Materiais para freios a disco automotivo

Materiais para freios a disco automotivo

(Parte 3 de 5)

Figura 3.1.7 – Efeito da pressão de contato no atrito de um freio de material compósito [PETER].

Figura 3.1.8 – Efeitos no coeficiente de atrito provocados pela adição de silício e alumínio em material para freio prensado e sinterizado [PETER].

• Aglutinante: responsável por manter a estrutura unida formando uma matriz termicamente estável. Geralmente são usadas resinas fenólicas termofixas. A adição de borracha promove um maior umedecimento da matriz [ERIKSSON, 2002].

• Materiais Estruturais: promovem resistência mecânica. Podem ser usados metais, carbono, vidro e/ou fibras de kevlar. Raramente são usados outros materiais [ERIKSSON, 2002].

• Enchimento: provem uma facilidade para a manufatura e preenchem espaço sem altos custos. Podem ser utilizados, por exemplo, mica, vermiculita ou sulfato de bário [ERIKSSON, 2002].

• Aditivos para atrito: são utilizados alguns materiais para promover melhor condição de atrito na interface pastilha-disco. Lubrificantes sólidos como o grafite são utilizados para promover uma estabilidade do coeficiente de atrito em altas temperaturas. Partículas abrasivas como silício e alumínio também ajudam a aumentar o coeficiente de atrito. A adição do silício ainda promove uma superfície de contato mais aderente, pois remove óxidos e outros filmes de superfície do disco [ERIKSSON, 2002].

A respeito do material para fabricar um disco de freio, o ferro fundido cinzento representa a melhor das opções. Com uma composição de 3 a 4 % de carbono, possui grafita livre na forma de veios em uma matriz perlítica. Possui boas propriedades para dissipação térmica, satisfatória resistência ao desgaste, resistência mecânica suficiente, é barato e relativamente fácil de se fabricar por fundição [ERIKSSON, 2002].

3.2. Propriedades Térmicas

Veículos em movimento possuem uma quantidade de energia cinética proporcional à sua massa e velocidade. Para parar um veículo em movimento, esta energia cinética deve ser transformada em outra forma de energia, no caso dos freios hidráulicos, em calor. Um carro pesando 1500 kg, por exemplo, converterá em torno de 240 kW de energia cinética em calor quando a frenagem vai de 145 km/h até a parada total do veículo em poucos segundos. Esta grande quantidade de energia gerada na forma do calor pode significar, em um curto período de tempo, que o disco de freio possa atingir temperaturas de até 900ºC, o que pode resultar em um enorme gradiente de temperatura existente entre o centro e a superfície do disco [MACNAUGHTAN, 1998].

Naturalmente, o material do disco de freio deve ser capaz de resistir às altas tensões térmicas envolvidas durante os repetitivos ciclos térmicos no decorrer do uso e a energia térmica gerada deve ser dissipada o mais rápido possível [MACNAUGHTAN, 1998].

O calor gerado pelo atrito em dispositivos como freios e embreagens induz deformações térmicas, que associadas às deformações causadas pelas tensões existentes durante o deslizamento entre pastilha e disco de freio, podem levar ao desenvolvimento de áreas de contato localizadas e de zonas de altas temperaturas conhecidas como “hot spots”. “Hot spots” são áreas com grandes gradientes de temperatura na superfície de contato. A existência dessas zonas é considerada um dos fenômenos mais perigosos e pode causar em um dispositivo (sistema de freio, por exemplo) fraturas prematuras, distorções permanentes além de outros danos, como vibrações. Foi mostrado que uma solicitação termomecânica associada a estes “hot spots” pode causar um ciclo de tensões de compressão e tração com variações de deformações plásticas, o que está diretamente relacionado com a formação de trincas [PANIER, 2004] [CHOI, 2004].

Foi proposta uma classificação para os tipos de “hot spots” observados experimentalmente em discos de freios (ilustrados na figura 3.2.1):

• Resulta de contatos discretos de asperezas. A temperatura sobe rapidamente, mas pouco, em pequenas áreas da superfície de contato (1).

• Gradientes de bandas quentes correspondem a pequenas regiões de contato que aparecem ao longo de um caminho ímpar (2).

