 0-10 %, de componentes metálicos como fibras de acero o polvo.
Un material de fricción con bajo contenido de acero de ejemplo puede comprender, en volumen % v/v, además del material en partículas inorgánico poroso impregnado con agente anticorrosión:
0,5-1,5% fibra orgánica
fibrilada
8-15 % grafito
8-20 % cargas inorgánicas
4-10 % fibras de acero
11-14 % resina fenólica
0,5-10 % abrasivos
3-8 % caucho
4-12 % lubricantes sólidos
10-15 % coque de petróleo
4-8 % fibras minerales.
El material de fricción puede ser un material de fricción NAO "que no sea de acero", es decir, un material de fricción NAO sin componentes de acero. Un material de fricción que no sea de acero puede contener otros metales como
latón, cobre, aluminio o zinc.
La matriz puede ser un material sin amianto, matriz sin cobre. Se prefieren las matrices sin cobre para cumplir con los requisitos reglamentarios actuales y futuros para reducir y eventualmente eliminar el cobre de los frenos de los automóviles en particular.
La matriz puede ser una matriz con bajo contenido de acero o sin acero. Esto significa que la matriz no contiene, o solo contiene poca, cantidad de fibras de acero. En particular, la matriz no puede contener más de 20 % en peso de fibras de acero, preferentemente no más de 15 % en peso de fibras de acero, más preferentemente menos de 10 % en peso de fibras de acero, por ejemplo menos de 3 % en peso, lo más preferentemente menos de 1 % en peso. La matriz puede estar exenta de fibras de acero (matriz sin acero). Es deseable minimizar la cantidad de fibras de acero en la matriz para reducir la oxidación, polvo fino, la aspereza del ruido y la vibración y el peso del material de fricción.
Preferentemente, la matriz comprende un lubricante, un abrasivo, un aglutinante orgánico, fibras de refuerzo y una carga. El abrasivo de la matriz es preferentemente un material diferente a las FVA del material de fricción.
Los abrasivos adecuados incluyen óxidos metálicos y silicatos, incluyendo cuarzo, alúmina, silicato de circonio, óxido de circonio y óxido de cromo. Los abrasivos se pueden elegir dependiendo de la dureza requerida. La cantidad de abrasivos en el material de fricción puede ser de 1 a 20, preferentemente de 5 a 17, más preferentemente de 8 a 14 % en volumen del material de fricción.
Los lubricantes adecuados incluyen lubricantes sólidos como el grafito y sulfuros metálicos como el sulfuro de antimonio, sulfuro de estaño, sulfuro de cobre y sulfuro de plomo. Se puede incluir un lubricante en una cantidad de 1 a 20, preferentemente de 5 a 17, más preferentemente de 8 a 14 % en volumen del material de fricción.
Las materias primas aglutinantes orgánicas adecuadas incluyen agentes aglutinantes orgánicos termoendurecibles tales como resinas fenólicas, resinas de fenol-formaldehído, resinas aromáticas polinucleares condensadas, resinas modificadas con silicona, resinas fenólicas de siloxano, resinas de éster de cianato, resinas epoxi modificadas, acrilatos, metacrilato, resinas alquídicas, resinas de poliéster, poliuretanos, ésteres de celulosa, resinas de polivinilo, resinas de poliestireno, nitrocelulosa, cauchos clorados, caucho de estireno butadieno y resinas de poliimida y también puede incluir agentes de curado, reticulantes y disolventes. Los aglutinantes particularmente preferidos son las resinas fenólicas tales como las resinas de la familia de fenol-formaldehído (Novolac). El aglutinante también puede incluir un endurecedor como resina epoxi.
Preferentemente, la matriz comprende una resina termoestable orgánica que actúa como aglutinante. Las resinas termoestables orgánicas particularmente adecuadas incluyen resinas fenólicas como resinas de fenol formaldehído.
El aglutinante orgánico puede estar presente en una cantidad de 5 a 45 % en volumen, preferentemente de 5 a 25 % en volumen, más preferentemente de 10 a 20 % en volumen del material de fricción.
