ES2310889T3 - Perfeccionamiento de los materiales de friccion. - Google Patents
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Abstract
Accionador que comprende una camisa (1) de deslizamiento y un pistón (2) que comprende una pluralidad de porciones (4) de un material activo, siendo unos medios de mando apropiados para actuar sobre dichos materiales para que las porciones (4) se bloqueen con respecto a la camisa (1) de deslizamiento o se alarguen según una secuencia que provoca el desplazamiento axial del pistón en la camisa de deslizamiento, presentando la camisa de deslizamiento y el pistón en su intercara por lo menos un par de capas (3) de fricción, caracterizado porque por lo menos una capa de fricción es de un material seleccionado de entre: - un óxido de una aleación de Ti y de Cr, estando el óxido en forma de una solución sólida estabilizada y/o en forma de una solución sólida no estequiométrica; - una matriz de circonio estabilizada por Sc2O3 y /o Al2O3 y/o Cr2O3; - un óxido de circonio en fase tetragonal estabilizado por Y2O3, siendo el tamaño de los granos del óxido inferior a 100 nm; y/o - cualquier combinación posible de estos materiales.
Description
Perfeccionamiento de los materiales de
fricción.
La presente invención de refiere a un accionador
mecánico que comprende un pistón lineal activo, en particular con
pistón de material piezoeléctrico.
Dichos accionadores encuentran ventajosamente
aplicaciones para los dispositivos de frenado, de embragues o de
alerones, en particular para los vehículos automóviles o las
aeronaves.
Se conocen ya, en particular por la solicitud FR
2 702 895, unos accionadores activos que comprenden una camisa de
deslizamiento y un pistón apropiado para desplazarse axialmente en
dicha camisa, comprendiendo dicho pistón una pluralidad de
porciones sucesivas de materiales activos, y en particular de
materiales piezoeléctricos. Generalmente, las porciones de estos
accionadores son mandadas unas para dilatarse perpendicularmente al
sentido de desplazamiento del pistón y así bloquearse en la camisa
de deslizamiento, las otras para dilatarse según la dirección de
desplazamiento y así alargarse para provocar el desplazamiento de
una parte del pistón, mientras que la otra parte está bloqueada en
la camisa de deslizamiento.
Los accionadores con pistón activo deben ser
particularmente eficaces y presentar unas duraciones de vida
suficientemente importantes, para poder ser utilizados en particular
en unos dispositivos de frenado o de embrague de vehículos
automóviles o de aeronaves. A título de ejemplo, un dispositivo de
frenado de automóvil debe poder resistir a 1 millón de
accionamientos.
La fuerza de accionamiento de un accionador
depende de la fuerza de bloqueo multiplicada por el coeficiente de
rozamiento. Se comprende fácilmente entonces que cuanto mayor es el
coeficiente de rozamiento, mayor es la fuerza de accionamiento para
una misma fuerza de bloqueo.
La dificultad está en que en rozamiento en seco,
los materiales de fricción con unos coeficientes superiores a 0,6,
incluso a 0,8, bajo una presión geométrica de aproximadamente 50
MPa, están sujetos a la adhesión (soldadura de las microasperezas).
En el caso en que los materiales de fricción se adhieren, el
accionador ya no funciona. Por el contrario, los materiales de
rozamiento en seco que no están sujetos a la adhesión presentan unos
coeficientes inferiores a 0,4 o inferiores a 0,3, incluso bajan de
0,005, que no es suficiente para una gran eficacia del
accionador.
El accionador propuesto en el documento FR 2 819
650 presenta unos materiales y/o unas capas de fricción con unos
coeficientes de rozamiento superiores a 0,6 independientemente de la
humedad relativa, de la temperatura y del entorno atmosférico de
utilización.
Para obtener este resultado, la camisa de
deslizamiento del accionador y el pistón presentan en su intercara
por lo menos un par de capas de fricción, presentado dicho par de
capas de fricción unos coeficientes de rozamiento estáticos y
dinámicos que, para un esfuerzo entre la camisa y el pistón inferior
a 100 MPa, preferentemente 50 MPa, son superiores a 0,6. El par de
capas de fricción presenta además unos estados de superficie tales
que:
- su radio de curvatura de asperezas R verifican
0,005 mm<< R <<1 mm, y
- las longitudes de onda aritmética media
\lambdaa y cuadrática media \lambdaq de las asperezas
verifican:
- 0,5 \mum < \lambdaa y \lambdaq<10 \mum.
En estas condiciones, y con los estados de
superficie tales como los definidos en el documento FR 2 819 650,
los materiales de las capas de fricción utilizados en rozamiento en
seco no sufren adhesión ni abrasión.
El accionador propuesto por el documento FR 2
819 650 permite alcanzar unos porcentajes de desgaste
particularmente bajos, y en particular unos porcentajes de desgaste
inferiores a 10^{-7} incluso 10^{-8} mm^{3}/Nm.
\vskip1.000000\baselineskip
Los materiales descritos en el documento FR 2
819 650 se seleccionan preferentemente de entre:
- un óxido de circonio (ZrO_{2}) estabilizado
por < 8% en peso MgO, o < 13-16% de CeO_{2},
en fases monoclínica, tetragonal y/o cúbica_{;}
- una fase magneli del óxido de titánio
\gamma-Ti_{3}O_{5} y/o
Ti_{n}O_{2n-1},con 4 \leq n \leq 10; o
- una aleación de aluminio nitrurado por ejemplo
el AlSi9 hasta AlSi17 (aleaciones AA 6xxx o aleaciones AlMgX,
representando X uno o varios metales, AA5xxx...).
\vskip1.000000\baselineskip
Un sistema de frenado es un sistema de seguridad
que debe funcionar siempre en cualquier condición.
