ITRM950030A1 - Composizione di mescola per materiale d'attrito. - Google Patents
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Abstract
Viene descritta una composizione per mescola di materiale d'attrito comprendente: una lega di base includente elementi quali lo zirconio, il titanio (sotto forma di ossidi) ed un lubrificante solido formato da una miscela di grafite e di molibdeno (sotto forma di bisolfuro); resine fenoliche in polvere includenti polveri di frizione; solfuro di rame; barite; grafite amorfa; e gomma in polvere del tipo nitrilico.
Description
DESCRIZIONE dell’invenzione industriale dal titolo :
"COMPOSIZIONE DI MESCOLA PER MATERIALE D'ATTRITO"
DESCRIZIONE
La presente invenzione si riferisce ad una composizione di una mescola per materiale d'attrito e più precisamente ad una mescola per materiale frenante atta a venir applicata nel campo dei materiali frenanti del settore dei veicoli leggeri e pesanti. Uno scopo della presente invenzione è di realizzare una tale mescola priva di sostanze tossiche o nocive alla salute delle persone.
E' noto che il materiale frenante, più comunemente conosciuto come materiale d'attrito, è costituito da una composizione di materiali la quale comprende una struttura base del materiale frenante ed inoltre additivi chimici caratteristici del campo di impiego del materiale frenante stesso.
Tali campi d'impiego possono essere suddivisi in tre parti :
a. Campo di impiego con bassi carichi: questo è il campo che comprende generalmente i veicoli leggeri quali motocicli, autoveicoli, ecc . dove le caratteristiche richieste alla mescola sono quelle di avere un elevato coefficiente d'attrito, poiché vengono richiesti spazi o tempi di arresto brevi. Il calore sviluppato per un tempo breve viene altrettanto brevemente dissipato.
b. Campo di impiego con carichi medi: tale campo comprende gli impieghi di media gravosità quali freni per macchine industriali, veicoli industriali, freni per gru, ecc. nei quali viene richiesta una superiore resistenza alla temperatura ed un inferiore coefficiente d'attrito rispetto al campo dei carichi leggeri sopra menzionato; infatti in questo caso sono impegnati carichi di frenatura superiori e tempi di arresto più lunghi.
c. Campo d'impiego con carichi elevati o gravosi: tale campo comprende l'impegno di carichi severi quali treni, cingolati militari, freni di velocità di gru, ecc. in cui viene richiesta una elevata resistenza alla temperatura data l'elevata quantità di calore sviluppato ed un coefficiente d'attrito non elevato poiché non sono richiesti spazi o tempi di arresto brevi.
Comunque in tutti i campi d'impiego, la mescola usata nella tecnica precedente contiene come materiali di base, anche se in proporzioni variabili, l'amianto, il piombo e lo zinco, i quali sono notoriamente inquinanti ambientali dannosi alla salute.
E' altrettanto noto che le caratteristiche chimiche e fisiche di tali materiali frenanti contenenti amianto non hanno una risposta soddisfacente al fenomeno denominato "FADE" il quale consiste nella caduta del valore del coefficiente d'attrito dovuta all'aumento di temperatura ed al mancato ripristino del valore originale di tale coefficiente in tempo utile per una frenata successiva.
In vista dei problemi di cui sopra la presente invenzione ha come scopo di fornire una composizione per mescola di materiale d'attrito che tra i suoi materiali componenti non presenti l’amianto, il piombo e lo zinco in modo da non risultare ecologicamente inquinante e soprattutto non dannosa alla salute.
Altro scopo, non meno importante, è fornire una composizione per mescola di materiale d'attrito che risolva sostanzialmente i problemi di "FADE" ed in cui i materiali non cristallizzino durante l'esercizio anche in condizioni gravose quali le alte velocità o gli alti carichi.
Forma oggetto della presente invenzione una composizione di mescola per materiale d'attrito comprendente in percento in peso riferito alla detta mescola:
da 24% fino 32% di una lega di base includente (in percento in peso riferito alla detta lega}:
da 25% a 35% di ossido di zirconio Zr02; da 30% a 40% di ossido di titanio Ti02; da 25% a 35% di un lubrificante solido per materiale d'attrito formato da una miscela di grafite e bisolfuro di molibdeno;
da 21% fino a 24% di un miscuglio di resine fenoliche in polvere che polimerizzano tra 155° e 160° includente circa 30% in peso, rispetto al peso di detto miscuglio, di una polvere di frizione;
da 11% fino 15% di solfuro di rame;
da 7.5% fino a 9.5% di barite o baritina; da 21% fino a 28% di grafite argentata o amorfa; e
da 3.5% fino 4.5% di gomma in polvere di tipo nitrilico, resistente al calore ed avente una granulometria compresa tra 200μm e 300μm.
