Estudo da transição do regime de desgaste de materiais de fricção aplicados a freios automotivos

Abstract

A transição entre regimes de desgaste (moderado para severo, ou vice-versa) é um fenômeno tribológico observado em diversos materiais. Na literatura, encontram-se trabalhos relatando este fenômeno no contato entre metais, bem como em polímeros. Entretanto, poucos autores abordam esta transição em materiais de fricção empregados em freios automotivos. Para este tipo de material pode-se esperar que uma condição de desgaste severo leve a uma redução significativa da sua vida útil. Esta tese visa avaliar os efeitos de condições operacionais de frenagem (pressão de contato e velocidade de deslizamento) na transição do regime de desgaste em materiais de fricção utilizados em freios automotivos. Diversos experimentos foram realizados no tribômetro do LATRIB (Laboratório de Tribologia da UFRGS), onde atritou-se pastilhas de freio contra discos de ferro fundido cinzento. Uma nova técnica para o monitoramento do filme tribológico depositado sobre o disco durante os testes foi implementada. Foi possível concluir que pressões de contato e velocidades de deslizamento elevadas resultam na transição do regime de desgaste de uma condição moderada para severa. Quando isso ocorre, o coeficiente de atrito sofre um aumento repentino, além de resultar em uma redução abrupta da área dos platôs de contato da pastilha e uma diminuição do filme depositado sobre o disco. No regime de desgaste severo, constatou-se uma maior irregularidade superficial do disco, além de uma dificuldade de formação de magnetita na superfície do disco, sendo este tipo de óxido descrito pela literatura como o principal componente do filme. Também foi constatada uma elevada quantidade de detritos gerados a partir do contato tribológico no regime severo. No regime moderado, por outro lado, poucos detritos foram gerados. Foi constatado que a remoção dos platôs de contato secundários, na qual ocorre devido às elevadas pressões e velocidades, resulta em um contato mais direto entre os platôs primários e o filme. Este contato acaba por remover o filme depositado sobre o disco, levando a um aumento de desgaste de pastilha em função de não haver platôs de contato estáveis entre as diferentes frenagens. Esta tese demonstra que os platôs de contato e o filme tribológico aderido na superfície do disco têm um papel fundamental em evitar a ocorrência de regime severo de desgaste. Assim, sob o ponto de vista da durabilidade (vida útil), a formação e estabilidade dos platôs e do filme tribológico são aspectos importantes a serem considerados no desenvolvimento de novos materiais de fricção.

The transition between wear regimes (moderate to severe, and vice versa) is a tribological phenomenon observed in many materials. In the literature, many studies focus on the transition of wear regime for metals and polymers. However, few authors approach the transition in automotive brake friction materials. For these materials, it could be expected that the severe condition leads to a significant reduction in lifetime of the component. This thesis aims to evaluate the effects of operational brake conditions (contact pressure and sliding velocity) in the transition of wear regime for automotive brake friction materials. Many experiments were carried out on the tribometer of LATRIB (Laboratory of Tribology – UFRGS), on which brake pads were rubbed against a disc made of gray cast iron. A new technique to evaluate the tribological tribofilm deposited on the disc’s surface during the experiments was implemented. It was concluded that high contact pressures and sliding velocities leads to a transition in wear regime from moderate to severe condition. When it occurs, a sudden increases of the coefficient of friction with an abrupt reduction of the area of the contact plateaus and a reduction of the tribofilm deposited on the disc’s surface is observed. In severe wear regime, it was observed a higher superficial irregularity of the disc and a difficulty in the magnetite formation on the disc’s surface. This kind of iron oxide is described by the literature as the main component of the tribofilm. Besides, it was observed a high quantity of debris generate by the tribological contact during the severe wear regime. On the other hand, the moderate wear regime results in just a few debris. It was concluded that the destruction of the secondary plateaus, due the high contact pressures and high sliding velocities, results in a direct contact between the primary plateaus and the tribofilm. This contact leads to a reduction of the tribofilm, resulting in an increase of the pad's wear due the absence of stable secondary plateaus during braking operations. The present thesis shows that the contact plateaus and the tribofilm have a fundamental role to avoid the severe wear regime. Thus, from the point of view of durability (live cycle), the formation and the stability of the plateaus and the tribofilm are important issues to be considerate in the development of new brake friction materials.