ES2682087T3

ES2682087T3 - Pastilla de freno para sistemas de frenado, en particular para frenos de disco

Info

Publication number: ES2682087T3
Application number: ES08875901.4T
Authority: ES
Inventors: Simone Turani; Konstantin Vikulov; Andrea Gavazzi; Massimiliano Valle; Paolo Vavassori; Marco Orlandi
Original assignee: Freni Brembo SpA
Current assignee: Brembo SpA
Priority date: 2008-08-08
Filing date: 2008-12-23
Publication date: 2018-09-18
Anticipated expiration: 2028-12-23
Also published as: US20110308899A1; JP6046206B2; JP2011530682A; CN102119289A; EP2310714B1; CN102138022B; PL2310714T3; US8960384B2; EP2307759A1; JP5959853B2; US20110198170A1; EP2307759B1; EP2310714A1; WO2010015897A9; JP2011530680A; CN102119289B; WO2010016079A1; CN102138022A; WO2010015897A1; JP2016033207A

Abstract

Pastilla de freno para sistemas de frenado, en particular para frenos de disco, que comprende una porción de fricción (10) tribológicamente activa y una porción de soporte mecánico (20) destinadas para cooperar con medios de accionamiento de un sistema de frenado, estando fabricada al menos dicha porción de fricción (10) a partir de un material de matriz cerámica obtenido a través de un proceso que comprende las siguientes etapas operativas: - preparar una mezcla de al menos un precursor cerámico de tipo silicónico, de partículas de materiales duros adecuados como abrasivos, de partículas de sustancias adecuadas como lubricantes y partículas de materiales metálicos, en la que la mezcla consiste en: precursor cerámico y catalizador entre un 5 y un 10 % en peso; abrasivos entre un 20 % y un 30 % en peso; materiales metálicos no mayor a un 60 % en peso; lubricantes no mayor a un 50 % en peso; - termoprensar la mezcla para obtener un cuerpo preformado; - someter dicho cuerpo preformado a un proceso de pirólisis a fin de lograr la ceramización del aglutinante precerámico, obteniendo así dicho material de matriz cerámica; comprendiendo dicha mezcla un catalizador adecuado para favorecer la reticulación de dicho precursor cerámico durante dicha etapa de termoprensado y llevándose a cabo dicha etapa de pirólisis a temperaturas por debajo de 800 ºC.

Description

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DESCRIPCIÓN

Pastilla de freno para sistemas de frenado, en particular para frenos de disco Campo de aplicación

La presente invención se refiere a una pastilla de freno para sistemas de frenado, en particular para frenos de disco. Estado de la técnica

Como se sabe bien, una pastilla de freno para sistemas de frenado, en particular para frenos de disco, consiste, en general, en una placa de soporte de metal asociada con una capa de material de fricción que define la parte tribológicamente activa de la pastilla de freno.

Tradicionalmente, el material de fricción se conecta a la placa con cola o por medio de fijaciones mecánicas, tales como pernos o remaches.

La placa de metal lleva a cabo esencialmente una función de soporte mecánico para el material de fricción y es adecuada para resistir los esfuerzos de compresión y de flexión que típicamente se encuentran durante el uso del freno.

La placa coopera con los medios de accionamiento (pistones hidráulicos) del sistema de frenado para permitir el movimiento de la pastilla de freno. En correspondencia con los alojamientos de placa para los pasadores de guía de la pastilla de freno y para el material de fricción, también se fabrican indicadores de desgaste.

Como se sabe bien, la reducción de peso de las pastillas de freno es muy solicitada, especialmente para sistemas de frenado que se van a instalar en vehículos de altas prestaciones (por ejemplo, automóviles o motocicletas de alta gama) que se pueden usar en carreras y por lo tanto, están sometidos a esfuerzos considerables.

Desde este punto de vista, se han hecho intentos de trabajar en la estructura de las placas de soporte, aunque estos se han limitado a las pastillas de freno con la porción de fricción fabricada de material orgánico.

De hecho, las pastillas de freno para sistemas de frenado con porción de fricción de material orgánico se conocen bien. Están construidas con placas de soporte que se han aligerado haciendo cortes o aberturas en ellas, o insertando porciones de malla metálica. A modo de ejemplo, se hace referencia a la patente francesa FR 2441100.

Para algunas aplicaciones particulares también existen pastillas de freno sin una placa de soporte. Sin embargo, estas pastillas son muy costosas, destinadas para los sistemas de frenado de automóviles de competición y fabricadas completamente de carbono, lo que en sí mismo puede garantizar una resistencia adecuada a los esfuerzos mecánicos en operación.

Como se sabe bien, al crear las porciones de fricción de pastillas para sistemas de frenado de altas prestaciones (es decir, automóviles de gama superior), el uso de materiales de matriz cerámica se ha extendido cada vez más. Esto se debe esencialmente al hecho de que los materiales de fricción de matriz cerámica, en comparación con los materiales de fricción obtenidos, por ejemplo, por sinterización de polvos metálicos, no solo dan buenos resultados en términos de coeficiente de fricción y resistencia al desgaste sino que también, debido a su refractariedad térmica, reducen la transmisión de calor desde el disco al sistema de frenado hidráulico.

Sin embargo, al momento de la redacción, no ha sido posible reducir considerablemente el peso de las pastillas fabricadas usando los materiales de fricción de matriz cerámica mencionados anteriormente.

Como se sabe, los materiales de matriz cerámica usados hasta la fecha no tienen propiedades particularmente altas de resistencia mecánica. En general, son de hecho muy frágiles y fallan repentinamente al colapsar.

Esto ha impedido no solo la creación de pastillas constituidas íntegramente de material de matriz cerámica, sin una placa o elemento de soporte, sino también el uso de placas de soporte metálicas aligeradas.

El uso de placas de soporte aligeradas de hecho no garantizaría la resistencia mecánica adecuada de la pastilla. A esto se debe añadir que la manera tradicional de fijar la placa a la capa de material de fricción, mediante encolado y/o mediante medios mecánicos de fijación, requiere que la placa tenga un área de contacto adecuada con el material de fricción.

Los límites de resistencia mecánica mencionados anteriormente también se encuentran en materiales de matriz cerámica fabricados de acuerdo con la técnica de producción basada en pirólisis de polímeros.

Como se sabe, la técnica de pirólisis de polímeros se está extendiendo cada vez más en la creación de materiales

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de matriz cerámica. En comparación con otras técnicas, la técnica de pirólisis ofrece diversas ventajas tanto desde el punto de vista estrictamente operativo como con las características del producto final.

Más en detalle, esta técnica implica un proceso de calentamiento de una mezcla de precursores cerámicos silicónicos (normalmente polímeros silicónicos orgánicos, tales como polisilanos, policarbosilanos, polisilazanos y polisiloxanos) y cargas apropiadas en una atmósfera controlada o inerte (por ejemplo, flujo de argón) a temperaturas mayores de 800 0C para lograr el paso de la estructura polimérica orgánica a inorgánica, con la formación de oxicarburos de silicio (SiOC) y/o carburos o nitruros de silicio (SiC o Si3N4). Los precursores anteriores normalmente tienen altos rendimientos cerámicos: más de un 50 % del peso inicial del polímero se mantiene en el material final.

En particular, en comparación con la técnica de fusión, la técnica de pirólisis permite un mejor control de la forma y la pureza del producto final y la posibilidad de funcionar a temperaturas más bajas (800-1500 0C).

Un ejemplo del proceso de producción de material de fricción con matriz cerámica por medio de pirólisis polimérica se describe en la patente de Estados Unidos US 6062351. El material de fricción se fabrica mediante fraguado a partir de una mezcla de uno o más precursores cerámicos orgánicos (carbosil-resina silícica), fibras de refuerzo (por ejemplo, fibras de carbono, alúmina, nitruro o carburo de silicio) y cargas (por ejemplo, polvos de carburo de silicio, grafito, alúmina, mullita, sílice, óxido de titanio, silicio o nitruro de boro). A continuación, la mezcla se compacta en frío en un molde. Sigue una etapa de calentamiento dentro del propio molde para la polimerización del precursor cerámico y la obtención de un cuerpo verde. A continuación, el cuerpo verde se somete a pirólisis en una atmósfera inerte a temperaturas de entre 800 0C y 1.100 0C.

Como se sabe, en la producción de pastillas para frenos de disco con la técnica de pirólisis de polímeros, la porción de fricción de material de matriz cerámica se fabrica como un elemento en sí mismo. Al final de la etapa de pirólisis, a continuación, el material se somete a procesos de acabado y rectificado antes de unirse, mediante encolado o medios mecánicos (por ejemplo, pernos o remaches), a una placa de soporte.

La porción de fricción no se puede fabricar ya unida directamente a la placa de soporte de metal porque las temperaturas alcanzadas durante el proceso de pirólisis (por encima de 800 0C) provocarían deformaciones inaceptables de la placa.

Este límite de la técnica de pirólisis actual, a partir de la técnica de fusión, significa que es necesario conectar el material de fricción a la placa solo al final de la etapa de pirólisis. Así que, en el ciclo de producción, se debe contemplar una etapa de montaje específica de la placa y la porción de fricción, una etapa que puede estar precedida por una etapa de rectificado y acabado de la porción de fricción.

Las maneras de conexión de la placa de soporte (mediante encolado o medios mecánicos de fijación), junto con las propiedades de resistencia mecánica que distan de ser excelentes de los materiales de matriz cerámica empleados, contribuyen por lo tanto, a limitar considerablemente, si no excluir por completo, la posibilidad de reducir el peso de las pastillas a través de la intervención en la estructura de las propias placas.

Otro límite de la pirólisis de polímeros aplicada a la producción de materiales de fricción de matriz cerámica, y en particular a la producción de porciones de fricción para pastillas, es la necesidad de operar con baja velocidad de calentamiento, en detrimento de los horarios: la etapa de pirólisis sola puede requiere diez horas.

Con respecto a esto, se describe en detalle un modo de realización particular del proceso descrito en la patente de EE.UU. 6062351 mencionada anteriormente. El ciclo operativo de pirólisis contempla una primera etapa de calentamiento desde la temperatura ambiente hasta aproximadamente 150 0C a una velocidad de alrededor de 2 0C/min, seguido de una segunda etapa de calentamiento hasta 400 0C a una velocidad de 0,4 0C/min. Las tercera y cuarta etapas de calentamiento son, respectivamente, hasta 760 0C a una velocidad de 0,18 0C/min y hasta 870 0C a una velocidad de 0,46 0C/min. A continuación, el producto se mantiene a 870 0C durante aproximadamente 4 horas y a continuación se enfría hasta temperatura ambiente a una velocidad de aproximadamente 1,2 0C por minuto. La etapa de calentamiento requiere un tiempo global de aproximadamente 48 horas y la etapa de enfriamiento de aproximadamente 12 horas.

Son necesarias velocidades de calentamiento bajas durante la etapa de pirólisis para limitar los esfuerzos térmicos perjudiciales que, favoreciendo el fenómeno natural de contracción del material y la formación de microporosidad debido a la liberación de sustancias orgánicas volátiles durante la pirólisis, darían lugar a la formación de microgrietas, con el riesgo de colapso del producto terminado.

El documento EP 699728 A1 divulga un material de fricción que tiene como componente aglutinante una composición aglutinante definida por una mezcla de una resina termoendurecible, un precursor cerámico (compuesto organometálico, y en particular un compuesto orgánico de silicio) y un catalizador.

Presentación de la invención

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El propósito de la presente invención es, por lo tanto, eliminar los inconvenientes del estado de la técnica mencionados anteriormente proporcionando una pastilla de freno para sistemas de frenado, en particular para frenos de disco, que, aunque esté fabricada con al menos la porción de fricción de material de matriz cerámica, tenga un peso considerablemente reducido pero sin comprometer la resistencia mecánica.

Un propósito adicional de la presente invención es proporcionar una pastilla de freno para sistemas de frenado que sea completamente de material de fricción de matriz cerámica y, por lo tanto, sin placas de soporte, esto sin comprometer la resistencia mecánica.