• Bandas quentes na direção radial aparecem como áreas reduzidas de contato da pastilha de freio com o disco. São vistas no disco como anéis estreitos de altas temperaturas na direção do deslizamento. Elas podem se mover ao longo da direção radial durante a frenagem (3).

• “Hot spots” macroscópicos (MHS) são grandes gradientes de temperatura distribuídos regularmente na superfície do disco. Este fenômeno reduz drasticamente a área da superfície de contato com altas temperaturas locais (4).

• “Hot spots” com pequenos gradientes de temperatura distribuídos ao longo de toda a superfície de disco, associados a um resfriamento não homogêneo. Tal distribuição aparece no final de frenagens associadas à difusão térmica (5).

Os gradientes de temperatura mais perigosos para a estrutura de um disco de freio são aquelas mostradas na Figura 3.2.1 (2), (3) e (4). O tipo (2) apresenta instabilidade termoelástica (TEI), que se baseia na teoria da variação do atrito de contato devido a interações entre expansões térmicas, aquecimento por atrito, condução de calor para fora da zona de alta temperatura e desgaste. De acordo com a teoria da TEI os “hot spots” aparecem somente a uma velocidade de deslizamento crítica que depende das propriedades térmicas do material. O tipo (3) ocorre por uma redução da área de contato da pastilha com o disco, causado por distorções térmicas dos componentes, desgaste da pastilha e o comportamento termomecânico dos materiais. O tipo (4) apresenta grandes gradientes de temperatura, comumente considerados os principais mecanismos de falha do disco. Mostra-se que os MHS são encontrados em ambos os lados do disco na direção de deslizamento. A anti-simetria dos MHS e os níveis de temperatura neles encontrados indicam uma deformação circunferencial

Figura 3.2.1 – Ilustração da distribuição de temperaturas feita com uma câmera de raios infravermelhos.

com deformação plástica e transformações locais na estrutura cristalina do metal [PANIER, 2004]. Reduzir a diferença de temperatura entre a superfície e o interior do disco, é, em primeira instância, um método eficaz para a prevenção do surgimento de trincas na superfície. A condutividade térmica é propriedade fundamental para a redução do gradiente de temperatura. O aumento das tensões de resistência e fadiga do material também seria uma alternativa possível [JIMBO, 1990] [MACKIN, 2002]. Entretanto, alta condutividade térmica não necessariamente implica em uma melhoria na resistência à formação de trincas do material. Ela serve somente para atenuar a carga térmica no disco de freio. Além do mais, até mesmo se o material reduzir o gradiente de temperatura nos primeiros estágios de frenagem, o efeito desejado de conter a formação de trinca não necessariamente será obtido, a não ser que a resistência térmica do material seja melhorada. Ou seja, nada adianta reduzir o gradiente de temperatura se a energia térmica existente no disco de freio não for dissipada ao longo do tempo, uma vez que caso o disco esteja a temperaturas muito elevadas, sua resistência térmica não será capaz de conter a formação de trincas [JIMBO, 1990] [VOLLER, 2003]. Em uma simples frenagem, virtualmente toda a energia é absorvida pelo disco e pela pastilha e o curto espaço de tempo não permite uma dissipação significante. A capacidade térmica do disco deve ser suficiente para garantir a aceitação da ascensão da temperatura, mantendo o freio a temperaturas seguras de operação. Já em aplicações repetidas de frenagem, com foi dito no parágrafo acima, o disco deve ser capaz de dissipar o calor gerado, caso contrário a integridade da estrutura do disco estará comprometida [VOLLER, 2003]. A convecção é considerada o modo mais importante de transferência de calor, dissipando a maior parte do calor gerado para o ar na maioria dos veículos em operação. Porém, a radiação contribui significantemente para a dissipação de calor em altas temperaturas [VOLLER, 2003]. A montagem do sistema de freio fornece duas áreas de dissipação de calor por condução (em carros de passeio), uma para o eixo, e outra para a roda. A transferência de calor para o eixo deve ser evitada para garantir que a temperatura no eixo se mantenha baixa. A roda está em contato direto com o ar ambiente, que é

