IT201800020773A1 - Metodo per realizzare un disco freno e disco freno per freni a disco - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE
CAMPO DI APPLICAZIONE
La presente invenzione riguarda un metodo per realizzare un disco freno e un disco freno per freni a disco.
STATO DELLA TECNICA
Un disco freno di un impianto frenante a disco di un veicolo comprende una struttura anulare, o fascia di frenatura, e un elemento di fissaggio centrale, noto come campana, tramite il quale il disco è fissato alla parte rotante di una sospensione di un veicolo, ad esempio un mozzo. La fascia di frenatura è munita di superfici di frenatura contrapposte adatte a cooperare con elementi di attrito (pastiglie freno), alloggiate in almeno un corpo pinza posto a cavaliere di tale fascia di frenatura e solidale ad un componente non rotante della sospensione del veicolo. La comandata interazione tra le opposte pastiglie freno e le contrapposte superfici di frenatura della fascia frenante determinano per attrito un’azione di frenatura che permette la decelerazione o arresto del veicolo. Generalmente, il disco freno è realizzato in ghisa grigia o in acciaio. Questo materiale consente, infatti, di ottenere buone prestazioni frenanti (soprattutto in termini di contenimento dell’usura) a costi relativamente contenuti. Dischi realizzati in carbonio o in materiali carbo-ceramici offrono prestazioni decisamente superiori, ma a costi molto più elevati.
I limiti dei dischi tradizionali, in ghisa o acciaio, sono legati all’eccessiva usura. Per quanto riguarda i dischi in ghisa grigia un altro aspetto molto negativo è legato all’eccessiva ossidazione superficiale, con conseguente formazione di ruggine. Questo aspetto impatta sia sulle prestazioni del disco freno, sia sul suo aspetto, in quanto la ruggine sul disco freno è esteticamente inaccettabile dall’utilizzatore. Si è cercato di affrontare tali problemi realizzando i dischi in ghisa grigia o acciaio con un rivestimento protettivo. Il rivestimento protettivo serve da un lato a ridurre l’usura del disco, e dall’altro a proteggere la base di ghisa grigia dall’ossidazione superficiale, evitando in tal modo la formazione di uno strato di ruggine. I rivestimenti protettivi ad oggi disponibili e applicati su dischi, pur offrendo resistenza all’usura, sono però soggetti a sfogliamenti che ne determinano il distacco dal disco stesso.
I rivestimenti protettivi ad oggi disponibili e applicati su dischi in ghisa grigia o acciaio, pur offrendo resistenza all’usura, sono però soggetti a sfogliamenti che ne determinano il distacco dal disco stesso.
Un rivestimento protettivo di questo tipo è descritto ad esempio nel brevetto US4715486, relativo ad un freno a disco a bassa usura. Il disco, realizzato in particolare in ghisa, ha un rivestimento realizzato con un materiale particellare depositato sul disco con tecnica ad impatto ad elevata energia cinetica. In accordo ad una prima forma realizzativa il rivestimento contiene dal 20% al 30% di carburo di tungsteno, il 5% di nichel e la restante parte di una miscela di carburi di cromo e tungsteno. In accordo ad una seconda forma realizzativa il rivestimento contiene dall’80% al 90% di carburo di tungsteno, fino al 10% di cobalto, fino al 5% di cromo e fino al 5% di carbonio.
Nel caso di applicazione del rivestimento con tecniche di thermal spray una causa del distaccamento dei tradizionali rivestimenti protettivi da dischi in ghisa grigia o acciaio è la presenza di carbonio libero nel rivestimento protettivo. Il carbonio tende, infatti, a bruciare, combinandosi con l’ossigeno inglobato nel rivestimento protettivo in via di formazione. Ciò porta alla formazione di microbolle all’interno del rivestimento, le quali possono impedire una adeguata adesione del rivestimento sul disco, favorendone il distacco.
Da quanto sopra esposto risulta evidente che i dischi in ghisa grigia o acciaio dotati di rivestimenti protettivi non sono attualmente utilizzabili nel settore dei sistemi frenanti.
Tenuto conto dei vantaggi in termini di resistenza all’usura garantiti dai rivestimenti protettivi, è tuttavia molto sentita nel settore l’esigenza di risolvere gli inconvenienti citati in riferimento all’arte nota. In particolare è sentita l’esigenza di disporre di dischi in ghisa grigia o acciaio dotati di rivestimenti protettivi che siano in grado di aumentare la resistenza all’usura del disco e siano al contempo resistenti nel tempo.
Una soluzione ai suddetti problemi è stata proposta dalla stessa richiedente nella domanda internazionale WO2014/097187 per quanto concerne i dischi in ghisa grigia o acciaio.
Nel caso di dischi in ghisa grigia o acciaio, essa consiste nel realizzare sulle superfici di frenatura di un disco freno un rivestimento protettivo ottenuto deponendo un materiale in forma particellare costituito dall’70 al 95% in peso di carburo di tungsteno, dall’5% al 15% in peso di cobalto e dal 1% al 10% in peso di cromo. La deposizione del materiale in forma particellare è ottenuta con tecnica HVOF (High Velocity Oxygen Fuel), o con tecnica HVAF (High Velocity Air Fuel) o con tecnica KM (Kinetic Metallization).
Più in dettaglio, secondo la soluzione offerta in WO2014/097187 la combinazione della tecnica di deposizione HVOF, HVAF o KM e dei componenti chimici utilizzati per la formazione del rivestimento consente di ottenere un rivestimento protettivo dotato di elevata forza di legame, che garantisce un elevato grado di ancoraggio sulla ghisa grigia o sull’acciaio. Il materiale particellare utilizzato non contiene carbonio libero (C), neppure in forma di tracce. Ciò consente di ridurre significativamente i fenomeni di sfogliamento del rivestimento protettivo.
L’adozione della soluzione offerta in WO2014/097187 per i dischi in ghisa grigia o acciaio o in WO2014/097186 per i dischi in alluminio o lega di alluminio consente di ridurre significativamente i fenomeni di sfogliamento del rivestimento protettivo registrati nella tecnica nota precedente, ma non di eliminarli completamente. Infatti, anche nei dischi in alluminio o lega di alluminio o in ghisa grigia o acciaio dotati di un rivestimento protettivo realizzato secondo WO2014/097186 o WO2014/097187, continuano a verificarsi – sebbene con minore frequenza rispetto alla tecnica nota precedente – sfogliamenti e cedimenti del rivestimento protettivo.
Una soluzione parziale al problema degli sfogliamenti e cedimenti del rivestimento protettivo è stata offerta dalla stessa richiedente nella domanda internazionale WO2017046681A1. In particolare, tale soluzione prevede di realizzare tra il rivestimento protettivo e le superfici di frenatura un rivestimento protettivo di base costituito da 65 % a 95% di carburo di cromo (Cr3C2) e per il restante da Nickel-Cromo (NiCr). Il rivestimento protettivo superficiale, realizzato sopra al rivestimento protettivo di base, è costituito dall’80 al 90% in peso di carburo di tungsteno (WC) e dal restante da cobalto (Co). La deposizione del materiale in forma particellare per entrambi i rivestimenti protettivi è ottenuta con tecnica HVOF (High Velocity Oxygen Fuel), o con tecnica HVAF (High Velocity Air Fuel) o con tecnica KM (Kinetic Metallization. Tale soluzione viene applicata in particolare su dischi in ghisa grigia o in acciaio.
Rispetto allo stato della tecnica nota precedente, la soluzione tecnica offerta da WO2017046681A1 offre significativi miglioramenti in termini di riduzione di fenomeni di cedimento e sfogliamento dei rivestimenti protettivi. I risultati ottenibili non sono tuttavia completamente soddisfacenti.
Nel settore di riferimento continua dunque a sussistere l’esigenza di disporre di dischi in ghisa grigia o acciaio dotati di rivestimenti protettivi che non siano soggetti a sfogliamenti o lo siano in misura molto minore rispetto alle soluzioni attualmente note, così da garantire nel tempo una resistenza all’usura.