Breve descripción de los dibujos

Las características distintivas técnicas de la invención de acuerdo con los propósitos mencionados anteriormente se pueden entender claramente a partir de las reivindicaciones enumeradas a continuación, y sus ventajas se harán más evidentes por la siguiente descripción detallada, dada con referencia a los dibujos adjuntos que representan uno o más modos de realización, puramente a modo de ejemplo y no limitativos, en los que:

- la figura 1 muestra una vista en perspectiva de una pastilla de freno para sistemas de frenado con material de fricción de matriz cerámica, fabricada de acuerdo con un primer modo de realización de la invención;

- la figura 1a muestra una vista en planta de una pastilla de freno para sistemas de frenado con material de fricción de matriz cerámica, fabricada de acuerdo con una variante del primer modo de realización general ilustrado en la figura 1;

- la figura 1b muestra una vista en sección de la pastilla de freno ilustrada en la figura 1a a lo largo de la línea II-II en la misma;

- la figura 1c muestra una vista en perspectiva de la pastilla de freno ilustrada en la figura 1a;

- la figura 2 muestra una vista en perspectiva de una pastilla de freno para sistemas de frenado con material de fricción de matriz cerámica, fabricada de acuerdo con un segundo modo de realización de la invención;

- la figura 3 muestra una vista en despiece ordenado de un elemento de soporte usado para crear una pastilla de freno de acuerdo con un modo de realización particular de la invención;

- la figura 4 muestra una vista en planta de la pastilla de freno ilustrada en la figura 2, desde el lado opuesto al tribológicamente activo;

- la figura 5 muestra una vista en sección de la pastilla de freno ilustrada en la figura 4 a lo largo de la línea V-V en la misma;

- la figura 6 muestra una vista en planta de una pastilla de freno fabricada de acuerdo con un primer modo de realización alternativo de la invención, desde el lado opuesto al tribológicamente activo;

- la figura 7 muestra una vista en sección de la pastilla de freno ilustrada en la figura 6 a lo largo de la línea VII-VII en la misma;

- la figura 8 muestra una vista en planta de la pastilla de freno fabricada de acuerdo con un segundo modo de realización alternativo de la invención, desde el lado opuesto al tribológicamente activo;

- la figura 9 muestra una vista en sección de la pastilla de freno ilustrada en la figura 8 a lo largo de la línea IX-IX en la misma;

- la figura 10 muestra una vista en planta de la pastilla de freno fabricada de acuerdo con un tercer modo de realización alternativo de la invención, desde el lado opuesto al tribológicamente activo;

- la figura 11 muestra una vista en sección de la pastilla de freno ilustrada en la figura 8 a lo largo de la línea XI-XI en la misma;

- las figuras 12, 13 y 14 muestran un diagrama de, respectivamente, una primera, segunda y tercera forma de aplicación del método de acuerdo con la invención;

- la figura 15 representa la tendencia del coeficiente de fricción en función del número de aplicaciones de freno para tres materiales de fricción de matriz cerámica (de los cuales dos de acuerdo con la invención) que difieren en particular para la temperatura máxima a la que se llevó a cabo la pirólisis; y

- la figura 16 representa la tendencia del coeficiente de fricción en función del número de aplicaciones de freno para

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un material de fricción de matriz cerámica fabricado de acuerdo con una forma particular de aplicación del método de acuerdo con la invención.

Descripción detallada

La presente invención se refiere a una pastilla de freno para sistemas de frenado, en particular para frenos de disco, que se fabrica, al menos para la porción de fricción, con un material de matriz cerámica especial que tiene tales propiedades de resistencia mecánica como para permitir intervención en la porción de soporte mecánico con vista a reducir el peso global de la pastilla de freno, pero sin comprometer la resistencia mecánica.

Anticipando lo que se expondrá en detalle a continuación, las propiedades de resistencia mecánica del material de matriz cerámica mencionado anteriormente permiten diferentes modos de realización de la pastilla de freno de acuerdo con la invención, comenzando por una pastilla de freno fabricada íntegramente del material mencionado anteriormente y por lo tanto sin elementos de soporte metálico, hasta una pastilla de freno con la porción de fricción del material de matriz cerámica mencionado anteriormente y la porción de soporte mecánico fabricada con una placa de soporte aligerada, con algunos modos de realización intermedios entre ellos.

En las figuras adjuntas, la pastilla de freno de acuerdo con la invención se indica en conjunto por el número 1, mientras que la porción de fricción y la porción de soporte mecánico están indicadas respectivamente por el número 10 y el número 20.

Por "porción de fricción" 10 se quiere decir la parte de la pastilla de freno 1 que será tribológicamente activa durante toda su vida útil y, por lo tanto, la parte que se desgastará progresivamente con el uso.

Por "porción de soporte mecánico" 20 se quiere decir la parte de la pastilla de freno 1 que cooperará con los medios de accionamiento del sistema de frenado (no ilustrado en las figuras adjuntas) para permitir el movimiento de la pastilla de freno 1 y para transferir potencia de frenado a dicho sistema de frenado (por ejemplo, el cuerpo de pinzas de un freno de disco). La porción de soporte 20 es, por lo tanto, la parte que resistirá principalmente los esfuerzos mecánicos implicados típicamente en el funcionamiento de un sistema de frenado.

Como se ilustra en particular en las figuras 1 y 2, en correspondencia con la porción de soporte 20, se pueden fabricar alojamientos 40 para los pasadores guía de la pastilla de freno, así como alojamientos 50 (cuando se contemple) para los indicadores de desgaste de la porción de fricción 10.

Como se resumirá a continuación en mayor detalle, el material de fricción de matriz cerámica mediante el cual al menos la porción de fricción 10 de la pastilla de freno 1 se fabrica de acuerdo con la invención, no solo tiene excelentes propiedades de resistencia mecánica en términos de resistencia a la compresión y de módulo elástico sino que también se puede fabricar en diferentes variantes, adecuadas para la cooperación tribológica con ambos discos de freno de material cerámico compuesto (MCC) y con discos de freno de fundición gris, asegurando excelentes prestaciones en términos de resistencia al desgaste, de fricción y de rodaje (entendido como el tiempo que toma lograr condiciones óptimas de funcionamiento).

En particular, con respecto a las prestaciones en términos de fricción, se señala que, en comparación con los materiales tradicionales, hay un aumento en el valor medio del coeficiente de fricción, correlacionado con su estabilidad en el tiempo. Se señala además que el valor del coeficiente de fricción al comienzo del frenado se encuentra dentro de los intervalos operativos requeridos.

De acuerdo con la invención, el material de matriz cerámica con el que se fabrica al menos la porción de fricción 10 de la pastilla de freno 20 se obtiene a través de un método que consiste en las siguientes etapas operativas:

a) preparar una mezcla de al menos un precursor cerámico de tipo silicónico, de partículas de materiales duros adecuados como abrasivos, de partículas de sustancias adecuadas como lubricantes y partículas de materiales metálicos;

b) termoprensar la mezcla para obtener un cuerpo preformado (cuerpo verde);

c) someter el cuerpo preformado (cuerpo verde) a un proceso de pirólisis a fin de obtener la ceramización del aglutinante precerámico, obteniendo así un material de matriz cerámica.

La mezcla comprende un catalizador adecuado para favorecer la reticulación del precursor cerámico durante la etapa de termoprensado.

Un catalizador adecuado en la mezcla inicial para las reacciones de reticulación del precursor cerámico (reacciones de hidrólisis y condensación en la cadena polimérica) permite la consecución de una reticulación muy alta del precursor cerámico ya al finalizar la etapa de prensado, y por lo tanto la creación de una extensa estructura polimérica ramificada dentro del cuerpo preformado (cuerpo verde).

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La alta reticulación del precursor conlleva una serie de ventajas.

El cuerpo preformado (o cuerpo verde) obtenido al final de la etapa de termoprensado tiene tales propiedades de resistencia mecánica como para que sea fácil de manipular, con la simplificación de las etapas posteriores del proceso de trabajo.

La extensa estructura polimérica ramificada creada durante la etapa de prensado tiene el efecto de "conservar" las moléculas de precursor cerámico durante la etapa de pirólisis, reduciendo su volatilidad y, por lo tanto, aumentando el rendimiento cerámico.

Esta extensa estructura ramificada implica, al menos parcialmente, las partículas de los aditivos presentes en la mezcla inicial (abrasivos, lubricantes, metales) que se incorporan así en la propia estructura, con ventajas tanto en términos de prestaciones (valor absoluto y estabilidad del coeficiente de fricción) como de resistencia al desgaste, como se resumirá a continuación.

La extensa estructura polimérica ramificada se mantiene en el material de matriz cerámica, aunque modificada después de las transformaciones químico-físicas inducidas por el proceso de pirólisis, y asegura que el material final de matriz cerámica también tenga buenas propiedades de resistencia mecánica, con especial referencia a la resistencia al desgaste, al módulo elástico y a la compresibilidad.

De acuerdo con otro aspecto que caracteriza la invención, el proceso de pirólisis se lleva a cabo a temperaturas por debajo de 800 0C.

Las buenas propiedades mecánicas que la extensa estructura polimérica ramificada otorga al cuerpo preformado (cuerpo verde) significan que el grado de progreso del proceso de pirólisis (temperatura y tiempos) se puede adaptar según se requiera. Esto a su vez significa que el grado de ceramización en el material final de matriz cerámica se puede planificar en función de las características de prestaciones de este último.

Como se resumirá a continuación, se encontró sorprendentemente que la pirólisis a temperaturas por debajo de 800 °C (y especialmente entre 400 0C y 600 0C) da como resultado una mejora considerable en las prestaciones del material de fricción.

Los gráficos de la figura 15 muestran los resultados de las pruebas de frenado (coeficiente de fricción en función del número de operaciones de frenado) llevadas a cabo en tres pastillas de freno de disco diferentes. Las curvas (a) y (b) se refieren a dos pastillas de freno fabricadas de acuerdo con la invención, con temperaturas máximas de pirólisis de, respectivamente, 500 0C y 700 0C. La curva (c) se refiere a una pastilla de freno tradicional con una temperatura máxima de pirólisis de 900 0C.

Una comparación de los gráficos muestra el aumento del coeficiente de fricción en las pastillas de freno producidas de acuerdo con la invención, un aumento que es más pronunciado en las pastillas de freno fabricadas con una temperatura de pirólisis de entre 400 0C y 600 0C.

En cuanto a la resistencia al desgaste, las pruebas mostraron que, en promedio, las pastillas de freno producidas de acuerdo con la invención tienen mayor resistencia al desgaste: un valor de desgaste promedio de aproximadamente 0,005 mm/operación de frenado en comparación con un valor promedio de aproximadamente 0,015 mm/operación de frenado en pastillas de freno de tipo tradicional (fabricadas con temperaturas de pirólisis por encima de 800 0C).

Como se resumirá a continuación, llevar a cabo la pirólisis (de acuerdo con la invención) a temperaturas por debajo de 800 0C, y en particular de entre 400 0C y 600 0C, hace posible prensar simultáneamente la mezcla básica del material con un elemento de soporte (por ejemplo, una placa de metal aligerada). La placa de soporte (que puede ser metálica pero también no metálica, tal como compuestos basados en óxidos con baja conductividad térmica) puede de hecho resistir los esfuerzos térmicos derivados del proceso de pirólisis sin sufrir deformaciones térmicas inaceptables.

De forma operativa, por lo tanto, es posible asociar directamente la placa de soporte con el cuerpo preformado y, por lo tanto, con el material de matriz cerámica durante las etapas de producción del material de fricción. De esta manera, ya no es necesario en el proceso de producción contemplar una etapa de montaje final especial para la porción de fricción y el elemento de soporte. Al final de las etapas de creación del material de fricción, se tiene, por lo tanto, una unidad de placa-material de fricción que es más fácil de trabajar para el acabado posterior y cualquier aplicación de medios mecánicos de fijación.

Anticipando lo que se resumirá a continuación, prensar simultáneamente la mezcla directamente sobre un elemento de soporte con una o más aberturas de aligeramiento crea una unidad en la que el material de matriz cerámica está estrechamente conectado con el propio elemento de soporte. Durante el etapa de prensado simultáneo, la mezcla, aún fluida, penetra en las aberturas de aligeramiento, creando una relación de agarre recíproco entre el material de

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matriz cerámica y el elemento de soporte, como se puede observar en particular en las figuras 5, 7 y 9.

