ITTO20130855A1

ITTO20130855A1 - Metodo per l'ottenimento di pastiglie freno e pastiglia freno associata

Info

Publication number: ITTO20130855A1
Application number: IT000855A
Authority: IT
Inventors: Pietro Bertoldo
Original assignee: Itt Italia Srl
Priority date: 2013-10-21
Filing date: 2013-10-21
Publication date: 2015-04-22
Also published as: JP2015135177A; CN104565134A; JP6479408B2; US9970494B2; CN104565134B; EP2891814A1; ES2841144T3; EP2891814B1; US20180223925A1; US20150107945A1; US10591005B2

Description

DESCRIZIONE

“METODO PER L'OTTENIMENTO DI PASTIGLIE FRENO E PASTIGLIA FRENO ASSOCIATA”

“METHOD FOR THE PRODUCTION OF BRAKE PADS AND ASSOCIATED BRAKE PAD”

La presente invenzione è relativa ad un metodo per l’ottenimento di elementi frenanti, in particolare di pastiglie freno, e che presentano robustezza paragonabile a quella delle pastiglie freno note dello stesso tipo, ma peso sensibilmente ridotto ed alta resistenza alla corrosione.

È noto che una pastiglia freno è un elemento frenante per ruote di veicoli destinato a cooperare con un disco o tamburo freno della ruota e comprendente un supporto metallico, noto come “backplate”, un blocco di materiale d’attrito, che viene stampato integrale su una faccia del supporto metallico, ed uno strato isolate/smorzante predisposto tra il blocco di materiale di attrito ed il supporto metallico e noto con il termine di “underlayer”. Il supporto metallico è comunemente realizzato in acciaio o ghisa, in quanto deve sopportare in uso notevoli stress sia termici che meccanici. Tuttavia, i supporti in acciaio e, in generale, in materiale ferroso, presentano il duplice inconveniente di essere soggetti a corrosione, per cui necessitano di adeguati trattamenti di protezione, e di presentare un peso relativamente elevato. La crescente domanda nel campo “Automotive” di riduzione pesi ed aumento prestazionale ad esempio resistenza alla corrosione, ha spinto la ricerca verso l’utilizzo di materiali alternativi quali materiali plastici/compositi piuttosto che leghe leggere ad esempio leghe di Alluminio, come ad esempio è noto da JP9126258.

Sfortunatamente, problemi di resistenza meccanica e/o termomeccanica di questi materiali, ne hanno finora impedito l’uso in quanto inutilizzabili per applicazioni ad alta temperatura e sollecitazione.

È ad esempio nota la perdita di proprietà meccaniche rilevanti quali il carico di rottura e snervamento di comuni leghe di Alluminio quando sottoposte a cicli termici a temperature normalmente raggiunte nei processi di fabbricazione delle pastiglie freno piuttosto che durante l’utilizzo delle stesse sul veicolo.

Scopo della presente invenzione è quello di fornire un metodo per l’ottenimento in modo semplice ed economico di pastiglie freno e, più in generale, di elementi frenanti, quindi anche ceppi freno, che permetta di realizzare elementi frenanti sostanzialmente esenti da corrosione e leggeri, ma aventi prestazioni paragonabili a quelle degli elementi frenanti noti, dotati di supporto metallico in acciaio o ghisa.

L'invenzione è dunque relativa ad un metodo per l’ottenimento di elementi frenanti per veicoli, in particolare di pastiglie freno, come definito nella rivendicazione 1. L’invenzione è inoltre relativa ad un elemento frenante per veicoli, in particolare una pastiglia freno, realizzato secondo il metodo dell’invenzione.

Secondo l’aspetto principale del trovato, gli elementi frenanti, in particolare pastiglie freno, vengono ottenuti nel modo usuale, mediante una fase di stampaggio per tranciatura fine e/o tranciatura tradizionale a temperatura ambiente di un supporto metallico a partire da una lamiera, ed una fase di formatura per stampaggio sul supporto metallico di un blocco di materiale d’attrito, che prevede una fase di formatura del blocco di materiale d’attrito usando una mescola di materiale d’attrito con una fase di cottura del blocco di materiale d’attrito (), ma selezionando opportunamente, in combinazione tra loro,il materiale metallico con cui è formato il supporto metallico ed i parametri tempo e temperatura di processo in modo da ottenere contemporaneamente una ottimale cottura, sia del materiale di attrito che del materiale metallico con cui è formato il supporto. In particolare, il materiale d’attrito è scelto nel gruppo dei materiali di attrito privi di amianto in cui la mescola prevede una resina o una miscela di resine che hanno la funzione di legante del materiale d’attrito, mentre il supporto metallico viene realizzato in una lega di alluminio scelta nel gruppo consistente in leghe di alluminio soggette ad indurimento per precipitazione, note anche come leghe di alluminio da invecchiamento.