La presente invenzione verrà ora descritta più dettagliatamente allegando ad essa degli esempi chiarificativi ed illustrando ulteriori vantaggi offerti dalla presente invenzione.
Secondo la presente invenzione la composizione di mescola per materiale d'attrito è costituita da una lega di base e da materiali additivi .
La lega di base comprende, riferito al peso della lega stessa, in percentuale in peso:
zirconio, presente come diossido, tra 25% e 35%. Questo materiale è uno stabilizzatore della temperatura e ad alta velocità permette di aumentare il coefficiente d'attrito;
titanio, presente come biossido, e tra 30% e 40%. Tale materiale riduce notevolmente il consumo della superficie frenante ed è un ottimo stabilizzatore della temperatura durante la bassa e l'alta velocità;
un lubrificante solido presente nella lega in percentuale in peso tra 25% e 35% costituito da una miscela di grafite e solfuro di molibdeno. Tale miscela è fondamentale per lubrificare efficacemente alle alte velocità e per stabilizzare il coefficiente d'attrito.
Un materiale presente in commercio come lubrificante solido di questo tipo è noto con il nome commerciale "Lubolid".
La lega di base sopra descritta sostituisce nella presente invenzione le leghe frenanti della tecnica precedente basate su amianto, piombo e zinco .
La lega di base dell'invenzione viene impiegata in una quantità compresa tra 24% e 32% in peso rispetto al peso totale della mescola, insieme a un miscuglio di resine fenoliche e di ulteriori additivi.
Le resine fenoliche in tale miscuglio sono resine in polvere che polimerizzano tra 155°C e 160°C e servono, insieme ad una usuale polvere di frizione, a legare i componenti della lega di base per la formazione del materiale frenante.
La quantità di resine fenoliche e polvere di frizione usata nella mescola della presente invenzione è compresa tra 21% e 24% in peso rispetto al peso totale della mescola.
La polvere di frizione costituisce circa il 30% del miscuglio di resine e polvere. Come resine fenoliche può venire impiegata una resina che costituisca un eccellente agente legante per gli ingredienti metallici contenuti nelle polveri.
Come resina di questo tipo viene indicata una resina fenolica J 1506 H prodotta da Massara, Bollate (MI), Italia, presentante una viscosità a 25°C di 200/220x10<-6 >m<2>/sec, un flusso di pelletizzato di 30/50 m/m a 135°C, un contenuto di azoto di 3,4/4,0%, un peso specifico di circa 1,26, un tempo di gelificazione a 150°C di 1 minuto, una temperatura di stampaggio di 150-160°C ad una pressione di 120/200 kg/cm<2>.
Può anche essere usata una resina fenolica in polvere per legare i componenti sotto forma di fibre. Una resina di questo tipo è la resina J 1109 H prodotta da Massara, Bollate (MI), Italia.
Questa resina presenta una viscosità a 25°C di 54/72x10<-6 >m<2>/sec, un contenuto di esammina di 7,3-7,9%, un flusso di pelletizzato a 150°C di circa 60 m/m, un tempo di gelificazione a 150°C di circa 2 e 3/4 minuti, un peso specifico di circa 1,42, una temperatura di vulcanizzazione di 150-160°C alla pressione di 120-200 kg/cm<2>.
Un rapporto preferito di impiego di queste due resine J 1506 H e J 1109 H è di circa 1:2.
Come polvere di frizione si può utilizzare una polvere prodotta da Massara, Bollate (MI), Italia sotto il nome commerciale J 4106 D presentante una opportuna granulometria, una solubilità massima in acetone di 20% e un peso specifico di circa 1,12.
La polvere di frizione viene utilizzata come reagente integrativo alla lega di base per assicurare un'ottima distribuzione delle proprietà frenanti e per garantire il ripristino in tempo utile del coefficiente di attrito per la frenata.