Siguen las descripciones detalladas de algunos modos de realización para la pastilla de freno 1 de acuerdo con la invención. Posteriormente, se describirá el método de producción para el material de matriz cerámica.

De acuerdo con un primer modo de realización general de la invención ilustrado en la figura 1, la pastilla de freno 1 se fabrica íntegramente del material de fricción de matriz cerámica mencionado anteriormente. No solo la porción de fricción 10 sino también la porción de soporte mecánico 20 está en este material.

La eliminación de la placa de soporte de metal tradicional reduce considerablemente el peso global de la pastilla de freno. El material de matriz cerámica de acuerdo con la invención tiene un peso específico de alrededor de 3 kg/dm3, mientras que el acero (usado tradicionalmente para placas de soporte) tiene un peso específico de alrededor de 7,8 kg/dm3. Siendo iguales los tamaños, una pastilla de freno de acuerdo con la invención puede pesar tanto como 1/3 menos que una pastilla de freno con placa de acero tradicional y la porción de fricción en un tipo bien conocido de material de matriz cerámica.

Sobre este tema se señala que ya al final del etapa de prensado (y por lo tanto antes de la etapa de pirólisis) el material preformado tiene una excelente consistencia que hace posible lograr buenos detalles, tales como, por ejemplo, los bordes afilados de la pastilla de freno.

Preferiblemente, la porción de soporte mecánico 20 se fabrica como una pieza con la porción de fricción 10, usando un molde apropiado. La figura 12 muestra un diagrama de las etapas de producción de la pastilla de freno 1 como una pieza.

De forma alternativa, las dos porciones, la porción de fricción 10 y la porción de soporte mecánico 20, se pueden fabricar por separado y unir posteriormente en una etapa de montaje específica, por ejemplo mediante encolado y/o aplicación de elementos mecánicos de fijación.

Ventajosamente, como se contempla en un modo de realización especial ilustrado en las figuras 1a, 1b y 1c, la pastilla de freno 1, fabricada íntegramente a partir del material de matriz cerámica mencionado anteriormente, puede estar provista, en correspondencia con la porción de soporte mecánico 20, de al menos un elemento de refuerzo de estructura abierta que permite la penetración del material de fricción.

La inserción de un elemento de refuerzo de estructura abierta en cualquier caso reduce el peso de la pastilla de freno en comparación con el uso de una placa tradicional, mientras que hace una mayor contribución a la resistencia mecánica de la propia pastilla de freno.

El elemento de refuerzo puede cubrir toda la superficie plana de la porción de soporte mecánico (como se muestra en la figura 1c) o estar limitado a una parte de la misma, por ejemplo, la superficie plana de la porción de fricción.

El elemento de soporte puede ser, por ejemplo, un cuerpo en forma de placa provisto de aberturas de aligeramiento, por ejemplo una estructura reticular. Preferiblemente, el elemento de soporte es de metal (por ejemplo, de acero) aunque se pueden usar materiales no metálicos tales como, por ejemplo, compuestos basados en óxidos con baja conductividad térmica, que pueden mantener su forma y estructura sin sufrir deformación significativa cuando se someten a los esfuerzos térmicos del proceso de prensado y pirólisis.

El elemento de soporte se puede incorporar en la porción de soporte mecánico o colocar en su superficie externa (como se ilustra en la figura 1c), o de nuevo en la superficie en correspondencia con lo cual se apoyarán los medios de accionamiento del sistema de frenado.

Preferiblemente, el elemento de refuerzo mencionado anteriormente está asociado con la porción de soporte mecánico a través del prensado simultáneo en la etapa de termoprensado.

De acuerdo con un segundo modo de realización general para la invención, ilustrado en particular en la figura 2, solo la porción de fricción 10 de la pastilla de freno 1 se fabrica del material de fricción de matriz cerámica mencionado anteriormente, mientras que la porción de soporte mecánico 20 consiste en una placa de soporte 21 provista de una o más aberturas de aligeramiento 25 o 26 y asociadas con la porción de fricción 10.

Preferiblemente, las aberturas de aligeramiento 25 se obtienen en la porción de la placa de soporte 21 que se acoplará con la porción de fricción 10.

Preferiblemente, la placa de soporte 21 es de metal, por ejemplo de acero. En este caso, con respecto al primer modo de realización general para la invención descrito anteriormente, hay una reducción de peso menos pronunciada, pero aún considerable en comparación con la técnica del estado de la técnica en la medida en que está ligada solo a una reducción en la cantidad de material que forma la placa.

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Ventajosamente, debido al hecho de que el material de matriz cerámica se puede fabricar con un proceso de pirólisis también a temperaturas entre 400 0C y 600 0C, es posible usar placas de soporte (21) de material no metálico, tal como por ejemplo compuestos basados en óxidos de baja conductividad térmica que tienen un peso específico que es menor que el acero y mantienen la forma y la estructura sin sufrir una deformación considerable cuando se someten a los esfuerzos térmicos del proceso de prensado y pirólisis.

En este caso, la reducción de peso puede ser más pronunciada ya que se debe no solo a una reducción en la cantidad de material de placa, sino también al uso de materiales con un peso específico que es menor que el acero usado tradicionalmente.

De acuerdo con un modo de realización preferible, ilustrado en particular en las figuras 3 a 9, la placa de soporte 20 comprende un armazón perimétrico 22, que delimita un espacio vacío interno 26, y un elemento en forma de placa 23 que es adecuado para cerrar el espacio vacío 26 mencionado anteriormente mediante el acoplamiento con el armazón 22 y en correspondencia con lo cual hay aberturas de aligeramiento 25.

En mayor detalle, como se puede observar en particular en la figura 3, el armazón perimétrico 22 comprende, a lo largo de la dirección de desarrollo preferible de la pastilla de freno, una primera y una segunda porción perfiladas 31 y 32, opuestas entre sí. El armazón 22 se completa con dos porciones de conexión 33 que unen las porciones perfiladas 31 y 32 en los extremos.

Ventajosamente, en correspondencia con la primera porción 31, se pueden fabricar alojamientos 40 para los pasadores guía de la pastilla de freno, así como un alojamiento 50 para el indicador de desgaste de la porción de fricción 10.

Preferiblemente, las dos porciones de conexión 33 son más delgadas que las porciones perfiladas 31 y 32 de tal manera que definen, con respecto a las porciones perfiladas 31 y 32, una zona rebajada para funcionar como alojamiento para el elemento en forma de placa 23 mencionado anteriormente.

Preferiblemente, las aberturas de aligeramiento 25, fabricadas en el elemento en forma de placa 23 para reducir el peso de la placa de soporte 21, se distribuyen homogéneamente sobre la totalidad de la superficie de dicho elemento en forma de placa.

En mayor detalle, el elemento en forma de placa 23 puede consistir en chapa metálica con aberturas de aligeramiento perforadas 25, o de forma alternativa de una malla metálica.

El armazón 22 y el elemento en forma de placa 23 se pueden unir mediante soldadura, encolado, por medios mecánicos de fijación o simplemente por enclavamiento.

Preferiblemente, como se puede observar a partir de las figuras 5, 7 y 9, el elemento en forma de placa 23 está asociado con el armazón 22 de tal manera que define con este último una superficie continua en correspondencia con la cara de la pastilla de freno 1 que operará directamente con el sistema de frenado, es decir, la cara opuesta a la tribológicamente activa.

Para este fin, como se puede observar en la figura 3, el elemento en forma de placa 23 tiene dos aletas laterales de soporte 34, escalonadas con respecto a la posición del plano principal y destinadas para apoyarse en la zona rebajada definida por las porciones de conexión 33 del armazón 22.

Ventajosamente, la placa de soporte 20 puede estar provista de elementos rigidizadores 24 en correspondencia con los puntos en los cuales se apoyan los medios de accionamiento del sistema de frenado.

En mayor detalle, como se puede observar en las figuras 6 y 8, los elementos rigidizadores 24 pueden ser elementos anulares conectados al elemento en forma de placa 23, en correspondencia con lo cual no hay aberturas de aligeramiento.

Los elementos rigidizadores 24 pueden estar separados, como se contempla en el modo de realización ilustrado en las figuras 6 y 7, o estar interconectados para formar una estructura continua como se contempla en el modo de realización ilustrado en las figuras 8 y 9.

Preferiblemente, la placa de soporte 21 se prensa simultáneamente con la mezcla durante la etapa de termoprensado, como se ilustra en el diagrama de la figura 13. De esta forma, la mezcla, aún fluida, penetra en las aberturas de aligeramiento y toma la forma de la placa de soporte, creando un contacto cercano.

Como se puede observar en particular en las figuras 4, 6 y 8, la porción de fricción 20 se fabrica de tal manera que cubre las zonas de la placa que soportan las aberturas de aligeramiento 25.

Dependiendo de la forma de la pastilla de freno, no obstante es posible contemplar la porción de fricción de material

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de matriz cerámica que se extiende para cubrir, al menos parcialmente, zonas en las que (por motivos estructurales) no se contemplan aberturas de aligeramiento, como en los modos de realización ilustrados en las figuras 4, 6 y 8 donde el perfil de la porción de fricción 20 se muestra mediante una línea de puntos.

De acuerdo con un tercer modo de realización alternativo, ilustrado en particular en las figuras 10 y 11, la placa de soporte 20 consiste solo en el armazón perimétrico 22 descrito anteriormente. El espacio vacío 26 delimitado por el armazón 22 es una única abertura de aligeramiento que se llena con el material de matriz cerámica (como se puede observar en particular en la figura 11).

Preferiblemente, las aberturas de aligeramiento 25 tienen un área de superficie de al menos 5 mm2, e incluso más preferiblemente de 10 mm2. Cuando solo se contempla una abertura de aligeramiento 26 (placa de refuerzo que consiste en el armazón perimétrico solo), el área de la abertura es comparable con la extensión de la porción de fricción en el material de matriz cerámica.

En las figuras 1c, 3, 4, 6 y 8, las aberturas de aligeramiento 25 tienen una forma cuadrada o romboidal. Sin embargo, las aberturas 25 pueden tener formas diferentes, por ejemplo, rectangulares, circulares, elípticas o incluso irregulares.

De acuerdo con un modo de realización particular, la porción de fricción 10 de material de matriz cerámica se puede fabricar como un elemento en sí mismo y conectarse en una etapa de montaje específica a la placa de soporte 21 mediante encolado o medios de fijación como se ilustra en el diagrama de la figura 14.

Ventajosamente, se pueden contemplar modos de realización intermedios, entre el primer y segundo modos de realización generales descritos anteriormente, en los que la porción de soporte mecánico se fabrica con una placa de soporte y una capa de material de matriz cerámica, unidas para formar un único cuerpo.

Sigue una descripción detallada del método para crear el material de matriz cerámica para la pastilla de freno 1 de acuerdo con la invención.

Como se menciona anteriormente, en su forma más general de aplicación, el método de la invención comprende al menos una primera etapa de mezclado de los componentes básicos, una segunda etapa de termoprensado de la mezcla y una tercera etapa de pirólisis del cuerpo preformado (o cuerpo moldeado).

La etapa de mezclado de los componentes básicos del material de matriz cerámica se debe hacer preferiblemente en un mezclador de paletas horizontal. Sin embargo, se pueden contemplar otros tipos de mezcladores, dependiendo de las características y cantidades de los componentes que se van a mezclar.

De acuerdo con un modo de realización aplicativo preferible para el método de la invención, la etapa de mezclado de los diversos componentes tiene lugar en dos fases.

En la primera fase, el precursor cerámico polimérico se mezcla con el catalizador apropiado (para reacciones de reticulación) en ausencia de los demás componentes. De esta forma, se obtiene una mezcla más homogénea en términos de distribución del catalizador y, por lo tanto (al finalizar la etapa de prensado) una reticulación del precursor dispersado a través de la masa del material.

Ventajosamente, esta primera fase de mezclado se lleva a cabo durante un tiempo suficiente para asegurar un mezclado adecuado, preferiblemente entre 1 y 3 minutos.

