Un camino novedoso hacia la limitación de los no

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 666 (2023) Citar este artículo

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Teniendo en cuenta el reciclaje y la economía circular, este estudio explora la reducción de las emisiones de una formulación de material de fricción altamente optimizada y empleada comercialmente mediante la adición de escorias metalúrgicas de un horno de oxígeno básico en cantidades variables del 6 al 38% en peso. Las diversas composiciones se emparejaron con una contracara de hierro fundido gris perlítico y se probaron en un tribómetro de disco. El coeficiente de fricción y el desgaste del pasador aumentaron con la adición de escoria, pero aún estaban dentro del límite permisible en comparación con la formulación original. Los especímenes con mayor contenido de escoria observaron mesetas de contacto secundario extremadamente compactadas y extendidas, que también registraron una presencia significativa de escoria. Las mesetas extendidas se separaron en forma de trozos de las superficies de contacto, que se asentaron en el hardware del equipo y restringieron la producción de partículas en el aire. Desde una perspectiva de simbiosis industrial, la adición de escorias metalúrgicas demostró ser una forma prometedora de obtener materiales de fricción ecológicos con emisiones reducidas.

Los materiales de fricción para los sistemas de frenos de los automóviles deben satisfacer una amplia gama de requisitos, que incluyen un coeficiente de fricción (CoF) estable y deseable, una baja tasa de desgaste del sistema y un bajo nivel de ruido y vibraciones1,2,3. Por lo tanto, las formulaciones de materiales de fricción incluyen una variedad de constituyentes, a veces más de 30 ingredientes, que se dividen en aglutinantes, refuerzos, rellenos y modificadores de fricción (que además se dividen en abrasivos y lubricantes)4. Recientemente, se han iniciado varios esfuerzos para producir materiales de fricción ecológicos. Se están desarrollando nuevas formulaciones que emplean diferentes tipos de desechos, incluidos desechos agrícolas e industriales. Esto se hace dentro del concepto de Simbiosis Industrial, es decir, en un proceso por el cual los subproductos o desechos de una industria o proceso industrial se convierten en materias primas para otra industria o proceso. Este concepto da como resultado una utilización más sostenible de los materiales y ayuda en el desarrollo de una economía circular, que es el objetivo del 'Plan de Acción de Economía Circular de la Comisión Europea'5,6,7. A través de la economía circular, se reducen las huellas ambientales de las industrias, se limitan los requisitos de materiales vírgenes y se restringe la necesidad de eliminación en vertederos, lo que da como resultado el valor agregado de los desechos8,9,10. Desde el punto de vista ambiental, las formulaciones de los materiales también deben satisfacer la necesidad de reducir la emisión de material particulado (PM) contaminante. De hecho, entre las fuentes que no son de escape, el proceso de frenado contribuye actualmente al 55 % en peso de la fracción PM10 y al 21 % de la fracción PM2,5 (partículas en el aire con un diámetro aerodinámico inferior a 10 µm y 2,5 µm respectivamente)11, 12 Se ha observado que las emisiones de PM tienen numerosas repercusiones relacionadas con la salud y el medio ambiente. Pueden contribuir a enfermedades respiratorias y cardiovasculares, y algunos de los MP están clasificados como agentes cancerígenos13,14.

En el presente trabajo, investigamos el posible uso de escorias metalúrgicas desechadas después de la reacción en el horno de oxígeno básico (BOF) como ingrediente en una formulación comercial de material de fricción. La escoria normalmente se compone de compuestos que contienen CaO, MgO, sílice y hierro y también puede contener compuestos que contienen calcio y silicio15. Se espera que los óxidos se comporten como abrasivos16. Además, es una observación bien establecida que las mesetas de contacto secundarias depositadas en las superficies acopladas durante el frenado están hechas predominantemente de óxidos de Fe17,18. La presencia de óxidos de Fe a través de escorias en un sistema de desgaste podría conducir a resultados interesantes y positivos en las características de la meseta secundaria (que determina el comportamiento de fricción, desgaste y emisión de un sistema). La investigación de las características de emisión y desgaste de las formulaciones se realizó al 6, 12, 24, 32 y 38 % en peso de contenido de escoria, junto con su caracterización de residuos de desgaste. El objetivo del trabajo es el desarrollo de un material de fricción ecológico con emisiones reducidas a través de una perspectiva de simbiosis industrial. La novedad del estudio es reducir significativamente las emisiones de PM en una formulación de material de fricción viable mediante la adición de escorias, al mismo tiempo que se trabaja rigurosamente para reducir la utilización de materias primas vírgenes.