Ahora bien, se ha constatado que los materiales
citados anteriormente, con excepción del CeO_{2} y del ZrO_{2},
presentan hidrólisis en ciertas condiciones.
Por ejemplo, las fases magneli
Ti_{n}O_{2n-1}, con 4 \leq n \leq 10, se
oxidan por encima de 360ºC en presencia de aire para dar la fase
estequiométrica TiO_{2}. Este fenómeno de oxidación se acelera en
presencia de humedad.
Por ejemplo también, la estabilidad hidrolítica
de la fase tretragonal del óxido de circonio está realizado por
Y_{2}O_{3} (siendo este último material denominado también
Yttria) no es satisfactoria. En efecto, la circonia (otro nombre
del óxido de circonio estabilizado por Y_{2}O_{3}) es sensible
al agua y al vapor, de manera que la fase tetragonal es
desestabilizada por la formación de Y(OH)_{3} y se
transforma en fase monoclínica.
Por ejemplo, finalmente, las aleaciones de
aluminio nitruradas citadas en el documento FR 2 819 650 son también
hidrolizadas en presencia de agua o de vapor bajo ciertas
condiciones de temperaturas para formar alúmina, unos hidratos y/o
hidróxidos de alúmina, que poseen unas propiedades
lubrificadoras.
La hidrólisis de estos materiales genera un
descenso de las prestaciones que es incompatible con la duración de
vida de una aeronave y la seguridad deseada para los
accionadores.
\vskip1.000000\baselineskip
La presente invención propone evitar por lo
menos uno de los inconvenientes citados.
A este fin, la invención propone un accionador
que comprende una camisa de deslizamiento y un pistón que comprende
una pluralidad de porciones de un material activo, siendo unos
medios de mando apropiados para actuar sobre dichos materiales para
que las porciones se bloqueen con respecto a la camisa de
deslizamiento o se alarguen según una secuencia que provoca el
desplazamiento axial del pistón en la camisa de deslizamiento,
presentando la camisa de deslizamiento y el pistón en su intercara
por lo menos un par de capas de fricción, caracterizado porque por
lo menos una capa de fricción es de un material seleccionado de
entre:
- un óxido de una aleación Ti y de Cr, estando
el óxido en forma de una solución sólida estabilizada y/o en forma
de una solución sólida no estequiométrica;
- una matriz de circonio estabilizada con
Sc_{2}O_{3} y/o Al_{2}O_{3} y/o Cr_{2}O_{3}; un óxido
de circonio en fase tetragonal estabilizado por
Y_{2}O_{3},siendo el tamaño de los granos del óxido inferior a
100 nm; y/o
- cualquier combinación posible de estos
materiales.
\vskip1.000000\baselineskip
La invención es ventajosamente completada por
los características siguientes, tomadas solas o según sus
combinaciones posibles:
- dicho par de capas de fricción presenta unos
coeficientes de rozamiento estáticos y dinámicos que, para un
esfuerzo entre la camisa y el pistón inferior a 100 MPa, son
superiores a 0,6, presentando dicho par de capas de fricción además
unos estados de superficie tales que:
- su radio de curvatura de asperezas R
verifica
- 0,005 mm <<R<<1 mm, y
- las longitudes de onda aritmética media
\lambdaa y cuadrática media \lambdaq de las asperezas verifican
0,5 \mum<\lambdaa y \lambdaq<10 \mum.
- por lo menos una capa de frcción presenta un
estado de superficie cuyo radio de curvatura R de las asperezas
verifica:
- 0,03 mm<R<1 mm;
- dicho par de capas de fricción presenta unos
coeficientes de rozamiento estáticos y dinámicos que, para un
esfuerzo entre la camisa y el pistón inferior a 100
MPa, son superiores a 0,6, presentando dicho par de capas de
fricción además unos estados de superficie tales que:
- el gradiente aritmético \Deltaa o cuadrático
\Deltaq verifican:
- 0,005º<(\Deltaa, ó \Deltaq)<0,5º, y
\newpage
- las longitudes de onda aritmética media
\lambdaa y cuadrática media \lambdaq de las asperezas
verifican:
- 0,5 \mum<\lambdaa y \lambdaq<10 \mum,
- una capa de fricción tiene un espesor inferior
a 100 \mum, y preferentemente comprendido entre 4 y 6 \mum;
- la solución sólida estabilizada del óxido de
la aleación de Ti y de Cr se presenta en la forma Ti_{n2}
Cr_{2}O_{2n-1} con 6\leqn\leq9;
- la forma no estequiométrica del óxido de la
aleación de Ti y de Cr se presenta en forma de una solución sólida
de TiO_{2} y Cr_{2}O_{3}, preferentemente en una forma
seleccionada de entre: Cr_{2}Ti_{2}O_{7},
Ti_{6}Cr_{2}O_{15}, Ti_{7}Cr_{2}O_{17},
Cr_{2}Ti_{8}O_{1}, Cr_{2}Ti_{5}O_{13},
Cr_{2}Ti_{4}O_{11}, Cr_{0.12}Ti_{0.78}O_{1.74},
Cr_{0.222}Ti_{0.778}O_{1.889},
Cr_{0.286}Ti_{0.714}O_{1.857} ó
Cr_{0.46}Ti_{0,54}O_{1.77}.