En la segunda fase de mezclado, todos los demás componentes se añaden a la mezcla de precursor-catalizador: abrasivos, lubricantes y materiales metálicos.

Ventajosamente, esta segunda fase de mezclado se lleva a cabo durante un tiempo suficiente para asegurar un mezclado adecuado, preferiblemente entre 3 y 5 minutos.

La etapa de termoprensado se lleva a cabo preferiblemente con una prensa vertical que opera en compresión sobre un molde de acero.

Preferiblemente, en los casos donde se pretende unir directamente el componente de fricción a un soporte metálico (por ejemplo, placa de soporte de pastilla de freno de disco) durante las etapas de producción del material de matriz cerámica, el molde debe ser una placa (o matriz) con una abertura pasante y una sección perimétrica correspondiente a la forma que se le va a dar al cuerpo de material de matriz cerámica (por ejemplo, la porción de fricción de la pastilla de freno). La placa-matriz puede estar provista de una, dos o más aberturas.

La operación comienza bloqueando un extremo de la abertura pasante (preferiblemente el inferior, con referencia a una orientación horizontal de la placa-matriz en la prensa) usando la cabeza del punzón de la que está provista la prensa. A continuación, la abertura (que define una cámara de carga) se llena con la mezcla. A continuación, el

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extremo superior se cierra con una placa de metal de forma y grosor apropiadamente seleccionados en función de las aplicaciones de la pastilla de freno. Con la placa adecuadamente bloqueada en su posición, se inicia el prensado accionando el punzón. La temperatura dentro del molde se mide con termopares insertados en el propio molde.

Se pueden contemplar prensas y moldes distintos a los descritos anteriormente.

Conjuntamente con o por separado de lo que se describe anteriormente, durante la etapa de termoprensado, las presiones ejercidas sobre el material en el molde deben estar preferiblemente entre 250 y 500 kg/cm2.

Sorprendentemente, se descubrió que la aplicación de presiones dentro del intervalo especificado anteriormente tiene efectos beneficiosos sobre las prestaciones del material de matriz cerámica final en términos de resistencia al desgaste, fricción y rodaje (entendido como el tiempo que toma lograr condiciones de funcionamiento óptimas).

Se observó una mejora en las prestaciones vinculada a la aplicación de presiones como se especifica anteriormente durante el prensado independientemente de las condiciones operativas del proceso de pirólisis.

También se observó un efecto sinérgico mejorado en las prestaciones del material de matriz cerámica final a través de la combinación del proceso de pirólisis a temperaturas por debajo de 800 0C (y en particular entre 400 0C y 600 0C) y la aplicación de presiones de prensado entre 250 y 500 kg/cm2.

Conjuntamente con o por separado de la aplicación de presiones entre 250 y 500 kg/cm2, la etapa de prensado se debe llevar a cabo preferiblemente a temperaturas entre 120 0C y 150 0C para permitir la fluidificación del precursor cerámico y la consecución de valores de viscosidad tales como para facilitar el contacto cercano y la unión entre el precursor y los demás componentes de la mezcla.

Conjuntamente con o por separado de lo que se describe anteriormente, la etapa de prensado se debe llevar a cabo preferiblemente con ciclos alternos de aplicación y liberación de fuerza.

De acuerdo con una forma aplicativa especial del método, la etapa de prensado contempla tres ciclos consecutivos de aplicación y liberación de fuerza, cada uno con una duración de aproximadamente 30 segundos (15 segundos de aplicación y 15 segundos de liberación). Sigue una etapa final de aplicación continua de fuerza durante aproximadamente 90-210 segundos. La etapa de prensado global requiere un período de tiempo que varía entre 3 y 5 minutos. Los tiempos de prensado y las temperaturas permiten que el precursor cerámico bien fluidificado se disperse homogéneamente a todas las porciones del molde y entre las partículas de los diversos componentes de la mezcla.

De acuerdo con una implementación especialmente preferible, la placa de soporte se prensa simultáneamente con la mezcla de precursor, catalizador y carga y a continuación, se somete a pirólisis junto con el cuerpo preformado.

Llevar a cabo la pirólisis (de acuerdo con la invención) a temperaturas por debajo de 800 0C, y en particular entre 400 0C y 600 0C, hace que la operación sea conveniente y factible. De hecho, la placa de soporte de metal puede resistir los esfuerzos térmicos que se derivan del proceso de pirólisis sin sufrir deformaciones térmicas inaceptables.

Gracias al método de la invención, por lo tanto, es posible unir directamente la placa de soporte al cuerpo verde, y de esa manera al material de matriz cerámica, durante las etapas de producción del material de fricción. Al finalizar las etapas de creación del material de fricción, por lo tanto, se tiene un montaje de material de fricción/placa que facilita los procesos de trabajo posteriores de acabado y de cualquier aplicación de medios mecánicos de fijación.

Como ya se mencionó, un aspecto característico de la invención es que el proceso de pirólisis se lleva a cabo a temperaturas por debajo de 800 0C.

Se observó que los mejores resultados en términos de mejorar las prestaciones del material de fricción se obtienen llevando a cabo el proceso de pirólisis de tal manera que se alcancen temperaturas máximas entre 400 y 600 0C.

Ventajosamente, el proceso de pirólisis se lleva a cabo contemplando un tiempo a temperatura máxima de entre 3 y 5 horas, y preferiblemente de 4 horas.

Durante el proceso de pirólisis, la velocidad de calentamiento del cuerpo preformado (cuerpo verde) desde el entorno hasta la temperatura máxima debe estar preferiblemente entre 4 y 6 0C/min, preferiblemente 5 0C/min.

El proceso de pirólisis se debe llevar a cabo preferiblemente en un horno isotérmico.

Ventajosamente, con vistas a evitar fenómenos oxidativos que alterarían los procesos de ceramización, la pirólisis se lleva a cabo en una atmósfera inerte.

La atmósfera inerte se debe crear preferiblemente con un flujo de argón o nitrógeno, en los casos donde se prefiera

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la formación de oxicarburos de silicio (con fórmula general SiOxCy) en el material de matriz cerámica.

También se pueden contemplar diferentes atmósferas, por ejemplo en flujo de amoniaco, en los casos donde se desee la formación de oxinitruros de silicio (con fórmula general SiOxNy) en el material de matriz cerámica.

De acuerdo con una forma aplicativa especial de la invención ilustrada en el diagrama de la figura 1, la placa de soporte está unida al material de fricción ya fabricado. Al finalizar la etapa de pirólisis puede haber una etapa de rectificado de grosor del cuerpo preformado de material de matriz cerámica y, de forma alternativa o adicional, una etapa de acabado de superficie para el cuerpo de matriz cerámica.

El propósito esencial de estas etapas es preparar el cuerpo de material de matriz cerámica de tal manera que se pueda acoplar posteriormente, de acuerdo con las tolerancias contempladas, con elementos de soporte (por ejemplo, una placa de soporte de metal) a fin de crear una pastilla de freno de disco.

El método también puede contemplar, al finalizar las etapas anteriores de rectificado y/o retoque de superficie, una etapa de montaje del componente de fricción con una placa de soporte de metal por medio de elementos de fijación adecuados tales como pernos, remaches o cola.

Ventajosamente, la etapa de acabado de superficie se debe llevar a cabo después de la etapa de montaje del componente de fricción y la placa de soporte.

De acuerdo con una forma aplicativa especialmente preferible de la invención (ya mencionada anteriormente e ilustrada en la figura 2), los elementos que soportan el componente de fricción se unen a este último directamente durante las etapas de creación del material de fricción.

Al finalizar la etapa de pirólisis puede haber una etapa de rectificado de grosor del cuerpo preformado de material de matriz cerámica y, de forma alternativa o adicional, una etapa operativa de retoque de superficie del cuerpo de material cerámico en las partes expuestas y no cubiertas de la placa.

La mezcla que se va a prensar consiste en lo siguiente (porcentajes expresados en peso con respecto a la mezcla): precursor cerámico y catalizador entre un 5 y un 10 %; abrasivos entre un 20 % y un 30 %; materiales metálicos no mayor a un 60 %; lubricantes no mayor a un 50 %.

Como se menciona anteriormente, el precursor polimérico cerámico es de tipo silicónico y se puede seleccionar en particular del grupo que comprende polisilanos, policarbosilanos, polisilazanos y polisiloxanos con fórmula general [-

R1...2,Si(C,N,B,O)0,5...1,5-]n.

Preferiblemente, el precursor se debe seleccionar de los polisiloxanos, independientemente de los grupos funcionales sustituyentes y del grado de ramificación del polímero, con fórmula general [-RSiO^-h, donde R indica hidrógeno o un grupo funcional orgánico (alquílico, acrílico, etc.).

Incluso más preferiblemente, el precursor se debe seleccionar de los sesquisiloxanos y, en particular, los polimetil- sesquisiloxanos.

Se pueden contemplar mezclas de dos o más precursores orgánicos diferentes.

Ventajosamente, el porcentaje en peso del precursor cerámico en la mezcla está entre un 6 % y un 9 %.

Preferiblemente, el catalizador se debe seleccionar de compuestos de coordinación orgánicos con metales seleccionados del grupo que comprende cinc, cobre, aluminio, hierro, circonio, vanadio, cromo, manganeso, cobalto, níquel y titanio.

Ventajosamente, el catalizador se selecciona de los acetonatos, los beta-dicetonatos y los carboxilatos. Un catalizador especialmente preferible es acetilacetonato de cinc o circonio.

Ventajosamente, el catalizador está presente con un porcentaje estequiométrico con respecto al precursor cerámico, preferiblemente un porcentaje entre un 0,15 % y un 0,3 % del peso de mezcla.

Preferiblemente, el precursor cerámico y catalizador usados deben estar en forma de polvo. Pero también se pueden usar componentes en otras formas, tales como líquidos.

Preferiblemente, los abrasivos consisten en carburo de silicio pulverizado. Sin embargo, también se pueden usar otros materiales con propiedades de dureza tales como para funcionar como abrasivos, tales como, por ejemplo, carburo de boro, silicio, circonio, óxido de circonio (zirconia), periclasa, corindón y espinela.

Por simplicidad en la descripción de abrasivos a continuación, se hará referencia explícita solo al carburo de silicio,

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pero esto no se debe considerar limitativo. De hecho, la información relativa al carburo de silicio se debe extender a otros abrasivos, tales como los que se enumeran anteriormente.

Ventajosamente, el carburo de silicio está en forma de polvo en dos tamaños de partícula diferentes.

La relación entre los diámetros promedio de los dos polvos está entre 9 y 11, y preferiblemente 10.

El diámetro promedio de un polvo está pensado como el valor correspondiente a d50 de la curva de distribución de tamaño de partícula. En la siguiente descripción, se hará referencia a las definiciones de polvos empleados por la FEPA (Federación Europea de Fabricantes de Abrasivos).

El tamaño de partícula diferenciado del polvo de carburo de silicio quiere decir que se puede suministrar un abrasivo de tamaño compatible con todos los componentes restantes de la mezcla. El polvo más fino se combina con los lubricantes finos y el precursor cerámico (resina aglutinante) mientras que el polvo de partículas grandes se combina con las partículas metálicas de mayor tamaño. Esto favorece la compactación del material.

Se observa además que el polvo más fino se combina y tiende a homogeneizarse con el material restante, mientras que el polvo de partículas más grandes permanece "separado" de los demás componentes de la mezcla.

Así que, se puede observar que los dos tamaños de partícula diferentes dan como resultado abrasivos que funcionan a diferentes niveles de energía, en beneficio de las prestaciones del material de fricción final. Cuando los abrasivos de tamaño de partícula más pequeño se desgastan, hay un "desmoronamiento" progresivo de los abrasivos de tamaño de partícula más grande. Esto da como resultado una presencia en promedio constante de abrasivos de tamaño de partícula más pequeño.

Preferiblemente, los polvos de carburo de silicio en los dos tamaños de partícula diferentes deben tener diámetros promedio de entre 1 pm y 600 pm.

De acuerdo con una forma aplicativa general de la invención, la proporción en peso entre los polvos de carburo de silicio de mayor y menor tamaño de partícula está entre 0,8 y 1,8.