Secondo un preferito aspetto dell’invenzione, inoltre, il supporto metallico viene ricavato per tranciatura fine e/o tranciatura tradizionale da lamiera “a freddo” quando la lega di alluminio è in una stato completamente solubilizzato, oppure solo parzialmente invecchiato; tale stato fisico è noto nel campo tecnico delle leghe di allumino come “stato T4”, in cui la lega è malleabile e non presenta una durezza elevata ma un più elevato valore di allungamento percentuale, essendo quindi facilmente lavorabile a temperatura ambiente. La lega di alluminio prescelta viene poi completamente invecchiata solo durante la medesima fase di cottura del blocco di materiale d’attrito, fase che deve esserci in ogni caso per poter formare correttamente il blocco di materiale d’attrito. Durante tale fase di cottura del blocco di materiale d’attrito la lega di alluminio con cui è stato realizzato il supporto metallico subisce un ciclo termico simile a quello dell’invecchiamento che, sorprendentemente, produce effetti del tutto analoghi ad un trattamento di invecchiamento standard della medesima lega, di per sé noto, per cui la lega di alluminio si porta in uno stato fisico cosiddetto “T6”, in cui la lega è completamente invecchiata e stabilizzata (cioè non è più soggetta nel tempo ad ulteriore precipitazione di elementi leganti nella matrice metallica).

Si è altresì scoperto che una opportuna scelta dei parametri di cottura quali tempo, temperatura e tipo di forno, consente in una unica fase di ottenere un blocco di materiale di attrito rispondente alle specifiche richieste e, contemporaneamente, un supporto metallico con invecchiamento tale da avere caratteristiche meccaniche confrontabili con quelle degli attuali supporti in acciaio (tra gli acciai più comuni S235JR, S275JR S420MC) o ghisa.

Le leghe di allumino preferite per realizzare l’invenzione solo le leghe delle serie 2xxx, 6xxx e 7xxx ed in particolare gli anticorodal della serie 6xxx, ancora più in particolare le leghe di allumino anticorodal serie 6082 (preferita), 6181 o 6061.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione appariranno chiari dalla descrizione che segue di un suo esempio di attuazione non limitativo effettuata a puro scopo esemplificativo e con riferimento alle figure dei disegni annessi, nei quali:

- La figura 1 illustra secondo uno schema a blocchi il flusso di processo del metodo secondo l’invenzione;

- La figura 2 illustra un grafico tempi / temperature sperimentale di le pastiglie freno realizzate secondo l’invenzione, ottenuto mediante una prova al banco in accordo alla specifica ATE 3-91305-01 detta “Badewanne”, in cui gli intervalli di temperatura sono stati modificati in: 100-150-200-250-300-350°C anziché 30-60-100-200-300-400°C, eliminando la curva a freddo ed aggiungendo cicli a caldo, per intensificare le sollecitazioni termomeccaniche sui supporti metallici in lega di alluminio;

- La figura 3 illustra un grafico tempi e temperature sperimentale, ottenuto da una ulteriore prova al banco, comunemente nota come “Auto motor sport” eseguita in accordo alla norma TRW TS4-16-102, impiegando le pastiglie freno realizzate secondo l’invenzione; e

- La figura 4 illustra il diagramma dell’andamento della temperatura del supporto metallico durante una fase di cottura di un elemento frenante realizzato secondo l’invenzione, avente il blocco di materiale d’attrito realizzato in mescole standard, di tipo noto.

Con riferimento alla figura 1, il blocco indicato con il numero di riferimento 1 rappresenta la fase di partenza del metodo secondo l’invenzione, durante la quale viene selezionata una specifica lega di alluminio che, secondo l’invenzione, è una lega da lavorazione plastica da invecchiamento, e che viene reperita preferibilmente tra quelle disponibili sul mercato (non si esclude che possa essere scelta una lega di alluminio non attualmente commercializzata e facente parte delle leghe per invecchiamento).

Sono definite “da lavorazione plastica” le leghe di alluminio il cui utilizzo avviene allo stato di semilavorati, primi fra tutti laminati ed estrusi.

Il principale sistema di designazione di queste leghe è basato sulla composizione chimica ed è di tipo numerico. Tale sistema consiste nell’indicare ciascuna lega con un gruppo di quattro indici numerici, il primo dei quali individua la serie/famiglia di leghe secondo la tabella seguente:

TABELLA 1

• 1xxx alluminio puro, minimo 99,0%; leghe di alluminio(*) ;• 2xxx leghe al rame; ;• 3xxx leghe al manganese; ;• 4xxx leghe al silicio; ;• 5xxx leghe al magnesio; ;• 6xxx leghe al magnesio-silicio; ;• 7xxx leghe allo zinco-magnesio (rame); • 8xxx leghe contenenti elementi diversi dai precedenti. ;(*)<raggruppate in funzione dei principali elementi di alligazione>

Il secondo indice definisce le eventuali varianti dalla lega originale, alla quale è riservato l’indice 0. Le due ultime cifre indicano, nella serie 1xxx, il grado di purezza dell’alluminio, mentre in tutte le altre individuano le singole leghe all’interno della serie di appartenenza.