turbulento quando o carro está em movimento, o que sugere que a roda pode oferecer um potencial substancial de dissipação de calor. É importante considerar a temperatura do pneu, uma vez que seu superaquecimento pode levar a condições de operação muito perigosas, que, obviamente, devem ser evitadas [VOLLER, 2003]. Voller et al. estudou a dissipação de calor em um sistema de freio por convecção, radiação e condução. A Figura 3.2.2 mostra curvas experimentais de resfriamento para o disco com e sem a roda, inicialmente a 140ºC, para 150 e 450 rpm, que correspondem às condições de operação de veículos comerciais. O gráfico comprova a teoria de que a convecção depende diretamente da velocidade com que o fluido escoa na superfície do disco e, como esperado, o resfriamento é muito maior para 450 rpm. O calor dissipado por radiação é independente da velocidade de rotação da roda, porém, é fortemente influenciado pela temperatura (quarta potência) e pela emissividade (dependência linear). A Figura 3.2.3 mostra um gráfico do coeficiente de transferência de calor por radiação em função da temperatura para diversos valores de emissividade. É importante notar como o coeficiente passa a ser significante para altas temperaturas. Pode-se mostrar a contribuição individual de cada uma das três formas de dissipação de calor já citadas e compará-las, como mostrado na Figura 3.2.4, para um ensaio onde a temperatura superficial era de 600ºC e a 150 rpm para um sistema de freio de

Figura 3.2.2 – Curva de resfriamento por convecção. [VOLLER]

Figura 3.2.3 – Coeficiente de transferência de calor por radiação varia com a temperatura. [VOLLER, 2003]

um veículo comercial. O resultado mostra que o total de calor dissipado é aproximadamente: condução 2,0 kW (18%), convecção 4,5 kW (39%), e radiação 5,0 kW (43%). É interessante notar que mais calor é dissipado por radiação do que por convecção. Se mudarmos as condições do ensaio para 40 rpm, a convecção contribuirá apenas com 18% do total dissipado. Entretanto, se for adotado 450 rpm, a convecção assume a condição de principal dissipador de calor com 57% [VOLLER, 2003]. Muitos discos de freio possuem uma geometria que favorece a circulação do ar na superfície para aumentar a dissipação de calor por convecção, como mostrado na Figura 3.2.5. É importante notar que para que um disco de freio não sofra danos causados por altas temperaturas, não basta somente ter boa condutividade térmica ou resistência térmica. O calor armazenado no disco deve ser eliminado, sendo então a geometria e o projeto do disco importantíssimos.

Figura 3.2.4 – Dissipação de calor por cada um dos modos de transferência de calor a 600ºC. [VOLLER, 2003]

Figura 3.2.5 – Exemplos da construção de diferentes discos de freio: (a) Porsche Carrera, (b) Moto BMW, (c) Ferrari F250.

3.3. Resistência ao Desgaste

Um dos pontos mais importantes a serem estudados para a escolha efetiva do material usado em um disco de freio é, sem dúvida nenhuma, a sua resistência ao desgaste. Inúmeros fatores devem ser abordados para o estudo completo da resistência ao desgaste como o atrito e condutividade térmica, pois estão intimamente relacionados ao tópico em questão, uma vez que o material pode ter suas propriedades alteradas em função desses parâmetros. Outros fatores que podem influenciar serão estudados nas seções subseqüentes. Historicamente, os trabalhos que vêm sendo realizados sobre o atrito, procuram explicar o processo de desgaste dos materiais e os mecanismos envolvidos nesse fenômeno. Primeiramente é necessário que se saiba o que se está querendo dizer ao mencionar a palavra desgaste. Segundo a norma DIN 50320, nos processos de desgaste estão envolvidos basicamente quarto mecanismos de desgaste, ou uma combinação desses mecanismos. São eles:

• Adesão: formação e o posterior rompimento de ligações adesivas interfaciais. Ex: juntas soldadas a frio.

• Abrasão: remoção do material por sulcamento.

• Fadiga superficial: fadiga mecânica e a conseqüente formação de trincas na superfície, devido às tensões cíclicas tribológicas.

• Reação triboquímica: formação de produtos das reações químicas que podem ocorrer entre os elementos de um tribossistema, que tem início por uma ação tribológica.