Como se resumirá a continuación, si se requiere que el material de fricción de matriz cerámica coopere tribológicamente con un freno de disco de material cerámico compuesto, la proporción en peso entre polvo de carburo de silicio de tamaño de partícula más grande y más pequeño debe estar entre 0,8 y 1,2, preferiblemente 1.

Si se requiere que el material de fricción de matriz cerámica coopere tribológicamente con un freno de disco de fundición gris, la proporción en peso entre el polvo de carburo de silicio de tamaño de partícula más grande y más pequeño debe estar entre 1,2 y 1,8, preferiblemente 1,5.

De acuerdo con una forma aplicativa preferible de la invención, las partículas metálicas consisten en partículas de hierro y/o aleación de hierro.

Ventajosamente, las partículas metálicas que reemplazan o además de las partículas de hierro y/o aleación de hierro consisten en partículas de cobre y/o latón.

Preferiblemente, las partículas de cobre y latón, individualmente o mezcladas, están presentes en un porcentaje de menos de un 20 % del peso de mezcla.

El término "partícula" pretende comprender partes de materiales en forma tanto de polvos como de fibras.

Con respecto a las partículas de materiales ferrosos, la lana de acero es especialmente preferible.

Preferiblemente las partículas metálicas (hierro, aleaciones de hierro, cobre y/o latón) en forma de polvo deben tener un diámetro promedio de menos de 300 pm, mientras que las partículas metálicas en forma de fibra (hierro, aleaciones de hierro, cobre y/o latón) deben tener un diámetro promedio de menos de 100 pm y una longitud de menos de 1 mm.

De acuerdo con una forma aplicativa preferible de la invención, los lubricantes consisten en grafito en polvo.

Ventajosamente, en reemplazo o además de grafito pulverizado, los lubricantes pueden consistir en coque, sulfuro de estaño y/o estaño pulverizado.

Preferiblemente, el porcentaje de grafito debe estar entre un 9 % y un 13 % del peso de mezcla mientras que el coque, sulfuro de estaño y estaño pulverizados (cuando se contemple) deben tener pesos de menos de un 35 %, un 10 % y un 5 % respectivamente con respecto a la mezcla.

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Ventajosamente, como se resumirá en los ejemplos adjuntos, el uso de coque, sulfuro de estaño y/o estaño pulverizado en combinación con polvos de grafito reduce el contenido de grafito, llevándolo hacia el extremo más bajo del intervalo especificado anteriormente.

Ventajosamente, los polvos de grafito y/o coque tienen un diámetro promedio de entre 200 pm y 800 pm, mientras que los polvos de sulfuro de estaño y/o estaño tienen un diámetro promedio de menos de 100 pm.

Como se menciona previamente, el material de fricción de matriz cerámica producido con el método de la invención se puede usar para fabricar pastillas de freno que cooperen tribológicamente con frenos de disco de material cerámico compuesto (MCC) o de fundición gris, garantizando prestaciones óptimas en ambos casos en términos de valor de la estabilidad del coeficiente de fricción y resistencia al desgaste.

Si se requiere que el material de matriz cerámica de la invención coopere con discos de fundición gris, la mezcla que se somete a la etapa de prensado debe tener la siguiente composición (porcentajes expresados en peso con respecto a la mezcla): precursor cerámico y catalizador entre un 5 y un 10 %; abrasivos entre un 20 % y un 30 %; materiales metálicos entre un 25 % y un 60 %; lubricantes entre un 10 % y un 50 %.

En mayor detalle, de acuerdo con una implementación específica, la proporción en peso entre el polvo de carburo de silicio con un mayor tamaño de partícula y el polvo de menor tamaño de partícula debe estar entre 1,2 y 1,8, y preferiblemente 1,5.

El carburo de silicio (SiC) pulverizado con partículas de mayor tamaño está presente en un porcentaje entre un 12 % y un 18 % del peso de mezcla mientras que el porcentaje de polvo de SiC más fino está entre un 6 % y un 12 % del peso de mezcla.

Las partículas metálicas consisten en hierro pulverizado, de un 5 % a un20 % del peso de mezcla, lana de acero de un 5 % a un30 % del peso de mezcla y (cuando se contemple) polvo de cobre y/o latón y/o fibras en porcentajes menores a un 20 % del peso de mezcla.

En general, las partículas (polvo y fibras) de hierro y/o aleaciones de hierro pesan entre un 5 % y un 60 % del peso de mezcla.

El grafito, preferiblemente en forma de polvo, constituye entre un 9 % y un 12 % del peso de mezcla. Cuando se contempla coque, el porcentaje es menor a un 35 % del peso de mezcla, mientras que el sulfuro de estaño y el estaño (cuando se contemple), preferiblemente en forma de polvo, deben ser menor a un 10 % y a un 5 % del peso de mezcla, respectivamente.

Cuando el grafito es el único lubricante, el porcentaje debe ser preferiblemente de un 12 % del peso de mezcla. A modo de ejemplo, la adición de un 3 % en peso de polvo de estaño permite reducir el grafito a un 10 %.

Siguen las descripciones de cinco ejemplos específicos de preparación de materiales de matriz cerámica, de acuerdo con la invención, destinados a cooperar con discos de fundición gris.

Ejemplo 1

Mezclar 780 gramos de resina de polimetil-sesquisiloxano (CH3-SiO3/2)n en polvo de PMS MK Wacker-Belsil® (intervalo de ablandamiento de 50-60 °C) y 20 gramos de acetilacetonato de cinc pulverizado en un mezclador de paletas horizontal durante aproximadamente 2 minutos. A continuación, añadir 1.500 gramos de SiC pulverizado clase FEPA F36 (diámetro promedio de 525 pm) y 1.000 gramos de SiC pulverizado clase FEPA F220 (diámetro promedio de 58 pm). Continuar añadiendo 1.800 gramos de cobre en polvo, 2.700 gramos de lana de acero, 1.000 gramos de hierro en polvo y, por último, 1.200 gramos de grafito en polvo. La segunda etapa de mezclado se prolonga durante aproximadamente 4 minutos.

La composición global de la mezcla es como sigue (porcentajes expresados en peso con respecto a la mezcla): un 15 % de SiC F36 pulverizado; un 10 % de SiC F220 pulverizado; un 18 % de cobre en polvo; un 27 % de lana de acero; un 10 % de hierro en polvo; un 12 % de grafito en polvo; un 7,8 % de resina de polimetil-sesquisiloxano; un 0,2 % de acetilacetonato de cinc.

Los polvos de cobre y hierro tienen un diámetro promedio de aproximadamente 200 pm y aproximadamente 250 pm, respectivamente. La lana de acero tiene un diámetro promedio de aproximadamente 80 pm y una longitud promedio de aproximadamente 0,8 mm. El polvo de grafito tiene un diámetro promedio de aproximadamente 600 pm.

A continuación, una porción de la mezcla así obtenida se somete a una etapa de termoprensado en una prensa vertical a fin de obtener un cuerpo preformado (cuerpo verde), así como la alta reticulación de la resina sesquisiloxánica.

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La mezcla se prensa simultáneamente con una placa de acero aligerada del tipo ilustrado en la figura 3, que consiste en un armazón perimétrico y un elemento en forma de placa con aberturas de aligeramiento cuadradas de las cuales alrededor de un 50 % tienen un área de superficie de aproximadamente 5 mm2 y el resto de aproximadamente 10 mm2. El armazón tiene aproximadamente 5 mm de grueso, mientras que el elemento en forma de placa tiene alrededor de 1 mm de grueso.

En mayor detalle, se usa una placa (o matriz), con una abertura pasante de sección perimétrica sustancialmente rectangular correspondiente a la forma que va a tomar el cuerpo de material de matriz cerámica. La abertura tiene un área de superficie de alrededor de 77 cm2 y una profundidad de aproximadamente 8 cm.

La operación se inicia bloqueando el extremo inferior de la abertura pasante, usando la cabeza del punzón de la que está provista la prensa. A continuación, la abertura se llena con la mezcla y el extremo superior se cierra con la placa de acero aligerada descrita anteriormente. La cantidad de mezcla se define en función del grosor final de la pastilla de freno, teniendo en cuenta que después del prensado hay una reducción de volumen de aproximadamente 2/3. Después de posicionar la placa apropiadamente, se lleva a cabo el prensado activando el punzón.

La temperatura dentro del molde (medida por medio de termopares) se mantiene en alrededor de 120 0C. La presión máxima aplicada durante el prensado es de alrededor de 400 kg/cm2. Se contemplan tres ciclos consecutivos de aplicación y liberación de fuerza, cada uno con una duración de aproximadamente 30 segundos (15 segundos de aplicación y 15 segundos de liberación). Sigue una etapa final de aplicación continua de fuerza (sin liberación) durante aproximadamente 150 segundos. La etapa global de prensado requiere un período de aproximadamente 4 minutos.

Sigue una etapa de pirólisis en un horno isotérmico con un flujo de nitrógeno de aproximadamente 0,2 m3/h. El cuerpo preformado se calienta desde la temperatura ambiente (25 °C) hasta aproximadamente 500 °C a una velocidad de aproximadamente 5 °C/min y se mantiene a 500 °C durante aproximadamente 4 horas.

La porción de fricción de material de matriz cerámica se somete, por último, a un proceso de trabajo de acabado destinado a reducir el grosor en función del uso final de la pastilla de freno.

La pastilla de freno así obtenida tiene un grosor de 19,75 mm (incluyendo el grosor de la placa de acero que es de aproximadamente 5 mm) y un peso total de alrededor de 540 gramos, de los cuales 350 gramos son el peso de la porción de fricción de material de matriz cerámica y los 190 gramos restantes de la placa aligerada y la parte del material de fricción que ha llenado las aberturas del aligeramiento.

Una pastilla de freno tradicional de la misma forma y funcionalidad pesa alrededor de 635 gramos. La pastilla de freno de acuerdo con la invención ofrece, por lo tanto, una reducción de peso de alrededor de un 15 %.

Ejemplo 2

Mezclar 780 gramos de resina de polimetil-sesquisiloxano (CH3-SiO3/2)n en polvo de PMS MK Wacker-Belsil® (intervalo de ablandamiento de 50-60 0C) y 20 gramos de acetilacetonato de cinc pulverizado en un mezclador de paletas horizontal durante aproximadamente 2 minutos. A continuación, añadir 1.500 gramos de SiC pulverizado clase FEPA F100 (diámetro promedio de 129 pm) y 1.000 gramos de SiC pulverizado clase FEPA F500 (diámetro promedio d50 de 12,8 pm). Continuar añadiendo 1.800 gramos de latón en polvo, 2.700 gramos de lana de acero, 900 gramos de hierro en polvo, 1.000 gramos de grafito en polvo y, por último, 300 gramos de estaño en polvo. La segunda etapa de mezclado se prolonga durante aproximadamente 4 minutos.

La composición global de la mezcla es como sigue (porcentajes expresados en peso con respecto a la mezcla): un 15 % de SiC F100 pulverizado; un 10 % de SiC F500 pulverizado; un 18 % de latón en polvo; un 27 % de lana de acero; un 9 % de hierro en polvo; un 10 % de grafito en polvo; un 3 % de estaño en polvo; un 7,8 % de resina de polimetil-sesquisiloxano; un 0,2 % de acetilacetonato de cinc.

Los polvos de latón y hierro tienen un diámetro promedio de aproximadamente 250 pm y aproximadamente 200 pm, respectivamente. La lana de acero tiene un diámetro promedio de aproximadamente 80 pm y una longitud promedio de aproximadamente 0,6 mm. Los polvos de grafito y estaño tienen un diámetro promedio de aproximadamente 400 pm y aproximadamente 80 pm, respectivamente.

A continuación, una porción de la mezcla así obtenida se somete a una etapa de termoprensado en una prensa vertical a fin de obtener un cuerpo preformado (cuerpo verde), así como la alta reticulación de la resina de sesquisiloxano.

