Caracterização mecânica e tribológica de materiais de atrito

Abstract

Os materiais de atrito desempenham um importante papel no sistema de travagem. Assim sendo, para que cumpram com eficácia a sua função, devem, entre outras características, ter um coeficiente de atrito estável e dar resposta a diferentes situações de aplicação, nomeadamente, pressão aplicada, temperatura, velocidade e humidade. Devem ainda possuir outros requisitos, tais como, resistência a contaminações líquidas, resistência ao calor e estabilidade térmica, baixa taxa de desgaste e não provocar danos no disco. As pastilhas e os calços de um veículo são elementos essenciais no sistema de travagem, visto que são responsáveis por uma travagem que se deseja eficiente e segura, e por isso, alvo de uma grande evolução ao longo dos tempos. No fabrico das pastilhas de travão é utilizada frequentemente uma extensa gama de diferentes materiais, com inúmeras possibilidades de combinação, que cumprem funções específicas. Os métodos de ensaio que têm sido desenvolvidos para testar tribologicamente os materiais de atrito são muitos e a sua evolução é uma constante. Devido a limitações que alguns métodos apresentam, têm sido feitos estudos para determinar o grau de correlação entre os resultados dos testes obtidos em laboratório e os obtidos em veículos reais, concluindo-se que não há testes de laboratório que de uma forma consistente forneçam dados que se correlacionem com os obtidos em situação de serviço. Por outro lado, estes ensaios são muito demorados e de elevado custo, tendo sido desenvolvidos, para este tipo de pesquisas, de forma independente e a menor escala, outro tipo de testes que, dependendo dos parâmetros que se pretendem avaliar, podem ser instrumentalizados para esse fim. No presente estudo submetemos seis materiais a ensaios, sendo estes, BREKA, COMERCIAL 70-30, PESADO, 50-20, PLACAS, 55-30. Todos os materiais foram caracterizados mecanicamente, mas só foi possível caracterizar tribologicamente os materiais PLACAS, BREKA e COMERCIAL 70-30, por falta de amostras suficientes dos restantes materiais. Para realizar os ensaios tribológicos para cada material, foram utilizadas três pressões diferentes e para cada pressão foram efetuados três ensaios de duração diferente. Os ensaios tribológicos foram efetuados numa máquina denominada Friction Assessment Screening Test (F.A.S.T), tendo sido substituídas algumas peças originais e feitas adaptações de modo a permitir a obtenção dos dados de forma digital. Como outputs foram obtidos a força normal, a força de atrito e a temperatura da pastilha. O desgaste de cada pastilha foi determinada através de pesagem. A comparação do desempenho das formulações foi realizada através da representação gráfica da força de atrito e coeficiente de atrito ao longo da distância de escorregamento, assim como a massa de desgaste de todos os materiais sujeitos a ensaio. Foi ainda feita, para auxiliar a compreensão de resultados obtidos, a caracterização mecânica dos materiais e determinados os valores de módulo de elasticidade dinâmico, módulo de elasticidade estático, dureza e resistência à flexão/tenacidade. Genericamente, verificou-se um aumento do desgaste com o aumento da pressão aplicada ao provete e com o aumento da distância de escorregamento, como era expectável. Todos os materiais apresentaram valores de desgaste específico no intervalo que é tomado como referência (40 mg/MJ a 100 mg/MJ) na classificação do material de atrito como aceitável. Relativamente ao desgaste volúmico e desgaste específico, os materiais PLACAS e COMERCIAL 70-30 tiveram valores de desgaste muito semelhantes para todos os tipos de ensaios. O material BREKA, pelo contrário distingue-se dos outros dois por apresentar valores de desgaste muito inferiores. Quanto ao coeficiente de atrito, o material que apresentou maior coeficiente de atrito foi o PLACAS e o material que apresentou o menor coeficiente de atrito, foi o BREKA. No que toca às propriedades mecânicas, o módulo de elasticidade de todos os materiais de atrito diminuiu com o aumento da temperatura.

Friction materials play an important role in the braking system. Therefore, to fulfill effectively its function, it should, among other characteristics, have a stable friction coefficient and respond well to different application situations in particular applied pressure, temperature, velocity and humidity. They must also have other requirements such as resistance to liquid contamination, good heat resistance and thermal stability, low wear rate and not cause damage to the disk. The pads and shoes of a vehicle are essential elements in the braking system, as they are responsible for braking which desired to be efficient and secure, and therefore the target of a major evolution over time. In the manufacture of brake pads is often used a wide range of different materials with numerous combination possibilities, which fulfill specific functions. The test methods that have been developed to tribologically test friction materials are many and its evolution is a constant. Due to limitations of some methods, studies have been made to determine the degree of correlation between the test results obtained in the laboratory and results obtained in vehicles, it has been concluded that there are no laboratory tests that consistently provide data that has any correlation with those obtained in vehicles. Moreover, these tests are time consuming and costly, leading to the development of other independent subscale tests, that can have different control and instrumentation depending on the parameters wished to evaluate. In the present study we submitted six materials to testing, which are, BREKA, COMMERCIAL 70-30, PESADO, 50-20, PLACAS, 55-30. All materials were characterized mechanically, but it was only possible to characterize the tribologically materials PLACAS, BREKA and COMMERCIAL 70-30, due to the lack of sufficient samples of other materials. To perform tribological tests for each material were used three different pressures and for each pressure were performed three different length tests. The tribological tests were performed on a machine called Friction Assessment Screening Test (F.A.S.T), which has had some original parts replaced and adjustments made to allow data acquisition in digital form. As outputs the normal force, the frictional force and the temperature were acquired. The wear of each pad was determined by weighing. A comparison of the performance of the formulations was done by plotting the frictional force and coefficient of friction along the sliding distance as well as the wear volume of all the material under testing. To assist in understanding the results obtained, it was also done a mechanical characterization of all materials and determined the values of dynamic elasticity modulus, hardness and flexural strength/toughness. Generally, there was an increased wear with increasing pressure applied to the test piece and with increasing sliding distance, as was expected. All materials showed specific wear values within a range which is taken as reference (40 mg / MJ and 100 mg / MJ) to classify the friction material as acceptable. For the volumetric and specific wear, PLACAS e COMERCIAL 70-30 materials had very similar wear values for all types of tests. The BREKA material, on the other hand is distinguished from the other two by having much lower wear values. As for the coefficient of friction, the material with the highest coefficient of friction was the PLACAS and the material had the lowest coefficient of friction was BREKA. With respect to the mechanical properties, the modulus of elasticity of all the friction materials decreased with increasing temperature.