Se han emprendido varios proyectos de investigación para desarrollar formulaciones de materiales de fricción para aplicaciones de frenado de automóviles, en los que se están empleando diferentes tipos de desechos: desechos agrícolas y desechos industriales. Por ejemplo, Gomes Nogueira et al.19 y Gehlen et al.20 han realizado estudios detallados sobre el comportamiento de fricción y emisión de formulaciones de materiales de fricción con la adición de cascarilla de arroz tamizada sin tratar y tratada térmicamente. Los desechos contribuyeron efectivamente a la formación de mesetas de contacto secundario bien compactadas, suaves y extendidas, que a su vez redujeron el desgaste del sistema y las emisiones. Ikpambese et al.21 agregaron fibras de palmiste (PKF) en una composición de material de fricción automotriz libre de asbesto. Los resultados mostraron propiedades factibles de fricción, desgaste y mecánicas con la adición de 10% en peso de adiciones de PKF. Por último, Ibrahim22 evaluó la adición de hojas secas de árboles de mango en un compuesto de matriz polimérica (resina típica utilizada como aglutinante en una formulación de material de fricción). El residuo se comportó como un lubricante sólido, reduciendo en gran medida el coeficiente de fricción y la tasa de desgaste. También se está estudiando la modificación de la formulación de materiales de fricción con residuos industriales. Gangwar et al.23 realizaron una revisión crítica de las propiedades tribológicas de la formulación de materiales de fricción con la adición de lodo rojo, polvo de mármol y residuos de cenizas volantes. Se vio que estos desechos se comportaron como abrasivos, proporcionando propiedades térmicas superiores, coeficiente de fricción permisible y baja tasa de desgaste. También se demostró que estos materiales eran de fácil disponibilidad, de bajo costo y con la densidad necesaria. Además, la combinación de lodo rojo y cenizas volantes también alcanza las magnitudes de fricción y desgaste requeridas en comparación con la formulación convencional24. Mutlu et al.25 y Singh et al.26 agregaron polvo de neumáticos de desecho y polvo de horno de cemento en diferentes formulaciones típicas de materiales de fricción, respectivamente. Se vio que el polvo de llantas de desecho proporcionó características de desgaste permisibles y la combinación de polvo de horno de cemento con el aglutinante de resina fenólica ayudó a mejorar el rendimiento de fricción. Los desechos generados durante el proceso de anodizado del aluminio también se investigaron en diferentes tipos de formulaciones de materiales de fricción. Con un contenido de residuos del 12 % en peso, las características de fricción, desgaste y emisión fueron similares a las de la composición del material de fricción virgen18.

Quizás, uno de los residuos industriales más probados son las escorias metalúrgicas. Dependiendo de los diferentes procesos metalúrgicos, se producen diferentes tipos de escorias y se clasifican como escorias ferrosas, no ferrosas y de incineración, y se utilizan en diversas aplicaciones, como la construcción de carreteras y los fertilizantes15. Últimamente, se hicieron algunos intentos para incorporar escorias en formulaciones de materiales de fricción. Wang et al.27 realizaron análisis de comportamiento tribológico, mecánico y térmico en la formulación hecha de compuestos de matriz polimérica con diferentes contenidos de escoria. El estudio observó una resistencia al desgaste superior y magnitudes y curvas de CoF estables a diferentes temperaturas de prueba. De manera similar, Erdogan et al.28 demostraron que la adición de escorias en compuestos de matriz epoxi en diferentes condiciones de carga produjo una resistencia al desgaste ejemplar con una carga mayor. Ozturk et al.16 y Jabbar et al.29 informaron que la sílice, el MgO y el CaO se comportan como abrasivos, lo que implica que la escoria BOF puede comportarse potencialmente como un abrasivo. Se sabe que los abrasivos elevan y estabilizan el CoF y eliminan la capa carbonosa depositada en las superficies acopladas. La mayoría de los estudios realizados sobre la escoria se basan en su contribución a las tendencias de fricción y desgaste de la formulación del material de fricción. Sin embargo, no se proporciona información con respecto a las tendencias de emisión/concentración de partículas y el análisis de los desechos de desgaste correspondientes. Además, los estudios de escoria se llevan a cabo en la formulación de material de fricción preparado/formulado en laboratorio.

