ES2226176T3 - Material compuesto con una elevada cuota de fases intermetalicas, preferiblemente para cuerpos de friccion. - Google Patents

Abstract

SE DESCRIBE UN MATERIAL METALICO FUNDIDO PARA CUERPOS DE FRICCION DE DISPOSITIVOS DE ACELERACION O DESACELERACION, EN PARTICULAR SISTEMAS DE FRENO O EMBRAGUE DE VEHICULOS DE CARRETERA O VAGONES DE FERROCARRIL, FORMADO POR EL GRUPO TERNARIO HIERROALUMINIO-CARBONO, DE MANERA QUE EL MATERIAL SE ENCUENTRE BASICAMENTE EN LA FASE INTERMETALICA CON UNA ESTRUCTURA DE RETICULO CRISTALINO QUE CONTIENE CARBONO LIBRE EN FORMA LAMINAR, ESFERICA O VERMICULAR. EL CONTENIDO DE ALUMINIO DE LA ALEACION SE SITUA ENTRE UN 20 Y UN 28% EN PESO, PREFERENTEMENTE EN EL 24% EN PESO. EL MATERIAL PUEDE SER FUNDIDO Y MOLDEADO ABIERTAMENTE EN PRESENCIA DE AIRE. COMO CUERPOS DE FRICCION CORRESPONDIENTE SE MENCIONAN LOS DISCOS DE FRENO, TANTO MACIZOS COMO VENTILADOS INTERIORMENTE. LOS CUERPOS DE FRICCION SON MAS LIGEROS, MAS RESISTENTES A LA CORROSION, EL DESGASTE Y LA FLEXION ALTERNA QUE LOS CUERPOS DE FRICCION DE LA TECNICA ANTERIOR REALIZADOS CON MATERIALES FERROSOS, Y PUEDEN ELABORARSE AL MENOS CON LA MISMA FACILIDADQUE LOS MENCIONADOS CUERPOS.

Description

Material compuesto con una elevada cuota de fases intermetálicas, preferiblemente para cuerpos de fricción.

El presente invento consiste en un material de fundición metálico para cuerpos de fricción conforme a las características descritas en la reivindicación 1, un cuerpo de fricción para la transmisión del par en dispositivos de aceleración o desaceleración conforme a las características descritas en la reivindicaciones 7 y 8 y un procedimiento para la producción de un material de fundición metálico para cuerpos de fricción conforme a las características descritas en la reivindicación 12.

El objeto del invento consiste en la creación de un material férrico para cuerpos de fricción que ofrezca las ventajas de los materiales de fundición conocidos hasta ahora tales como: resistencia térmica, bajo riesgo de agrietaduras por choque térmico, atenuación acústica y lubrificación dosificada siendo al mismo tiempo menos denso, menos susceptible a la corrosión y que, a pesar de ofrecer mayor dureza, sea más mecanizable que los materiales producidos con los métodos correspondientes al estado actual de la técnica. Las propiedades que debe reunir un material de este tipo y las medidas necesarias para su producción resultan de los componentes característicos de las reivindicaciones.

Los materiales del tipo conforme al invento se prestan particularmente para empleo en discos de freno, en tambores de freno o discos de embrague de sistemas de transporte por carril o carretera pero, en general, son también indicados para operaciones de aceleración y desaceleración que requieran la transmisión de fuerza entre dos cuerpos, de los cuales uno, como mínimo, ejecute un movimiento de traslación o de rotación respecto al otro cuerpo. Los coeficientes de fricción entre ambas superficies de fricción pueden ser constantes o variables, en función del tipo de construcción.