- la matriz de circonio comprende entre 0,5 y
13% en número de moles de Sc_{2}O_{3} y/o entre 0,1 y 0,9% en
peso de Al_{2}O_{3} y/o Cr_{2}O_{3},
- la camisa de deslizamiento es de aleación de
Al, de Fe y de por lo menos otro elemento, comprendiendo la
aleación por lo menos sustancialmente 80% en peso de Al y por lo
menos entre 0,1 y 15,0% en peso de Fe,
- la aleación de Al, de Fe y de por lo menos
otro elemento se selecciona de entre:
- una aleación
Al-Fe-V-Si, con
entre 0,1 y 15% en peso de Fe, entre 0,3 y 15% en peso de V, entre
0,1 y 5% en peso de Si, siendo el resto Al, siendo la aleación
preferentemente la aleación AA 8009,a saber
Al-8,5Fe-1,3V-1,7Si;
y/o
- una aleación
Al-Fe-Ce, con entre 0,1 y 15% en
peso de Fe, entre 0,1 y 9% en peso de Ce, siendo el resto Al,
siendo la aleación preferentemente la aleación
Al-8,3Fe-4,0Ce y/o
Al-7,0Fe-6,0Ce; y/o
- una aleación
Al-Fe-V, con entre 0,1 y 15% en peso
de Fe, entre 0,1 y 5% en peso de de V, siendo el resto Al, siendo
la aleación preferentemente la aleación
Al-12Fe-3V; y/o
- una aleación
Al-Fe-Mo, con entre 0,1 y 15% en
peso de Fe, entre 0,3 y 9% en peso de Mo, siendo el resto Al,
siendo la aleación preferentemente la aleación
Al-8Fe-2Mo; y/o
- una aleación
Al-Fe-Cr-Ti, con
entre 0,5 y 10% en átomos de Fe, entre 0,4 y 8% en átomos de Cr,
entre 0,3 y 5% en átomos de Ti, siendo el resto Al, siendo la
aleación preferentemente la aleación Al84,5Fe7Cr6,3Ti2,5;
- la aleación presenta unos granos afinados y
homogeneizados y comprende una cantidad inferior a 0,3% en peso con
respecto al peso total de la aleación de Mg, Zr, Ce y/o Sr
(inoculación) y/o una cantidad inferior a 0,05% en peso de Ni;
- la aleación comprende nitruro de aluminio o de
silicio para obtener una aleación que contenga hasta 2% en peso de
nitrógeno.
\vskip1.000000\baselineskip
La invención presenta numerosas ventajas.
En particular, el accionador presenta mejores
prestaciones y una duración de vida aumentada debido a la
resistencia de los materiales de fricción a la humedad, al agua y/o
el vapor, en unas gamas de temperaturas mayores.
El accionador puede ser utilizado en unas gamas
de temperaturas y de presiones más amplias y más elevadas, durante
más tiempo.
\vskip1.000000\baselineskip
Otras características, objetivos y ventajas de
la invención resaltarán de la descripción siguiente, que es
únicamente ilustrativa y no limitativa, y que debe ser leída con
respecto a los planos anexos, en los que:
- la figura 1 es una sección longitudinal de un
modo de realización de la invención;
- la figura 2 es una sección transversal de un
modo de realización de la invención;
- la figura 3 es una sección transversal de otro
modo de realización de la invención;
- la figura 4 representa la evolución del
coeficiente de rozamiento del par alumina/Ti_{2}Cr_{2}O_{7}
para tres humedades relativas (3%, 49,8% y 99,7%) en modo de
oscilación hasta 10^{6} ciclos;
- la figura 5 representa unos valores de los
coeficientes de rozamiento bajo diferentes humedades relativas en
modo de oscilación no lubrificada después de 10^{6} ciclos;
- la figura 6 representa el porcentaje de
desgaste de diferentes fases magneli y del Ti_{2}Cr_{2}O_{7}
bajo diferentes humedades relativas en modo de oscilación no
lubrificada después de 10^{6} ciclos;
- la figura 7 representa una compilación de los
porcentajes de desgaste en función del coeficiente de rozamiento
(COF) en seco de diferentes pares cerámicos en modo de oscilación no
lubrificada.
El documento FR 2 800 028 al cual se podrá
ventajosamente hacer referencia, da a conocer un accionador tal
como el ilustrado en la figura 1. El accionador comprende un
cilindro o una camisa de deslizamiento 1 y un pistón 2 apropiado
para deslizar axialmente en dicho cilindro 1.
El pistón 2 puede estar constituido por una
pluralidad de porciones de cerámicas piezoeléctricas 4.
Cada porción 4 está provista de electrodos (no
representados en la figura 1) que permiten mandarla
independientemente de las otras. Las porciones 4 son por ejemplo de
cerámica multicapas o de cerámica monolítica o monocristales, la
utilización de cerámicas piezoeléctricas en multicapas presenta sin
embargo la ventaja de permitir utilizar unas tensiones eléctricas
de mando reducidas. Los electrodos permiten mandar dichas porciones
4 para o bien dilatarlas transversalmente para que se bloqueen por
rozamiento sobre el cilindro de deslizamiento 1, o bien alargarlas.
Las porciones son accionadas según unas secuencias de funcionamiento
que alternan bloqueo y alargamiento de manera, o bien que desplacen
el pistón, o bien, cuando este está a tope, generen una fuerza, que
es por ejemplo utilizada como fuerza de frenado.
Unas capas de materiales de fricción,
referenciadas por el número de referencia 3, recubren totalmente o
en parte la camisa 1 y el pistón 2.
Se presta interés a continuación a la elección
de estos materiales, así como a las técnicas utilizadas para su
depósito, su mecanizado, y su estado de superficie.
Los materiales de las capas 3 son puestos en
contacto en rozamiento en seco en el tribosistema que constituyen
la camisa 1 y el pistón 2.