La mezcla se prensa simultáneamente con una placa de acero aligerada del tipo ilustrado en la figura 6, que consiste en un armazón perimétrico y un elemento en forma de placa con aberturas de aligeramiento cuadradas

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reforzadas con 3 elementos circulares colocados en correspondencia con las zonas contiguas del medio de accionamiento del sistema de frenado. Alrededor de un 50 % de las aberturas tienen un área de superficie de aproximadamente 5 mm2 y el resto de aproximadamente 10 mm2. El armazón tiene aproximadamente 5 mm de grueso, mientras que el elemento en forma de placa tiene alrededor de 1 mm de grueso.

La temperatura dentro del molde se mantiene en alrededor de 130 0C. La presión máxima aplicada durante el prensado es de alrededor de 450 kg/cm2. Se contemplan tres ciclos consecutivos de aplicación y liberación de fuerza, cada uno con una duración de aproximadamente 30 segundos (15 segundos de aplicación y 15 segundos de liberación). Sigue una etapa final de aplicación continua de fuerza (sin liberación) durante aproximadamente 210 segundos. La etapa global de prensado requiere un período de aproximadamente 5 minutos.

Sigue una etapa de pirólisis en un horno isotérmico con un flujo de nitrógeno de aproximadamente 0,2 m3/h. El cuerpo preformado se calienta desde la temperatura ambiente (25 °C) hasta aproximadamente 400 °C a una velocidad de aproximadamente 6 °C/min y se mantiene a 400 °C durante aproximadamente 4 horas y 30 minutos.

La pastilla de freno así obtenida tiene un grosor de 19,75 mm (incluyendo el grosor de la placa de acero que es de aproximadamente 5 mm) y un peso total de alrededor de 560 gramos, de los cuales 350 gramos son el peso de la porción de fricción de material de matriz cerámica y los 210 gramos restantes de la placa aligerada y la parte del material de fricción que ha llenado las aberturas del aligeramiento.

Una pastilla de freno tradicional de la misma forma y funcionalidad pesa alrededor de 635 gramos. La pastilla de freno de acuerdo con la invención ofrece, por lo tanto, una reducción de peso de alrededor de un 12%.

Ejemplo 3

Mezclar 780 gramos de resina de ciclopentasiloxano Wacker-Belsil® RG100 y 20 gramos de acetilacetonato de cinc pulverizado en un mezclador de paletas horizontal durante aproximadamente 2 minutos. A continuación, añadir 1.300 gramos de SiC pulverizado clase FEPA F46 (diámetro promedio de 370 pm) y 800 gramos de SiC pulverizado clase FEPA F280 (diámetro promedio d50 de 36,5 pm). Continuar añadiendo 2.500 gramos de lana de acero, 300 gramos de hierro en polvo, 1.000 gramos de grafito en polvo, 3.000 gramos de coque en polvo y, por último, 300 gramos de estaño en polvo. La segunda etapa de mezclado se prolonga durante aproximadamente 4 minutos.

La composición global de la mezcla es como sigue (porcentajes expresados en peso con respecto a la mezcla): un 13 % de SiC F46 pulverizado; un 8 % de SiC F280 pulverizado; un 25 % de lana de acero; un 3 % de hierro en polvo; un 10 % de grafito en polvo; un 30 % de coque en polvo; un 3 % de estaño en polvo; un 7,8 % de resina silicónica; un 0,2 % de acetilacetonato de cinc.

El polvo de hierro tiene un diámetro promedio de aproximadamente 150 pm. La lana de acero tiene un diámetro promedio de aproximadamente 60 pm y una longitud promedio de aproximadamente 0,5 mm. Los polvos de grafito, coque y estaño tienen un diámetro promedio de aproximadamente 700 pm, aproximadamente 600 pm y aproximadamente 90 pm, respectivamente.

A continuación, una porción de la mezcla así obtenida se somete a una etapa de termoprensado en una prensa vertical a fin de obtener un cuerpo preformado (cuerpo verde), así como la alta reticulación de la resina siloxánica.

La mezcla se prensa simultáneamente con un cuerpo de refuerzo de malla de aproximadamente 1 mm de grueso, similar al cuerpo en forma de placa con aberturas de aligeramiento ilustrado en la figura 3. Alrededor de un 50 % de las aberturas tienen un área de superficie de aproximadamente 5 mm2 y el resto de aproximadamente 10 mm2.

En mayor detalle, se usa una placa (o matriz), con una abertura pasante de doble sección: la primera tiene una sección perimétrica sustancialmente rectangular que corresponde a la forma que va a tomar la porción de fricción, mientras que la segunda tiene una sección perimétrica sustancialmente rectangular correspondiente a la forma que

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va a tomar la porción de soporte. La abertura tiene una profundidad de aproximadamente 8 cm y, en correspondencia con la primera sección, un área de superficie de alrededor de 77 cm2.

La operación se inicia bloqueando el extremo inferior de la abertura pasante, usando la cabeza del punzón de la que está provista la prensa. A continuación, la abertura se llena con la mezcla y el extremo superior se cierra con el cuerpo de refuerzo de malla descrito anteriormente. La cantidad de mezcla se define en función del grosor final de la pastilla de freno, teniendo en cuenta que después del prensado hay una reducción de volumen de aproximadamente 2/3. Después de posicionar la placa apropiadamente, se lleva a cabo el prensado activando el punzón.

La temperatura dentro del molde se mantiene en alrededor de 150 0C. La presión máxima aplicada durante el prensado es de alrededor de 350 kg/cm2. Se contemplan tres ciclos consecutivos de aplicación y liberación de fuerza, cada uno con una duración de aproximadamente 30 segundos (15 segundos de aplicación y 15 segundos de liberación). Sigue una etapa final de aplicación continua de fuerza (sin liberación) durante aproximadamente 210 segundos. La etapa global de prensado requiere un período de aproximadamente 5 minutos.

Sigue una etapa de pirólisis en un horno isotérmico con un flujo de nitrógeno de aproximadamente 0,2 m3/h. El cuerpo preformado se calienta desde la temperatura ambiente (25 °C) hasta aproximadamente 600 °C a una velocidad de aproximadamente 4 °C/min y se mantiene a 600 °C durante aproximadamente 3 horas y 30 minutos.

La pastilla de freno así obtenida tiene un grosor de 19,75 mm (incluyendo el grosor del refuerzo que es de aproximadamente 1 mm) y un peso total de alrededor de 490 gramos, de los cuales 350 gramos son el peso de la porción de fricción de material de matriz cerámica y los 140 gramos restantes del elemento de refuerzo y la parte del material de fricción que ha llenado las aberturas de aligeramiento.

Una pastilla de freno tradicional de la misma forma y funcionalidad pesa alrededor de 635 gramos. La pastilla de freno de acuerdo con la invención ofrece, por lo tanto, una reducción de peso de alrededor de un 23 %.

Ejemplo 4

La mezcla se prensa sin insertar ningún elemento de refuerzo o placa de soporte.

En mayor detalle, se usa una placa (o matriz), con una abertura pasante de doble sección: la primera tiene una sección perimétrica sustancialmente rectangular que corresponde a la forma que va a tomar la porción de fricción, mientras que la segunda tiene una sección perimétrica sustancialmente rectangular correspondiente a la forma que va a tomar la porción de soporte. La abertura tiene una profundidad de aproximadamente 8 cm y, en correspondencia con la primera sección un área de superficie de alrededor de 77 cm2.

La operación se inicia bloqueando el extremo inferior de la abertura pasante, usando la cabeza del punzón de la que está provista la prensa. A continuación, la abertura se llena con la mezcla y el extremo superior se cierra con el elemento de cierre especial en el dispositivo de prensado. La cantidad de mezcla se define en función del grosor final de la pastilla de freno, teniendo en cuenta que después del prensado hay una reducción de volumen de aproximadamente 2/3.

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Sigue una etapa de pirólisis en un horno isotérmico con un flujo de nitrógeno de aproximadamente 0,2 m3/h. El cuerpo preformado se calienta desde la temperatura ambiente (25 0C) hasta aproximadamente 600 0C a una velocidad de aproximadamente 4 0C/min y se mantiene a 600 0C durante aproximadamente 3 horas y 30 minutos.

La pastilla de freno fabricada íntegramente de material de matriz cerámica se somete, por último, a un proceso de trabajo de acabado destinado a reducir el grosor en función del uso final de la pastilla de freno.

La pastilla de freno así obtenida tiene un grosor de 19,75 mm (incluyendo el grosor del refuerzo que es de aproximadamente 1 mm) y un peso total de alrededor de 470 gramos, de los cuales 350 gramos son el peso de la porción de fricción de material de matriz cerámica y los 120 gramos restantes de la porción de soporte.

Una pastilla de freno tradicional de la misma forma y funcionalidad pesa alrededor de 635 gramos. La pastilla de freno de acuerdo con la invención ofrece, por lo tanto, una reducción de peso de alrededor de un 26 %.

Ejemplo 5

Mezclar 780 gramos de resina de polimetil-sesquisiloxano (CH3-SiO3/2)n en polvo de PMS MK Wacker-Belsil® (intervalo de ablandamiento de 50-60 0C) y 20 gramos de acetilacetonato de cinc pulverizado en un mezclador de paletas horizontal durante aproximadamente 2 minutos. A continuación, añadir 1.500 gramos de SiC pulverizado clase FEPA F36 (diámetro promedio de 525 pm) y 1.000 gramos de SiC pulverizado clase FEPA F220 (diámetro promedio de 58 pm). Continuar añadiendo 1.800 gramos de cobre en polvo, 2.700 gramos de lana de acero, 1.000 gramos de hierro en polvo y, por último, 1.200 gramos de grafito en polvo. La segunda etapa de mezclado se prolonga durante aproximadamente 4 minutos.

La mezcla se prensa simultáneamente con una placa de acero aligerada que consiste en un armazón perimétrico del tipo ilustrado en la figura 3. El armazón tiene alrededor de 5 mm de grueso y delimita una única abertura de aligeramiento central.

La operación se inicia bloqueando el extremo inferior de la abertura pasante, usando la cabeza del punzón de la que está provista la prensa. A continuación, la abertura se llena con la mezcla y el extremo superior se cierra con la placa de acero aligerada descrita anteriormente y con un elemento de cierre adicional del que está provisto el sistema de prensado. La cantidad de mezcla se define en función del grosor final de la pastilla de freno, teniendo en cuenta que después del prensado hay una reducción de volumen de aproximadamente 2/3. Después de posicionar la placa apropiadamente, se lleva a cabo el prensado activando el punzón.

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Sigue una etapa de pirólisis en un horno isotérmico con un flujo de nitrógeno de aproximadamente 0,2 m3/h. El cuerpo preformado se calienta desde la temperatura ambiente (25 0C) hasta aproximadamente 500 0C a una velocidad de aproximadamente 5 0C/min y se mantiene a 500 0C durante aproximadamente 4 horas.

La pastilla de freno así obtenida tiene un grosor de 19,75 mm (incluyendo el grosor del armazón que es de aproximadamente 5 mm) y un peso total de aproximadamente 520 gramos, de los cuales 350 gramos son el peso de la porción de fricción de material de matriz cerámica y los restantes 170 gramos del armazón y la parte del material de fricción que llena la única abertura de aligeramiento central.

Una pastilla de freno tradicional de la misma forma y funcionalidad pesa alrededor de 635 gramos. La pastilla de freno de acuerdo con la invención ofrece, por lo tanto, una reducción de peso de alrededor de un 18 %.

Si se requiere que el material de matriz cerámica de acuerdo con la invención funcione con discos de MCC, la mezcla para la etapa de prensado tiene la siguiente composición (porcentajes expresados en peso con respecto a la mezcla): precursor cerámico y catalizador entre un 5 y un 10 %; abrasivos entre un 20 % y un 30 %; materiales metálicos entre un 30 % y un 60 %; lubricantes entre un 10 % y un 40 %.

En mayor detalle, de acuerdo con una implementación específica, la proporción en peso entre el polvo de carburo de silicio con un mayor tamaño de partícula y el polvo de menor tamaño de partícula debe estar entre 0,8 y 1,2, y preferiblemente 1.

El carburo de silicio (SiC) pulverizado con partículas de mayor tamaño está presente en un porcentaje entre un 10 % y un 15 % del peso de mezcla.

