COLEGIUL TEHNIC MIRCEA CEL BĂTRÂN

MINISTERUL EDUCAIEI I CERCETĂRII TIINIFICE PRIMĂRIA SECTORULUI 1 BUCUREŞTI INSPECTORATUL ŞCOLAR AL MUNICIPIULUI BUCURETI INSPECTORATUL ŞCOLAR AL SECTORULUI 1 COLEGIUL TEHNIC MIRCEA CEL BĂTRÂN I

MATERIALE UŞOARE COMPOZITE UTILIZATE ÎN INDUSTRIA DE AUTOMOBILE. PARTEA I : PROPRIETĂŢILE ŞI APLICABILITATEA MATERIALELOR COMPOZITE Lector Univ. Dr. Ing. Ileana Nicoleta Popescu, Universitatea Valahia din Târgovişte, Facultatea de Ingineria Materialelor şi Mecanică, Campus, Corpul A, Aleea Sinaia, nr. 13 Prof. Ing. Ec. Mariana Vasilica Bîgea - Colegiul Tehnic Mircea cel Bătrân, Bucureşti Cuvinte cheie: materiale uşoare compozite, proprietati, aplicaţii Pe plan mondial se manifestă un mare interes pentru producerea de piese din materiale uşoare prin diverse tehnologii. Dintre materialele uşoare utilizate în industria de transporturi (rutiere, feroviare sau aeronautice) de firme consacrate în domeniu sunt şi materialele compozite pe bază de aluminiu. In prima parte a lucrării sunt (i) definite materialele compozite în general, sunt (ii) prezentate materialele compozite uşoare utilizate în industria de automobile şi (3) caracteristicile compozitelor pe bază de aluminiu utilizate în sistemul de frânare al automobilelor ca înlocuitor al materialelor din fontă grele. Aceste materiale noi, compozite prezintă rezistenţa mecanică şi anticorozivă, bună conductibilitate termică şi electrică, coeficient de dilatare scăzut, caracterisitici specifice materialului de bază (matricea din aliaj de aluminiu) respectiv prezintă caracterisitici mecanice şi tribologice (frecare, rezistenţă la uzură) îmbunătăţite prin armarea aliajului de aluminiu cu particule, fibre scurte sau foarte scurte (whiskers-uri). LIGHT COMPOSITE MATERIALS USED IN THE AUTOMOBILE INDUSTRY. PART I: PROPERTIES AND COMPOSITE MATERIALS APPLICABILITY Lecturer Univ. Dr. Eng. Ileana Nicoleta Popescu, Valahia University from Târgovişte, Faculty of Materials Engineering and Mechanics, Campus, Corp A, 13 Aleea Sinaia Sreet Prof. Eng. Ec. Mariana Vasilica Bîgea - Technical College Mircea cel Bătrân, Bucharest Keywords: lightweight composites, properties, applications Worldwide is manifested a great interest in producing lightweight parts with different technologies. Among the lightweight materials used in the transport (road, rail or aviation) industry by well-known companies in the field, are also the aluminum composite materials. In the first part of the paper are (i) generally defined composite materials, (ii) are presented light composite materials used in the automotive industry and (3) aluminum based composites used in automotive braking system as a substitute for heavy cast iron material. These new composite materials have mechanical and corrosion strength, good electrical and thermal conductivity, low thermal expansion coefficient, specific characteristics of the base material (aluminum alloy matrix) and also that presents mechanical and tribological characteristics (friction, wear resistance) improved by reinforcing of aluminum alloy with particulate reinforcement, short or very short fibers (whiskers).