Las cargas pueden ser orgánicas, inorgánicos o una mezcla de orgánicas e inorgánicas. Las cargas se agregan para aumentar el volumen del material de fricción. Las cargas adecuadas incluyen polvo fino de fricción, miga de caucho, titanatos de potasio (p. ej., en forma de filamento o fibra), sulfato de bario, carbonato de calcio, mica, titanatos de metales alcalinos, trióxido de molibdeno, polvo fino de anacardo, sillimanita, mullita, óxido de magnesio, sílice y óxido de hierro. Las cargas pueden desempeñar un papel en la modificación de algunas características del material de fricción, por ejemplo, pueden mejorar la estabilidad térmica o la reducción del ruido. La carga o cargas específicas a utilizar también pueden depender de los demás componentes del material de fricción. La mica, el polvo fino de anacardo y el polvo fino de caucho son conocidos como supresores de ruido. Las cargas preferidas incluyen baritas como BaSO4, coque de petróleo, Ca(OH)2 , mica, polvo de hierro, polvo fino de material de fricción de miga de caucho y titanatos de potasio (p. ej., en forma de filamento o fibra).
Pueden añadirse fibras de refuerzo adecuadas a la matriz. Por ejemplo, la matriz puede incluir fibras vítreas artificiales (FVA), especialmente fibras de lana de roca, otros tipos de fibras minerales y/o fibras de aramida como Kevlar (RTM). Las fibras se pueden añadir, por ejemplo, para aumentar el módulo de Young y aumentar la tenacidad del material de fricción. Las FVA adecuadas tienen un diámetro de fibra promedio en número en el intervalo de 5-10 pm, longitudes en el intervalo de 50-1000 pm, preferentemente en el intervalo de 100-750 pm, y con un bajo contenido de material no convertido en fibras, p. ej., menos de 1 % en peso, preferentemente menos de 0,5 % en peso. Los ejemplos de FVA adecuadas están disponibles en Lapinus Fibers en la línea de productos Roxul, p. ej., productos Roxul 1000 Rock Brake, como Roxul 1000 RB 280 y RB205.
El material de fricción se prepara de acuerdo con las siguientes etapas:
a. mezclar un material poroso inorgánico en partículas con otros materiales de partida para formar una mezcla, en donde el material poroso inorgánico en partículas comprende un agente anticorrosión absorbido dentro de sus poros;
b. colocar la mezcla en un molde;
c. someter la mezcla en el molde a una presión de 10 a 70 MPa.
Preferentemente, la etapa de mezcla es una etapa de mezcla en seco. Se prefiere la mezcla en seco debido a los estándares de la industria para materiales de fricción. Además, un proceso de mezclado húmedo puede dar lugar a un material de fricción quebradizo debido a la evaporación de la humedad durante la fabricación. La presente invención evita ese problema al incorporar un agente anticorrosión líquido dentro de un material poroso inorgánico en partículas.
La etapa de prensado puede ser una prensa en caliente o una prensa en frío. Preferentemente, las condiciones son una temperatura de 120 a 180 °C, preferentemente de 150 a 170 °C y una presión de 20 a 40 MPa.
Opcionalmente, se utiliza una etapa de curado posterior. Esto puede ser para curar, p. ej. un aglutinante de resina. El curado puede tener lugar en un proceso gradual en el que la temperatura se eleva desde la temperatura ambiente hasta la temperatura de curado, de al menos 150 °C, preferentemente al menos 180 °C, por ejemplo 200 °C o más hasta 250 °C, preferentemente hasta 215 °C, seguido de mantenimiento a la temperatura de curado durante varias horas, como 2-8 horas, preferentemente 4-6 horas, seguida de una etapa de enfriamiento.
El método comprende preferentemente una etapa preliminar de impregnación del agente anticorrosión en los poros del material poroso inorgánico en partículas. El material poroso inorgánico en partículas puede contener de 5 % a 200 % de su propio peso en agente anticorrosión. Preferentemente, el material poroso inorgánico en partículas lleva de 25 a 70 % de su propio peso en agente anticorrosión. Esta cantidad de agente anticorrosión puede ofrecer un suministro controlado óptimo de agente anticorrosión a la superficie del material de fricción mientras se mantiene la facilidad de procesamiento y la tenacidad y resistencia del material de fricción. La impregnación puede llevarse a cabo poniendo en contacto el material poroso inorgánico en partículas con un agente anticorrosión en forma líquida mientras se mezcla, por ejemplo, rociando sobre un mezclador de lecho fluido o mezclando en un mezclador de bajo cizallamiento hasta que todo el líquido se absorba con o sin cizallamiento, por ejemplo llevado a cabo durante un período de 1-60 minutos por ejemplo 5-20 minutos.