Los frenos instalados en sistemas de transporte por carretera o por carril utilizan frenos de tambor, frenos de discos múltiples o frenos de disco. Los discos utilizados en frenos de disco disponen de ventilación masiva o de ventilación interna, en función de la carga térmica. Para su producción se utilizan principalmente fundiciones de hierro conformes a DIN 15437 con grafito lamelar (por ejemplo GG 25) o con grafito esferoidal (por ejemplo. GGG 40, GGG 50 o GGG 60), acero fundido GS 60, acero estructural St52-3 y, con menor frecuencia, también aceros para temple C 45 ó 42CrMo4. El uso de fundición gris con grafito lamelar (GG 25) ha demostrado ser particularmente ventajoso. La forma plana del grafito presente en esta opción genera la alta conductividad térmica que se desea. El carbono libre necesario para la formación del grafito se obtiene mediante la aleación del arrabio con silicio. En este empeño se debería procurar mantener el contenido de silicio lo más bajo posible, ya que el silicio a su vez hace disminuir la conductividad térmica del hierro. Otros materiales que han demostrado ser particularmente adecuados son los materiales de acero fundido, no aleados, altamente carbonizados. Los fallos de funcionamiento de frenos de disco debidos a grietas por choque térmico y alteración dimensional por estiraje son menos frecuentes con fundiciones de acero no aleadas que con aleaciones pobres o que con el acero fundido. El comportamiento de frenado es también igual o mejor. El desgaste es más bajo a pesar de la menor dureza y los discos de freno son menos susceptibles a resonar y a restregarse. La conductividad térmica de, por ejemplo, un GG 15 HC derivado del GG 25 es inferior a 50W/mK. Este material además de económico es también fácilmente mecanizable.

Con frecuencia el material utilizado para frenos de disco es el GG 20. Su composición química se desprende de la tabla 1, abajo.

Elemento	Fe	C	Si	Mn	P	S	Cu
% por peso	Resto	3,6	2,0	0,7	0,01	0,1	0,3

Es posible adicionar por aleación un contenido bajo de Mo, Cr y Ni para incrementar la resistencia y la perlita. GG20 ofrece, conforme a DIN 1690, una resistencia a la tracción de 200 a 300 N/qmm, excediendo así la resistencia a la tracción de 150 N/qmm, como mínimo, deseada para el uso. La dureza Brinell del material reside entre 180 y 220 HB.

La desventaja de todos los materiales de fundición gris conocidos hasta la fecha para cuerpos de fricción es, no obstante, el demasiado escaso alargamiento a la rotura. Para muchas aplicaciones, especialmente cuando el calentamiento sobre la superficie de fricción es desigual, es decir, cuando ocurren los llamados "Hot Spots", se utilizan por lo tanto aleaciones de fundición gris con grafito esferoidal o bien acero fundido y, en casos menos frecuentes, aceros para temple. No obstante, esto no surte un efecto positivo en la otra desventaja del material, que es la susceptibilidad relativamente alta a la corrosión. Finalmente, la alta densidad de los cuerpos de fricción fabricados con el material descrito arriba, la rápida abrasión, que se hace notar particularmente en el frenado de grandes masas como camiones o vehículos sobre carriles y los costes de elementos de aleación caros son otras desventajas que procede mencionar.

La mejora de las propiedades de los materiales contemporáneos de cuerpos de fricción a base de hierro se puede abordar de diferentes maneras. Para mejorar las propiedades de abrasión, los elementos de aleación son una opción adecuada. No obstante, los materiales de aleación caros incrementan los costes del material a un nivel inadmisible. La reducción del peso se puede conseguir principalmente con el empleo de una aleación más ligera. Si se utiliza el aluminio como material de base, se obtiene por una parte una mejora en el comportamiento de abrasión, pero por la otra las propiedades de desgaste empeoran de manera drástica y la temperatura de operación es limitada.

Todas las desventajas mencionadas resultan esencialmente de la microestructura del material, ya que la matriz consiste de una solución sólida a base de Fe-C, que con frecuencia suele ser ferrítica, perlítica o martensítica. La disposición desordenada de los átomos metálicos es característica de este tipo de soluciones sólidas. Los enlaces entre ellos son casi exclusivamente metálicos. Por otra parte, las aleaciones con compuestos intermetálicos constituyen una buena alternativa. Los compuestos intermetálicos disponen de una red cristalina ordenada con una alta proporción de compuestos iónicos o convalentes. A pesar de consistir solamente de elementos metálicos, ofrecen propiedades de óxido, carburo o cerámica de nitruro, destacan por sus elevadas temperaturas de fusión y por su muy buena resistencia a la corrosión. Parecía, por lo tanto, concebible que el empleo de un compuesto intermetálico permitiera mejorar sensiblemente las propiedades de los cuerpos de fricción. A causa también de la reducción de peso deseada, los compuestos que vendrían al caso serían los compuestos metálicos a base de hierro y aluminio.