Los beneficios derivados de una adecuada reutilización de escorias metalúrgicas en materiales de fricción para sistemas de frenos son, en principio, muy relevantes y fundamentales. Se ha informado que durante toda la vida útil de un automóvil, se requieren 16 pares de pastillas de freno y, desde 2010, se fabrican más de 70 millones de vehículos comerciales (incluidos los automóviles) cada año30. También se ha informado que aproximadamente mil millones de automóviles están funcionando actualmente en todo el mundo. La creciente demanda de nuevos materiales para cada lote de pastillas de freno fabricado contribuye al agotamiento de los recursos y la producción de subproductos o residuos de gran magnitud.

En este estudio, una formulación de material de fricción comercial (llamada CFM), proporcionada por Brembo Italia, se sometió a análisis de fricción, desgaste y emisión después de agregar una escoria BOF. El CFM fue seleccionado para este análisis ya que es una formulación ampliamente probada y optimizada que se usa comercialmente desde hace bastante tiempo. A partir de un análisis XRD preliminar, se encontró que los principales constituyentes de la escoria eran óxido de hierro (FeO), seguido de mullita, monticelita, sílice, magnetita y α-Fe. La composición completa de CFM se mantuvo confidencial. Sin embargo, en la Tabla 1 se muestran algunos de los componentes y el contenido correspondiente en la formulación. La Figura 1 muestra la sección transversal de una muestra hecha de CFM con algunos componentes resaltados.

Imagen BSE SEM que muestra la sección transversal del espécimen CFM con pocos constituyentes marcados.

El CFM se modificó añadiéndole escoria metalúrgica BOF (denominada FS). El CFM virgen se comparó con las composiciones de CFM que contenían 6, 12, 24, 32 y 38% en peso de contenido de escoria FS. Todas las formulaciones se ensayaron en forma de alfileres. Los pines fueron producidos en casa. El CFM y los contenidos de escoria relevantes se mezclaron completamente en una mezcla TURBULA® durante 30 minutos continuos. A continuación, las mezclas se sometieron a un procedimiento de prensado en caliente en un equipo BUEHLER® Pneumet I. Los polvos se prensaron en un molde cilíndrico de acero para herramientas a 150 °C, una presión de 100 MPa y un tiempo de mantenimiento de 10 min. Por último, las probetas de cuerpo verde se sometieron a curado a 200 °C durante 4 h en una mufla. Después de la finalización del proceso de producción, la altura y el diámetro promedio de los pasadores fueron de 10 mm4,18,31. Los pasadores se emparejaron con una contracara en forma de discos. Los discos estaban fabricados en fundición gris perlítica con un diámetro y espesor medio de 60 mm y 6 mm respectivamente. Las propiedades y composición de la contracara se muestran en la Tabla 2.

El análisis de fricción por deslizamiento en seco, desgaste y emisión en los pares de pasador y disco se realizó en un tribómetro de pasador en el disco (PoD, Ducom Instruments). Todos los ensayos se realizaron en un disco nuevo y en condiciones de ensayo a temperatura ambiente. Las condiciones de prueba empleadas fueron una presión de contacto de 1 MPa (79 N) y una velocidad de deslizamiento constante de 1,51 m/s (600 rpm para una pista de desgaste de 48 mm). Los parámetros de prueba seleccionados aquí replican la condición de frenado leve y se seleccionaron porque este escenario no solo ayudaría a evaluar el comportamiento de fricción y desgaste, sino que también proporcionaría información sobre las características de la meseta de contacto secundario (extensión, compactación, suavidad)4,18. Los ensayos con cada composición se repitieron tres veces para obtener repetibilidad en los resultados. La configuración del aparato de prueba PoD, incluido el accesorio del aparato de recolección de partículas, se muestra en la Fig. 2. El aire del laboratorio (A) se toma a través de un ventilador (B), que se hizo circular en un aire de partículas de alta eficiencia (HEPA). ) filtro (C) para eliminar cualquier impureza y partículas de polvo y dando como resultado la introducción de aire limpio dentro de la cámara PoD (D). La velocidad del aire se mantuvo en 11,5 m/s, magnitud obtenida de un estudio previo31,32. Antes de la prueba, la limpieza del aire se controló rigurosamente y se mantuvo por debajo de 1 #/cm3. Para obtener la concentración del número de partículas, se conectó un espectrómetro de tamaño de partículas óptico (OPS, modelo 3330) TSI® (TSI Incorporated, Shoreview, EE. UU.) a la cámara cerrada en el punto F de la Fig. 2. El OPS puede medir el número total de partículas concentración en el rango de tamaño de 0,3 μm a 10 μm, dividido en 16 canales, y con una frecuencia de muestreo de 1 Hz. El OPS registra y mide la concentración de partículas hasta 3000 partículas/cm3, trabajando con un caudal de muestreo autocontrolado de 1 l/min32,33.