\vskip1.000000\baselineskip
Estos materiales se seleccionan de manera que
este tribosistema presente un coeficiente de rozamiento (COF)
particularmente elevado y en particular superior a 0,6,
preferentemente superior a 0,8, y esto cualquiera que sea la
variación de los parámetros de operación, siendo estos parámetros
principalmente:
- -
- la humedad relativa;
- -
- las sales corrosivas utilizadas para el deshilelo de las carreteras y pistas así como los poliglicoles para el desescarche de los aviones;
- -
- la temperatura que, para ciertas aplicaciones, puede variar de -40ºC (-60ºC, aeronaves) a 200 ó 300ºC;
- -
- las presiones geométricas (no hertzianas) de contacto que pueden alcanzar 50 MPa.
\vskip1.000000\baselineskip
Se sabe que los materiales que son clásicamente
utilizados como materiales de fricción con coeficiente de
rozamiento elevado en los tribosistemas en rozamiento en seco
presentan unos porcentajes de desgaste importantes (superiores a
10^{-6}mm^{3}/Nm) asociados al mecanismo de desgaste de
adhesión.
Recíprocamente, los materiales clásicamente
conocidos en rozamiento en seco para presentar unos porcentajes de
desgaste bajos no son generalmente unos materiales de fricción: se
trata por el contrario generalmente de lubrificante sólido o unos
tribosistemas lubrificados por unos aceites líquidos o pastosos
añadidos a los materiales.
Los materiales que son utilizados para las capas
3 de la estructura propuesta tiene como característica la de
presentar a la vez un coeficiente de rozamiento importante y un bajo
porcentaje de desgaste.
Su porcentaje de desgaste en rozamiento en seco
es en efecto inferior a 10^{-7}mm^{3}/Nm
y preferentemente inferior a 3x10^{-8}mm^{3}/Nm, lo que
corresponde normalmente al régimen de lubrificación
mixta/limite.
Estos porcentajes de desgaste muy bajos permiten
garantizar una duración de vida del sistema mecánico de
aproximadamente 15 años, y esto para un funcionamiento en las
condiciones más desfavorables. Esta duración de vida correspondería
en efecto a un aumento del juego entre una camisa y un pistón activo
inferior a 4 \mum para un pistón de 25,4 mm de diámetro, y esto
para un millón de accionamientos con unas presiones geométricas de
contacto de 50 MPa.
\vskip1.000000\baselineskip
Los materiales utilizados para las capas de
fricción 3 son ventajosamente seleccionados de entre los materiales
siguientes:
- un óxido de una aleación de Ti y de Cr,
estando el óxido en forma de una solución sólida estabilizada y/o
en forma de una solución sólida no estequiométrica;
- una matriz de circonio estabilizada por
Sc_{2}O_{3} y/o Al_{2}O_{3} y/o Cr_{2}o_{3};
- un óxido de circonio de fase tetragonal
estabilizado por Y_{2}O_{3}, siendo el tamaño de los granos del
óxido inferior a 100 nm.
\vskip1.000000\baselineskip
La solución sólida estabilizada del óxido de la
aleación de Ti y de Cr se presenta preferentemente en la forma
Ti_{n-2}Cr_{2}O_{2n-1} con
6\leqn\leq9.
La forma no estequiométrica del óxido de la
aleación de Ti y de Cr se presenta preferentemente en forma de una
solución sólida de TiO_{2} y Cr_{2}O_{3}. Muy preferentemente
dicha solución sólida está en una forma seleccionada de entre:
Cr_{2}Ti_{2}O_{7}, Ti_{6}Cr_{2}O_{15}, Ti7Cr_{2}O17,
Cr_{2}Ti_{8}O_{1}, Cr_{2}Ti_{5}O_{13},
Cr_{2}Ti_{4}O_{11}, Cr_{0.12}Ti_{0.78}O_{1.74},
Cr_{0.222}Ti_{0.78}O_{1.889},
Cr_{0.286}Ti_{0.714}O_{1.857} ó
Cr_{0.46}Ti_{0.54}O_{1.77}.
La matriz de circonio comprende entre 0,5 y 13%
en número de moles de Sc_{2}O_{3} y/o entre 0,1 y 0,9% en peso
de Al_{2}O_{3} y/o Cr_{2}O_{3}.
Se puede utilizar cualquiera de estos materiales
en la formación de cada una de las dos capas de los pares de
fricción. Todos permiten tener una mejor resistencia a la humedad
(agua, vapor) y aumentan las prestaciones de los pares en un campo
de temperaturas más elevadas. Se puede también utilizar una mezcla
de estos materiales.
La figura 4 muestra unos valores de los
coeficientes de rozamiento del par alumina/Ti_{2}Cr_{2}O_{7}.
Los coeficientes de rozamiento están representados para una humedad
relativa (HR) de 3% (curva con un circulo), 49,8% (curva con una
cruz) y 99,7% (curva con un triángulo). Los COF son más elevados que
los de un par alúmina/diamante o carbono hidrogenado
(DLC-diamond like carbone) como muestra la figura 7,
aunque los porcentajes de desgaste del par
alúmina/Ti_{2}Cr_{2}O_{7} sean comparables con los de un par
diamante carbono hidrogenado.Los COF del par
alúmina/Ti_{2}Cr_{2}O_{7} son casi independientes de la unidad
y alcanzan el valor deseado de 0,6 sin desgaste adhesivo y están
asociados a unos bajos porcentajes de desgaste.
La figura 5 representa los valores de los
coeficientes de rozamiento bajo diferentes humedades relativas en
modo de oscilación no lubrificada después de 10^{6} ciclos, para
diferentes materiales en fase magneli y para el
Ti_{2}Cr_{2}O_{7} según la invención (rozamiento contra la
alúmina para todos los materiales). Se constata que los COF de las
fases magneli (no alteradas) son superiores a los del
Ti_{2}Cr_{2}O_{7} (de aproximadamente 0,1) pero el
Ti_{2}Cr_{2}O_{7} tiene un porcentaje de desgaste mucho menos
importante, como muestra la figura 6.