Las partículas metálicas consisten en lana de acero de un 20 % a un 30 % del peso de mezcla (que se puede reemplazar en su totalidad o parcialmente por hierro pulverizado) y (cuando se contemple) polvo de cobre y/o latón y/o fibras en porcentajes menores a un 20 % del peso de mezcla.

A diferencia del material de matriz cerámica para la cooperación con discos de fundición gris, el material para discos de MCC también comprende silicio entre las partículas, preferiblemente en forma de polvo.

Ventajosamente, el polvo de silicio está presente con un porcentaje en peso de entre un 9 y un 11 % de la mezcla, preferiblemente un 10 %.

El polvo de silicio tiene preferiblemente un diámetro promedio de menos de 50 pm.

El grafito, preferiblemente en forma de polvo, constituye entre un 11 % y un 13 % del peso de mezcla, preferiblemente un 12 %. Cuando se contempla coque, el porcentaje es menor a un 20 % del peso de mezcla, mientras que el sulfuro de estaño y el estaño (cuando se contemple), preferiblemente en forma de polvo, deben ser menor a un 10 % y a un 5 % del peso de mezcla, respectivamente.

Siguen las descripciones de cinco ejemplos específicos de preparación de materiales de matriz cerámica, de acuerdo con la invención, destinados a cooperar con discos de material cerámico compuesto (MCC).

Ejemplo 6

Mezclar 780 gramos de resina de polimetil-sesquisiloxano (CH3-SiO3/2)n en polvo de PMS MK Wacker-Belsil® (intervalo de ablandamiento de 50-60 0C) y 20 gramos de acetilacetonato de cinc pulverizado en un mezclador de paletas horizontal durante aproximadamente 2 minutos. A continuación, añadir 1.200 gramos de SiC pulverizado clase FEPA F46 (diámetro promedio de 370 pm) y 1.300 gramos de SiC pulverizado clase FEPA F280 (diámetro promedio de 36,5 pm). Continuar añadiendo 1.800 gramos de cobre en polvo, 2.700 gramos de lana de acero, 1.000 gramos de silicio en polvo y, por último, 1.200 gramos de grafito en polvo. La segunda etapa de mezclado se prolonga durante aproximadamente 4 minutos.

La composición global de la mezcla es como sigue (porcentajes expresados en peso con respecto a la mezcla): un 12 % de SiC F46 pulverizado; un 13 % de SiC F280 pulverizado; un 18 % de cobre en polvo; un 27 % de lana de acero; un 10 % de silicio en polvo; un 12 % de grafito en polvo; un 7,8 % de resina de sesquisiloxano; un 0,2 % de acetilacetonato de cinc.

Los polvos de cobre y silicio tienen un diámetro promedio de aproximadamente 150 pm y aproximadamente 40 pm, respectivamente. La lana de acero tiene un diámetro promedio de aproximadamente 50 pm y una longitud promedio

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de aproximadamente 0,4 mm. El polvo de grafito tiene un diámetro promedio de aproximadamente 300 pm.

La mezcla se prensa simultáneamente con una placa de acero aligerada del tipo ilustrado en la figura 3, que consiste en un armazón perimétrico y un elemento en forma de placa con aberturas de aligeramiento cuadradas de las cuales alrededor de un 50 % tienen un área de superficie de aproximadamente 5 mm2 y el resto de

aproximadamente 10 mm2. El armazón tiene aproximadamente 5,5 mm de grueso, mientras que el elemento en

forma de placa tiene alrededor de 1 mm de grueso.

En mayor detalle, se usa una placa (o matriz), con una abertura pasante de sección perimétrica sustancialmente rectangular correspondiente a la forma que va a tomar el cuerpo de material de matriz cerámica. La abertura tiene un área de superficie de alrededor de 145 cm2 y una profundidad de aproximadamente 8 cm.

La temperatura dentro del molde se mantiene en alrededor de 120 0C. La presión máxima aplicada durante el prensado es de alrededor de 300 kg/cm2. Se contemplan tres ciclos consecutivos de aplicación y liberación de

fuerza, cada uno con una duración de aproximadamente 30 segundos (15 segundos de aplicación y 15 segundos de

liberación). Sigue una etapa final de aplicación continua de fuerza (sin liberación) durante aproximadamente 90 segundos. La etapa global de prensado requiere un período de aproximadamente 3 minutos.

La pastilla de freno así obtenida tiene un grosor de 16,4 mm (incluyendo el grosor de la placa de acero que es de aproximadamente 5,5 mm) y un peso total de alrededor de 860 gramos, de los cuales 480 gramos son el peso de la porción de fricción de material de matriz cerámica y los 380 gramos restantes de la placa aligerada y la parte del material de fricción que ha llenado las aberturas del aligeramiento.

Una pastilla de freno tradicional de la misma forma y funcionalidad pesa alrededor de 1.180 gramos. La pastilla de freno de acuerdo con la invención ofrece, por lo tanto, una reducción de peso de alrededor de un 27 %.

Ejemplo 7

Mezclar 780 gramos de resina de polimetil-sesquisiloxano (CH3-SiO3/2)n en polvo de PMS MK Wacker-Belsil® (intervalo de ablandamiento de 50-60 0C) y 20 gramos de acetilacetonato de cinc pulverizado en un mezclador de paletas horizontal durante aproximadamente 2 minutos. A continuación, agregar 1.200 gramos de SiC pulverizado clase FEPA F54 (diámetro promedio de 310 pm) y 1.300 gramos de SiC'pulverizado clase FEPA F320 (diámetro promedio d50 de 29,2 pm). Continuar añadiendo 1.000 gramos de silicio en polvo, 2.700 gramos de lana de acero,

1.200 gramos de grafito en polvo y, por último, 1.800 gramos de coque en polvo. La segunda etapa de mezclado se prolonga durante aproximadamente 4 minutos.

La composición global de la mezcla es como sigue (porcentajes expresados en peso con respecto a la mezcla): un 12 % de SiC F54 pulverizado; un 13 % de SiC F320 pulverizado; un 27 % de lana de acero; un 10 % de silicio en polvo; un 12 % de grafito en polvo; un 18 % de coque en polvo; un 7,8 % de resina de sesquisiloxano; un 0,2 % de acetilacetonato de cinc.

El polvo de silicio tiene un diámetro promedio de aproximadamente 35 pm. La lana de acero tiene un diámetro promedio de aproximadamente 70 pm y una longitud promedio de aproximadamente 0,6 mm. Los polvos de grafito y coque tienen un diámetro promedio de aproximadamente 500 pm.

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La mezcla se prensa simultáneamente con una placa de acero aligerada del tipo ilustrado en la figura 6, que consiste en un armazón perimétrico y un elemento en forma de placa con aberturas de aligeramiento cuadradas reforzadas con 3 elementos circulares colocados en correspondencia con las zonas contiguas del medio de accionamiento del sistema de frenado. Alrededor de un 50 % de las aberturas tienen un área de superficie de aproximadamente 5 mm2 y el resto de aproximadamente 10 mm2. El armazón tiene aproximadamente 5,5 mm de grueso, mientras que el elemento en forma de placa tiene alrededor de 1 mm de grueso.

La temperatura dentro del molde se mantiene en alrededor de 130 0C. La presión máxima aplicada durante el prensado es de aproximadamente 250 kg/cm2. Se contemplan tres ciclos consecutivos de aplicación y liberación de fuerza, cada uno con una duración de aproximadamente 30 segundos (15 segundos de aplicación y 15 segundos de liberación). Sigue una etapa final de aplicación continua de fuerza (sin liberación) durante aproximadamente 150 segundos. La etapa global de prensado requiere un período de aproximadamente 4 minutos.

Sigue una etapa de pirólisis en un horno isotérmico con un flujo de nitrógeno de aproximadamente 0,2 m3/h. El cuerpo preformado se calienta desde la temperatura ambiente (25 °C) hasta aproximadamente 550 °C a una velocidad de aproximadamente 5 °C/min y se mantiene a 550 °C durante aproximadamente 4 horas.

La pastilla de freno así obtenida tiene un grosor de 16,4 mm (incluyendo el grosor de la placa de acero que es de aproximadamente 5,5 mm) y un peso total de alrededor de 880 gramos, de los cuales 480 gramos son el peso de la porción de fricción de material de matriz cerámica y los 400 gramos restantes de la placa aligerada y la parte del material de fricción que ha llenado las aberturas del aligeramiento.

Una pastilla de freno tradicional de la misma forma y funcionalidad pesa alrededor de 1.180 gramos. La pastilla de freno de acuerdo con la invención ofrece, por lo tanto, una reducción de peso de alrededor de un 25 %.

Ejemplo 8

Mezclar 780 gramos de resina de ciclopentasiloxano Wacker-Belsil® RG100 y 20 gramos de acetilacetonato de cinc pulverizado en un mezclador de paletas horizontal durante aproximadamente 2 minutos. A continuación, añadir

1.200 gramos de SiC pulverizado clase FEPA F40 (diámetro promedio de 438 pm) y 1.300 gramos de SiC pulverizado clase FEPA F240 (diámetro promedio d50 de 44,5 pm). Continuar añadiendo 1.500 gramos de latón en polvo, 2.100 gramos de lana de acero, 1.000 gramos de silicio en polvo, 1.200 gramos de grafito en polvo y, por último, 900 gramos de sulfuro de estaño en polvo. La segunda etapa de mezclado se prolonga durante aproximadamente 4 minutos.

La composición global de la mezcla es como sigue (porcentajes expresados en peso con respecto a la mezcla): un 12 % de SiC F40 pulverizado; un 13 % de SiC F240 pulverizado; un 21 % de lana de acero; un 15 % de latón en polvo; un 10 % de silicio en polvo; un 12 % de grafito en polvo; un 9 % de sulfuro de estaño en polvo; un 7,8 % de resina silicónica; un 0,2 % de acetilacetonato de cinc.

Los polvos de latón y silicio tienen un diámetro promedio de aproximadamente 200 pm y aproximadamente 45 pm, respectivamente. La lana de acero tiene un diámetro promedio de aproximadamente 80 pm y una longitud promedio de aproximadamente 0,8 mm. Los polvos de grafito y sulfuro de estaño tienen un diámetro promedio de aproximadamente 750 pm y aproximadamente 90 pm, respectivamente.

La mezcla se prensa simultáneamente con un cuerpo de refuerzo de malla de aproximadamente 1 mm de grueso, similar al cuerpo en forma de placa con aberturas de aligeramiento ilustrado en la figura 3. Alrededor de un 50 % de

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las aberturas tienen un área de superficie de aproximadamente 5 mm2 y el resto de aproximadamente 10 mm2.

En mayor detalle, se usa una placa (o matriz), con una abertura pasante de doble sección: la primera tiene una sección perimétrica sustancialmente rectangular que corresponde a la forma que va a tomar la porción de fricción, mientras que la segunda tiene una sección perimétrica sustancialmente rectangular correspondiente a la forma que va a tomar la porción de soporte. La abertura tiene una profundidad de aproximadamente 8 cm y, en correspondencia con la primera sección, un área de superficie de alrededor de 145 cm2.

Sigue una etapa de pirólisis en un horno isotérmico con un flujo de nitrógeno de aproximadamente 0,2 m3/h. El cuerpo preformado se calienta desde la temperatura ambiente (25 °C) hasta aproximadamente 450 °C a una velocidad de aproximadamente 5 °C/min y se mantiene a 450 °C durante aproximadamente 4 horas y 30 minutos.

La pastilla de freno así obtenida tiene un grosor de 16,40 mm (incluyendo el grosor del refuerzo que es de aproximadamente 1 mm) y un peso total de alrededor de 760 gramos, de los cuales 480 gramos son el peso de la porción de fricción de material de matriz cerámica y los 280 gramos restantes del elemento de refuerzo y la parte del material de fricción que ha llenado las aberturas de aligeramiento.

Una pastilla de freno tradicional de la misma forma y funcionalidad pesa alrededor de 1.180 gramos. La pastilla de freno de acuerdo con la invención ofrece, por lo tanto, una reducción de peso de alrededor de un 35,6 %.