Configuración del aparato de prueba de pasador en disco (A) Aire ambiente, (B) Ventilador, (C) Filtro HEPA, (D) Aire introducido en la cámara, (E) Disco/superficie, (F) Salida de aire al OPS, (G ) Pesos.

Para lograr la conformidad adecuada entre las superficies de contacto del pasador y el disco, antes de la duración de la prueba, se llevó a cabo un "procedimiento de rodaje" o "procedimiento de asentamiento" de 30 minutos de duración para todos los emparejamientos. Después del proceso inicial, la duración real de la prueba fue de 90 minutos continuos. Esta duración fue seleccionada para observar el establecimiento de una capa de fricción adecuada en las superficies acopladas18. Los valores instantáneos del coeficiente de fricción (CoF) y la concentración total de partículas durante las pruebas se registraron directamente desde el software adjunto al PoD y al aparato OPS, respectivamente. El coeficiente de desgaste específico (desgaste de pasadores) se obtuvo pesando los pasadores antes y después de cada ensayo mediante una balanza analítica con una precisión de 10–4 g, y con la siguiente ecuación:

dónde:

V: pérdida de volumen de desgaste; F: carga aplicada; d: distancia de deslizamiento (~ 8150 m).

Las superficies desgastadas del pasador CFM y con adiciones de escoria, y la morfología de los desechos de desgaste recolectados y el análisis EDXS de fotograma completo se obtuvieron a través de SEM (JEOL IT300), conectado con un sistema de espectroscopia de rayos X de dispersión de energía (EDXS; Bruker).

La Figura 3a muestra las tendencias de fricción de CFM y con adiciones de escoria. Las tendencias de CFM virgen se muestran en negro. La traza de fricción alcanza un estado estable después de un aumento inicial, seguido de una disminución gradual y una estabilización de las trazas, que se mantiene durante toda la duración de la prueba. Las tendencias de fricción de CFM con adiciones de escoria observan un aumento en la magnitud del CoF. Sin embargo, las adiciones de escoria no perturban el logro del estado estacionario, es decir, también en estos casos, el estado estacionario en las huellas de fricción se logra como CFM y se mantiene a lo largo de la duración de la prueba. La Figura 3b muestra las trazas de emisión de CFM y con adiciones de escoria. Las tendencias de emisión de CFM vírgenes, que se muestran en negro, nuevamente logran un estado estable desde el comienzo de la duración de la prueba. Las fluctuaciones observadas en las huellas de fricción son características de las curvas de emisión. Con las adiciones de escoria se observa una disminución en la magnitud de emisión. Además, en todos los casos de adiciones de escoria, aún se mantiene el estado estacionario en las trazas de emisión.

(a) Huellas de fricción; (b) Tendencias de emisión de CFM y con las adiciones de escoria FS.

La Figura 4 presenta el coeficiente de fricción en estado estacionario (CoF, Fig. 4a), el desgaste del pasador (Fig. 4b) y la concentración promedio de partículas (Fig. 4c) comparación de CFM y con adiciones de escoria. En la Fig. 4a, se puede observar un aumento en el CoF con las adiciones de escoria, en comparación con el CFM virgen. La magnitud del CoF aumentó de 0,45 a alrededor de 0,50. El CoF sigue siendo similar desde el 6 % en peso hasta el 32 % en peso de adición de FS, pero se observa que aumenta ligeramente con la adición del 38 % en peso de escoria de FS hasta 0,53. Se observa que el desgaste del pasador en la Fig. 4b aumenta con la adición de contenido de escoria en comparación con CFM virgen, tendiendo a un valor promedio de alrededor de 3.3 × 10–14 m2/N, que es más alto que el desgaste de la composición CFM pero bien dentro del régimen de desgaste leve4,18,31. Por último, la concentración promedio de partículas de todas las composiciones se representa en la Fig. 4c. Se ve que las emisiones se reducen apreciablemente con el aumento del contenido de escoria. La magnitud de emisión observa estabilidad en la reducción más allá del 32% en peso de adición de escoria FS.