La prima designazione di questo tipo risale al 1954 e fu introdotta negli USA dalla Aluminum Association. In tale sistema, ai quattro indici numerici di ciascuna lega vengono pertanto anteposte le lettere AA (es. AA 7075). Analoga designazione numerica è stata recentemente introdotta dalla normativa europea. In questo caso, ai quattro indici numerici si antepongono le coppie di lettere EN AW (es. EN AW 7075), dove EN sta per ‘Europeén Normalisation’ e AW per ‘Aluminium Wrought’ (leghe di alluminio da lavorazione plastica).

Per una migliore presentazione e comprensione delle leghe da lavorazione plastica, è stato introdotto un ulteriore criterio di classificazione, che prevede la loro suddivisione in: leghe da trattamento termico e leghe da incrudimento, a seconda del meccanismo fisico-strutturale che ne determina il livello finale di resistenza meccanica e, più in generale, la combinazione delle varie proprietà.

Le leghe da trattamento termico (o da bonifica o da invecchiamento, come in altro modo vengono chiamate) appartengono alle serie 2xxx, 6xxx, 7xxx e, parzialmente, 8xxx e vengono usate per la produzione di tutti i principali tipi di semilavorati (estrusi, laminati, forgiati, trafilati). La loro caratteristica peculiare è rappresentata dal fatto che possono presentare un aumento della resistenza meccanica come risposta a determinati trattamenti termici che provocano, dal punto di vista microstrutturale, la formazione di fasi indurenti omogeneamente disperse nella matrice di alluminio.

Nella impostazione più classica i trattamenti atti a realizzare questo processo possono essere così schematizzati:

- trattamento termico ad elevata temperatura per ottenere la massima solubilizzazione degli alliganti;

- raffreddamento rapido (o tempra) per bloccare questa situazione di solubilizzazione;

- trattamento termico a bassa temperatura (invecchiamento naturale) o a medio-alta temperatura (invecchiamento artificiale) durante il quale si ha la formazione vera e propria delle fasi (in generale composti intermetallici) indurenti.

In alcuni casi, al fine di aumentare la resistenza meccanica, vengono intercalati ai trattamenti termici specifici trattamenti di deformazione plastica, realizzando i cosiddetti cicli termo-meccanici.

Di seguito sono riportati gli stati fisici di impiego delle leghe da trattamento termico, con i relativi codici utilizzati per la loro designazione:

TABELLA 2

• T1 tempra dalla temperatura di trasformazione plastica e invecchiamento naturale;

• T2 tempra dalla temperatura di trasformazione plastica; deformazione plastica a freddo e invecchiamento naturale;

• T3 solubilizzazione, tempra e deformazione plastica a freddo;

• T4 solubilizzazione, tempra e invecchiamento naturale fino ad una condizione di stabilità;

• T5 tempra dalla elevata temperatura di trasformazione plastica e invecchiamento artificiale fino al massimo della resistenza meccanica;

• T6 solubilizzazione, tempra e invecchiamento artificiale fino al massimo della resistenza meccanica;

• T7 solubilizzazione, tempra e iperinvecchiamento artificiale;

• T8 solubilizzazione, tempra, deformazione plastica a freddo e invecchiamento artificiale;

• T9 solubilizzazione, tempra, invecchiamento artificiale e deformazione plastica a freddo.

Secondo l’invenzione, la lega di alluminio selezionata, che, secondo un aspetto dell’invenzione è una lega di alluminio appartenente ad una delle serie 2xxx, 6xxx e 7xxx, viene reperita sul mercato in forma di lamiera (laminato). Le lamiere in lega di alluminio appartenenti a queste serie sono generalmente disponibili, anche in pronta consegna, solo nello stato T6 mentre lo stato T4 è reperibile solo a seguito di specifica richiesta alle fonderie.

Il blocco indicato con 2 prevede la possibilità di realizzare direttamente lamiere in queste leghe di alluminio che si trovino nello stato T4 (od equivalente dal punto di vista termo-meccanico), ad esempio avendole ottenute dopo una laminazione a caldo con raffreddamento finale rapido in aria o acqua, realizzando pertanto un ciclo termico simile a quello di una tempra di solubilizzazione che, per le leghe delle serie indicate sopra prevede un riscaldamento omogeneo a temperature superiori a 500°C ed un successivo raffreddamento in acqua. Nello stato T4 la lega di alluminio è completamente solubilizzata (tutti gli elementi leganti sono in soluzione solida nella matrice di alluminio), oppure parte degli elementi leganti si trovano già precipitati nella matrice metallica di alluminio, in generale al bordo dei grani cristallini, e la lega risulta parzialmente invecchiata per invecchiamento naturale, ma è, comunque, in uno stato termodinamicamente stabile a temperatura ambiente per le applicazioni industriali, in cui non si verifica più alcun ulteriore invecchiamento (solitamente garantito per almeno 6 mesi), a meno che questo non venga provocato artificialmente.