PRESENTAZIONE DELL'INVENZIONE
L’esigenza di disporre di dischi dotati di rivestimenti protettivi che non siano soggetti a sfogliamenti o lo siano in misura molto minore rispetto alle soluzioni attualmente note, così da garantire nel tempo una resistenza all’usura, è soddisfatta da un metodo per realizzare un disco freno in accordo con la rivendicazione 1 e da un disco freno per freni a disco secondo la rivendicazione 14.
DESCRIZIONE DEI DISEGNI
Ulteriori caratteristiche ed i vantaggi della presente invenzione risulteranno maggiormente comprensibili dalla descrizione di seguito riportata di suoi esempi preferiti e non limitativi di realizzazione, in cui: - la Figura 1 mostra una vista in pianta dall’alto di un freno a disco in accordo ad una forma realizzativa della presente invenzione;
- la figura 2 mostra una vista in sezione del disco di Figura 1 secondo la linea di sezione II-II ivi indicata, in cui la fascia di frenatura è stata illustrata schematicamente, senza rispettare le reali proporzioni degli strati di rivestimento e del profilo rugoso, al fine di rendere graficamente apprezzabili le loro caratteristiche; e
- la Figura 3 mostra un dettaglio ingrandito della Figura 2, relativo ad una porzione della fascia di frenatura indicato nel riquadro ivi riportato.
Gli elementi o parti di elementi in comune tra le forme di realizzazione descritte nel seguito saranno indicati con medesimi riferimenti numerici.
DESCRIZIONE DETTAGLIATA
Con riferimento alle suddette figure, con 1 si è globalmente indicato un disco freno secondo la presente invenzione.
In accordo ad una soluzione realizzativa generale dell’invenzione, illustrata nelle Figure allegate, il disco freno 1 comprende una fascia di frenatura 2, dotata di due superfici di frenatura contrapposte 2a e 2b, ciascuna delle quali definisce almeno parzialmente una delle due facce principali del disco.
La fascia di frenatura 2 è costituita da un metallo base scelto tra ghisa grigia o acciaio. Preferibilmente, la fascia di frenatura è in ghisa grigia. In particolare, tutto il disco è in ghisa grigia. Nel seguito della descrizione si farà quindi riferimento ad un disco in ghisa grigia, senza tuttavia escludere la possibilità che sia in acciaio.
Il disco 1 è dotato di:
- un rivestimento protettivo di base 30 che copre almeno una delle due superfici di frenatura della fascia di frenatura; e
- un rivestimento protettivo superficiale 3 che copre almeno una delle due superfici di frenatura della fascia di frenatura ed è realizzato a copertura del suddetto rivestimento protettivo di base 30.
Il rivestimento protettivo di base 30 è costituito da carburo di cromo (Cr3C2) e Nickel-Cromo (NiCr), oppure da Nickel-Cromo (NiCr), Ferro (Fe), Molibdeno (Mo), Cobalto (Co), Manganese (Mn) e Alluminio (Al), ed è ottenuto per deposizione sul disco 1 con tecnica di deposizione per spruzzatura, preferibilmente con tecnica HVOF (High Velocity Oxygen Fuel), o con tecnica HVAF (High Velocity Air Fuel) o con tecnica KM (Kinetic Metallization) dei componenti del rivestimento in forma particellare.
Il rivestimento protettivo superficiale 3 è costituito da carburo di tungsteno (WC), ferro (Fe), cromo (Cr) e alluminio (Al) ed è ottenuto depositando sul rivestimento protettivo di base 30 carburo di tungsteno (WC), ferro (Fe), cromo (Cr) e alluminio (Al) in forma particellare con tecnica di deposizione per spruzzatura, preferibilmente con tecnica HVOF (High Velocity Oxygen Fuel), o con tecnica HVAF (High Velocity Air Fuel) o con tecnica KM (Kinetic Metallization).
Secondo l’invenzione, come illustrato schematicamente nelle figure 2 e 3, la superficie di frenatura rivestita dal suddetto rivestimento protettivo di base 3 è definita da uno strato 300 nitrocarburato del metallo base (ghisa grigia o acciaio) ed ha un profilo rugoso in sezione radiale o circonferenziale rispetto al centro della fascia di frenatura.
Lo strato protettivo di base 30 è quindi aggrappato non direttamente sul metallo base che forma la fascia di frenatura, ma sul suddetto strato nitrocarburato 300 di tale metallo base.
In particolare, il suddetto profilo rugoso è definito da una pluralità di protuberanze 20 che si estendono ortogonalmente alla superficie con un’altezza compresa tra 30 e 200 µm e sono distanziate una rispetto all’altra – in direzione radiale o circonferenziale rispetto al centro della fascia di frenatura – con un passo compreso tra 300 e 2000 µm. Preferibilmente, le suddette protuberanze sono distribuite secondo un pattern regolare sulla superficie di frenatura del disco 1. Si può tuttavia anche prevedere una distribuzione secondo un pattern irregolare.
Vantaggiosamente, come illustrato schematicamente nella Figura 3, le suddette protuberanze 20 presentano un angolo di sottosquadro α rispetto alla direzione ortogonale alla superficie da cui si estendono. Preferibilmente, il suddetto angolo di sottosquadro α è compreso tra 2° e 15°.
In accordo ad una forma realizzativa alternativa, il suddetto profilo rugoso può presentare una rugosità Ra tra 0,8 e 2 se ottenuto per tornitura, oppure una rugosità Rz tra 10 e 80 se ottenuto per sabbiatura.
Preferibilmente, il suddetto strato nitrocarburato 300 è ottenuto tramite un trattamento di nitrocarburazione ferritica del metallo base.
In accordo ad una forma realizzativa preferita, lo strato nitrocarburato 300 ha una profondità compresa tra 2 e 30 µm e valori di durezza superiori a 300 HV in microdurezza.
In accordo ad una forma realizzativa particolarmente preferita, il suddetto strato nitrocarburato 300 comprende uno strato sommitale ossidato 330 comprendente magnetite Fe3O4 che funge da interfaccia con il suddetto strato protettivo di base 30.
Preferibilmente, il suddetto strato sommitale ossidato 330 comprendente magnetite Fe3O4 ha uno spessore compreso tra 2 e 10 µm.
Preferibilmente, il rivestimento protettivo di base (30) è costituito:
- da 65 % a 95% di carburo di cromo (Cr3C2) e per il restante da Nickel-Cromo (NiCr) oppure
- da Nickel-Cromo (NiCr) con contenuto in peso di Nickel (Ni) dal 40% a 75% e con contenuto in peso di Cromo (Cr) dal 14% al 30%, e per il restante da Ferro (Fe), Molibdeno (Mo), Cobalto (Co), Manganese (Mn) e Alluminio (Al).
In particolare, il rivestimento protettivo di base 30 può avere le seguenti composizioni:
- 93% in peso di carburo di cromo (Cr3C2) e da 7% Nickel-Cromo (NiCr);
- da 90% in peso di carburo di cromo (Cr3C2) e da 10% Nickel-Cromo (NiCr);
- da 75% in peso di carburo di cromo (Cr3C2) e da 25% Nickel-Cromo (NiCr); oppure
- da 65% in peso di carburo di cromo (Cr3C2) e da 35% Nickel-Cromo (NiCr).
Preferibilmente, il rivestimento protettivo di base 30 è costituito da 75% in peso di carburo di cromo (Cr3C2) e da 25% Nickel-Cromo (NiCr). In particolare, il Nickel-Cromo (NiCr) è costituito da 80% di Nickel e da 20% di Cromo.
Preferibilmente, il rivestimento protettivo superficiale 3 è costituito dal 75% all’87% in peso di carburo di tungsteno (WC) e per il restante da ferro (Fe), cromo (Cr) e alluminio (Al). Ancora più preferibilmente, il rivestimento protettivo superficiale 3 è costituito dal 85% in peso di carburo di tungsteno (WC) e dal 15% in peso di ferro (Fe), cromo (Cr) e alluminio (Al).