Preferentemente, el material poroso inorgánico en partículas se somete a una etapa de secado después de ser impregnado con el agente anticorrosión y antes de mezclarlo con los otros componentes del material de fricción. La etapa de secado puede ser activa, por ejemplo aumentando la temperatura y/o disminuyendo la humedad, o pasiva, es decir, permitiendo que la humedad se evapore de forma natural. Esta etapa puede mejorar la resistencia del material de fricción al reducir la cantidad de vapor que se libera durante la etapa de prensado en caliente del proceso de producción del material de fricción.
Ejemplos
Ejemplo 1
Un material de silicato de calcio poroso en partículas, conocido comercialmente como PROMAXON®-D, se impregnó con vidrio soluble Crystal 0075 en cantidades de 0, 50, 100, 150 y 200 % p/p. En otras palabras, una cantidad de vidrio soluble se absorbió en el material de silicato de calcio poroso en partículas de tal manera que contenía 0 %, 50 %, 100 %, 150 % o 200 % de su propio peso en vidrio soluble. La relación SiO2:Na2O en el vidrio soluble fue de 3,22. El material poroso en partículas impregnado en un % en volumen del 7 % se mezcló con otros ingredientes de acuerdo con la siguiente receta y se sometió a presión a 160 °C y 28 MPa en un molde para formar materiales de fricción NAO que no son de acero.
La composición fue seguida de curado calentando hasta 210 °C durante 5 horas, manteniendo a 210 °C durante 4 horas y enfriando a temperatura ambiente durante 2 horas.
continuación
Además se realizó una muestra de referencia que excluyó el material poroso inorgánico en partículas PROMAXON®-D.
Los materiales de fricción fueron evaluados en cuanto a fricción, comportamiento frente al desgaste y corrosión. Los materiales de fricción se prepararon como pastillas de freno para probar con un rotor de acero. Las pruebas realizadas fueron el rendimiento de fricción de la especificación ECER90 global en máquina de Krauss.
El desgaste de los materiales de fricción (pastillas de freno) y rotores se midió de acuerdo con el método de prueba adaptado del desgaste SAE J2707.
La corrosión de los materiales de fricción y los rotores se determinó mediante pruebas basadas en la prueba ASTM B117 para determinar el nivel de fricción estática. La prueba consiste en el preacondicionamiento de la pastilla de freno y el material con un líquido acuoso corrosivo al 5 % en peso de NaCl y MgCl (1:1 en peso), seguido de sujeción a un disco de freno e introducción en una cámara climática a 40 °C, 100 % de humedad relativa durante 24 horas, seguido de secado en la cámara a temperatura ambiente, 70 % de humedad relativa durante 72 h. A continuación se inspeccionan las muestras de prueba para detectar fricción estática y las superficies de los discos y las pastillas se inspeccionan después del desprendimiento para detectar corrosión.
La muestra de referencia (sin material poroso inorgánico en partículas) sufrió una fuerte fricción estática durante la prueba. El 80 % de la superficie de la pastilla de freno estaba cubierta de corrosión.
En la muestra con material poroso inorgánico en partículas pero sin agente anticorrosión impregnado en los poros, se observó una fuerte fricción estática como resultado de la prueba. El 80 % de la superficie entre la pastilla y los discos estaba cubierta de corrosión.
La muestra que incluye material poroso inorgánico en partículas que lleva el 25 % de su peso de vidrio soluble, sufrió una fricción estática media y el 40 % de la superficie entre la pastilla y el disco estaba cubierta de corrosión. Esta es una clara mejora con respecto a la muestra de referencia y la muestra con 0 % de agente anticorrosión.
La muestra que incluye material poroso inorgánico en partículas que lleva el 50 % de su peso de vidrio soluble, no sufrió fricción estática y solo el 20 % de la superficie entre la pastilla y el disco estaba cubierta de corrosión. Esta es una clara mejora adicional con respecto a las muestras anteriores.