Nella mescola sono inoltre presenti, quali materiali additivi stabilizzanti, i seguenti: rame, in forma di solfuro, in percentuale in peso tra 11% e 15% e, più preferibilmente, tra 12% e 13% rispetto al peso della mescola. Esso viene impiegato per controllare la temperatura poiché assicura un decremento uniforme e progressivo della temperatura che si sviluppa durante l'esercizio ed, in particolare, alle alte velocità;
barite (o baritina), in percentuale in peso tra 7,5% e 9,5% rispetto al peso totale della mescola.
Essa viene impiegata nella mescola come "carica" per ridurre l'usura del materiale d'attrito e l'effetto acustico durante la frenata;
grafite argentata (o amorfa), in percentuale in peso tra 21% e 28% e, più preferibilmente, tra 24% e 25% rispetto al peso totale della mescola. Essa viene impiegata in combinazione con la barite per sviluppare e sostenere le stesse caratteristiche di quest'ultima;
gomma in polvere di tipo nitrilico resistente al calore e preferibilmente con una granulometria compresa tra 200μm e 300μm, in percentuale in peso tra 3,5% e 4,5% e, più preferibilmente, 4,0% rispetto al peso della mescola. Essa viene impiegata per fornire al materiale d'attrito la necessaria morbidezza ed elasticità riducendo notevolmente l'effetto acustico. La proporzione di gomma sopra indicata rispetto agli altri componenti è efficace per evitare che si produca l'effetto di "FADE".
La composizione così come descritta precedentemente è particolarmente idonea per una applicazione nel campo dei carichi medi.
Per una applicazione nel campo dei carichi bassi che prevedono un alto coefficiente di attrito, alla composizione sopra indicata vengono aggiunti: alluminio in polvere, in percentuale in peso rispetto al peso totale della mescola tra 4.0% e 6.0%. L'aggiunta di tale materiale ha un funzione prettamente elettromagnetica per interrompere le linee di forza magnetica che si creano durante l'azione frenante. Inoltre, tale materiale non aggredisce la superficie frenante;
ottone in scaglie, in percentuali in peso tra 5% e 7% e, più preferibilmente, 6.0% rispetto al peso totale della mescola. L'aggiunta di tale materiale assicura una perfetta tenuta meccanica tra i materiali componenti ed inoltre, distribuisce in modo uniforme la temperatura d'esercizio sulla superficie frenante.
Nel caso in cui il campo di applicazione richiesto alla composizione per mescola precedentemente descritta sia quello dei carichi alti o gravosi, allora a tale composizione vengono aggiunti i seguenti materiali:
paglietta di ferro, preferibilmente con lunghezza delle fibre da 2mm fino a 3mm, in percentuale in peso tra 17.0% e 20.0% rispetto al peso totale della mescola e, più preferibilmente, tra 17.5% e 19.0%. Essa viene utilizzata per conferire alla mescola la necessaria resistenza meccanica e tenuta di tutti i materiali componenti costituenti la mescola;
corindone (o Spoltiglia), in percentuale tra 0.09% e 0.15% e, più preferibilmente, tra 0.10% e 0.12% rispetto al peso totale della mescola. Esso viene impiegato per aumentare il coefficiente d'attrito. E' da notarsi che un'eccessiva quantità provoca rumorosità durante l'esercizio nonché rigatura della superficie di frenata.
Per ottenere il materiale frenante, la lega di base comprendente lo zirconio, il titanio e il lubrificante solido tipo "Lubolid" viene miscelata insieme alla grafite sintetica, alle speciali resine fenoliche e agli altri componenti della composizione nelle proporzioni richieste. La mescola viene successivamente vulcanizzata in speciali presse oleodinamiche a caldo che assicurano un continuo controllo sulla corretta e costante vulcanizzazione, polimerizzazione e controllo delle temperature.
Prima di essere miscelate tutte le componenti vengono accuratamente controllate e sottoposte a test per assicurare la successiva giusta proporzione fra esse e l'assoluta assenza di umidità .
Durante la miscelazione è determinante verificare l'eventuale presenza di umidità, per esempio, un'umidità superiore al 60% potrebbe seriamente alterare le caratteristiche chimiche delle componenti in esercizio. Per evitare questo fenomeno viene aggiunta alla mescola una componente altamente deidratante opportunamente proporzionata per la reattività con le altre componenti. Infatti durante l'esercizio ad una temperatura di 180° in presenza di acqua le molecole di idrogeno possono causare piccole esplosioni che sono la causa di lesioni alla superficie frenata.
Tali lesioni sono invisibili ad occhio nudo, causano però cretti e spaccature sulla superficie frenata con il proseguire dell'esercizio.