Il blocco indicato con 3, utilizzato preferibilmente per le piccole serie ed i prototipi, invece, prevede di partire con leghe commerciali allo stato T6 e di portare le lamiere realizzate in tali leghe in uno stato T4 (od equivalente dal punto di vista termo-meccanico) mediante l’esecuzione sulla lamiera di una fase di trattamento termico (tempra di solubilizzazione) consistente nel riscaldare la lega tra 540°C e 560°C per 1-2 ore (ricottura) per successivamente raffreddarla rapidamente per immersione in bagno d’acqua a temperatura ambiente (spegnimento in acqua o tempra).

In entrambi i casi, all’uscita dei blocchi 2 e 3 si otterrà una lamiera realizzata in lega di alluminio della serie 2xxx, oppure 6xxx, oppure 7xxx, allo stato fisico T4 od equivalente.

Successivamente, la lamiera in lega di alluminio viene sottoposta nel blocco indicato con 4, ad una prima fase del metodo produttivo secondo l’invenzione, costituita da una fase di stampaggio per deformazione plastica e tranciatura fine e/o tradizionale, per ottenere una pluralità di supporti metallici 5 quali quello singolo illustrato schematicamente in figura 1. L’elemento metallico di supporto 5, noto come “backplate” nel campo degli elementi frenanti, è conformato come una piastra comunemente piana (ad esclusione dei ceppi per freni a tamburo che sono curvi) sagomata al contorno e presentante una faccia comunemente piana 6 destinata ad essere rivolta in uso verso un elemento da frenare (ad esempio un disco o tamburo freno di una ruota di veicolo) e viene ottenuto con la stessa metodologia seguita per i supporti tradizionali in acciaio ma, ovviamente, adattando tale tecnologia alla lavorazione di leghe di alluminio , anziché di acciaio.

Dopo l’ottenimento per tranciatura fine e/o tradizionale del supporto metallico 5, questo viene avviato al blocco 7 e, successivamente, al blocco 8, che rappresentano insieme una seconda fase del metodo produttivo secondo l’invenzione, costituita da una fase di formatura per stampaggio, sulla faccia 6 del supporto metallico 5, di un blocco 10 di materiale d’attrito, previa deposizione sulla faccia 6 di uno strato smorzante e termicamente isolante, noto e non illustrato per semplicità, detto “underlayer”, in modo da ottenere al termine del ciclo produttivo illustrato in figura 1, cioè all’uscita del blocco 8, un elemento frenante 11 completo e sostanzialmente finito per impianti frenanti di veicoli, nella fattispecie non limitativa illustrata una pastiglia freno.

A seguito dello stampaggio e della pressatura del materiale di attrito nel blocco 7, la pastiglia freno 11 attraversa nel blocco 8 un processo di cottura, normalmente necessario per il consolidamento della mescola di materiale d’attrito. Il processo di cottura può avvenire in forni di diversa tipologia e con diverso principio di trasmissione del calore (irraggiamento, conduzione o convezione), i quali possono essere comunemente utilizzati in alternativa od in serie per ottenere le migliori prestazioni della pastiglia frenante 11. All’uscita del blocco 8, si ottiene quindi un elemento frenante 11, nella fattispecie non limitativa illustrata una pastiglia freno, comprendente un supporto metallico 5 ed un blocco 10 di materiale d’attrito che è stato solidarizzato al supporto metallico 5 per stampaggio e cottura del blocco di materiale d’attrito 10 sulla faccia 6 del supporto metallico 5 (previa eventuale deposizione in modo noto dello strato isolante/smorzante o “underlayer”, noto e non illustrato per semplicità, prima ricordato).

Secondo un primo aspetto dell’invenzione, tuttavia, il supporto metallico 5 non risulta realizzato in acciaio, ma in una lega di alluminio soggetta ad indurimento per precipitazione (lega da invecchiamento) e specificamene selezionata, appartenente ad una delle serie 2xxx, oppure 6xxx, oppure 7xxx e, preferibilmente, costituita da un anticorodal della serie 6xxx (nome commerciale di una lega di alluminio tipicamente usata per la buona resistenza alla corrosione) e specificamente costituita da una lega scelta nel gruppo delle leghe di alluminio anticorodal 6082, 6061 e 6181.

Un secondo aspetto dell’invenzione è costituito dal fatto che, in combinazione con la selezione di una specifica lega di alluminio per l’ottenimento del supporto metallico 5, con la selezione di uno specifico metodo di ottenimento del supporto 5, per tranciatura fine e/o tradizionale, e con la selezione di uno specifico stato fisico della lega di alluminio con cui realizzare il supporto metallico 5, il materiale d’attrito con cui viene realizzato il blocco di attrito 10 può essere uno qualsiasi dei materiali di attrito privi di amianto comunemente noti.