MATERIALE UŞOARE COMPOZITE UTILIZATE ÎN INDUSTRIA DE AUTOMOBILE PARTEA I : PROPRIETĂŢILE ŞI APLICABILITATEA MATERIALELOR COMPOZITE Lector Univ. Dr. Ing. Ileana Nicoleta Popescu, Universitatea Valahia din Târgovişte, Facultatea de Ingineria Materialelor şi Mecanică, Campus, Corpul A, Aleea Sinaia, nr. 13 Prof. Ing. Ec. Mariana Vasilica Bîgea - Colegiul Tehnic Mircea cel Bătrân, Bucureşti Cuvinte cheie: materiale usoare compozite, proprietati, aplicatii Introducere Pe plan mondial se manifestă un mare interes pentru producerea de piese din materiale uşoare prin diverse tehnologii. Dintre materialele uşoare utilizate în industria de transporturi (rutiere, feroviare sau aeronautice) de firme consacrate în domeniu sunt şi materialele compozite pe bază de aluminiu. Acest interes este motivat pe de o parte de calităţile materialului -în primul rând masă de trei ori mai mică decât a materialelor din fier, nichel sau cupru - şi pe de altă parte de caracteristicile superioare ale acestor materiale: rezistenţa mecanică şi anticorozivă, bună conductibilitate termică şi electrică, coeficient de dilatare scăzut, caracterisitici specifice materialul de bază (matricea din aliaj de aluminiu) respectiv de caracteristicile mecanice şi tribologice (frecare, rezistenţă la uzură) îmbunătăţite prin armarea aliajului de aluminiu cu particule, fibre scurte sau foarte scurte (whiskers-uri). Începând cu anii 80, industria de transporturi se dezvoltă prin realizarea de materiale noi (compozite) pe bază de aluminiu, rezistente la solicitări mecanice şi ciclice cum ar fi pistoane, biele, materialele rezistente la uzare-cap şi segment piston, cămăşi cilindru pentru motoare cu ardere internă, discuri sau plăcuţe de fricţiune, materiale cu proprietatea de autolubrifiere lagăre autoungătoare, bucşi, bielă, blocuri motor etc. [1-4]. Definirea, proprietăţile şi aplicabilitatea materialelor compozite Materialul compozit este este un produs artificial, neconvenţional constituit dintr-o combinaţie de cel puţin două materiale diferite din punct de vedere chimic, separate între ele printr-o interfaţă, realizat cu scopul de a se obţine combinaţii de proprietăţi favorabile domeniului de aplicabilitate ales. 1

Cu alte cuvinte, materialul compozit reprezintă un ansamblu de două sau mai multe componente (matricea - componenta majoritară şi ranforsajul) ale căror proprietăţi se completează reciproc. Proprietăţile pot fi controlate prin alegerea convenabilă a proporţiei şi naturii chimice a materialului de bază (matricea) şi respectiv a materialului complementar (armătura, ranforsajul). Materialele compozite din aliaje de aluminiu pot fi armate continuu sau discontinuu în funcţie de proprietăţile şi utilizarea produselor din aceste materiale. Materialele armate discontinuu, cu particule sau fibre scurte sau foarte scurte, în comparaţie cu cele ranforsate cu fibre lungi (continuu) s-au remarcat prin proprietăţi mecanice izotrope (uniforme în tot volumul materialului) şi prin cost scăzut procesare mai ieftină : posibilitatea utilizării tehnologiilor convenţionale şi a metodelor de încercare apropiate de standarde, respectiv preţ scăzut al ranforsajului discontinuu (4-5 $/kg particulele de SiC faţă de materialele compozite armate cu fibre continue 600-700$/Kg fibre continue de bor). Datorită acestor caracteristici, materialele compozite armate discontinuu îşi găsesc utilizare în aplicaţiile ce necesită rezistenţă la temperaturi înalte, rezistenţă la uzură şi caracteristici îmbunătăţite mecanice în comparaţie cu aliajele de aluminiu neranforsate şi care nu impun condiţii severe de încărcare şi termice (industria constructoare de maşini, transporturi, etc) [1-2], în schimb, cele armate continuu cu fibre continue de înaltă rezistenţă (oţel, bor, borsic (B + SiC), carbon, carbură de siliciu, wolfram, beriliu sau titan) au utilizări limitate, aproape excusiv în domeniile de vârf militare şi aeronautice [1-4] la care se cer caracteristici de rezistenţă mecanică şi module de elasticitate foarte mari (de la 2 la 200GPa) şi la care preţul nu constiute un împediment. Astfel, s-a acordat o atenţie deosebită în obţinerea şi testarea de materiale destinate cuplajelor, discurilor şi altor mecanisme de frânare ale automobilelor care să prezinte caracterisici mecanice, tribologice, economice şi ecologice care să se încadreze în cerinţele actuale. Caracteristicile tribologice necesare sunt obţinerea unei frânări line, uzură redusă a materialului în exploatare şi coeficienţi de frecare ridicaţi (0,35-0,45) şi stabili la diferite temperaturi dezvoltate în timpul utilizării în condiţii normale şi severe de testare (viteze de alunecare ce pot varia în domeniul 1-30m/s şi presiuni de contact situate între 0,1-20MPa pentru autovehicule de dimensiuni mici şi medii) [1-6]. Materialele care îndeplinesc aceste condiţii şi care fac obiectul cercetărilor actuale sunt materialele compozite din aliaje de aluminiu armate în special cu particule ceramice dure de SiC [2]. 2