La muestra que incluye material poroso inorgánico en partículas que lleva el 100 % de su peso de vidrio soluble, no sufrió fricción estática y solo el 10 % de la superficie entre la pastilla y el disco estaba cubierta de corrosión. Esta es una clara mejora adicional con respecto a las muestras anteriores.
Los mejores resultados se obtuvieron para los materiales de fricción que incorporaban el material de silicato de calcio poroso en partículas impregnado con 50 % p/p y 100 % p/p de vidrio soluble.
Ejemplo 2
Los materiales de fricción se prepararon mezclando los materiales de partida y sometiendo la mezcla a presión en un molde usando las condiciones del proceso del Ejemplo 1 anterior para formar pastillas de freno. La formulación era una formulación de bajo contenido metálico de acuerdo con lo siguiente:
El material poroso inorgánico en partículas era un silicato de calcio conocido comercialmente como PROMAXON®-D. Se impregnó con vidrio soluble Crystal 0075 (vidrio soluble de la misma composición que en el ejemplo 1) antes de mezclarlo con los otros ingredientes para el material de fricción. Se prepararon seis muestras, con diferentes grados de saturación de vidrio soluble en el material poroso: el material poroso contenía 0 %, 25 %, 50 %, 75 %, 100 % y 125 % de su propio peso en vidrio soluble. Se prepararon muestras de materiales de fricción en forma de pastillas de freno para comparar el rendimiento a diferentes niveles de saturación.
Las pastillas de freno se probaron con un rotor de acero para simular el sistema de frenado de un vehículo de motor.
Se llevaron a cabo pruebas para determinar el coeficiente de fricción para cada muestra de acuerdo con el procedimiento de prueba de certificación europea del anexo del reglamento ECE R90 en máquina de Krauss (par constante) para el rendimiento de fricción de la especificación global.
El desgaste de la pastilla de freno y el rotor se probaron de acuerdo con una versión adaptada del procedimiento de desgaste SAE J2707.
Los dígitos de los códigos utilizados en las figuras indican la proporción de vidrio soluble.
Las figuras 1,2 y 3 muestran los resultados de la prueba del Ejemplo 2.
Como se puede ver en la Figura 1, hubo un aumento en el nivel de fricción promedio, el nivel promedio de fricción de la sección fría y el nivel promedio de fricción de la sección de desvanecimiento con el aumento del contenido de la solución líquida de silicato de sodio. Estas tres secciones de fricción son fundamentales en el desarrollo de pastillas de freno.
La figura 2 muestra el comportamiento del desgaste de la pastilla y el rotor con el aumento del contenido de la solución líquida de silicato de sodio. Ambas muestran una mejora hasta cierto punto donde el efecto se vuelve negativo. La relación entre el desgaste del disco y la pastilla está optimizada para porcentajes de contenido de solución líquida de silicato de sodio entre 25 y 70 %.
Los resultados de fricción y desgaste se muestran en la Figura 3.
En las secciones j F1 y |j F2, está claro que cuanto mayor sea la cantidad de solución líquida, mayor será el nivel de fricción de desvanecimiento y también el nivel de todos los segmentos de fricción después de j F2.
Si el material poroso inorgánico en partículas contiene más del 125 % de su propio peso de soluciones de agentes
anticorrosión, los resultados dejan de mejorar.
Desde el punto de vista del desgaste del disco, es evidente que hay una mejora de hasta un 50 % con la impregnación con solución líquida. Después del 50 % empeora.
A partir de estos resultados en combinación con las pruebas anticorrosivas del ejemplo 1, concluimos que las mejores tasas de impregnación son:
25, 50 y 75 %, es decir, el material poroso inorgánico en partículas lleva del 25 al 75 % de su propio peso en agente anticorrosión para obtener los mejores resultados.
Sin desear quedar ligado a teoría alguna, se cree que una combinación de cuatro factores influye en estos resultados:
- Procesamiento de materiales de fricción. Cuanto mayor sea la cantidad de impregnación, mayor es la probabilidad de tener grietas en el material de fricción después del prensado en caliente.
- Influencia en la mejora de la corrosión y la fricción estática
- Influencia en el rendimiento de fricción
- Influencia en el desgaste del disco.