Ad esempio, un materiale di attrito utilizzabile nell’invenzione è formato da una composizione o miscela comprendente una base fibrosa, un riempitivo o carica ed un legante organico e può includere nella base fibrosa, insieme a fibre inorganiche e/o organiche, anche fibre metalliche. La composizione di materiale d'attrito può comprendere anche dallo 0% al 10% in volume di lubrificanti solidi, quali ad esempio solfuri di Stagno, come SnS e SnS2. È anche desiderabile includere grafite e/o coke nella composizione. La grafite può essere qualsiasi grafite nota. La grafite (e/o coke) viene aggiunta in una quantità opportunamente selezionata, che è preferibilmente compresa tra il 2% ed il 15% in volume sulla composizione totale del materiale di attrito.

La base fibrosa è in genere costituita da qualsiasi fibra organica o fibra inorganica diversa dall’amianto.

Esempi illustrativi includono fibre inorganiche, quali fibre di vetro, lana di roccia, wollastonite, sepiolite e attapulgite, e fibre organiche, quali fibre di carbonio, fibre aramidiche, fibre poli-imidiche, fibre poliammidiche, fibre fenoliche, cellulosa e fibre acriliche o PAN (Poli-Acrilo-Nitrile). La base fibrosa può essere utilizzata nella forma di fibre corte o polvere. Numerosi materiali conosciuti nella tecnica possono essere usati come cariche organiche o inorganiche. Esempi illustrativi includono carbonato di calcio precipitato, solfato di bario, ossido di magnesio, idrossido di calcio, fluoruro di calcio, calce spenta, talco, triossido di molibdeno, silicato di zirconio, ossido di ferro, mica, solfuro di ferro, biossido di silicio, vermiculite, polvere di gomma (polverino di gomma e granuli), polvere di gomma nitrile (prodotto vulcanizzata), polveri metalliche (escluso rame e sue leghe), polvere di gomma acrilica(prodotto vulcanizzato). Questi composti possono essere usati da soli o in combinazioni di due o più di essi. La quantità di tali cariche è preferibilmente compresa tra il 2% a 40% in volume basato sulla composizione totale del materiale di attrito.

Il legante può essere qualsiasi legante organico noto. Esempi illustrativi di leganti adatti includono resine fenoliche, resine melamminiche, resine epossidiche; varie resine fenoliche modificate come resine fenoliche epossimodificate, resine fenoliche olio-modificate, resine fenoliche alchilbenzene-modificate e gomma acrilonitrilebutadiene (NBR). Uno qualsiasi o combinazioni di due o più di questi composti può venir impiegato. Il legante è incluso in una quantità preferibilmente compresa dal 2% al 30% in volume basato sulla composizione totale del materiale di attrito.

Orbene, i tecnici della richiedente hanno sorprendentemente trovato che opportune modifiche del profilo tempo-temperature a cui devono di norma essere assoggettati questi specifici materiali di attrito sopra descritti per “cuocere” la mescola di materiale di attrito “verde” (non indurita) è in grado di produrre nelle selezionate leghe di alluminio prima indicate, se si parte da uno stato fisico adatto, un fenomeno di invecchiamento artificiale che ne produce un notevole miglioramento delle caratteristiche meccaniche, tale da permettere ai supporti metallici 5 di raggiungere caratteristiche meccaniche di durezza e resistenza paragonabili a quelle degli acciai normalmente utilizzati per i supporti metallici delle pastiglie freno, anche grazie al fatto che le leghe di alluminio selezionate presentano un carico di snervamento estremamente vicino a quello di rottura, al contrario degli acciai di uso comune, in cui il carico di snervamento (comunque da non raggiungere mai pena il danneggiamento irreparabile della pastiglia freno) è molto più basso di quello di rottura.

Si è inoltre ancora più sorprendentemente trovato, in via sperimentale, che le caratteristiche meccaniche del supporto metallico 5 in selezionata lega di alluminio non decadono sensibilmente neppure in conseguenza del riscaldamento causato in uso da frenate ripetute, poiché capaci di dissipare così bene (a titolo di esempio numerico la conducibilità termica della lega 6082 è 172 W/m°C contro i 50 W/m°C circa di una lega di acciaio basso legato) il calore generato dall’attrito, che le temperature di esercizio non raggiungono mai livelli critici, cosa del tutto inaspettata e non prevedibile a priori. In pratica, gli elementi di attrito 11 realizzati secondo l’invenzione si sono dimostrati in grado di superare i test meccanici di frenata al banco noti come “Badewanne” ed “Auto motor sport”, anche se il supporto metallico 5 non è realizzato in acciaio, cosa questa del tutto nuova e sorprendente, in quanto è ben noto che le leghe di alluminio da invecchiamento perdono progressivamente le proprie caratteristiche meccaniche se riscaldate, a causa di una parziale ri-solubilizzazione degli elementi leganti precipitati.