(a) Coeficiente de fricción en estado estacionario; (b) Desgaste de pasadores; y (c) Concentración promedio de partículas/magnitud promedio de emisión de CFM y con las adiciones de escoria FS.

Como ejemplo, las figuras 5a y b muestran las características de la superficie desgastada de CFM y CFM con 38 % en peso de FS, respectivamente. Las superficies desgastadas suelen estar hechas de refuerzos duros como fibras de acero que actúan como mesetas de contacto primario, contra las cuales se depositan normalmente los residuos de desgaste compactados, denominados mesetas de contacto secundario17,34. En la Fig. 5a, para la superficie CFM desgastada, las regiones blancas son las fibras de acero (plataformas de contacto primarias). Contra estas fibras de acero se observan regiones de color gris claro, las cuales están significativamente compactadas y son las mesetas de contacto secundarias. Estas mesetas se depositan en las proximidades de las fibras de acero y su extensión sobre la superficie es bastante limitada. Con la adición de escoria del 38% en peso en la Fig. 5b, se ve que aumenta la extensión de las mesetas de contacto secundarias. Otra observación interesante es la disminución en la apariencia de las fibras de acero a medida que está presente el contenido de escoria. Esto se atribuye a una disminución tanto en la fracción de fibras de acero como en su cobertura por las mesetas secundarias extendidas y compactadas. De hecho, con el aumento en el contenido de escoria, hubo un aumento en la extensión y compacidad de las mesetas de contacto secundarias. Esto se muestra mediante una estimación básica del área de cobertura de la meseta de contacto secundaria realizada en las superficies desgastadas de los pines utilizando el software de código abierto ImageJ. La Figura 5c presenta la comparación del área, mostrando el aumento constante en la cobertura de la meseta de contacto secundario con el aumento en el contenido de escoria.

Características de la superficie desgastada (a) CFM; (b) CFM + 38FS; ( c ) Estimación de la cobertura del área de la meseta secundaria depositada en CFM y con adiciones de escoria.

Para comprender los componentes de las mesetas de contacto secundarias, se realizó un análisis EDXS de punto/objeto en 8 sitios de mesetas secundarias diferentes en múltiples muestras para todas las composiciones. Al igual que otros estudios previos, las mesetas de contacto secundario estaban compuestas principalmente por Fe y O, simbolizando óxidos de Fe32,33,35. Aparte de los óxidos de Fe, las mesetas de contacto secundarias están formadas por elementos menores como Si, Mg, Al, Mn, Sn, Cr y Zn. Sin embargo, para especímenes que contenían escoria, se observó la presencia de otro elemento, que fue Ca. La Figura 6 presenta la variación en el contenido de Fe y Ca con respecto a CFM y con adiciones de escoria. El CFM virgen no constituye Ca, como se ve en la Figura. Sin embargo, se ve que la presencia de Ca aumenta con el aumento del contenido de escoria, lo que simboliza que Ca es el elemento marcador de la escoria FS. Con 32 y 38% en peso de adición de escoria FS, se observó una disminución en el contenido de Fe, lo que podría atribuirse al aumento en el contenido de Ca, lo que denota una contribución significativa de la escoria a la formación y mantenimiento de las mesetas de contacto secundarias.

Variación de Fe y Ca con el aumento del contenido de escoria en CFM.

Por último, los residuos de desgaste recolectados depositados en el soporte del disco del equipo PoD se sometieron a análisis SEM/EDXS. Como ejemplo, las figuras 7a y b muestran la morfología de los desechos recolectados después de las pruebas con CFM virgen y CFM con 38% en peso de FS, respectivamente. Cuando se comparan las cifras, las partículas con el CFM virgen son bastante pequeñas. Por el contrario, las partículas recolectadas con 38% en peso de FS son considerablemente más grandes y más numerosas en comparación con CFM virgen. En ambos casos, a partir del análisis EDXS de cuadro completo (Tabla 3), los principales constituyentes de los desechos fueron Fe y O (óxidos de Fe), lo que infirió el desprendimiento de mesetas de contacto secundarias. Además, con las muestras que contenían escoria, se observó la presencia del elemento marcador Ca, que muestra la contribución de la escoria.