La elección de un material en una aplicación de
accionador debe conciliar y optimizar el rozamiento y el desgaste.
Es por esta razón que el Ti_{2}Cr_{2}O_{7} es un buen material
para esta aplicación.
Los materiales de fricción son depositados sobre
las piezas mecánicas del sistema destinadas a deslizar unas contra
las otras.
Por otra parte, la fuerza de bloqueo es
determinada por el juego entre la camisa y el pistón activo. Este
juego debe ser bastante pequeño para permitir un contacto entre la
camisa y el pistón una vez dilatado pero bastante grande para
permitir al pistón deslizar una vez que está alargado.
El espesor de las capas de fricción una vez
mecanizadas no debe ser mayor que el juego de bloqueo del
accionador. Las mismas deben ser siempre inferiores a 100 \mum,
preferentemente inferiores a aproximadamente 4 a 6 \mum en estado
mecanizado.
Por consiguiente, estas capas deben definir unas
capas simples o unas multicapas delgadas. Las mismas son por tanto
depositadas por unas técnicas que pueden ser las resumidas en la
tabla 1 siguiente. Contienen las designaciones anglosajonas de
estas técnicas generalmente utilizadas por el experto en la
materia.
La temperatura de la pieza durante la deposición
debe ser igual a T_{Curie} disminuye en 10º Kelvin
aproximadamente; preferentemente, se selecciona una temperatura de
depósito igual a T_{Curie} disminuida en 100º Kelvin
aproximadamente. Esta elección de temperaturas evita el dañado de
los materiales piezoeléctricos.
Además, para ciertas combinaciones de capas de
fricción y de sustratos piezoeléctricos, puede ser ventajoso
añadir, como muestra la figura 2, una capa intermedia 5 entre el
material del pistón activo y la capa de fricción para mejorar la
adhesión de esta última.
En efecto, las fuerzas de cizalladura debidas al
bloqueo del pistón en su camisa son importantes. Por consiguiente,
según las aplicaciones, esta fuerza adhesiva de las capas sobre su
soporte debe siempre poder resistir una cizalladura de 5 MPa,
preferentemente una cizalladura superior a 20 MPa incluso superior a
50 MPa.
Esta capa intermedia 5 puede estar
ventajosamente constituida, por los elementos siguientes tomados
solos o en cualquiera de su combinación (aleación) posible:
- Níquel;
- Níquel con una proporción en peso de 2 a 25%
de fósforo;
- Hierro;
- Cromo;
- Titanio;
- Silicio o aluminio depositados por unos
procedimientos químicos, electroquímicos CVD, proyección térmica
y/o PVD.
\vskip1.000000\baselineskip
Se podrá además efectuar una segmentación radial
de las capas después de su depósito para reducir las tensiones
debidas a la dilatación térmica.
La topografía de las capas de fricción permite
obtener las propiedades de fricción y la resistencia al desgaste
deseadas.
Dado que los desgastes lineales por
triboelemento son preferentemente inferiores a 2-3
\mum, los estados de superficies iniciales de las piezas
mecánicas en deslizamiento deben ser los deseados desde la primera
solicitación y realizados durante el mecanizado. En efecto, si el
sistema funciona como se ha previsto, los estados de superficies
con las propiedades tribológicas son casi invariables en el tiempo.
No hay por tanto rodado de las piezas.
Es por lo que se efectúa un tratamiento de
superficie para obtener desde la primera aplicación unas capas cuya
topografía de superficie (repartición estadística y forma de las
microasperezas de la superficie) corresponde a la que el operador
desea.
Se recuerda que normalmente, el pistón activo
trabaja en bloqueo y no desliza. Sin embargo, a causa de problemas
de velocidad de accionamiento o de regulación entre las porciones,
es posible que las asperezas sean solicitadas con una componente de
deslizamiento sin deslizar efectivamente unas contra las otras. Es
lo que se denomina el modo de "stick-slip" en
la terminología anglosajona generalmente utilizada por el experto en
la materia.
Se busca por tanto un estado de superficie que
permita realizar unos contactos solicitados elásticamente, es decir
sin desgaste traducido por unas roturas de los contactos que
adhieren (caso del "stick" según la terminología anglosajona
generalmente utilizada) para un alargamiento inferior a 10
\mum.
La topografía de la superficie del pistón y de
la camisa representa un parámetro tan importante como la elección
de los materiales de fricción. La misma permite obtener una
solicitación elástica de las asperezas: las asperezas solicitadas
elásticamente no se desgastan, de manera que el estado de la
superficie permanece por tanto casi idéntico por toda la duración
de vida del sistema.
Clásicamente, un estado de superficie está
caracterizado por unos valores de rugosidad.
Se han propuesto aquí dos aproximaciones que se
distinguen de la aproximación clásica, pero que traducen, para el
estado de superficie considerado, sustancialmente la misma
característica.
Según una primera aproximación, se controla el
estado de superficie de manera que los radios de curvatura R de las
asperezas verifiquen:
- 0,005 mm<<R<<1 mm.
y preferentemente:
- 0,03 mm<R<0.1 mm.
Para una estimación del radio de curvatura de
asperezas de una superficie metálica dada, se podrá ventajosamente
hacer referencia a la publicación siguiente:
"Modelización de la topografía microgeométrica
-Materiales y
técnicas"-nº3-4-2000.
El radio de curvatura de las asperezas de una
superficie cerámica puede -si se considera que estas asperezas son
esféricas- ser obtenido a partir de un análisis de la topografía por
estilete.