Questo permette di ottenere notevoli vantaggi rispetto agli elementi frenanti noti con backplate in acciaio.

Vantaggi attesi sono una riduzione del peso dell’elemento frenante completo dell’invenzione a circa 1/2 del peso di una pastiglia freno tradizionale con backplate in acciaio (il peso del solo backplate si riduce ad 1/3); ed una ottima resistenza alla corrosione (in particolare se il backplate è formato con leghe della serie 6xxx).

Ulteriori vantaggi dell’invenzione sono invece una lavorabilità a freddo elevata che permette di effettuare operazioni di tranciatura fine e/o tradizionale con un alto grado di precisione ed ottime finiture senza sostanzialmente scarti e di avere una più bassa e minore usura degli stampi. Inoltre, l’alluminio, che presenta una alta conducibilità termica, può migliorare le prestazioni in frenata (minore riscaldamento del materiale d’attrito a causa di una elevata dispersione termica attraverso il backplate.

Dall’esame della figura 1 e sulla base di quanto finora descritto, si deriva che il metodo dell’invenzione per l’ottenimento di elementi frenanti per veicoli, in particolare di pastiglie freno, comprendente le fasi note di:

- stampare per tranciatura fine e/o tradizionale un supporto metallico; e

- formare per stampaggio un blocco di materiale d’attrito su una prima faccia del supporto metallico rivolta in uso verso un elemento da frenare, in modo da solidarizzare il blocco di materiale d’attrito al supporto metallico.

Esso si differenzia dall’arte nota in quanto, in combinazione con il fatto che il materiale d’attrito viene scelto nel gruppo dei materiali di attrito privi di amianto, il supporto metallico viene realizzato in un materiale specificamente selezionato, consistente in una lega di alluminio scelta nel gruppo delle leghe di alluminio soggette ad indurimento per precipitazione (leghe da invecchiamento).

Un ulteriore aspetto dell’invenzione consiste nel fatto che, di preferenza, la fase di stampaggio per tranciatura fine e/o tradizionale del supporto metallico viene eseguita su una lega di alluminio soggetta ad indurimento per precipitazione che si trova in uno stato ancora completamente o parzialmente solubilizzato; l’invecchiamento della lega di allumino con conseguente precipitazione di almeno parte degli elementi leganti e la ricristallizzazione della matrice di alluminio, venendo eseguito durante la, e per mezzo della, fase di formatura per stampaggio del blocco di materiale d’attrito.

Come già evidenziato, la lega di alluminio soggetta ad indurimento per precipitazione è scelta nel gruppo delle leghe serie 2xxx, 6xxx e 7xxx ed in particolare nel gruppo degli anticorodal (leghe tipo 6xxx), con preferenza per le leghe 6082, 6061 e 6181.

Preferibilmente, la fase di stampaggio per tranciatura fine del supporto metallico viene realizzata su una lamiera in lega di alluminio di serie 6082, 6061 o 6181 che si trova ad uno stato fisico T4; questo stato fisico T4 della lega viene poi portato ad uno stato fisico T6 durante la fase di formatura per stampaggio del blocco di materiale d’attrito.

La fase di formatura per stampaggio del blocco di materiale d’attrito sul supporto metallico in lega di alluminio prevede una fase di formatura del blocco 10 sul supporto metallico 5 con una mescola di materiale d’attrito (blocco 7) ed una fase di cottura dell’intero elemento di attrito così ottenuto (blocco 8) per la reticolazione della la resina (o delle miscele di resine) che compongono la mescola.

Specificamente, la lega di alluminio con cui è stato realizzato il supporto metallico 5 è una lega da invecchiamento soggetta ad indurimento per precipitazione, che durante la fase di stampaggio per tranciatura fine e/o tradizionale si trova in uno stato completamente o parzialmente solubilizzato, la quale subisce un invecchiamento artificiale durante la fase di cottura del blocco di materiale d’attrito, laddove la fase di cottura prevede una cottura in forno statico tra 180 e 250°C per 30-120 minuti ed una fase di irraggiamento IR atta a portare il materiale d’attrito ad una temperatura compresa tra 240 e 260°C per una durata di 5 minuti (la rampa di temperatura totale può durare 30 minuti circa), seguite da una fase di raffreddamento in aria a temperatura ambiente.

In questo modo si ottiene l’elemento di attrito 11 già descritto, il quale è caratterizzato dal fatto che la lega di alluminio con cui è realizzato il supporto metallico 5 è un anticorodal, preferibilmente delle serie 6082, 6061 o 6181, il quale si trova in uno stato completamente invecchiato e stabilizzato e che presenta caratteristiche meccaniche paragonabili a quelle massime assumibili dalla lega in uno stato completamente invecchiato.

L’invenzione viene ora ulteriormente descritta con riferimento ad alcuni esempi pratici di attuazione.