Los materiales de fundición del grupo ternario hierro / aluminio / carbono son generalmente conocidos, por ejemplo de EP-069 5811 (Solicitante: Toyota). Se abrigaban, no obstante, sustanciales reservas respecto a los compuestos de hierro/aluminio, independientemente de elementos de aleación adicionales, por considerarse en general como difíciles de producir, quebradizos y difíciles de mecanizar. A tal efecto se hace referencia, por ejemplo, a las informaciones de la "Zentrale für Gu\betaverwendung" (Oficina Central para el Uso de Fundiciones), Hoja Nº 1105/1 (9ª. edición 1968), que refleja todavía el estado actual de la técnica. En esta publicación, las fundiciones de hierro aleadas con aluminio, con un bajo contenido de aluminio (del 4 al 7% Al), se describen como poco resistentes a la flexión por impacto y poco mecanizables, las fundiciones con un alto contenido de aluminio, del 22 al 30%, se clasifican también de poco resistentes a la flexión por impacto y de todavía peor mecanizabilidad. Los componentes para hornos, aparatos para la destilación del azufre y para la producción de sulfuro sódico, calderas de fusión, placas calefactoras y paquetes de resistencia son ejemplos de aplicaciones típicas, pero no así los componentes estructurales sometidos a cargas mecánicas. En varias partes de la publicación se indica que, aunque su resistencia al cascarillado es buena, su difícil producción, su mecanizabilidad con frecuencia poco buena y su fragilidad constituyen
desventajas.

No obstante, los experimentos sobre los cuales está basado el invento demostraron, por contraste, que estas desventajas no ocurren, en conformidad con los resultados de consideraciones teóricas previas. Se observó una resistencia a la corrosión sensiblemente mayor. La resistencia a la flexión por impacto correspondió, como mínimo, a la de los materiales convencionales, mejorándose incluso la mecanizabilidad.

La presencia de carbono lamelar, en su forma más uniforme y fina posible, es esencial para obtener las propiedades del material con el cual se espera solventar la tarea impuesta. Los métodos utilizados habitualmente a tal efecto en la metalurgia de hierro/carbono no se prestan para aplicación en el sistema hierro/aluminio. La adición de grandes cantidades de silicio es particularmente indeseada, ya que en la red cristalina de la fase intermetálica el silicio asume posiciones que deberían ser ocupadas por el aluminio. Por esta razón se realizaron experimentos específicos para determinar si era posible influir en la dispersión del carbono variando la relación de mezcla hierro-aluminio. El análisis de las estructuras de la red metálica de los sistemas binarios y ternarios Fe-Al o Fe-Al-C, representadas en las ilustraciones 1 y 2, había conducido a consideraciones similares. En las ilustraciones las posiciones de red de los átomos de hierro son negras y las de los átomos de aluminio están representadas por círculos abiertos. El círculo sombreado de la Ilus. 2 corresponde a la posición del carbono.

Los experimentos llevados a cabo resultaron en los sustanciales cambios en la estructura del material indicados a continuación: Con la adición de hasta un 4% en peso de aluminio a la aleación, el material generado se comporta más bien como hierro fundido respecto a la dispersión de carbono, es decir, se necesita la adición dirigida de silicio para obtener grafito lamelar fino. Al aumentar el porcentaje en peso de aluminio el carburo adopta la forma de cristal perovskita de caras centradas cúbicas con el átomo de carbono centrado en el espacio de la célula elemental. Ver Ilus.2. Tan pronto la proporción de aluminio excede aproximadamente el 17% en peso, la estructura cristalina se llena tan densamente de aluminio que la inclusión del carbono retrocede cada vez más, provocando también así la disminución del carburo y la dispersión de carbono libre. Con la presencia de una proporción moderada de silicio (hasta 1% en peso) el carbono se hace modular. Finalmente, la estructura óptima para el propósito deseado, en la cual los átomos de carbono incluidos en la red se dispersan mediante la reducción en tamaño del hueco octaedro, tiene lugar con una proporción de aproximadamente un 24% en peso de aluminio. La ilustración 3 muestra la microestructura obtenida de esta manera, en la cual las zonas blancas consisten de FeAl conforme a la Ilus. 1 y el carbono elemental (negro) de la Ilustración 2 se ha dispersado. El material obtenido mediante este procedimiento, designado en lo siguiente como FELAMCAL, ofrece todas las ventajas deseadas respecto a conductividad térmica, lubricación, ausencia de grietas por choque térmico, ductilidad a temperatura ambiente, mecanizabilidad y resistencia a la corrosión, así como peso más ligero. Los valores obtenidos para la conductividad térmica de la aleación hierro/aluminio y su curva de dureza se representan en las ilustraciones 4 y 5. La ilustración 4 representa la conductividad térmica como función del contenido de aluminio y la ilustración 5 representa la curva de dureza.