Vantaggiosamente, il rivestimento protettivo di base 30 ha uno spessore compreso tra 20 μm e 80 μm, e preferibilmente pari a 50 μm, mentre il rivestimento protettivo superficiale 3 ha uno spessore compreso tra 20 μm e 90 μm, e preferibilmente pari a 60 μm. Lo spessore dei due rivestimenti protettivi 3 e 30 è calcolato in relazione alle porzioni di rivestimento sovrastanti lo stato rugoso. Si tratta quindi di valori di spessore minimi, che non tengono conto dello spessore di rivestimento eventualmente destinato a riempire gli avvallamenti / fosse della rugosità.
Nel loro complesso, come illustrato schematicamente nella Figura 3, i due rivestimenti protettivi 3 e 30 riempiono completamente la rugosità della superficie di frenatura e si sviluppano sopra il profilo rugoso con strati aventi spessori preferibilmente all’interno degli intervalli sopra specificati.
Si è potuto verificare che sorprendentemente la presenza del suddetto strato nitrocarburato 300 all’interfaccia tra metallo base non modificato e rivestimento protettivo di base 30 consente di ridurre significativamente, se non di annullare completamente, l’insorgere di fenomeni di sfogliamento dei rivestimenti, rispetto a dischi freno dotati di analoghi rivestimenti protettivi ma senza strato nitrocarburato.
Una possibile spiegazione tecnica, alla quale tuttavia non ci si vuole limitare, è basata sul fatto che diversamente dai tradizionali rivestimenti protettivi lo strato nitrocarburato protegge dalla corrosione il metallo base senza tuttavia essere costituito da uno strato di materiale riportato sul metallo base stesso. In altre parole, tra metallo base non modificato e strato nitrocarburato 300 non è presente una superficie netta di separazione. Lo strato nitrocarburato è infatti uno strato del metallo base morfologicamente e chimicamente modificato tramite un processo di nitrocarburazione. Il passaggio da metallo base non modificato a metallo nitrocarburato potrebbe quindi essere progressivo.
Da questo punto di vista, il profilo rugoso della superficie di frenatura, in corrispondenza della quale è realizzato lo strato nitrocarburato 300, accentua ulteriormente l’irregolarità nel passaggio da metallo nitrocarburato a metallo base non modificato, potenziando gli effetti positivi.
Il profilo rugoso della superficie di frenatura, in corrispondenza della quale è realizzato lo strato nitrocarburato 300, facilita inoltre l’adesione meccanica dello strato protettivo di base 30 allo strato nitrocarburato.
Si è inoltre verificato sperimentalmente che la presenza dello strato nitrocarburato 300 non influenza la performance del rivestimento protettivo superficiale 3 in termini sia di resistenza all’usura, sia di comportamento tribologico (attrito, fading, rodaggio) in condizioni ambientali normali.
Si è infine verificato sperimentalmente che la presenza dello strato nitrocarburato 300 migliora la resistenza in presenza di sollecitazioni ambientali (shock termici e attacchi salini).
L’azione anticorrosiva offerta dallo strato nitrocarburato è accentuata nel caso preferito in cui lo strato nitorcaburato 300 comprenda uno strato sommitale ossidato 330 comprendente magnetite Fe3O4. Tale azione anticorrosiva è in ogni caso ulteriormente potenziata dalla presenza dello strato di rivestimento di base 30. Grazie alla composizione di tale rivestimento protettivo di base 30 (Cr3C2 e NiCr, oppure NiCr, Fe, Mo, Co, Mn e Al) e alla modalità di deposizione, anche tale rivestimento 30 svolge un’azione anticorrosiva sulla superficie di frenatura del disco.
L’azione anticorrosiva va a beneficio dell’integrità e dell’adesione al disco del rivestimento protettivo superficiale 3.
Il rivestimento protettivo di base 30 svolge anche una funzione meccanica di “ammortizzazione” per il rivestimento protettivo superficiale 3 (antiusura). Il rivestimento protettivo di base 30 formato da Cr3C2 e NiCr, oppure da NiCr, Fe, Mo, Co, Mn e Al presenta, infatti, un grado di duttilità superiore rispetto al rivestimento protettivo superficiale 3 formato da carburo di tungsteno, ferro, cromo e alluminio. Ciò conferisce allo strato di base 30 un comportamento elastico che consente di attenuare – almeno in parte – le sollecitazioni impresse al disco quando in uso. Il rivestimento protettivo di base 30 opera, quindi, come una sorta di ammortizzatore o cuscinetto tra il disco e il rivestimento protettivo superficiale 3. In questo modo, si evita una trasmissione diretta delle sollecitazioni tra le due parti, riducendo quindi il rischio di innesco di cricche nel rivestimento protettivo superficiale 3.
Per quanto concerne la funzione antiusura, il rivestimento protettivo superficiale 3 non risulta influenzato né dalla presenza del rivestimento protettivo di base 30, né dalla presenza dello strato nitrocarburato 300 (eventualmente con strato sommitale ossidato 330).
Per semplicità di trattazione, il disco freno 1 verrà ora descritto contestualmente al metodo secondo la presente invenzione.
Il disco freno 1 è realizzato preferibilmente, ma non necessariamente, con il metodo secondo l’invenzione che verrà ora descritto.
In accordo ad una forma generale di implementazione del metodo secondo l’invenzione, il metodo comprende le seguenti fasi operative:
fase a): predisporre un disco freno, comprendente una fascia di frenatura 2 dotata di due superfici di frenatura contrapposte 2a, 2b, ciascuna delle quali definisce almeno parzialmente una delle due facce principali del disco, la fascia di frenatura essendo realizzata in ghisa grigia o acciaio;
fase b): sottoporre almeno una di dette superfici di frenatura 2a o 2b ad una lavorazione atta ad aumentarne la rugosità superficiale;
fase c): nitrocarburare la superficie di frenatura con aumentata rugosità superficiale ottenendo su tale superficie uno strato superficiale nitrocarburato 300;
fase d): depositare sopra lo strato superficiale nitrocarburato 300 un materiale in forma particellare costituito da:
- carburo di cromo (Cr3C2) e Nickel-Cromo (NiCr), oppure
- Nickel-Cromo (NiCr), Ferro (Fe), Molibdeno (Mo), Cobalto (Co), Manganese (Mn) e Alluminio (Al),
con tecnica di deposizione per spruzzatura, preferibilmente con tecnica HVOF (High Velocity Oxygen Fuel), o con tecnica HVAF (High Velocity Air Fuel) o con tecnica KM (Kinetic Metallization), formando un rivestimento protettivo di base 30 che copre almeno una delle due superfici di frenatura della fascia di frenatura con l’interposizione di detto strato nitrocarburato 300; e
fase e): depositare sopra il rivestimento protettivo di base 30 un materiale in forma particellare costituito da carburo di tungsteno (WC), ferro (Fe), cromo (Cr) e alluminio (Al), con tecnica di deposizione per spruzzatura, preferibilmente con tecnica HVOF (High Velocity Oxygen Fuel), o con tecnica HVAF (High Velocity Air Fuel) o con tecnica KM (Kinetic Metallization), formando un rivestimento protettivo superficiale 3 che è costituito da carburo di tungsteno (WC) e da ferro (Fe), cromo (Cr) e alluminio (Al) e che copre almeno una delle due superfici di frenatura della fascia di frenatura.
Preferibilmente, la lavorazione effettuata nella fase b) può essere condotta per generare sulla suddetta superficie un profilo rugoso definito da una pluralità di protuberanze 20 che si estendono ortogonalmente alla superficie con un’altezza h compresa tra 30 e 200 µm e sono distanziate una rispetto all’altra – in direzione radiale o circonferenziale rispetto al centro della fascia di frenatura – con un passo P compreso tra 300 e 2000 µm.