ESEMPIO 1

Vengono preparati dei provini in lamiera di alluminio in lega anticorodal 6082 commerciale, reperibile sul mercato allo stato fisico T6 della lega da numerosi fornitori (tra i quali ad esempio: AMAG, Thyssen Krupp, Alcoa, Novelis, Comalco, Aviometal, AiroldiMetalli). Metà dei provini vengono sottoposti a trattamento di solubilizzazione e tempra consistente in un riscaldamento a 560°C per 1,5 ore con spegnimento finale in acqua a temperatura ambiente. Il successivo controllo metallografico conferma che i provini trattati sono stati riportati allo stato fisico T4 della lega.

Su una parte dei provini allo stato T6, nel seguito indicati solo come T6 e dei provini allo stato T4, nel seguito indicati solo come T4, vengono eseguite delle prove di stampaggio per tranciatura fine: i provini T4 risultano facilmente stampabili e con ottima finitura superficiale ai bordi di taglio; i provini T6 risultano più difficilmente stampabili a causa della maggiore durezza e minore allungamento percentuale a rottura per cui si ottengono finiture superficiali non soddisfacenti dei bordi di taglio, ma si riesce a procedere comunque con lo stampaggio.

I provini sono anche sottoposti a prova di piegatura standard, rivelando che i provini T4 presentano prestazioni (raggio di curvatura minimo raggiungibile senza produrre rotture) nettamente migliori.

Con i provini rimanenti si preparano spezzoni di lamiera di dimensioni 270x50x5,5 mm (5,5 mm è lo spessore della lamiera) che vengono sottoposti ad un ciclo termico identico a quello di formatura per stampaggio di pastiglie freno note con supporto metallico in acciaio: cottura in forno statico a 225°C per 30 minuti ed in forno IR (irraggiamento ad infrarossi) a 245°C per 5 minuti (rampa totale di 15 minuti), con raffreddamento finale in aria ottenendo mediante l’uso di sonde di temperatura il grafico di figura 4. Il ciclo di invecchiamento artificiale standard per la lega 6082 consiste invece in un riscaldamento a 200°C per 1 ora.

Terminata la fase di cottura i provini vengono testati rivelando valori di carico di rottura e snervamento confrontabili con quelli della lega nello stato T6 di origine oltre che una struttura cristallina con germinazione più fine.

Con i provini T4 e T6 precedentemente tranciati vengono ricavate pastiglie freno, formando per stampaggio sugli stessi un blocco di materiale d’attrito scelto, a titolo di esperimento non vincolante per le future applicazioni, tra quelli di uso comune avente le seguenti caratteristiche:

COMPOSIZIONE MATERIALI Formula 1

Fibre aramidiche 5,4

Polvere di frizione 11,7

Gomma polvere 2,5

Grafite 5,7

Resina Fenolica 18,1

Ca/Mg silicato 14

Ba solfuro 24,8

Solfuro Bi/Fe/Sn 2,7 Ossido Zirconio 8,2

Rame polvere 6,9

TOTALE 100,00

Le pastiglie freno così ottenute vengono sottoposte alle prove “Badewanne” ATE 3-91305-01 (temperature 100-350°C) ed “Auto motor sport” TRW TS4-16-102 su banco misurando mediante sonde di temperatura la temperatura del supporto e del disco freno. La media dei risultati ottenuti è riportata in figure 2 e 3. Come si può apprezzare dal grafico di figura 2 (Prova Badewanne) , che riporta prove di frenata eseguite con diverse temperature di partenza del disco freno, a salire (da 100°C a 350°C e picco finale a 412°C), la temperatura del disco freno (curva superiore, punti di intersezione quadrati) sale progressivamente, come anche la curva della temperatura del supporto (curva inferiore, punti intersezione rombici), ma in modo minore e mantenendosi sempre a valori molto inferiori. Il grafico di figura 3 (prova Auto motor sport) fornisce l’andamento nel tempo della temperatura del supporto metallico in lega di alluminio, che non supera mai i 200°C circa nemmeno nelle condizioni più estreme in cui il disco ha raggiunto i 661°C. All’esame obiettivo delle pastiglie freno dopo prova si rileva che:

1. Le dimensioni del supporto rimangono invariate da quelle di tranciatura a fine prova: QeTF: 77,59/77,60 > QeFine Prova: 77,59/77,59;

2. La planarità rimane invariata (verifica con riga di riscontro e comparatore micrometrico <0,1 mm);

3. Non si notano segni di usura, deformazione od ammaccature nelle zone di scorrimento;

4. La durezza HRB (scala di misura non tipicamente in uso per l’alluminio ma utilizzata in officina) rimane invariata prima e dopo le prove al banco.

Conclusioni:

Durante il normale ed anche estremo funzionamento delle pastiglie, la lega testata non ha subito variazioni strutturali e riduzione delle prestazioni.