Morfología de los residuos de desgaste (a) CFM; (b) CFM con 38% en peso de FS.

Con la introducción de las escorias se observó un aumento del CoF (Fig. 4a). Como se mencionó anteriormente, los componentes de la escoria generalmente están hechos de partículas abrasivas que aumentan el desgaste de la superficie de contacto del disco. Las partículas de desgaste de la superficie de contacto están compuestas principalmente de Fe. Durante el deslizamiento, luego se oxidan, se entremezclan con partículas de desgaste provenientes del material de fricción y finalmente se compactan contra las mesetas primarias. Esto induce un aumento en la extensión de las mesetas secundarias (Fig. 5), lo que se acompaña de un aumento del CoF y del desgaste de los pines (Fig. 4b)18,31. Sin embargo, se debe tener en cuenta que el desgaste del pasador con escorias todavía se encuentra en el mismo régimen de desgaste aceptable que el del CFM virgen (categoría suave).

Con el aumento en el contenido de escoria, también se observó una reducción fundamental en la concentración/emisiones promedio de partículas (Fig. 4c). Como se ve, con un aumento en el contenido de escoria, se ve que la extensión así como la compactación de la meseta de contacto secundaria aumentan significativamente. De hecho, las partículas de escoria más grandes actuaron como mesetas primarias pequeñas y distribuidas. Por otro lado, las partículas más pequeñas pudieron ingresar a las mesetas secundarias, especialmente en la adición más alta (32 y 38 % en peso), lo que ayudó a su compactación. Es una observación bien conocida que la mayoría de las partículas de desgaste liberadas del material de fricción (incluidas las partículas más finas en el aire) están formadas por placas de contacto secundarias desprendidas32. Con la presencia de escorias, que condujo a una mayor extensión de las mesetas de contacto secundario, las mesetas secundarias desprendidas también eran más grandes y gruesas, como se muestra en la Fig. 7b. Estas partículas más grandes se asientan en el soporte del disco y no se transportan por el aire, lo que conduce a una reducción significativa de las emisiones. Por el contrario, la morfología de los desechos de CFM virgen, Fig. 7a, es más pequeña que las muestras de escoria, que pueden estar en el aire y generar un registro de emisiones más alto, a pesar de la menor tasa de desgaste total.

En resumen, la adición de partículas de escoria metalúrgica a la formulación CFM indujo un aumento en la extensión y compacidad de las mesetas secundarias que a su vez resultó en un aumento en el coeficiente de fricción (resultado positivo) y en el desgaste (permaneciendo de naturaleza leve) . Al mismo tiempo, una gran fracción de los residuos de desgaste estaba formada por partículas grandes que no podían transportarse por el aire.

El estudio actual pudo mostrar la utilización efectiva de la escoria BOF abundantemente producida en una formulación de material de fricción empleada comercialmente. Aunque Wang et al.27 y Erdogan et al.28 mostraron resultados positivos con respecto a las adiciones de escoria, la comparación de emisiones y el análisis de desechos no se realizaron y la formulación del material de fricción utilizada fue convencional. A través de este estudio, se vio que el alto contenido de escoria no entorpecía las características de desgaste y emisión. Además, con la adición de un gran contenido de escoria (38% en peso), los fabricantes de pastillas de freno requieren una porción significativamente menor de la formulación CFM virgen, lo que reduce el costo de las materias primas y, a su vez, los costos de fabricación. En 2020 se pusieron en el mercado en Europa 12 millones de coches, lo que, en una primera aproximación, corresponde a 96 millones de pastillas. El peso del material de fricción en cada pastilla es de aproximadamente 125 g y luego aprox. Se podrían reutilizar 4560 toneladas de escoria metalúrgica cada año en Europa (se espera que este número aumente aún más) en lugar de los abrasivos convencionales (que hoy tienen un precio aproximado de 2 euros por kilogramo). Además, el parque automovilístico europeo asciende a aprox. 300 millones de vehículos, y el consumo de pastillas de fricción en estos vehículos ascendería a aprox. 300 millones de almohadillas cada año30. La producción de escorias metalúrgicas es muy elevada (aprox. 34 y 16 Tm de escorias de alto horno y acería en Europa, respectivamente) y una fracción considerable se utiliza en la industria del cemento y la ingeniería civil. Sin embargo, una gran fracción de la escoria todavía se deposita en vertederos y, por lo tanto, las ventajas de usar la escoria de manera beneficiosa en las almohadillas de fricción son evidentes36,37. Por supuesto, se requiere una evaluación del ciclo de vida específica dentro de un marco de simbiosis industrial para evaluar la sustentabilidad total del nuevo material de fricción desde una perspectiva 'de la cuna a la tumba', considerando las regulaciones ambientales actuales que limitan la disposición en vertederos de las escorias de desecho.