Pentru înţelegerea mecanismelor de frânare ale vehiculelor rutiere şi realizarea dispozitivelor de frânare ale acestora este necesară familiarizarea cu sistemul de frânare şi caracteristicile specifice ale acestora cerute în exploatare. Sistemul de frânare al automobilelor Discul de frână. Caracterisitici de material şi funcţionale Subansamblurile de frecare presupun existenţa unui cuplu de materiale aflate în contact direct: materialul de frictiune (plăcuţa de frână) şi contrapiesa (discul de frână), prin intermediul cărora se realizeaza transmiterea prin frecare a momentului de torsiune sau de frânare necesar. Sistemul de frânare al automobilelor poate fi divizat în trei mari componente [5, 6]: A. Discul sau rotorul de frână este componenta principală în cuplul de fricţiune. Aşa cum indică şi numele, acesta în timpul deplasării vehiculului se află în mişcare de rotaţie împreună cu roata. Discurile de frână comercializate pe piaţă în mod curent sunt cele realizate din fontă sau din oţel. Cercetările din ultimii ani însă, s-au axat pe realizarea acestora din materiale mai uşoare cu aceleşi calităţi de rezistenţă la uzură sau îmbunătăţite din materiale compozite, care deocamdată sunt doar la nivel de prototip, cum ar fi compozitele pe bază de aluminiu ranforsate cu SiC sau B 4 C, sau compozitele ceramice carbon-sic sau carbon sinterizat [5, 6]. B. Plăcuţa de frână este cea de-a doua componentă princială a cuplului de fricţiune. În timpul frânării, plăcuţa de frână apasă pe discul de frână cu ajutorul pistonuluui hidraulic. Forţele de fricţiune dintre plăcuţa staţionară şi discul de frână (rotorul) aflat în mişcare de rotaţie transformă energia cinetică a automobilului în căldură. C. Sistemul hidraulic transferă şi amplifică forţa de frânare de la pedala de frână către pisonul hidraulic apăsând astfel plăcuţa pe discul de frână. În sistemul modern de frânare sistemul hidraulic include de asemenea sistemul de origine germană ABS (Anti-Blockier System) - sistem de frânare indepenent pe fiecare dintre roţi care împiedică blocarea roţilor în timpul frânării - şi diferite tipuri de sisteme de tracţiune [3, 4]. În figura 1 este prezentat schematic sistemul de frânare al automobilelor cu tambur respectiv cu disc de frână. Discul de frână şi sitemul de prindere a plăcuţei de frână pe disc sunt componente ce determină eficienţa frânării automobilului. Varietatea tipurilor constructive de vehicule implică o diversitate de astfel de componente de frânare din punct de vedere constructiv şi funcţional. Astfel, în funcţie de gabaritul vehiculelor, în special la 3