Anche nei provini ove non è stata raggiunta la massima durezza possibile (-20%circa rispetto ai valori di fornitura della lamiera) durante la fase di stampaggio/cottura del materiale di attrito, la lega prescelta ha fornito caratteristiche meccaniche comunque sufficienti a superare le prove Badewanne ATE 3-91305-01 (temperature modificate tra 100-350°C) ed “Auto motor sport” TRW TS4-16-102 senza deformazioni permanenti misurabili, il che permette di dedurre che il metodo produttivo a partire da lega in stato T4 è sicuramente efficace e dà luogo a pastiglie freno completamente affidabili.

Gli scopi del trovato sono dunque pienamente raggiunti.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Metodo per l’ottenimento di elementi frenanti (11) per veicoli, in particolare di pastiglie freno, comprendente le fasi di: - stampare per tranciatura un supporto metallico (5); e - formare per stampaggio un blocco di materiale d’attrito (10) su una prima faccia del supporto metallico rivolta in uso verso un elemento da frenare, in modo da solidarizzare il blocco di materiale d’attrito al supporto metallico; caratterizzato dal fatto che, in combinazione: i)- il materiale d’attrito viene scelto nel gruppo dei materiali di attrito privi di amianto ; ii)- il supporto metallico (5) viene realizzato in una lega di alluminio scelta nel gruppo consistente in leghe di alluminio soggette ad indurimento per precipitazione (leghe da invecchiamento).
2. Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che: iii)- la fase di stampaggio è effettuata per tranciatura tradizionale o, preferibilmente, per tranciatura fine del supporto metallico (5) e viene seguita su una lega di alluminio soggetta ad indurimento per precipitazione che si trova in uno stato ancora completamente solubilizzato o solo parzialmente precipitato; l’invecchiamento della lega di allumino con conseguente precipitazione di almeno parte degli elementi leganti venendo eseguito durante la, e per mezzo della, fase di formatura per stampaggio del blocco di materiale d’attrito.
3. Metodo secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che la lega di alluminio soggetta ad indurimento per precipitazione è scelta nel gruppo delle leghe di serie 2xxx, 6xxx e 7xxx.
4. Metodo secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la lega di alluminio soggetta ad indurimento per precipitazione è scelta nel gruppo degli anticorodal (leghe serie 6xxx).
5. Metodo secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che la lega di alluminio soggetta ad indurimento per precipitazione con cui viene stampato il supporto metallico è scelta nel gruppo delle leghe 6082, 6061 e 6181.
6. Metodo secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che una fase di stampaggio per tranciatura fine e/o tradizionale del supporto metallico è realizzata su una lamiera in lega di alluminio di serie 6082, 6061 o 6181 che si trova ad uno stato fisico T4; e dal fatto che lo stato della lega di alluminio viene portato ad uno stato fisico T6 durante la fase di formatura per stampaggio del blocco di materiale d’attrito.
7. Metodo secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la fase di formatura per stampaggio del blocco di materiale d’attrito (10) sul supporto metallico (5) in lega di alluminio prevede una fase di formatura del blocco sul supporto metallico con una mescola di materiale d’attrito ed una fase di cottura dell’intero elemento di attrito così ottenuto per reticolare una resina presente nella mescola“.
8. Metodo secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che la lega di alluminio con cui è stato realizzato il supporto metallico è una lega da invecchiamento soggetta ad indurimento per precipitazione, che durante la fase di stampaggio per tranciatura fine si trova in uno stato completamente solubilizzato o solo parzialmente invecchiato, la quale subisce un invecchiamento artificiale durante la fase di cottura del blocco di materiale d’attrito, detta fase di cottura prevedendo una cottura in forno statico tra 180 e 250°C fino a 120 minuti ed una fase di irraggiamento IR atta a portare il materiale d’attrito ad una temperatura compresa tra 240 e 260°C per una durata fino a 30 minuti, seguite da una fase di raffreddamento in aria a temperatura ambiente.
9. Elemento frenante (11) per impianti frenanti di veicoli, in particolare pastiglia freno, comprendente un supporto metallico (5) ed un blocco di materiale d’attrito (10) che è stato solidarizzato al supporto metallico per formatura per stampaggio del blocco di materiale d’attrito su una faccia (6) del supporto metallico; caratterizzato dal fatto che, in combinazione: i)- il materiale d’attrito è scelto nel gruppo dei materiali di attrito privi di amianto ; e ii)- il supporto metallico è realizzato in una lega di alluminio scelta nel gruppo consistente in leghe di alluminio soggette ad indurimento per precipitazione (leghe da invecchiamento).
10) Elemento frenante secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che la lega di alluminio con cui è realizzato il supporto metallico (5) è un anticorodal, preferibilmente delle serie 6082, 6061 o 6181, il quale si trova in uno stato completamente invecchiato e stabilizzato e che presenta caratteristiche meccaniche confrontabili con quelle massime assumibili dalla medesima lega in uno stato completamente invecchiato.