Vantaggiosamente, tali protuberanze 20 presentano un angolo di sottosquadro α rispetto alla direzione ortogonale alla superficie da cui si estendono. Preferibilmente tale angolo di sottosquadro α è compreso tra 2° e 15°, ancora più preferibilmente pari a 10°. La presenza dell’angolo di sottosquadro α aumenta la capacità di adesione meccanica del rivestimento protettivo di base 30 sullo strato nitrocarburato 300.
In particolare, la suddetta fase b) può essere effettuata con una lavorazione per asportazione di truciolo oppure per incisione laser oppure per deformazione plastica.
Vantaggiosamente, in alternativa la suddetta fase b) può essere effettuata con una lavorazione per tornitura fine con rugosità Ra tra 0,8 e 2.
Secondo un’ulteriore alternativa, la suddetta fase b) può essere effettuata con una lavorazione per sabbiatura con rugosità Rz tra 10 e 80.
Preferibilmente, la fase c) di nitrocarburare è ottenuta tramite un trattamento di nitrocarburazione ferritica.
Vantaggiosamente, la fase c) di nitrocarburare è condotta in modo tale che lo strato superficiale nitrocarburato 300 abbia una profondità compresa tra 2 e 30 µm e valori di durezza superiori a 300 HV in microdurezza.
In accordo ad una forma di implementazione preferita del metodo secondo l’invenzione, la fase c) di nitrocarburare è seguita da una fase f) di postossidazione dello strato nitrocarburato 300, condotta prima della fase d) di deposizione, per ottenere uno strato sommitale ossidato 330 comprendente magnetite Fe3O4.
Preferibilmente, lo strato sommitale ossidato 330 comprendente magnetite (Fe3O4) ha uno spessore compreso tra 2 e 10 µm.
La presenza dello strato sommitale ossidato 330 comprendente magnetite (Fe3O4) potenzia l’azione anticorrosiva dello strato nitrocarburato sul metallo base non modificato.
La nitrocarburazione è un processo di per sé ben noto ad un tecnico del settore, e non sarà quindi descritta nel dettaglio. In questa sede ci si limita a dare alcune informazioni generali di chiarimento.
La nitrocarburazione è un processo termochimico di indurimento superficiale condotto in fase ferritica a temperature relativamente contenute (550°C-580°C) ed in condizioni tali da ottenere una diffusione di azoto e carbonio nella zona superficiale del pezzo. In particolare, i mezzi adottati nell’implementare il processo di diffusione di azoto e carbonio sono: bagni salini; gas; plasma.
La nitrocarburazione con mezzo gassoso è preferita rispetto alla nitrocarburazione in bagno salino nel caso in cui si ricerchi un elevato grado di uniformità e pulizia (cavità cieche, gole, filetti ecc.).
Le temperature adottate nel processo di nitrocarburazione garantiscono il contenimento delle deformazioni.
In alternativa alla nitrocarburazione ferritica è possibile implementare una nitrocarburazione ionica. Quest’ultima differisce da quella ferritica essenzialmente per la temperatura che è di 570°C e dell'atmosfera che è costituita da ammoniaca e metano. Con il processo di nitrocarburazione ionica è possibile variare a piacimento, oltre la profondità, anche il tipo di costituente superficiale. È possibile quindi determinare la formazione degli strati (Fe4N) o (Fe2-3CxNy) nel caso di componenti (come ad esempio dischi freno) che devono resistere alla fatica e/o all'usura.
Preferibilmente, il materiale in forma particellare deposto nella fase d) di deposizione per realizzare il rivestimento protettivo di base 30 è costituito da 65 % a 95% di carburo di cromo (Cr3C2) e per il restante da Nickel-Cromo (NiCr).
In particolare, il materiale in forma particellare deposto nella fase b) di deposizione per realizzare il rivestimento protettivo di base 30 può avere le seguenti composizioni:
- 93% in peso di carburo di cromo (Cr3C2) e da 7% Nickel-Cromo (NiCr);
- da 90% in peso di carburo di cromo (Cr3C2) e da 10% Nickel-Cromo (NiCr);
- da 75% in peso di carburo di cromo (Cr3C2) e da 25% Nickel-Cromo (NiCr); oppure
- da 65% in peso di carburo di cromo (Cr3C2) e da 35% Nickel-Cromo (NiCr).
In accordo ad una forma realizzativa preferita, il materiale in forma particellare deposto nella fase d) di deposizione per realizzare il rivestimento protettivo di base 30 è costituito da 75% in peso di carburo di cromo (Cr3C2) e da 25% Nickel-Cromo (NiCr). In particolare, il Nickel-Cromo (NiCr) è costituito da 80% di Nickel e da 20% di Cromo.
In alternativa, il materiale in forma particellare deposto nella fase d) di deposizione per realizzare il rivestimento protettivo di base 30 è a base di Nickel-Cromo (NiCr), con contenuto in peso di Nickel (Ni) dal 40% a 75% e con contenuto in peso di Cromo (Cr) dal 14% al 30%, e per il restante da Ferro (Fe), Molibdeno (Mo), Cobalto (Co), Manganese (Mn) e Alluminio (Al).
Preferibilmente, il materiale in forma particellare deposto nella fase e) di deposizione per realizzare il rivestimento protettivo superficiale 3 è costituito dal 75% all’87% in peso di carburo di tungsteno (WC) e per il restante da ferro (Fe), cromo (Cr) e alluminio (Al). In particolare, il materiale in forma particellare deposto nella fase e) di deposizione per realizzare il rivestimento protettivo superficiale 3 è costituito dal 10% al 17% in peso di ferro (Fe), dal 2,5% al 5,8% in peso di cromo (Cr), dallo 0,6% al 2,2% in peso di alluminio (Al) e dal restante da carburo di tungsteno (WC).
In accordo ad una forma realizzativa preferita, il rivestimento protettivo superficiale 3 ottenuto è costituito dall’85% in peso di carburo di tungsteno (WC) e dal 15% in peso di ferro (Fe), cromo (Cr) e alluminio (Al).
Vantaggiosamente, il disco freno viene predisposto con una porzione atta al fissaggio del disco ad un veicolo, costituita da una porzione anulare 4 disposta centralmente al disco 1 e concentrica alla fascia di frenatura 2. La porzione di fissaggio 4 supporta l’elemento di connessione 5 al mozzo ruota (i.e. la campana). La campana può essere realizzata di pezzo con la porzione anulare di fissaggio (come illustrato nelle Figure allegate) oppure essere realizzata a parte e, quindi, fissata attraverso opportuni elementi di collegamento alla porzione di fissaggio.
La porzione anulare di fissaggio 4 può essere realizzata nello stesso materiale della fascia di frenatura, cioè in ghisa grigia, oppure in acciaio. Anche la campana 5 può essere realizzata in ghisa grigia oppure in un altro materiale adatto. In particolare, tutto il disco (i.e. fascia di frenatura, porzione di fissaggio e campana) può essere realizzato in ghisa grigia.
Preferibilmente, la fascia di frenatura 2 è realizzata per fusione. Analogamente, quando realizzate in ghisa grigia, la porzione di fissaggio e/o la campana possono essere realizzate per fusione.
La porzione anulare di fissaggio può essere realizzata in corpo unico con la fascia di frenatura (come illustrato nelle Figure allegate) oppure essere realizzata come un corpo a parte, meccanicamente collegato alla fascia di frenatura.
Vantaggiosamente, il materiale in forma particellare che viene depositato nella fase d) per formare il rivestimento protettivo di base 30 ha una granulometria delle particelle compresa tra 5 e 40 μm. La scelta di tale intervallo di valori consente di conferire al rivestimento caratteristiche elevate di densità e capacità di adesione allo strato nitrocarburato 300. Preferibilmente, il rivestimento protettivo di base 30 ha uno spessore compreso tra 20 μm e 80 μm, e preferibilmente pari a 50 μm. La scelta di tale intervallo di valori consente di ottenere un ottimo compromesso tra efficacia dell’azione protettiva antiossidante e la limitazione delle dilatazioni termiche sul rivestimento stesso. In altre parole: se lo spessore del rivestimento protettivo di base 30 fosse minore di 20 μm, non si avrebbe una sufficiente azione protettiva antiossidante. Uno spessore maggiore di 80 μm, d’altro canto, potrebbe portare nel tempo ad una imperfetta adesione dovuta alle dilatazioni termiche che si hanno durante il ciclo vita di un disco freno.