Um tipo de desgaste que pode ocorrer é o chamado desgaste oxidativo. É possível inferir que o atrito causado pelo contato de duas superfícies que deslizam uma sobre a outra, gera picos de temperatura, estritamente ligadas ao valor da velocidade

Figura 3.3.1 – a) Formação de ilhas de oxido; b) e c) crescimento das ilhas; d) destruição das camadas oxidadas e formação de novas ilhas [CUEVA, 2002]

relativa das superfícies para alguns pontos. Isso pode levar a formação de ilhas ou “plateaus” de óxido, que acabam formando uma camada protetora que reduz o contato metal-metal. A elevada pressão de contato entre essas novas superfícies irregulares provoca o trincamento das ilhas, o que leva a formação de partículas de desgaste (“debris”) não metálicas. Estando o sistema em uma atmosfera de oxigênio, essas partículas serão formadas basicamente de vários tipos de óxidos, cuja formação depende da temperatura em questão. A baixas temperaturas, a oxidação ocorrerá apenas no contato entre as asperezas das superfícies, enquanto que a altas temperaturas, ela pode ocorrer na superfície toda, inclusive fora da área de contato. Um outro processo é o desgaste abrasivo, que ocorre pelo deslocamento de material provocado pela ação de partículas duras, que estão alojadas entre duas superfícies que estão em movimento relativo. Também pode ocorrer por causa de partículas duras que estejam alojados em uma das superfícies. Resíduos de produtos usados na fabricação do material, fragmentos de desgaste encruados ou partículas estranhas que entram no tribossistema, são alguns dos motivos que justificam o aparecimento dessas partículas. No caso de se ter uma superfície mais dura do que a outra, pode-se verificar esse mesmo processo. O desgaste abrasivo ainda pode ser classificado em: sulcamento, corte, fadiga e trincamento. Durante o processo de sulcamento, se for considerada apenas a passagem de uma partícula abrasiva, esta não provoca a remoção de material da superfície que vai ser desgastada (não há perda de massa). Uma proa é formada na frente dessa partícula, obrigando o material a se deslocar para os lados, formando os chamados sulcos. Mas a ação de várias partículas abrasivas que atuam de forma simultânea e sucessiva nessa superfície, acaba por deslocar o material das bordas de

Figura 3.3.2 – a) Desgaste abrasivo a dois corpos; b) Desgaste a três corpos [CUEVA, 2002]

Figura 3.3.3 – Interações físicas entre as partículas abrasivas e as superfícies dos materiais [CUEVA, 2002] um lado para o outro, podendo provocar o destacamento de uma lasca pelo processo caracterizado como fadiga de baixo ciclo. Já no mecanismo de corte, a perda de massa da superfície provocada pela ação de uma partícula dura, fica igual ao volume do sulco que foi deixado como marca do desgaste ocorrido. Os mecanismos de corte e sulcamento são os predominantes no que se refere ao desgaste abrasivo de materiais dúcteis. A quantidade de material que é deslocado para os lados no sulcamento, ou que é retirado no corte, é proporcional ao ângulo de ataque da partícula abrasiva.

Figura 3.3.4 – Mudança do tipo de mecanismo de desgaste e a taxa do desgaste em função do ângulo de ataque [CUEVA 2002]

Por último, o trincamento irá ocorrer quando as partículas duras concentrarem tensões maiores do que o limite de resistência na superfície dos materiais. Devido à formação e propagação das trincas, grandes “debris” serão destacados da superfície. O desgaste por fadiga superficial é o processo pelo qual se observa a formação de trincas e o posterior lascamento do material provocados pelo carregamento cíclico de superfícies sólidas. Nota-se a seguinte seqüência de processos: deformação elástica, deformação plástica, encruamento, formação e propagação de trincas. Tensões cíclicas