Se tiene en efecto:
con
siendo \Psi igual al índice de
plasticidad,
Si \Psi <0,6, el contacto es elástico,
Si 0,6<\Psi<1, el contacto es
elastoplástico,
Si \Psi>1, el contacto se supone ser
plástico,
Siendo E^{*} el módulo de Young
equivalente,
siendo E_{1} y E_{2} los módulos de Young de
los dos materiales de las capas de fricción,
siendo \gamma_{1} y \gamma_{2} sus
coeficientes de Poisson,
\sigma_{0} la diferencia de distribución
gausiana de la altura de los vértices de asperezas (que corresponde
a R_{q} o R_{ms} según la norma ISO 4287),
\sigma_{4} la diferencia de distribución
gausiana de las curvas de perfil (momento de orden 4) calculada a
partir de una diferenciación numérica del perfil de rugosidad.
Generalmente, para las superficies cerámicas
lisas, se selecciona como aproximación ventajosamente R[mm]
como sustancialmente igual a 5x10^{3} a 5x10^{4} veces
R_{a}[\mum].
\vskip1.000000\baselineskip
En otra aproximación, en la que las asperezas
son mordelizadas por unos conos, se pueden utilizar los valores:
\Delta_{a} (gradiente o pendiente media
aritmética del perfil),o
\Delta_{q} (gradiente o pendiente media
cuadrática del perfil),
siendo estos dos gradientes o pendientes medias
normalizadas por la norma EN ISO 4287-98, con:
tan (\Delta_{a},\Delta_{q}) \approx
\sqrt{(\sigma_{0},\sigma_{4})}, para facilitar el estado de
superficie deseado.
\vskip1.000000\baselineskip
En particular, se impone ventajosamente un
gradiente que verifica:
- 0,005º< (\Delta_{a}, ó \Delta_{q})<0,5º.
\vskip1.000000\baselineskip
Dichos radios de curvatura o dichos gradientes
son preferidos puesto que definen una forma de las asperezas ideal
para una solicitación elástica.
En paralelo con este control del radio de
curvatura o del gradiente de las asperezas, se controla la densidad
de las asperezas considerando otro parámetro que es la longitud de
onda media de las asperezas.
\vskip1.000000\baselineskip
Existen varios parámetros de longitudes de onda
definidos en la norma EN ISO 4287. Estas longitudes de onda son
\lambda_{a} y \lambda_{q} con:
- \lambda_{a}=2\piR_{a}/\Delta_{a} y \lambda_{q}=2\piR_{q}/\Delta_{q}
(correspondiendo R_{a} a una rugosidad DIN con
unas alturas de asperezas uniformes).
\vskip1.000000\baselineskip
El estado de superficie debe ser tal que:
- 0,5 \mum <\lambda_{a} y \lambda_{q} <10 \mum.
\vskip1.000000\baselineskip
Ventajosamente, a título de ejemplo, el estado
de superficie deseado puede ser obtenido para los materiales
cerámicos con un R_{a} inferior a 20 nm y preferentemente inferior
a 10 nm.
Los pares de fricción que acaban de ser
descritos son ventajosamente utilizados en los accionadores que
equipan unos estribos de freno, y más particularmente unos estribos
de freno de aviones o de automóviles, o los sistemas de
embrague.
Las capas 3 de materiales de fricción, recubren
totalmente o en parte la camisa o el cilindro 1 y el pistón 2.
Se tiene interés a continuación en la elección
del material de la camisa o del cilindro 1 así como a su técnica de
fabricación.
Según la invención, el material de la camisa o
del cilindro 1 es una aleación Al, de Fe y de por lo menos otro
elemento, comprendiendo la aleación por lo menos sustancialmente 80%
en peso de Al y por lo menos entre 0,1 y 15,0% en peso de Fe.
La aleación de Al, de Fe y por lo menos otro
elemento se selecciona de entre:
- una aleación
Al-Fe-V-Si, con
entre 0,1 y 15% en peso de Fe, entre 0,3 y 15% de V, entre 0,1 y 5%
en peso de Si, siendo el resto Al, siendo la aleación
preferentemente la aleación AA 8009, a saber
Al-8,5,Fe-1,3,V-1,7Si;
y/o
- una aleación
Al-Fe-Ce, con entre 0,1 y 15% en
peso de Fe, entre 0,1 y 9% en peso de Ce, siendo el resto Al,
siendo la aleación preferentemente la aleación
Al-8,3 Fe-4,0,Ce y/o
Al-7,0 Fe-6,0 Ce; y/o
- una aleación
Al-Fe-V con entre 0,1 y 15% en peso
de Fe, entre 0,1 y 5% en peso de V, siendo el resto Al, siendo la
aleación preferentemente la aleación Al-12
Fe-3 V; y/o
- una aleación
Al-Fe-Mo, con entre 0,1 y 15% en
peso de Fe, entre 0,3 y 9% en peso de Mo, siendo el resto Al,
siendo la aleación preferentemente la aleación
Al-8Fe-2 Mo; y/o
- una aleación
Al-Fe-Cr-Ti, con
entre 0,5 y 10% en átomos de Fe, entre 0,4 y 8% en átomos de Cr,
entre 0,3 y 5% en átomos de Ti, siendo el resto Al, siendo la
aleación preferentemente la aleación Al84,5Fe7Cr6,3Ti2,5;
- una aleación
Al-Yb/Gd-TR, con entre 1,0 y 20% en
peso de Yb o de Gd, y entre 0,1 y 10% en peso de tierras raras,
siendo la aleación preferentemente la aleación Al14Yb4Y.