All’interno del suddetto intervallo di spessori il rivestimento protettivo di base 30 consente di esplicare il già citato effetto “ammortizzatore” che contribuisce a preservare l’integrità del rivestimento protettivo superficiale 3.
Vantaggiosamente, il materiale in forma particellare che viene depositato nella fase e) per formare il rivestimento protettivo superficiale 3 ha una granulometria delle particelle compresa tra 5 e 45 μm.
La scelta di tale intervallo di valori consente di conferire al rivestimento caratteristiche elevate di densità, durezza e limitata porosità.
Preferibilmente, il rivestimento protettivo superficiale 3 ha uno spessore compreso tra 30 μm e 90 μm, e preferibilmente pari a 60 μm. La scelta di tale intervallo di valori consente di ottenere un ottimo compromesso tra il consumo dello stato di rivestimento protettivo e la limitazione delle dilatazioni termiche sul rivestimento stesso. In altre parole, se lo spessore del rivestimento protettivo fosse minore di 20 μm, in caso d’usura, si avrebbe la sua totale rimozione in un tempo eccessivamente breve. Uno spessore maggiore di 90 μm, d’altro canto, potrebbe portare nel tempo ad una imperfetta adesione dovuta alle dilatazioni termiche che si hanno durante il ciclo vita di un disco freno.
Come già specificato in precedenza, lo spessore dei due rivestimenti protettivi 3 e 30 è calcolato in relazione alle porzioni di rivestimento sovrastanti lo stato rugoso. Si tratta quindi di valori di spessore minimi, che non tengono conto dello spessore di rivestimento eventualmente destinato a riempire gli avvallamenti / fosse della rugosità.
Nel loro complesso, come illustrato schematicamente nella Figura 3, i due rivestimenti protettivi 3 e 30 riempiono completamente la rugosità della superficie di frenatura e si sviluppano sopra il profilo rugoso con strati aventi spessori preferibilmente all’interno degli intervalli sopra specificati.
Come già detto, sia il materiale che forma il rivestimento protettivo di base 30 (carburo di cromo (Cr3C2) e Nickel-Cromo (NiCr), oppure Nickel-Cromo (NiCr), Ferro (Fe), Molibdeno (Mo), Cobalto (Co), Manganese (Mn) e Alluminio (Al)), sia il materiale che formano il rivestimento protettivo superficiale 3 (carburo di tungsteno, ferro, cromo e alluminio) sono depositati in forma particellare rispettivamente sullo strato nitrocarburato 300 e sul rivestimento protettivo di base 30 preferibilmente con tecnica HVOF o con tecnica HVAF o con tecnica KM.
Si tratta di tre tecniche di deposizione che sono note ad un tecnico del settore e non saranno quindi descritte nel dettaglio.
HVOF (High Velocity Oxygen Fuel) è una tecnica di deposizione a spruzzo da polveri che utilizza un dispositivo di spruzzo dotato di una camera di miscelazione e di combustione e di un ugello di spruzzo. Alla camera vengono alimentati ossigeno e combustibile. Il gas di combustione caldo che si forma a pressioni prossime a 1 MPA attraversa l’ugello convergente-divergente il materiale in polvere raggiungendo velocità ipersoniche (i.e. superiori MACH 5). Il materiale in polvere da depositare viene iniettato nel flusso di gas caldo, dove fonde rapidamente e viene accelerato a velocità dell’ordine di 1000 m/s. Una volta impattato sulla superficie di deposizione, il materiale fuso si raffredda rapidamente e grazie all’impatto ad elevata energia cinetica forma una struttura molto densa e compatta.
La tecnica di deposizione HVAF (High Velocity Air Fuel) è simile alla tecnica HVOF. La differenza sta nel fatto che nella tecnica HVAF alla camera di combustione viene alimentata aria anziché ossigeno. Le temperature in gioco sono quindi inferiori rispetto a quelle della HVOF. Ciò consente un maggiore controllo dell’alterazione termica del rivestimento.
La tecnica di deposizione KM (Kinetic Metallization) è un processo di deposizione allo stato solido in cui polveri metalliche sono spruzzate attraverso un ugello di deposizione sonico a due fasi che accelera e carica triboelettricamente le particelle metalliche all’interno di un flusso di gas inerte. È previsto che al flusso di trasporto sia fornita energia termica. Nel processo si ha trasformazione dell’energia potenziale del flusso di gas inerte compresso e dell’energia termica fornita in energia cinetica delle polveri. Una volta accelerate ad alta velocità ed elettricamente caricate, le particelle sono dirette contro la superficie di deposizione. La collisione ad alta velocità delle particelle metalliche con tale superficie provoca una ampia deformazione delle particelle (approssimativamente 80% nella direzione normale all’impatto). Questa deformazione ha come risultato un enorme aumento dell’area superficiale delle particelle. All’impatto si ha quindi come effetto l’intimo contatto tra le particelle e la superficie di deposizione, che porta alla formazione di legami metallici e di un rivestimento avente una struttura molto densa e compatta.
Vantaggiosamente, in alternativa alle tre tecniche di deposizione sopra elencate, accomunate dal fatto di essere tecniche di deposizione ad impatto ad alta energia cinetica, possono essere utilizzate anche altre tecniche che sfruttano differenti metodi di deposizione, ma che sono in grado di generare rivestimenti aventi una struttura molto densa e compatta.
La combinazione della tecnica di deposizione HVOF, HVAF o KM e dei componenti chimici utilizzati per la formazione dei due rivestimenti protettivo, di base 30 e superficiale 3, consente di ottenere rivestimenti protettivi dotati di elevata forza di legame sul materiale inferiore su cui sono deposti.
In particolare, la suddetta combinazione consente di ottenere un elevato grado di ancoraggio sia del rivestimento di base 30 sullo strato nitrocarburato 300 (eventualmente con strato sommitale ossidato 330, sia del rivestimento superficiale 3 sul rivestimento protettivo di base 30.
L’assenza di carbonio libero (C), preferibilmente presente neppure in forma di tracce, nei materiali finali che costituiscono i due rivestimenti protettivi contribuisce a ridurre il rischio di distaccamenti. Si è, infatti, potuto rilevare che nel caso di applicazione del rivestimento con tecniche di thermal spray una causa del distaccamento dei tradizionali rivestimenti protettivi da dischi in alluminio o lega di alluminio o in ghisa grigia o acciaio è la presenza di carbonio libero nel rivestimento protettivo. Il carbonio tende, infatti, a bruciare, combinandosi con l’ossigeno inglobato nel rivestimento protettivo in via di formazione. Ciò porta alla formazione di microbolle all’interno del rivestimento, le quali possono impedire una adeguata adesione del rivestimento sul disco, favorendone il distacco.
In accordo ad una forma di implementazione particolarmente preferita dell’invenzione, sia il materiale in forma particellare deposto nella fase d) di deposizione per realizzare il rivestimento protettivo di base 3, sia il materiale in forma particellare deposto nella fase e) di deposizione per realizzare il rivestimento protettivo superficiale 30 sono deposti con tecnica HVOF (High Velocity Oxygen Fuel). Si è potuto, infatti, verificare che questa tecnica – in particolare se associata ad una fascia di frenatura o ad un intero disco realizzati in ghisa grigia – consente di ottenere un rivestimento protettivo combinato (base superficiale) che offre il miglior compromesso in termini di resistenza all’usura e performance tribologiche.
Più in dettaglio, in base alle prove sperimentali condotte, rispetto alla (preferita) tecnica HVOF (High Velocity Oxygen Fuel), la tecnica HVAF (High Velocity Air Fuel) consente di ottenere rivestimenti compatti, uniformi e con spessori regolari e prossimi ai valori nominali. I rivestimenti realizzati con HVOF sono meno compatti, dall’aspetto “spugnoso” e con spessore variabile.