Finalmente, se debe considerar el impacto social de la contaminación ambiental. Se espera que el desarrollo de un nuevo material de fricción "totalmente ecológico", con la reutilización diseñada de materiales de desecho y una reducción de las emisiones de partículas, tenga un impacto positivo en la calidad de vida en Europa, lo que a largo plazo contribuirá en gran medida a la desarrollo sostenible.

En este estudio, se agregó una escoria BOF en una formulación de material de fricción incorporada comercialmente para verificar las características de fricción, desgaste y emisión con diferentes contenidos de escoria: 6, 12, 24, 32 y 38% en peso.

El CoF aumentó con la adición de escoria en comparación con la formulación virgen. La magnitud de CoF más alta se observó para un contenido de escoria del 38 % en peso. Al igual que el CoF, el desgaste del pasador aumentó con la adición del contenido de escoria. Sin embargo, el desgaste del pasador para todas las composiciones estuvo en el rango leve. El aumento en el CoF y el desgaste del pasador se atribuyó a la naturaleza abrasiva de las partículas de escoria.

Las emisiones/concentración promedio de partículas disminuyeron constantemente con el aumento en el contenido de escoria. Se observó una estabilidad en la magnitud de la emisión más allá del 32% en peso. Las bajas emisiones se debieron a la presencia de mesetas de contacto secundario lisas, compactadas y extendidas, cuya calidad mejoró con el aumento del contenido de escoria. Estas mesetas secundarias extendidas y compactadas producían residuos de desgaste más grandes, que se acumulaban en el soporte del disco y no se transportaban por el aire. La presencia de escorias en las mesetas de contacto secundarias fue demostrada por el elemento marcador Ca, que no estaba presente en el CFM.

Estos prometedores resultados deben ser confirmados por pruebas dinamométricas específicas, capaces de simular ciclos de frenado reales. El trabajo futuro de este estudio también incluye reemplazar algunos componentes de CFM con componentes de escoria. Además, también se prestará atención a una evaluación del ciclo de vida específica dentro de un modelo de simbiosis industrial, para evaluar la sostenibilidad total del nuevo material de fricción.

Los datos generados durante y/o analizados durante el estudio están disponibles del autor correspondiente a pedido.

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Descargar referencias

Este estudio no recibió financiación externa.

Departamento de Ingeniería Industrial, Universidad de Trento, Via Sommarive 9, Trento, Italia

Priyadarshini Jayashree y Giovanni Straffellini

Departamento de Procesos Químicos y Fisicoquímicos, VSB – Universidad Técnica de Ostrava, 17. Listopadu 2172/15, 708 33, Ostrava, República Checa

Vlastimil Matejko

Brembo SPA, Stezzano, Bérgamo, Italia

mara leonardi

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PJ: Visualización, Metodología, Redacción—Borrador original. VM: Visualización, Escritura—Revisión y Edición. ML: Metodología, Redacción—Revisión y Edición. GS: Conceptualización, Visualización, Metodología, Redacción—Revisión y Edición. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Giovanni Straffelini.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Jayashree, P., Matějka, V., Leonardi, M. et al. Un camino novedoso para limitar las emisiones de material particulado que no son de escape de un material de fricción comercial mediante la adición de escoria metalúrgica. Informe científico 13, 666 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-27932-6

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Recibido: 06 julio 2022

Aceptado: 10 de enero de 2023

Publicado: 12 enero 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-27932-6

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