Figura 3.3.5 – Formação de trinca propagando-se paralela à superfície [CUEVA 2002] superficiais podem resultar do rolamento, deslizamento e impacto de sólidos relativos à superfície em questão, o que levará a fadiga da mesma. Durante o contato por deslizamento, os carregamentos e descarregamentos poderão induzir trincas na superfície ou abaixo dela. Esse carregamento cíclico será provocado pelas forças de atrito e normal, que atuam na área de contato. Por fim, assim que uma trinca atinge a superfície, as partículas de desgaste são geradas. Essas trincas estão representadas na figura 3.3.5. O desgaste adesivo, de caráter químico, pode ocorrer no deslizamento de uma superfície sobre a outra. Na interação das asperezas das superfícies, forças atrativas nos pontos de contato são geradas, podendo ser das formas iônicas, covalentes, metálicas ou de Van der Waals. Sendo a área de contato nas asperezas muito pequena, localmente se desenvolvem altas pressões de contato que provocam a deformação plástica, adesão e a conseqüente formação de junções localizadas. Com o deslizamento relativo entre as superfícies em contato, ocorre a ruptura dessas junções podendo, freqüentemente, ocorrer a transferência de material entre as superfícies. Isso fica favorecido por diversos fatores externos como a composição química do material ou limpeza das superfícies, por exemplo. Os fragmentos de material que passam de uma superfície a outra podem se destacar novamente e voltar à superfície inicial ou se tornar resíduos de desgaste. Segundo Welsh (1965), as características do processo de desgaste podem mudar intensamente quando as condições do contato sofrerem alterações. O autor mostra que a velocidade de deslizamento e a dureza do material provocam grandes variações na taxa de desgaste. Foi observado que quando a velocidade do deslizamento excede um valor crítico, a taxa de desgaste pode diminuir em até 600 vezes. As altas taxas de desgaste observadas por Welsh estão associadas à presença de fragmentos metálicos grandes, enquanto que as baixas taxas estariam relacionadas à oxidação superficial e a finos “debris” oxidados. As velocidades críticas podem ser determinadas segundo critérios apontados por Kragelskii & Shvetsova (1955).

3.3.1. O Desgaste em Discos de Freio

É sabido que os discos de freio são comumente feitos de ferro fundido. Os ensaios de discos que são feitos com ajuda de pinos (para simular o desgaste) são, em sua maioria, feitos apenas com variações desse tipo de material. Para esses casos, existem diferentes mecanismos de desgaste: abrasivos, adesivos e oxidativos. Segundo Liu (1995), quando duas superfícies entram em contato num ambiente propenso à oxidação, ocorrem reações na superfície que acabam por gerar filmes de óxido, que acabam por serem removidos e recriados consecutivamente, e isso promove o desgaste oxidativo. No início, o desgaste se dará por adesão, mas com o passar do tempo, esses mesmos óxidos removidos passaram a ser detritos que causam o desgaste abrasivo. Foi também observado por esse autor, que se o ferro fundido em questão tiver alta resistência à tração e alta dureza, de forma que acaba dificultando a adesão e o microcorte, o filme de óxido terá tempo suficiente para que atinja uma espessura crítica. Depois, devido às tensões, ele se destacará da superfície de contato, quebrando-se em forma de lascas ou “debris” que poderão atuar como partículas abrasivas. Assim, a oxidação irá elevar a taxa de desgaste do ferro fundido em uma atmosfera de condições normais. Para o caso de o ferro fundido ter baixa resistência à tração e baixa dureza, o desgaste vai ocorrer na forma de adesão e microcorte. Neste caso, a adesão será a principal causa de desgaste e os filmes de óxido serão benéficos, reduzindo a tendência à adesão. Liu verificou que a resistência ao desgaste oxidativo dos ferros fundidos vermiculares é superior a dos ferros fundidos cinzentos, isso porque os ferros fundidos vermiculares geralmente apresentam maior resistência à tração e maior dureza. Dessa forma, o desgaste adesivo, que é mais forte que o oxidativo, acaba não sendo o mecanismo de desgaste predominante. Com relação à resistência ao desgaste, Zhang (1993) também afirma que a resistência ao desgaste por deslizamento de ferros fundidos com grafita vermicular é superior à de ferros fundidos cinzentos ou nodulares, independentemente da pressão de contacto ou velocidade de deslizamento. Isto se deve à excelente combinação de alta resistência mecânica e boa capacidade de transferência de calor que dá ao material uma boa resistência ao lascamento das superfícies por fadiga térmica [ZHANG, 1993]. Estudos de resistência ao desgaste mostraram que em ensaios tipo pino no disco, a resistência ao desgaste do ferro fundido com grafita vermicular, pode ser superior a alguns ferros fundidos cinzentos comumente usados em discos de freio. Uma das desvantagens observadas no ferro fundido vermicular foi as altas temperaturas atingidas durante os testes, cerca de 45% maiores que as temperaturas alcançadas pelos ferros fundidos cinzentos [CUEVA, 2000]. O desgaste no disco de freio, também deverá ser causado pela pastilha escolhida e por outros vários fatores externos. Podem ser colocadas proteções a esses fatores, porém quando em excesso, a proteção poderá comprometer a taxa de resfriamento dos componentes ou reter detritos de desgaste, o que provocaria um maior desgaste no disco.