Le prove di shock termico condotte su campioni aventi rivestimenti realizzati con HVOF e HVAF hanno evidenziato un danneggiamento che riguarda solo il rivestimento protettivo superficiale WC Fe, Cr, Al, rilevabile su tutti i campioni e che consiste in una microcriccatura del rivestimento. Tale microcriccatura appare tuttavia più marcata nei campioni con rivestimenti prodotti con tecnica HVAF, probabilmente a causa della maggiore rigidezza del riporto. Ciò rende ulteriormente preferibile la tecnica HVOF.
In tutti i casi il rivestimento protettivo di base in Cr3C2 Ni oppure in NiCr Fe+ Mo+ Co+ Mn Al non ha subito conseguenze in seguito alla prova di shock termico, risultando sempre denso, perfettamente adeso alla ghisa e privo di cricche.
Come già detto in precedenza, il rivestimento protettivo di base 30 e il rivestimento protettivo superficiale 3 coprono almeno una delle due superfici di frenatura della fascia di frenatura.
L’insieme dato dal rivestimento protettivo di base 30 e dal rivestimento protettivo superficiale 3 verrà nel seguito identificato globalmente come “rivestimento protettivo combinato” 3, 30.
Preferibilmente, come illustrato nella Figura 2, il disco 1 è dotato di un “rivestimento protettivo combinato” 3, 30 che copre entrambe le superfici di frenatura 2a e 2b della fascia di frenatura 2.
In particolare, il rivestimento protettivo combinato 3, 30 può coprire solo la fascia di frenatura, su una singola superficie di frenatura oppure su entrambe.
In accordo a soluzioni realizzative non illustrate nelle Figure allegate, il rivestimento protettivo combinato 3, 30 può estendersi anche ad altre parti del disco 1 come la porzione anulare di fissaggio 4 e la campana 5, fino a coprire tutta la superficie del disco 1. In particolare, il rivestimento protettivo combinato 3, 30 può coprire – in aggiunta alla fascia di frenatura – solo la porzione di fissaggio o solo la campana. La scelta viene dettata da ragioni essenzialmente estetiche, per avere un’omogeneità di colorazione e/o finitura su tutto il disco o tra alcune porzioni di esso.
Vantaggiosamente, la deposizione del materiale particellare per la formazione del rivestimento protettivo combinato 3, 30 può essere effettuata in modo differenziato sulla superficie del disco almeno in termini di spessore del rivestimento.
In corrispondenza della fascia di frenatura, il rivestimento protettivo combinato 3, 30 può essere realizzato con lo stesso spessore nelle due superfici frenanti contrapposte. Possono essere previste soluzioni alternative in cui il rivestimento protettivo combinato 3, 30 è realizzato differenziando gli spessori differenti tra le due superfici frenanti della fascia frenante.
In accordo ad una forma di implementazione particolarmente preferita del metodo, la fase d) di deposizione per la formazione del rivestimento protettivo di base 30 comprende due o più passaggi distinti di deposizione del materiale in forma particellare sulla medesima superficie per formare il rivestimento protettivo.
Più in dettaglio, la suddetta fase d) di deposizione comprende:
- un primo passaggio di deposizione di materiale in forma particellare per creare uno primo strato del rivestimento protettivo di base 30 direttamente sul disco; ed
- un secondo passaggio di deposizione di materiale in forma particellare per creare uno secondo strato sul primo strato.
Come sarà chiarito nel seguito, il secondo strato di finitura consente di regolare la finitura superficiale del rivestimento protettivo di base 3.
La suddivisione in due o più passaggi della fase d) di deposizione consente in particolare di differenziare almeno la granulometria del materiale in forma particellare utilizzati nei diversi passaggi. Ciò rende più flessibile la fase di deposizione d).
Vantaggiosamente, il materiale in forma particellare depositato con il primo passaggio di deposizione ha una granulometria superiore rispetto a quello depositato con il secondo passaggio di deposizione. In particolare, il materiale in forma particellare depositato con il primo passaggio di deposizione ha una granulometria compresa tra 30 e 40 μm, mentre il materiale in forma particellare depositato con il secondo passaggio di deposizione ha una granulometria compresa tra 5 e 20 μm.
La realizzazione del rivestimento protettivo di base 30 con due distinti passaggi di deposizione, utilizzando una granulometria più grossolana per la formazione dello primo strato e una granulometria più fine per la formazione del secondo strato (con funzione di finitura), consente di ottenere un rivestimento che già al termine della deposizione ha le caratteristiche di finitura superficiale volute, in funzione della successiva deposizione del rivestimento protettivo superficiale 3. Tali caratteristiche di finitura superficiale volute possono essere ottenute senza la necessità di rettificare e/o eseguire superficialmente altre operazioni di finissaggio per il rivestimento. Le particelle depositate con il secondo passaggio vanno a riempire le rugosità grossolane superficiali dello strato base. Vantaggiosamente, il livello di finitura superficiale del rivestimento può essere regolata regolando la granulometria delle particelle depositate con il secondo passaggio.
Preferibilmente, il primo strato del rivestimento protettivo di base 30 ha uno spessore compreso tra 2/4 e 3/4 dello spessore totale del rivestimento, mentre il secondo strato del rivestimento protettivo di base 4 ha uno spessore compreso tra 1/4 e 2/4 dello spessore totale del rivestimento.
In accordo ad una forma di implementazione particolarmente preferita del metodo, la fase e) di deposizione del materiale particellare (WC Fe Cr Al) che forma il rivestimento protettivo superficiale 3 comprende due o più passaggi distinti di deposizione del materiale particellare sulla medesima superficie per formare il rivestimento protettivo.
Più in dettaglio, la suddetta fase e) di deposizione comprende:
- un primo passaggio di deposizione del materiale in forma particellare per creare un primo strato del rivestimento direttamente sul rivestimento protettivo di base 30; ed
- un secondo passaggio di deposizione del materiale in forma particellare per creare un secondo strato sul primo strato del rivestimento protettivo superficiale 3.
Preferibilmente, lo strato protettivo superficiale 3 è sottoposto ad una fase di finitura superficiale atta ad ottenere un grado di rugosità finale desiderato.
Alternativamente, la finitura superficiale dello strato protettivo 3 può essere ottenuta operando direttamente sulle modalità di deposizione dello rivestimento stesso 3.
Più in dettaglio, analogamente a quanto previsto per la fase d) di deposizione del rivestimento base, anche la suddivisione in due o più passaggi della fase e) di deposizione del materiale particellare che forma il rivestimento protettivo superficiale 3 consente in particolare di differenziare almeno la granulometria del materiale particellare utilizzato nei diversi passaggi. Ciò rende più flessibile la fase di deposizione e).
Vantaggiosamente, il materiale particellare depositato con il primo passaggio di deposizione ha una granulometria superiore rispetto a quello depositato con il secondo passaggio di deposizione. In particolare, il materiale particellare depositato con il primo passaggio di deposizione ha una granulometria compresa tra 30 e 40 μm, mentre il materiale particellare depositato con il secondo passaggio di deposizione ha una granulometria compresa tra 5 e 20 μm.
La realizzazione del rivestimento protettivo superficiale 3 con due distinti passaggi di deposizione, utilizzando una granulometria più grossolana per la formazione dello strato base e una granulometria più fine per la formazione dello strato di finitura, consente di ottenere un rivestimento protettivo superficiale 3 che già al termine della deposizione ha le caratteristiche di finitura superficiale volute, senza la necessità di rettificare e/o eseguire superficialmente altre operazioni di finissaggio per il rivestimento. Le particelle depositate con il secondo passaggio vanno a riempire le rugosità grossolane superficiali dello strato base. Vantaggiosamente, il livello di finitura superficiale del protettivo superficiale 3 può essere regolata regolando la granulometria delle particelle depositate con il secondo passaggio.