\vskip1.000000\baselineskip
El experto en la materia sabe que existen varios
procedimientos posibles de fabricación de una aleación. Así, es
posible realizar las aleaciones citadas por solidificación rápida o
atomización seguida de un entrefilado, para alcanzar unas
resistencias a la rotura a temperatura ambiente hasta 1600 MPa con
unas matrices de aluminio amorfizadas o parcialmente amorfizadas
(mezcla cristalina-amorfa).
Sin embargo, estos procedimientos no son
demasiado adecuados para una fabricación de grandes tonelajes y una
fabricación de piezas complejas necesarias para una aplicación
automóvil o aeronáutica. Además, la resistencia a la rotura de las
aleaciones realizadas en solidificación rápida disminuye después de
un recocido y por encima de una temperatura de recristalización, en
general superior a 300-350ºC.
Se ha propuesto por la presente invención
realizar el cilindro/camisa en aleación de aluminio citada en colada
en gravedad o a presión, seguida de un desgaseado bajo vacío y/o en
un molde precalentado entre 350 y 650ºC. Este procedimiento de
fabricación puede ser adaptado a una fabricación de grandes
tonelajes y una fabricación de piezas complejas necesarias para una
aplicación automóvil o aeronáutica.
La utilización de los materiales según la
invención permite una fabricación más simple y menos onerosa de las
piezas del accionador.
Otra ventaja de realizar las piezas por colada
es que la pieza cilindro/camisa puede ser monobloque o formar un
sustrato que puede ser revestido. Así, el hecho de que el
cilindro/camisa es de una sola pieza favorece la transferencia de
calor hacia esta pieza, que está alejada de los materiales activos
sensibles al calor.
Preferentemente, las aleaciones de aluminio
citadas pueden, justo antes de la colada, sufrir una tapa de afinado
de grano y de homogeneización de los granos añadiendo en la
aleación una cantidad inferior a 0,3% en peso con respecto al peso
total de la composición de Mg, Zr, Ce y/o Sr (inoculación y/o una
cantidad inferior a 0,05% en peso de Níquel.
Asimismo, justo antes de la colada, las
aleaciones de aluminio citadas pueden sufrir una etapa de aleación
con nitruro de aluminio o de silicio para obtener una aleación que
contenga hasta 2% en peso de nitrógeno. Las aleaciones forman así
unos dispersoides en nitruro. La etapa de aleación se efectúa bajo
una presión superior a 2 bar en una atmósfera de nitrógeno o una
mezcla N_{2}/Ar, a fin de que el nitrógeno quede diluido en la
aleación líquida.
Para una aplicación en un accionador y en
comparación con una fundición gris, estas aleaciones de aluminio
modificadas muestran, incluso realizadas solamente en colada y en
colada en banda delgada, una buena resistencia a la rotura en
caliente (T<500ºC). Su resistencia a la rotura es en efecto
comparable con la de la fundición gris con 3,7% en peso de [C],a
saber R^{500^{o}C}_{m}\sim 100 MPa y
R^{500^{o}C}_{0,02}\sim 40 MPa. Además, no hay para estas
aleaciones formación de fases liquidas para una temperatura de
fusión inferior a 600ºC, tal como es el caso para las aleaciones
Al-Si-Mg-Zr.
Los inventores han descubierto también que el
módulo elástico de la aleación Al84,5Fe7Cr6Ti2,5 realizada en
colada en gravedad presenta un módulo de Young E con los valores
- a temperatura ambiente E^{RT}=104,1GPa;
y
- a 500ºC E^{500^{o}C}=83GPa.
comparables con una fundición gris con 3,7% en
peso de [C]. Se constata que estos valores son netamente superiores
(\sim44% a temperatura ambiente) a las aleaciones de aluminio
divulgadas en el documento FR 2 844 933 (67-74GPa
de las aleaciones Al-Si, Al-Mg,
Al-Zr-Mg, Al-Cu por
ejemplo).
\vskip1.000000\baselineskip
Una colada en gravedad de Al8,5Fe1,3V.1,7Si
presenta un módulo de Young E con los valores
- E^{RT}=85,7 GPa; y
- E^{500^{o}C}=65 GPa.
\vskip1.000000\baselineskip
Estos resultados se obtiene sin la utilización
de partículas, triquitas o fibras de cerámicas.
Las aleaciones de aluminio modificadas en una
aplicación de accionador presentan una ganancia intrínseca en
rigidez y resistencia a la rotura en caliente asociadas a una
temperatura operativa que va hasta 500ºC. Se comprende que esto
representa una gran ventaja técnica (ganancia de peso en
particular), pero también económica.
Claims (12)
1. Accionador que comprende una camisa (1) de
deslizamiento y un pistón (2) que comprende una pluralidad de
porciones (4) de un material activo, siendo unos medios de mando
apropiados para actuar sobre dichos materiales para que las
porciones (4) se bloqueen con respecto a la camisa (1) de
deslizamiento o se alarguen según una secuencia que provoca el
desplazamiento axial del pistón en la camisa de deslizamiento,
presentando la camisa de deslizamiento y el pistón en su intercara
por lo menos un par de capas (3) de fricción, caracterizado
porque por lo menos una capa de fricción es de un material
seleccionado de entre:
- un óxido de una aleación de Ti y de Cr,
estando el óxido en forma de una solución sólida estabilizada y/o
en forma de una solución sólida no estequiométrica;
- una matriz de circonio estabilizada por
Sc_{2}O_{3} y /o Al_{2}O_{3} y/o Cr_{2}O_{3};
- un óxido de circonio en fase tetragonal
estabilizado por Y_{2}O_{3}, siendo el tamaño de los granos del
óxido inferior a 100 nm; y/o
- cualquier combinación posible de estos
materiales.