Nella composizione precedentemente descritta, secondo la presente invenzione, i materiali sono combinati in maniera tale da assicurare una assenza di cristallizzazione degli stessi durante l'esercizio anche gravoso, migliorando l'efficacia e mantenendo le proprie caratteristiche inalterate nel tempo.
Inoltre, data la presenza di materiali diamagnetici, vengono evitati gli effetti negativi della magnetizzazione della superficie frenante, con conseguente bloccaggio di una superficie rispetto all'altra durante l'esercizio, rispetto alle composizioni per mescole di materiali d'attrito della tecnica precedente.
Altro vantaggio della presente invenzione è costituito dall'elasticità dei materiali frenanti così ottenuti, tale da consentire un perfetto adeguamento della massa frenante alla superficie frenata. Ciò consente di distribuire omogeneamente su tutta la superficie l'azione frenante, ottimizzando la sua efficacia nonché ottenendo una omogenea distribuzione del calore generato, evitando quindi che una eccessiva concentrazione di calore localizzato possa generare crettature e spaccature della mescola di materiali.
Altro vantaggio risiede nel fatto che, a differenza dei materiali frenanti della tecnica precedente i quali sono soggetti a corrosione in quanto sono presenti in essi alte percentuali di materiali metallici, provocando conciò gravi lesioni alle superfici frenate, nonché ad eccessiva rumorosità durante l'esercizio e scintillamento tra quest'ultime, secondo la presente invenzione i suddetti problemi vengono risolti in quanto i materiali impiegati per comporre la mescola non sono soggetti a corrosione .
Ulteriore vantaggio si ottiene dal fatto che secondo l'invenzione la mescola così ottenuta presenta un peso specifico ridotto del 25% rispetto ai freni in ghisa e del 65% rispetto a quelli sintetici. Ciò offre maggior manovrabilità durante il montaggio e smontaggio nelle applicazioni .
Ulteriore vantaggio è costituito dal fatto che la mescola secondo l'invenzione presenta un consumo durante l'esercizio ridotto rispetto alle mescole della tecnica precedente.
Qui di seguito vengono presentati degli esempi di prova effettuati sulla mescola per materiali d'attrito secondo l'invenzione.
Le mescole utilizzate nelle prove sotto riportate sono mescole per l'applicazione a carichi frenanti medi, nel senso definito nella precedente descrizione.
Esempio 1.
Procedura di prove condotte su banco prova Ranzicuna".
Un campione del materiale d'attrito in esame viene fatto lavorare contro un tamburo metallico rotante, premendolo contro con pressione variabile durante il corso della prova, in modo da mantenere costante il momento frenante e la temperatura finale di prova. La velocità del tamburo è regolabile al fine di poter eseguire prove a diverse temperature.
Caratteristiche del tamburo: Materiale: ghisa, con la seguente composizione chimica tipica:
Ca = 3.25
Si = 2.10
Mn = 1.3
Cr = 0.20-0.40
Mo = 0.20-0.40
P = 0.10
S = 0.25
Durezza Brinnell: HB 197-225
Struttura: perlitica, grafite in lamelle uniformemente distribuite, assenza di cementite.
Dimensioni: 149.50 mm
Stato della superficie: Ra = 0.4-0.8
Caratteristiche del provino:
Superficie di lavoro: 6 cm<2>
(opportunamente adattata alla superficie del tamburo)
Spessore iniziale: 7.60 mm
La prova è costituita da tre periodi di lavoro con interposti intervalli di raffreddamento. Per ciascun periodo la macchina verrà fatta funzionare per un tempo sufficiente a realizzare un lavoro di attrito di 166.000 kg.m, in modo da sviluppare nel complesso dei tre periodi, un lavoro totale di 498.000 kg.m. Conoscendo il momento frenante della macchina, che è di 100 kg.cm, si può calcolare la durata di ogni periodo di prova.
Risultato del test:
Transitorio di durata pari a 5.000 giri della macchina, dovuto all'adattamento provinocontroprovino. I risultati sono stati desunti dopo tale transitorio. Il coefficiente d'attrito medio (f medio) è riferito alla durata della prova e non alla media dei valori (f max) e (f min), che sono valori istantanei.