In particolare, utilizzando per il primo passaggio particelle con granulometria di 30 e 40 μm e per il secondo passaggio particelle con granulometria di 5 e 20 μm, il rivestimento protettivo superficiale 3 ha in corrispondenza dello strato di finitura una rugosità superficiale Ra compresa tra 2,0 e 3,0 μm.
Preferibilmente, lo primo strato del rivestimento protettivo superficiale 3 ha uno spessore compreso tra 2/4 e 3/4 dello spessore totale del rivestimento, mentre il secondo strato del rivestimento protettivo superficiale 3 ha uno spessore compreso tra 1/4 e 2/4 dello spessore totale del rivestimento.
Complessivamente, la combinazione della tecnica di deposizione HVOF, HVAF o KM del materiale particellare, dei componenti chimici utilizzati e delle modalità di deposizione a più passaggi consente di ottenere un rivestimento con un livello di rugosità superficiale limitato, particolarmente adatto ai fini di utilizzo del disco freno 1.
Sono state condotte prove sperimentali comparative tra i seguenti dischi:
A) un disco freno in ghisa grigia dotato di un rivestimento protettivo “combinato” secondo l’invenzione, realizzato con tecnica HVOF, con rivestimento protettivo base (Cr3C2 NiCr) di spessore 50 µm e rivestimento protettivo superficiale (WC Fe Cr Al) di spessore 60 µm; il rivestimento protettivo base è stato deposto sul disco sopra uno strato nitrocarburato avente una profondità di 15 µm e valori di durezza superiori a 300 HV in microdurezza; lo strato nitrocarburato commprendeva uno strato sommitale ossidato comprendente magnetite Fe3O4, avente spessore di 5µm; lo strato nitrocarburato è stato realizzato sulla superficie di frenatura preventivamente sottoposta ad un trattamento finalizzato ad aumentarne la rugosità; e
B) un disco freno in ghisa grigia dotato di un rivestimento protettivo “combinato”, analogo a quello dell’invenzione, ma realizzato direttamente sul disco senza strato nitrocarburato;
I due dischi sono stati sottoposti a normali prove al banco dinamico (rodaggio, AK Master e usura).
Tali prove hanno evidenziato che, a parità di condizioni di prova, il disco A secondo l’invenzione ha una durata in termini di usura paragonabile a quella del disco B.
Anche da un punto di vista del comportamento tribologico (attrito, fading, rodaggio), a parità di condizioni di prova, il disco A secondo l’invenzione ha prestazioni sostanzialmente paragonabili al disco tradizionale B.
I due dischi sono stati inoltre sottoposti ad una serie di prove di resistenza in presenza di sollecitazioni combinate termomeccaniche e ambientali.
Come già anticipato, tali test hanno evidenziato che il disco A secondo l’invenzione ha migliori prestazioni rispetto al disco B in termini di resistenza in presenza di sollecitazioni ambientali (shock termomeccanici e agenti corrosivi).
Più in dettaglio, i due dischi sono stati sottoposti ad un programma di prove che prevede la ripetizione di prove combinate al banco dinamico (il disco è stato sottoposto a differenti cicli di frenate, ciascuno con molteplici frenate consecutive) e prove in ambiente corrosivo (prova in nebbia salina e acqua di condensa: disco e pastiglie sono stati mantenuti in nebbia salina e in un ambiente con elevato grado d’umidità con elevate escursioni di temperatura).
Al termine delle ripetizioni impostate il B presentava un distacco generalizzato del rivestimento protettivo mentre il disco A presentava solo un minimo distacco localizzato del rivestimento protettivo.
Come si può apprezzare da quanto descritto, il disco freno ed il metodo per realizzare tale disco freno secondo l’invenzione consentono di superare gli inconvenienti presentati nella tecnica nota.
Infatti, i dischi freno rivestiti realizzati secondo l’invenzione non risultano soggetti a sfogliamenti o comunque lo sono in misura molto minore rispetto alle soluzioni note (così da garantire nel tempo una resistenza all’usura).
Il disco freno rivestito secondo l’invenzione, dotato di uno strato nitrocarburato, ha mostrato un’analoga resistenza all’usura e un analogo comportamento tribologico in condizioni ambientali normali rispetto ad analoghi dischi rivestiti privi di strato nitrocarburato.
Si è inoltre potuto verificare che il disco freno rivestito secondo l’invenzione ha migliori prestazioni in termini di resistenza in presenza di sollecitazioni ambientali (shock termici e attacchi salini).
Il disco freno 1 risulta inoltre complessivamente economico da realizzare.
Un tecnico del ramo, allo scopo di soddisfare esigenze contingenti e specifiche, potrà apportare numerose modifiche e varianti al disco e al freno a disco sopra descritte, tutte peraltro contenute nell’ambito dell’invenzione quale definito dalle seguenti rivendicazioni.
Claims (22)
- RIVENDICAZIONI 1. Metodo per realizzare un disco freno comprendente le seguenti fasi operative: a) predisporre un disco freno, comprendente una fascia di frenatura (2) dotata di due superfici di frenatura contrapposte (2a, 2b), ciascuna delle quali definisce almeno parzialmente una delle due facce principali del disco, la fascia di frenatura essendo realizzata in ghisa grigia o acciaio; b) sottoporre almeno una di dette superfici di frenatura (2a o 2b) ad una lavorazione atta ad aumentarne la rugosità superficiale; c) nitrocarburare detta superficie di frenatura con aumentata rugosità superficiale ottenendo su detta superficie uno strato superficiale nitrocarburato (300); d) depositare sopra detto strato superficiale nitrocarburato (300) un materiale in forma particellare costituito da: - carburo di cromo (Cr3C2) e Nickel-Cromo (NiCr), oppure - Nickel-Cromo (NiCr), Ferro (Fe), Molibdeno (Mo), Cobalto (Co), Manganese (Mn) e Alluminio (Al), con tecnica di deposizione per spruzzatura, preferibilmente HVOF (High Velocity Oxygen Fuel), o con tecnica HVAF (High Velocity Air Fuel) o con tecnica KM (Kinetic Metallization), formando un rivestimento protettivo di base (30) che copre almeno una delle due superfici di frenatura della fascia di frenatura con l’interposizione di detto strato nitrocarburato (300); e e) depositare sopra detto rivestimento protettivo di base (30) un materiale in forma particellare costituito da carburo di tungsteno (WC), ferro (Fe), cromo (Cr) e alluminio (Al), con tecnica di deposizione per spruzzatura, preferibilmente HVOF (High Velocity Oxygen Fuel), o con tecnica HVAF (High Velocity Air Fuel) o con tecnica KM (Kinetic Metallization), formando un rivestimento protettivo superficiale (3) che è costituito da carburo di tungsteno (WC) e da ferro (Fe), cromo (Cr) e alluminio (Al) e che copre almeno una delle due superfici di frenatura della fascia di frenatura.
- 2. Metodo secondo la rivendicazione 2, in cui la lavorazione effettuata nella fase b) è condotta per generare su detta superficie un profilo rugoso definito da una pluralità di protuberanze (20) che si estendono ortogonalmente a detta superficie con un’altezza compresa tra 30 e 200 µm e sono distanziate una rispetto all’altra – in direzione radiale o circonferenziale rispetto al centro della fascia di frenatura – con un passo compreso tra 300 e 2000 µm, preferibilmente dette protuberanze (20) presentando un angolo di sottosquadro (α) rispetto alla direzione ortogonale alla superficie da cui si estendono, preferibilmente detto angolo di sottosquadro (α) essendo compreso tra 2° e 15°.
- 3. Metodo secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detta fase b) è effettuata con una lavorazione per asportazione di truciolo oppure per incisione laser oppure per deformazione plastica.
- 4. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui detta fase b) è effettuata con una lavorazione per tornitura fine con rugosità Ra tra 0,8 e 2.
- 5. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui detta fase b) è effettuata con una lavorazione per sabbiatura con rugosità Rz tra 10 e 80.