\vskip1.000000\baselineskip
2. Accionador según la reivindicación 1, en el
que dicho par de capas (3) de fricción presenta unos coeficientes
de rozamiento estáticos y dinámicos que, para un esfuerzo entre la
camisa y el pistón inferior a 100 MPa, son superiores a 0,6,
presentando dicho par de capas de fricción además unos estados de
superficie tales que:
- su radio de curvatura de asperezas R
verifica
- 0,005 mm<<R<<1 mm,
- las longitudes de onda aritmética media
\lambda_{a} y cuadrática media \lambda_{q} de las asperezas
verifican
- 0,5 \mum<\lambda_{a} y \lambda_{q}<10 \mum.
\vskip1.000000\baselineskip
3. Accionador según la reivindicación 2, en el
que por lo menos una capa de fricción presenta un estado de
superficie cuyo radio de curvatura R de las asperezas verifica:
- 0,03 mm<R<1 mm.
\vskip1.000000\baselineskip
4. Accionador según una de las reivindicaciones
anteriores, en el que dicho par de capas (3) de fricción presenta
unos coeficientes de rozamiento estáticos y dinámicos que, para un
esfuerzo entre la camisa y el pistón inferior a 100 MPa, son
superiores a 0,6, presentando dicho par de capas de fricción además
unos estados de superficies tales que:
- el gradiente aritmético \Deltaa o cuadrático
\Deltaq verifican:
- 0,005º<(\Deltaa, ó \Deltaq)<0,5º, y
- las longitudes de onda aritmética media
\lambdaa y cuadrática media \lambdaq de las asperezas
verifican
- 0,05 \mum<\lambdaa y \lambdaq<10 \mum.
\vskip1.000000\baselineskip
5. Accionador según una de las reivindicaciones
anteriores, en el que una capa (3) de fricción tiene un espesor
inferior a 100 \mum, y preferentemente comprendido entre 4 y 6
\mum.
6. Accionador según una de las reivindicaciones
anteriores, en el que la solución sólida estabilizada del óxido de
la aleación de Ti y de Cr se presenta en la forma
Ti_{n-2}Cr_{2}O_{2n-1} con
6\leqn\leq9.
7. Accionador según una de las reivindicaciones
anteriores, en el que la forma no estequiométrica del óxido de la
aleación de Ti y de Cr se presenta en la forma de una solución
sólida de TiO_{2} y Cr_{2}O_{3}, preferentemente en una forma
seleccionada de entre: Cr_{2}Ti_{2}O_{7},
Ti_{6}Cr_{2}O_{15}, Ti_{7}Cr_{2}O_{17},
Cr_{2}Ti_{8}O_{1}, Cr_{2}Ti_{5}O_{13},
Cr_{2}Ti_{4}O_{11}, Cr_{0.12}Ti_{0.78}O_{1.74},
Cr_{0.222}Ti_{0.788}O_{1.889},
Cr_{0.286}Ti_{0.714}O_{1.857} ó
Cr_{0,46}Ti_{0,54}O_{1,77}.
8. Accionador según una de las reivindicaciones
anteriores, en el que la matriz de circonio comprende entre 0,5 y
13% en número de moles de Sc_{2}O_{3} y/o entre 0,1 y 0,9% en
peso de Al_{2}O_{3} y/o Cr_{2}O_{3}.
\newpage
9. Accionador según una de las reivindicaciones
anteriores, en el que la camisa de deslizamiento es de aleación de
Al, de Fe y de por lo menos otro elemento, comprendiendo la aleación
por lo menos sustancialmente 80% en peso de Al y por lo menos entre
0,1 y 15,0% en peso de Fe.
\vskip1.000000\baselineskip
10. Accionador según la reivindicación 9, en el
que la aleación de Al, de Fe y de por lo menos otro elemento se
selecciona de entre:
- una aleación
Al-Fe-V-Si, con
entre 0,1 y 15% en peso de Fe, entre 0,3 y 15% en peso de V, entre
0,1 y 5% en peso de Si, siendo el resto Al, siendo la aleación
preferentemente la aleación AA 8009, a saber
Al-8,5Fe-1,3V-1,7-Si;
y/o
- una aleación
Al-Fe-Ce, con entre 0,1 y 15% en
peso de Fe, entre 0,1 y 9% en peso de Ce, siendo el resto Al,
siendo la aleación preferentemente la aleación
Al-8,3Fe-4,0Ce y/o
Al-7,0Fe-6,0Ce; y/o
- una aleación
Al-Fe-V, con entre 0,1 y 15% en peso
de Fe, entre 0,1 y 5% en peso de V, siendo el resto Al, siendo la
aleación preferentemente la aleación
Al-12Fe-3V; y/o
- una aleación
Al-Fe-Mo, con entre 0,1 y 15% en
peso de Fe, entre 0,3 y 9% de peso de Mo, siendo el resto Al,
siendo la aleación preferentemente la aleación
Al-8Fe-2Mo; y/o
- una aleación
Al-Fe-Cr-Ti, con
entre 0,5 y 10% en átomos de Fe entre 0,4 y 8% en átomos de Cr,
entre 0,3 y 5% en átomos de Ti, siendo el resto Al, siendo la
aleación preferentemente la aleación Al84,5Fe7Cr6,3Ti2,5.
\vskip1.000000\baselineskip
11. Accionador según una de las dos
reivindicaciones anteriores, en el que la aleación presenta unos
granos afinados y homogeneizados y comprende una cantidad inferior
a 0,3% en peso con respecto al peso total de la aleación de Mg, Zr,
Ce y/o Sr (inoculación) y/o una cantidad inferior a 0,05% en peso de
Ni.
12. Accionador según una de las reivindicaciones
9 ó 10, en el que la aleación comprende nitruro de aluminio o de
silicio para obtener una aleación que contenga hasta 2% en peso de
nitrógeno.
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