Se hace referencia también a la ilustración 6 (representación del sistema binario hierro/aluminio) con la intención de explicar en mayor detalle el contexto metalúrgico sobre el cual se basan las calidades del material desarrollado. La línea vertical A-A al 24% en peso o al 40% en peso atómico de aluminio, se refiere al margen dentro del cual se obtiene FELAMCAL.

El ejemplo de aleación al 24% en peso de aluminio representado más abajo describe uno de los métodos empleados para la producción de cuerpos de fricción de FELAMCAL:

La fracción de hierro en la fusión se funde del arrabio, chatarras de acero de baja aleación o de material reciclado que consista de fundición gris con grafito lamelar o de fundición gris con grafito esférico. La fusión tiene lugar en cubilotes o en un horno eléctrico abierto al aire. En la selección del material de partida procede observar que el contenido de cobre del mismo no supere el 0,5%. La proporción de aluminio en la fusión se obtiene de aluminio metalúrgico o bien de chatarras de aluminio, observando que el contenido de silicio no exceda el 1%. La aleación se efectúa en un horno de revestimiento ácido mediante la adición de aluminio sólido a la fundición líquida. Esto evita eficazmente la absorción indeseada de oxígeno. Mientras se está formando la aleación ocurre una reacción exotérmica.

La masa fundida se calienta a 1.600ºC, tiene una temperatura de aproximadamente 1.540ºC antes del vertido y se vierte por debajo de la escoria. De este modo se obtiene un flujo homogéneo y el llenado completo de los moldes de arena fabricados mediante métodos de producción convencionales. El enfriamiento se realiza también mediante el método convencional sin la adopción de medidas especiales como, por ejemplo, la reducción o el incremento de la velocidad de enfriamiento o medidas similares. La exclusión total de aire tampoco es necesaria. Por consiguiente, el método puede ser aplicado en talleres de fundición convencionales con sólo un mínimo de medidas adicionales.

Los demás conceptos perseguidos con el propósito de conseguir otros compuestos intermetálicos no han arrojado resultados más favorables. En teoría, es concebible la producción de compuestos intermetálicos a base de hierro y cobre o hierro y níquel. No obstante, estos conceptos no fueron considerados más a fondo debido, principalmente, a las desventajas de sus métodos (riesgo de intoxicación del personal) o a sus elevados costes. Tampoco hubiera sido posible alcanzar con ellos la reducción de peso que se perseguía.

Si se utilizan métodos metalúrgicos conocidos y apropiados para influir en el modo en el cual debe dispersarse el carbono excesivo de la aleación (por ejemplo, adición de magnesio a la aleación), sería concebible también la generación de compuestos intermetálicos del sistema hierro/aluminio/carbono con carbono esférico (fundición esferoidal) o vermicular. Los campos de aplicación de cuerpos producidos de este modo incluyen, por ejemplo, componentes mecánicos para cárteres de motores, turbinas y aparatos químicos.

Se ha constatado también que FELAMCAL, al igual que los materiales de hierro fundido, se presta para el perfeccionamiento de la resistencia al desgaste o para la adaptación específica del coeficiente de fricción en frío mediante la adición de carburos o de óxidos. A tal efecto, a la aleación se agregan, de la manera conocida, formadores de carburos como: molibdeno, cromo, hafnio, titanio, tántalo u óxidos de erbio o circonio en proporciones, cada uno de ellos, de menos del 5% en peso.

La masa fundida obtenida con el método descrito anteriormente es más viscosa que las fundiciones de hierro convencionales altamente carbonizadas que suelen preferirse para la producción de cuerpos de fricción. Por esta razón se necesitan moldes de fundición cuya entrada disponga de una sección transversal más grande. Un bebedor central para cada cuerpo de fricción desde el curso superior del molde demuestra ser una opción particularmente ventajosa.