Spessore del provino a fine prova: 7.30 mm Usura del provino: 0.030 mm
Usura specifica: U = 12 x S = 12 x 0.030 = 0.36 cm<3>/10<6>kgm (relazione valida in base alle dimensioni del provino ed alle caratteristiche della prova)
Stato della superficie del provino: molto liscia, assenza di cretti o di screpolature Diametro finale del tamburo: 149.50 mm Usura del tamburo: praticamente non apprezzabile
Stato della superficie del tamburo: molto liscia, assenza di cretti o di screpolature Coefficiente d’attrito con andamento costante per lunghi tratti
Rumorosità: molto bassa
Esempio 2
Modalità di esecuzione delle prove con macchina
Caratteristiche della macchina:
Si sono eseguite quattro serie di cinque frenate ognuna; intervallate di 20 sec. circa con pressione variabile mediante l'applicazione di un peso applicato (P) in kg e la pressione specifica (p) in kg/cm<2>, è:
Ricavando la pressione, tramite la superficie
(A) del provino, si risale alla forza (F) agente su di esso:
Per ogni singola frenata la macchina di prova rivela la temperatura mediante una termocoppia inserita nel controprovino, nonché gli spazi di arresto .
Il momento di attrito del materiale frenante è :
(lm è la media degli spazi di arresto per una serie di frenate)
Il coefficiente d'attrito medio è:
Risultato del test:
Stato della superficie del provino: molto liscia, senza screpolature e senza cretti.
Stato della superficie del controprovino: molto liscia, senza cretti e senza screpolature Spessore del provino a fine prova: 7.00 mm Usura del provino: non apprezzabile
Usura specifica:
dove :
A = superficie di lavoro
EK = energia cinetica del volano
d = riduzione di spessore in centesimi di mm N = numero di frenate effettuate
Consumo controprovino: non apprezzabile Scintillamento: assente
Fumo: assente.
Conclusioni .
Dall'esempio 1 (momento costante) si ricava la variazione del coefficiente d'attrito con la temperatura.
La variazione del coefficiente d'attrito medio con la pressione si ricava dall'esempio 2. Come è evidente, il coefficiente d'attrito medio tende ad aumentare con l'aumentare della pressione specifica in un primo momento, stabilizzandosi poi intorno ad un valore di 0.39. Da un'analisi comparativa dei valori delle due prove si deduce che il coefficiente d'attrito ha un andamento variabile in una fascia di valori piuttosto ristretta con la velocità, mantenendo una notevole costanza alle velocità più basse.
Da quanto emerso dalle prove si deduce che i materiali frenanti oggetto della presente invenzione, rispondono egregiamente a tutti i vantaggi proposti.
La presente invenzione non è limitata alla forma di realizzazione qui descritta ma ne comprende qualsiasi variante di esecuzione realizzata tramite misure tecniche equivalenti.
Claims (4)
- RIVENDICAZIONI 1. Composizione di mescola per materiale d'attrito comprendente in percento in peso riferito alla detta mescola: da 24% fino 32% di una lega di base includente, in percento in peso riferito alla detta lega: da 25% a 35% di ossido di zirconio ZrO2; da 30% a 40% di ossido di titanio TiO2; da 25% a 35% di un lubrificante solido per materiale d'attrito formato da una miscela di grafite e bisolfuro di molibdeno; da 21% fino a 24% di un miscuglio di resine fenoliche in polvere che polimerizzano tra 155°C e 160°C includente circa 30% in peso, rispetto al peso di detto miscuglio, di una polvere di frizione; da 11% fino 15% di solfuro di rame; da 7.5% fino a 9.5% di barite o baritina; da 21% fino a 28% di grafite argentata o amorfa; e da 3.5% fino 4.5% di gomma in polvere di tipo nitrilico, resistente al calore ed avente una granulometria compresa tra 200/μm e 300μm.
- 2. Composizione secondo la rivendicazione 1 adatta per applicazioni che prevedono un alto coefficiente d'attrito, particolarmente per esercizio frenante leggero, comprendente inoltre in percento in peso rispetto al peso totale della mescola : da 4% a 7% di alluminio in polvere; e da 5% a 7% di ottone in scaglie.
- 3. Composizione secondo la rivendicazione 1, adatta per applicazioni che prevedono un basso coefficiente di attrito, particolarmente per esercizio frenante gravoso, comprendente inoltre in percento in peso rispetto al peso totale della mescola : da 17% a 20% di paglietta di ferro; e da 0.1% a 0.15% di corindone.
- 4. Composizione di mescola per materiale d'attrito sostanzialmente come descritta e rivendicata,
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