Conclusión
- Los materiales porosos inorgánicos con alta resistencia térmica se pueden utilizar como vehículos para soluciones líquidas.
- Las soluciones líquidas de agentes anticorrosión tienen un gran potencial de ahorro de eficiencia en la industria de materiales de fricción.
- La cantidad de infiltración puede ser desde el 5 % (p/p) hasta el nivel de saturación. En el caso específico de Promaxon®-D es del 5 % al 200 %.
- La impregnación óptima depende del segmento de material (NAO, bajo contenido metálico o semimetálico), en el caso de Promaxon D está entre el 25 y el 70 %.
Claims (16)
1. Un material de fricción orgánico sin amianto que comprende un material poroso inorgánico en partículas, en donde el material poroso en partículas comprende un agente anticorrosión absorbido dentro de sus poros, en donde el agente anticorrosión comprende un silicato alcalino, en donde el material poroso inorgánico en partículas comprende una estructura de silicato de calcio.
2. El material de fricción de la reivindicación 1, en donde el silicato alcalino es silicato de sodio, silicato de potasio o mezclas de los mismos, por ejemplo, en forma de una solución acuosa.
3. El material de fricción de cualquier reivindicación anterior, en donde la estructura de silicato de calcio es Ca6Si6O-i7(OH)2.
4. El material de fricción de cualquier reivindicación anterior, en donde el material poroso inorgánico en partículas tiene un tamaño de partícula promedio en número de 5 pm a 300 pm.
5. El material de fricción de cualquier reivindicación anterior, en donde el material poroso inorgánico en partículas tiene un área de superficie específica BET de al menos 40 m2/g cuando se calcula en ausencia del agente activo.
6. El material de fricción de cualquier reivindicación anterior, en donde el material poroso inorgánico en partículas tiene un número de absorción de aceite en el intervalo de 100 a 500, cuando se determina en ausencia del agente activo, preferentemente en el intervalo de 150 a 300, en donde el número de absorción de aceite se determina de acuerdo con la norma ISO787- 5:1980.
7. El material de fricción de cualquier reivindicación anterior, en donde el agente anticorrosión está presente en una cantidad de entre el 1,5 y el 50% en peso, expresado como porcentaje de la masa de materia seca en el agente anticorrosión con respecto a la combinación del peso seco del material poroso inorgánico en partículas y la masa de materia seca en el agente anticorrosión.
8. El material de fricción de cualquier reivindicación anterior, que comprende además aglutinante orgánico en una cantidad en el intervalo del 5 al 45% en peso, preferentemente del 10-20% en peso, por ejemplo, una resina termoestable.
9. El material de fricción de cualquier reivindicación anterior, que comprende además fibras.
10. El material de fricción de cualquier reivindicación anterior, que comprende además fibras vítreas artificiales (FVA).
11. El material de fricción de cualquier reivindicación anterior, en donde el material poroso inorgánico en partículas y el silicato alcalino absorbido dentro de su estructura constituyen juntos del 1 al 10 % en peso del material de fricción, preferentemente del 2 al 5 % en peso.
12. El material de fricción de cualquier reivindicación anterior, en donde el material poroso inorgánico en partículas comprende bolas de fibra.
13. Una pastilla de freno que comprende el material de fricción de cualquier reivindicación anterior.
14. Un sistema de frenado de vehículos que comprende un rotor y la pastilla de freno de la reivindicación 13, en donde el rotor y la pastilla de freno están configurados para entrar en contacto al frenar, preferentemente en donde el rotor es metálico, más preferentemente un sistema de freno de estacionamiento electrónico.
15. Un método para fabricar un material de fricción orgánico sin amianto de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, comprendiendo el método:
a) mezclar un material poroso inorgánico en partículas que comprende una estructura de silicato de calcio con otros materiales de partida para formar una mezcla, en donde el material poroso inorgánico en partículas comprende un agente anticorrosión absorbido dentro de sus poros, en donde el agente anticorrosión comprende un silicato alcalino;
b) colocar la mezcla en un molde;
c) someter la mezcla en el molde a una presión de 10 a 70 MPa.
16. El método de la reivindicación 15, que comprende además una etapa inicial de impregnar el material poroso inorgánico en partículas con el agente anticorrosión, preferentemente en donde el agente anticorrosión está en forma de una solución acuosa.
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