Tal cual se representa más arriba, FELAMCAL fue desarrollado principalmente como alternativa mejorada de los materiales de fricción conocidos. Es evidente que el uso del material no se limita tan sólo a productos de este tipo. Se presta para cualquier aplicación que requiera las propiedades anteriormente descritas, por tratarse de un material de fundición fácilmente mecanizable, cuya producción no requiere el empleo de sustancial equipamiento adicional o pasos de procedimiento, ni involucra tampoco elevados costes de producción.

Por supuesto que la producción de FELAMCAL se puede efectuar también mediante empleo de métodos tales como la fundición colectiva de los metales de partida en estado sólido u otros métodos de fundición convencionales conocidos por el técnico de fundición.

Claims (14)

1. Material de fundición metálico para cuerpos de fricción para la transmisión de potencia en dispositivos de aceleración y desaceleración, particularmente en sistemas de frenado o de embrague en vehículos de transporte por carretera o por carril, elaborado de una aleación del grupo ternario hierro-aluminio-carbono, caracterizado por el hecho de que la aleación es predominantemente en la fase intermetálica con una red cristalina ordenada y la presencia de carbono libre en forma lamelar y por el hecho de que, aparte del hierro, el material cuenta con un porcentaje del 20 al 28% en peso de aluminio, hasta 1% en peso de silicio y hasta un 3% en peso de carbono.

2. Material de fundición metálico conforme a la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que el carbono libre está presente en forma esferoidal.

3. Material de fundición metálico conforme a la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que el carbono libre está presente en forma vermicular.

4. Material de fundición metálico conforme a una o varias de las reivindicaciones de 1 a 3, caracterizado por el hecho de que el material está aleado con elementos formadores de carbono tales como el molibdeno, cromo, hafnio, titanio o tántalo en proporciones inferiores al 5% en peso.

5. Material de fundición metálico conforme a una o varias de las reivindicaciones de 1 a 3, caracterizado por el hecho de que el material está aleado con elementos formadores de óxido tales como el erbio o el circonio en proporciones inferiores al 5% en peso.

6. Material de fundición metálico conforme a una o varias de las reivindicaciones de 1 a 3, caracterizado por el hecho de que el material está aleado con óxidos de tierras raras en proporciones inferiores al 5% en peso.

7. Cuerpo de fricción para la transmisión de potencia en dispositivos de aceleración y desaceleración, particularmente en sistemas de frenado o de embrague en vehículos de transporte por carretera o por carril, elaborado con un material de fundición, caracterizado por el hecho de que el material de fundición es una aleación conforme a una o varias de las reivindicaciones de 1 a 5.

8. Cuerpo de fricción para la transmisión de potencia en dispositivos de aceleración y desaceleración, particularmente en sistemas de frenado o de embrague en vehículos de transporte por carretera o por carril, elaborado con un material metálico o cerámico al cual se ha aplicado una capa de fricción por pulverización térmica, laminación, soldeo por fricción o procedimiento comparable, caracterizado por el hecho de que la capa de fricción es una aleación conforme a una o varias de las reivindicaciones de 1 a 5.

9. Cuerpo de fricción conforme a las reivindicaciones 6 ó 7, caracterizado por el hecho de que el cuerpo de fricción es un disco de freno.

10. Cuerpo de fricción conforme a las reivindicaciones 6 ó 7, caracterizado por el hecho de que el cuerpo de fricción es un tambor de freno.

11. Cuerpo de fricción conforme a la reivindicación 8, caracterizado por el hecho de que el disco de freno dispone de ventilación interna.

12. Procedimiento para la producción de material de fundición metálico conforme a la reivindicación 1 para cuerpos de fricción para la transmisión de potencia en dispositivos de aceleración o de desaceleración, particularmente en sistemas de frenado o de embrague de vehículos de transporte por carretera o por carril, caracterizado por el hecho de que el aluminio viene agregado en estado sólido al hierro líquido.

13. Procedimiento conforme a la reivindicación 8, caracterizado por el hecho de que la fundición y el vertido del material se efectúa de manera abierta bajo aire.

14. Procedimiento conforme a la reivindicación 8, caracterizado por el hecho de que la fundición del material se efectúa en un horno con revestimiento ácido.