3.3.2. Ensaio do Desgaste em Discos de Freio Cueva realizou ensaios de discos de freio de diferentes materiais para estudar o comportamento de um disco submetido à frenagem. A pressão que um disco de freio pode receber varia entre 2 e 4 Mpa, segundo Epósito e Thrower (1991). Para o ensaio realizado, foram estudados um ferro fundido com grafita vermicular (Vermic) e três ferros fundidos cinzentos: um denominado Fe250, um de alto teor carbono (FeAC) e outro ligado com Ti (FeTi). Os ensaios de desgaste foram feitos numa máquina de ensaios de desgaste tipo pino no disco, acoplado a um computador, Marca Plint, com sistema pneumático de aplicação de carga e capacidade máxima de 1000 N. Na figura mais abaixo são mostrados esquematicamente a máquina e seus acessórios. Os pinos foram fabricados a partir de pastilhas de freio que equipam os caminhões Sprinter da Mercedes Benz, com base quadrada (Área = 144 mm2) e acabamento superficial em lixa 400. Os discos de ferro fundido foram fabricados com 70 m de diâmetro, 7 m de espessura e acabamento superficial de 1 µm.

Os ensaios de desgaste foram realizados da seguinte maneira: enquanto o disco girava a

Figura 3.3.6 – Representação da máquina de ensaio dos discos.

500 rpm foi submetido a uma pressão cíclica de frenagem de 4 MPa. O ciclo total de frenagem foi de 4 min sendo que durante 1 min foi aplicada a pressão de frenagem e nos 3 min restantes o disco girou descarregado. Durante os ciclos de frenagem o sistema pino – disco foi resfriado por convecção forçada através de um ventilador. O tempo total de ensaio foi de 20 horas, completando-se nesse intervalo 300 ciclos de frenagem (carregamento-descarregamento). O ensaio foi interrompido depois de 7 e 20 horas para serem realizadas medidas de perda de massa dos discos e dos pinos, usando-se uma balança Marca Scientech de 0,0001g de precisão. Durante os ciclos de frenagem foram determinados também, as temperaturas alcançadas pelos pinos e os discos através de termopares inseridos nos pinos. Foram registradas as forças normais e tangenciais e foi calculado o coeficiente de atrito. O desgaste dos discos e dos pinos foi calculado através da perda de massa acumulada durante os ciclos de frenagem dividida pela área de contato do pino. O desgaste encontrado nos discos está representado na figura 3.3.7. O desgaste dos pinos também deve ser levado em consideração.

Observando os gráficos dos resultados, percebe-se que não ocorreu o esperado, em que o ferro fundido vermicular, que tem melhores propriedades mecânicas que os ferros fundidos cinzentos, apresentaria também as melhores propriedades de resistência ao desgaste. A razão para este acontecimento pode estar relacionada com o menor teor de grafita que possui, que faz com que as camadas de grafita lubrificantes sejam mais finas ou descontínuas, deixando a matriz mais exposta ao processo de desgaste, promovendo maiores perdas de massa. Além disso, a ferrita presente na microestrutura, de dureza menor, seria rapidamente arrancada da superfície dos

Figura 3.3.7 – Desgaste dos discos com relação ao tempo [CUEVA, 2000]

Figura 3.3.8 – Desgaste do pino em relação ao tempo. [CUEVA, 2000] discos, devido às altas forças de atrito atuantes, facilitada ainda pelas elevadas temperaturas e a lenta dissipação de calor. Por fim, observou-se também que os pinos se desgastaram relativamente da mesma forma que os diferentes discos ensaiados, ou seja, o material que teve o menor desgaste também teve o pino com menor desgaste no ensaio. Ao final dos ensaios de desgaste, observou-se as superfícies dos discos. Algumas das características das superfícies ao final do processo, estão caracterizadas a baixo.

Figura 3.3.9 – Detritos do pino (pastilha) aderidos à superfície desgastada [CUEVA, 2000].

(Parte 3 de 5)

Comentários