- 6. Metodo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui detta fase c) di nitrocarburare è ottenuta tramite un trattamento di nitrocarburazione ferritica.
- 7. Metodo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui detta fase c) di nitrocarburare è condotta in modo tale che lo strato superficiale nitrocarburato (300) abbia una profondità compresa tra 2 e 30 µm e valori di durezza superiori a 300 HV in microdurezza.
- 8. Metodo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui detta fase c) di nitrocarburare è seguita da una fase f) di post-ossidazione dello strato nitrocarburato (300), condotta prima di detta fase d) di deposizione, per ottenere uno strato sommitale ossidato (330) comprendente magnetite (Fe3O4), preferibilmente detto strato sommitale ossidato (330) comprendente magnetite (Fe3O4) avendo uno spessore compreso tra 2 e 10 µm.
- 9. Metodo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui il materiale in forma particellare deposto nella fase d) di deposizione per realizzare il rivestimento protettivo di base (30) è costituito da 65% a 95% in peso di carburo di cromo (Cr3C2) e per il restante da Nickel-Cromo (NiCr).
- 10. Metodo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti da 1 a 8, in cui il materiale in forma particellare deposto nella fase d) di deposizione per realizzare il rivestimento protettivo di base (30) è a base di Nickel-Cromo (NiCr) con contenuto in peso di Nickel (Ni) dal 40% a 75% e con contenuto in peso di Cromo (Cr) dal 14% al 30%, e per il restante da Ferro (Fe), Molibdeno (Mo), Cobalto (Co), Manganese (Mn) e Alluminio (Al).
- 11. Metodo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui il materiale in forma particellare deposto nella fase e) di deposizione per realizzare il rivestimento protettivo superficiale (3) è costituito dal 75% all’87% in peso di carburo di tungsteno (WC) e per il restante da ferro (Fe), cromo (Cr) e alluminio (Al), preferibilmente essendo costituito dal 10% al 17% in peso di ferro (Fe), dal 2,5% al 5,8% in peso di cromo (Cr), dallo 0,6% al 2,2% in peso di alluminio (Al) e dal restante da carburo di tungsteno (WC), ancora più preferibilmente dall’85% in peso di carburo di tungsteno (WC) e dal 15% in peso di ferro (Fe), cromo (Cr) e alluminio (Al).
- 12. Metodo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui il rivestimento protettivo di base (30) ha uno spessore compreso tra 20 μm e 80 μm, e preferibilmente pari a 50 μm, detto spessore essendo riferito ad una porzione di rivestimento sovrastante detto profilo rugoso.
- 13. Metodo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui il rivestimento protettivo superficiale (3) ha uno spessore compreso tra 20 μm e 90 μm, e preferibilmente pari a 60 μm, detto spessore essendo riferito ad una porzione di rivestimento sovrastante detto profilo rugoso.
- 14. Disco freno per freno a disco, comprendente una fascia di frenatura (2), dotata di due superfici di frenatura contrapposte (2a, 2b), ciascuna delle quali definisce almeno parzialmente una delle due facce principali del disco (1), la fascia di frenatura (2) essendo costituita da un metallo base scelto tra ghisa grigia o acciaio, in cui detto disco freno è dotato di: - un rivestimento protettivo di base (30) che copre almeno una delle due superfici di frenatura della fascia di frenatura, detto rivestimento protettivo di base (30) essendo costituito da carburo di cromo (Cr3C2) e da Nickel-Cromo (NiCr), oppure da Nickel-Cromo (NiCr), Ferro (Fe), Molibdeno (Mo), Cobalto (Co), Manganese (Mn) e Alluminio (Al), ed essendo ottenuto per deposizione con tecnica di deposizione per spruzzatura, preferibilmente con tecnica HVOF (High Velocity Oxygen Fuel), o con tecnica HVAF (High Velocity Air Fuel) o con tecnica KM (Kinetic Metallization); ed - un rivestimento protettivo superficiale (3) che copre almeno una delle due superfici di frenatura della fascia di frenatura, detto rivestimento protettivo superficiale (3) essendo costituito da carburo di tungsteno (WC), ferro (Fe), cromo (Cr) e alluminio (Al) ed essendo ottenuto depositando sul rivestimento protettivo di base (30) carburo di tungsteno (WC), ferro (Fe), cromo (Cr) e alluminio (Al) in forma particellare con tecnica di deposizione per spruzzatura, preferibilmente con tecnica HVOF (High Velocity Oxygen Fuel), o con tecnica HVAF (High Velocity Air Fuel) o con tecnica KM (Kinetic Metallization), ed in cui la superficie di frenatura rivestita da detto rivestimento protettivo di base (3) è definita da uno strato (300) nitrocarburato di detto metallo base ed ha un profilo rugoso in sezione radiale o circonferenziale rispetto al centro della fascia di frenatura.
- 15. Disco freno secondo la rivendicazione 14, in cui detto profilo rugoso è definito da una pluralità di protuberanze (20) che si estendono ortogonalmente a detta superficie con un’altezza compresa tra 30 e 200 µm e sono distanziate una rispetto all’altra – in direzione radiale o circonferenziale rispetto al centro della fascia di frenatura – con un passo compreso tra 300 e 2000 µm, preferibilmente dette protuberanze (20) presentando un angolo di sottosquadro (α) rispetto alla direzione ortogonale alla superficie da cui si estendono, preferibilmente detto angolo di sottosquadro (α) essendo compreso tra 2° e 15°.
- 16. Disco freno secondo la rivendicazione 14 o 15, in cui detto strato nitrocarburato (300) è ottenuto tramite un trattamento di nitrocarburazione ferritica del metallo base.
- 17. Disco freno secondo una o più delle rivendicazioni da 14 a 16, in cui detto strato nitrocarburato (300) ha una profondità compresa tra 2 e 30 µm e valori di durezza superiori a 300 HV in microdurezza.
- 18. Disco freno secondo una o più delle rivendicazioni da 14 a 17, in cui detto strato nitrocarburato (300) comprende uno strato sommitale ossidato (330) comprendente magnetite (Fe3O4) che funge da interfaccia con detto strato protettivo di base (30), preferibilmente detto strato sommitale ossidato (330) comprendente magnetite (Fe3O4) avendo uno spessore compreso tra 2 e 10 µm
- 19. Disco secondo una o più delle rivendicazioni da 14 a 18, in cui il rivestimento protettivo di base (30) è costituito: - da 65 % a 95% di carburo di cromo (Cr3C2) e per il restante da Nickel-Cromo (NiCr) oppure - da Nickel-Cromo (NiCr) con contenuto in peso di Nickel (Ni) dal 40% a 75% e con contenuto in peso di Cromo (Cr) dal 14% al 30%, e per il restante da Ferro (Fe), Molibdeno (Mo), Cobalto (Co), Manganese (Mn) e Alluminio (Al).
- 20. Disco secondo una o più delle rivendicazioni da 14 a 19, in cui il rivestimento protettivo superficiale (3) è costituito dal 75% all’87% in peso di carburo di tungsteno (WC) e per il restante da ferro (Fe), cromo (Cr) e alluminio (Al), e preferibilmente dall’85% in peso di carburo di tungsteno (WC) e dal 15% in peso di ferro (Fe), cromo (Cr) e alluminio (Al).
- 21. Disco secondo una o più delle rivendicazioni da 14 a 20, in cui il rivestimento protettivo di base (30) ha uno spessore compreso tra 20 μm e 80 μm, e preferibilmente pari a 50 μm, detto spessore essendo riferito ad una porzione di rivestimento sovrastante detto profilo rugoso.
- 22. Disco secondo una o più delle rivendicazioni da 14 a 21, in cui il rivestimento protettivo superficiale (3) ha uno spessore compreso tra 20 μm e 90 μm, e preferibilmente pari a 60 μm, detto spessore essendo riferito ad una porzione di rivestimento sovrastante detto profilo rugoso.
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