camioane şi autobuze, discurile de frână sunt înlocuite cu tambururi de frână. Discurile de frână de asemenea au şi ele particularităţi constructive şi anume pot fi prevăzute cu găuri pentru răcire rapidă ( ventilated brake rotor ) sau compacte ( solid brake rotor ). Anumite tipuri de discuri de frână au fost deja folosite ca părţi componente la vehiculele grele, urmând să câştige în următorii ani anumite segmente de piaţă. Fig. 1 - Prezentare schematicã a sistemului de frânare al automobilelor cu un tambur ºi un disc de frânã [1] Caracteristica principală funcţională a sistemului de frânare este reducerea controlată a vitezei autovehiculului. Dintre cele mai importante caracteristici de material care trebuie îndeplinite de către discul de frână sunt: - Rezistenţă specifică mare la tensiuni dinamice şi modul de elasticitate înalt pentru a împiedica deformarea discului de frână în timpul utilizării. - Rezistenţă foarte mare la uzare pentru a asigura o durabilitate în exploatre ridicată; - Coeficent de frecare ridicat şi constant indiferent de condiţiile de frânare, pentru a asigura o frânare eficientă; - Conductibilitate termică înaltă şi coeficient de dilatare termică scăzut necesare în vederea disipării în atomsferă a energiei calorică dezvoltate în timpul frânării; temperatura de lucru trebuie să se situeze sub temperatura de topire a materialului; - Rezistenţă la coroziune înaltă în vederea evitării degradării materialului în exploatare; - Greutate scăzută împlică reducerea masei vehicolului, ce are ca efect reducerea consumului de combustibil şi reducerea emisiilor de gaze poluante în atmosferă; 4

Caracteristicile funcţionale ale discului de frână cerute în exploatare sunt: - Nivel scăzut al zgomotului la frânare. Comfortul este parametrul competitiv cheie în industria de automobile şi de aceea înlăturarea sau diminuarea zgomotului de frânare este o caracterisitică importantă; - Cost scăzut rezultat din creşterea durabilităţii produsului şi din costuri mai mici de producţie şi de materiale; - Rată de poluare scăzută la producerea/reciclarea, ansamblarea şi dezasamblarea materialului cât şi ca rezultat al reducerii consumului de combustibil al automobilului; - Consum scăzut de energie în prooducerea, utilizarea şi reciclarea materialului; - Caracteristici dimensionale specifice tipului de automobil şi regimului de lucru; - Service la parametrii înalţi schimbarea uşoară a discului şi a plăcuţei de frână. Pentru a îndeplini aceste condiţii, firmele de prestigiu din domeniu au efectuat cercetări [4-6] în vederea de găsirea de soluţii alternative de înlocuire a discurilor de fontă sau oţel cu materiale mai uşoare şi cu caracteristici tribologice, economice şi ecologice impuse acestui produs. Dintre materialele analizate şi comparate din punct de vedere al greutăţii, posibilităţii de reciclare, uzurii şi rezistenţei la tensiuni dinamice au fost fonta, aluminiul, materialele compozite pe bază de aluminiu ranforsate cu particule de SiC sau B 4 C, magneziul şi titanul. Rezultatele comparative sunt prezentate în tabelul 1[6]: Din acest tabel rezultă că cea mai bună soluţie de înlocuire a materialor pentru discurile de frână din fontă sunt cele din materiale compozite pe bază de aluminiu armate cu SiC sau B 4 C [6]. Tabelul 1 Caracteristicile comparative ale materialelor propuse ca soluţii alternative pentru discul de frană [6] Proprietãþi Rezistenþã Tip Greutate Reciclabil Rezistenþã la solicitãri material scãzutã uzurã dinamice Fontã - - + + + + Aluminiu/Aliaje de + + + + - - + aluminiu AlMC (Aliaj de Al armat cu SiC/B 4 C) + + + + + + + Magneziu/Aliaje de + + + - - + magneziu Titan/Aliaje din titan + + + - - + + la 5

Bibliografie [1] P.K. Mallik(Ed)., I. Newmann (Ed.), Composite Materials, Technology, Process and Properties, 1990 [2] Popescu Ileana Nicoleta, Teza de doctorat, Cercetări privind obţinerea de noi materiale compozite cu matrice din aluminiu si aliaje de aluminiu, Universitatea Politehnica din Bucuresti, 2006 [3] Mikael Eriksson Friction And Contact Phenomena Of Disc Brakes Related to Squeal, ACTA UNIVERSITATIS UPSALIENSIS, UPPSALA 2000 [4 ] Peter J. Blau Compositions, Functions, and Testing of Friction Brake Materials and Their Additives, Metals and Ceramcs Division, 2001 [5] I.M. Hutchings, S. Wilson, A.T. Alpas Comprehensive Composite Materials vol. 3 : Wear of Aluminum based Composites, ISBN :0-080437214, p.501-519 [6]Sigurd Støren and Tor Bækkelund, Automobile Brake Rotor-LCA in Product Design, TALAT lecture 6