Ejemplo 9

La operación se inicia bloqueando el extremo inferior de la abertura pasante, usando la cabeza del punzón de la que está provista la prensa. La cantidad de mezcla se define en función del grosor final de la pastilla de freno, teniendo en cuenta que después del prensado hay una reducción de volumen de aproximadamente 2/3. A continuación, la

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abertura se llena con la mezcla y el extremo superior se cierra con el elemento de cierre especial con el que está provisto el dispositivo de prensado.

La pastilla de freno así obtenida tiene un grosor de 16,4 mm (incluyendo el grosor del refuerzo que es de aproximadamente 1 mm) y un peso total de aproximadamente 720 gramos, de los cuales 480 gramos son el peso de la porción de fricción y los 240 gramos restantes de la porción de soporte.

Una pastilla de freno tradicional de la misma forma y funcionalidad pesa alrededor de 1.180 gramos. La pastilla de freno de acuerdo con la invención ofrece, por lo tanto, una reducción de peso de alrededor de un 39 %.

Ejemplo 10

Los polvos de cobre y silicio tienen un diámetro promedio de aproximadamente 150 pm y aproximadamente 40 pm, respectivamente. La lana de acero tiene un diámetro promedio de aproximadamente 50 pm y una longitud promedio de aproximadamente 0,4 mm. El polvo de grafito tiene un diámetro promedio de aproximadamente 300 pm.

La mezcla se prensa simultáneamente con una placa de acero aligerada que consiste en un armazón perimétrico del tipo ilustrado en la figura 3. El armazón tiene alrededor de 5,5 mm de grueso y delimita una única abertura de aligeramiento central.

La operación se inicia bloqueando el extremo inferior de la abertura pasante, usando la cabeza del punzón de la que está provista la prensa. A continuación, la abertura se llena con la mezcla y el extremo superior se cierra con la placa de acero aligerada descrita anteriormente y otro elemento de cierre con el que está provisto el sistema de prensado. La cantidad de mezcla se define en función del grosor final de la pastilla de freno, teniendo en cuenta que después del prensado hay una reducción de volumen de aproximadamente 2/3. Después de posicionar la placa apropiadamente, se lleva a cabo el prensado activando el punzón.

La temperatura dentro del molde se mantiene en alrededor de 120 0C. La presión máxima aplicada durante el prensado es de alrededor de 300 kg/cm2. Se contemplan tres ciclos consecutivos de aplicación y liberación de fuerza, cada uno con una duración de aproximadamente 30 segundos (15 segundos de aplicación y 15 segundos de liberación). Sigue una etapa final de aplicación continua de fuerza (sin liberación) durante aproximadamente 90

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segundos. La etapa global de prensado requiere un período de aproximadamente 3 minutos.

La pastilla de freno así obtenida tiene un grosor de 16,4 mm (incluyendo el grosor del armazón que es de aproximadamente 5,5 mm) y un peso total de aproximadamente 820 gramos, de los cuales 480 gramos son el peso de la porción de fricción de material de matriz cerámica y los restantes 340 gramos del armazón y la parte del material de fricción que llena la única apertura de aligeramiento central.

Una pastilla de freno tradicional de la misma forma y funcionalidad pesa alrededor de 1.180 gramos. La pastilla de freno de acuerdo con la invención ofrece, por lo tanto, una reducción de peso de alrededor de un 30,5 %.

Al finalizar la etapa de prensado, todos los materiales de matriz cerámica obtenidos siguiendo los ejemplos de 1 a 3 y de 4 a 6 demostraron tal consistencia excelente como para facilitar la consecución de buenos detalles (por ejemplo, bordes afilados de la pastilla de freno) y la manipulación sin dificultades particulares. Al finalizar la etapa de pirólisis, los materiales presentaron buenas propiedades de resistencia mecánica (módulo de resistencia mecánica entre 12 y 18 MPa, módulo elástico entre 5 y 10 GPa). La densidad promedio de los materiales estaba entre 2,9 y 3,2 g/cm3. El grado promedio de ceramización se evaluó en aproximadamente un 70 %.

Se llevaron a cabo pruebas de frenado en las pastillas de freno fabricadas de acuerdo con la invención con vistas a evaluar las prestaciones en términos de coeficiente de fricción, de estabilidad de coeficientes en función del número de aplicaciones de freno y de resistencia al desgaste.

Las pruebas consistieron en someter las muestras a una serie de 50 operaciones de frenado.

Las pruebas se llevaron a cabo usando sistemas de frenado provistos de discos tanto de hierro fundido como de material cerámico compuesto (MCC).

Las pruebas no mostraron diferencias importantes en el comportamiento entre la aplicación con discos de hierro fundido y la aplicación con discos de MCC.

Las pruebas revelaron en general un coeficiente de fricción promedio de aproximadamente 0,45 desde la quinta a la trigésima aplicación de los frenos. El valor es bastante variable, con un mínimo de aproximadamente 0,42 y un máximo de aproximadamente 0,48. Después de la trigésima aplicación de los frenos, el coeficiente de fricción disminuyó ligeramente, estableciéndose en un valor promedio de aproximadamente 0,42. Para cada aplicación de los frenos hubo un desgaste promedio de aproximadamente 0,005 mm.

El gráfico de la figura 16 (número de aplicaciones de freno en la abscisa y valor de coeficiente de fricción en la ordenada) se refiere a pruebas llevadas a cabo en un sistema con disco de hierro fundido y una pastilla de freno cuyo componente de fricción está en el material de matriz cerámica del ejemplo 1 anterior.

Por lo tanto, la presente invención reduce considerablemente el peso de las pastillas de freno para sistemas de frenado, en particular para sistemas de freno de disco, con al menos la porción de fricción de material de matriz cerámica, sin comprometer la resistencia mecánica.

Por lo tanto, la presente invención reduce considerablemente el tiempo de trabajo para la producción de un componente de fricción de material de matriz cerámica: desde un tiempo global promedio de aproximadamente 6080 horas (sin considerar el montaje con el soporte metálico) hasta un tiempo promedio de aproximadamente 8-12 horas.

El material de fricción de matriz cerámica fabricado con el método propuesto en la invención ofrece prestaciones, en términos de coeficiente de fricción y resistencia al desgaste, que son al menos equivalentes, si no superiores, a las de los materiales de fricción de matriz cerámica tradicionales. El coeficiente de fricción encontrado en los materiales de la invención es, de hecho, en promedio 0,42-0,45 frente a los valores de los materiales tradicionales, que son aproximadamente de 0,35-0,4.

Consideraciones análogas son válidas con respecto a la resistencia al desgaste. En los materiales de la invención, los valores de desgaste promedio son de aproximadamente 0,005 mm/aplicación de freno, frente a los valores de los materiales tradicionales que son aproximadamente de 0,015-0,020.

Las pruebas de frenado evidenciaron además, que las pastillas de freno de acuerdo con las diversas formas de

implementación de la presente invención tienen una resistencia apropiada frente a los esfuerzos mecánicos generados por los accionadores del sistema de frenado y la transmisión de la potencia de frenado.

El método de acuerdo con la invención permite asimismo la simplificación de la producción de pastillas de freno y 5 placas de soporte de metal eliminando la etapa específica del montaje final del componente de fricción de material de matriz cerámica y de la placa de soporte de metal.

Así concebida, la invención ha logrado sus objetivos iniciales.

Claims

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

REIVINDICACIONES

1. Pastilla de freno para sistemas de frenado, en particular para frenos de disco, que comprende una porción de fricción (10) tribológicamente activa y una porción de soporte mecánico (20) destinadas para cooperar con medios de accionamiento de un sistema de frenado, estando fabricada al menos dicha porción de fricción (10) a partir de un material de matriz cerámica obtenido a través de un proceso que comprende las siguientes etapas operativas:

- preparar una mezcla de al menos un precursor cerámico de tipo silicónico, de partículas de materiales duros adecuados como abrasivos, de partículas de sustancias adecuadas como lubricantes y partículas de materiales metálicos, en la que la mezcla consiste en: precursor cerámico y catalizador entre un 5 y un 10 % en peso; abrasivos entre un 20 % y un 30 % en peso; materiales metálicos no mayor a un 60 % en peso; lubricantes no mayor a un 50 % en peso;

- termoprensar la mezcla para obtener un cuerpo preformado;

- someter dicho cuerpo preformado a un proceso de pirólisis a fin de lograr la ceramización del aglutinante precerámico, obteniendo así dicho material de matriz cerámica;

comprendiendo dicha mezcla un catalizador adecuado para favorecer la reticulación de dicho precursor cerámico durante dicha etapa de termoprensado y llevándose a cabo dicha etapa de pirólisis a temperaturas por debajo de 800 2C.
2. Pastilla de freno de acuerdo con la reivindicación 1, en la que dicho proceso de pirólisis se lleva a cabo alcanzando temperaturas máximas de entre 400 y 600 °C.
3. Pastilla de freno de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, en la que dicha etapa de prensado se lleva a cabo a temperaturas de entre 120 °C y 150 °C y/o dicha etapa de prensado se lleva a cabo a presiones de entre 250 y 500 kg/cm2.
4. Pastilla de freno de acuerdo con una o más de las reivindicaciones previas, en la que dicha porción de soporte mecánico (20) se fabrica de dicho material de matriz cerámica, estando fabricada preferiblemente dicha porción de soporte mecánico (20) como una pieza con dicha porción de fricción (10).
5. Pastilla de freno de acuerdo con la reivindicación 4, que comprende un elemento de refuerzo con aberturas de aligeramiento, incorporado en dicha porción de soporte mecánico (20) o dispuesto en la superficie externa de esta porción (20), estando asociado preferiblemente dicho elemento de refuerzo con dicha porción de soporte mecánico (20) para prensar conjuntamente durante dicha etapa de termoprensado.
6. Pastilla de freno de acuerdo con una o más de las reivindicaciones de la 1 a la 3, en la que dicha porción de soporte mecánico (20) consiste en una placa de soporte 21, provista de una o más aberturas de aligeramiento (25, 26) y asociada con dicha porción de fricción (10), estando fabricadas preferiblemente dichas una o más aberturas de aligeramiento (25, 26) en la porción de dicha placa de soporte (21) destinada para acoplarse con dicha porción de fricción (10).
7. Pastilla de freno de acuerdo con la reivindicación 6, en la que dicha placa de soporte (21) comprende un armazón perimétrico (22) que delimita internamente un espacio vacío (26), comprendiendo preferiblemente dicha placa de soporte (21) un elemento en forma de placa (23) adecuado para cerrar el espacio vacío (26) de dicho armazón perimétrico (22) y en correspondencia con lo cual se fabrican dichas aberturas de aligeramiento (25).
8. Pastilla de freno de acuerdo con la reivindicación 6 o 7, en la que dicha placa de soporte (20) es de metal, preferiblemente de acero, o de material no metálico, preferiblemente de un compuesto basado en óxidos de baja conductividad térmica.
9. Pastilla de freno de acuerdo con una o más de las reivindicaciones de la 1 a la 3, en la que dicha porción de soporte mecánico (20) consiste en una placa de soporte (21) de material no metálico, asociada con dicha porción de fricción (10).
10. Pastilla de freno de acuerdo con una o más de las reivindicaciones de la 6 a la 9, en la que dicha porción de fricción (10) está asociada con dicha placa de soporte (21) prensando simultáneamente durante dicha etapa de termoprensado o posteriormente a dicha etapa de pirólisis.
11. Pastilla de freno de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones previas, en la que dicho al menos un precursor cerámico se selecciona de los polisiloxanos, y preferiblemente de los sesquisiloxanos.
12. Pastilla de freno de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones previas, en la que dichas partículas abrasivas están presentes como polvos de dos tamaños de partícula diferentes, estando la proporción de los diámetros

promedios de los dos polvos entre 9 y 11, teniendo preferiblemente los polvos abrasivos en dichos dos tamaños de partícula diferentes un diámetro promedio de entre 1 pm y 600 pm.
13. Pastilla de freno de acuerdo con la reivindicación 12, en la que la proporción en peso entre el polvo abrasivo de 5 mayor tamaño de partícula y el polvo de menor tamaño de partícula está entre 0,8 y 1,8.
14. Pastilla de freno de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones previas, en la que el grafito está presente en un porcentaje de entre un 9 % y un 13 % en peso de dicha mezcla.