Desarrollo de materiales de fricción basados en metal sinterizado para aplicaciones en frenos de la industria eólica

Resumen

En la presente tesis se ha llevado a cabo la consolidación de materiales de fricción basados en metal sinterizado para el frenado de aerogeneradores de la industria eólica, además de otras aplicaciones como los trenes de alta velocidad. Para ello, se ha recurrido a la ruta pulvimetalúrgica o de consolidación de polvos; es decir, mezcla, compactación y sinterización de los materiales de fricción. El principal objetivo del estudio ha sido determinar la relación entre la composición de las mezclas (tipo y porcentaje de constituyentes), los parámetros del proceso de sinterización, y las propiedades más significativas que se obtienen en el material final de fricción. En primer lugar, se seleccionó el tipo de polvo base (hierro carbonilo) en función principalmente de su compresibilidad y su sinterabilidad; esta última, determinada a partir de ensayos de dilatometría. En este sentido, se han determinado las temperaturas de formación del bronce líquido durante la sinterización, que ocurre en dos intervalos de temperatura. Para este estudio también se realizaron ensayos de calorimetría diferencial de barrido (DSC). La selección del tipo de grafito ha sido fundamental para conseguir unas buenas propiedades de densidad en verde, sinterabilidad, propiedades mecánicas, conductividad térmica, etc. Se ha demostrado que el grafito debe ser natural y con morfología en escamas. Estas se sitúan alineadas en la dirección perpendicular a la aplicación de la presión de compactación. La adición de una resina fenólica como aglutinante es necesaria para promover la granulación de la mezcla y aumentar su compresibilidad y resistencia en verde del material. Tanto el grafito como los abrasivos reducen de forma significativa la densificación de la matriz metálica. Esta reducción es mayor conforme aumenta el porcentaje de grafito y abrasivo. De todos modos, el rango de temperaturas en el que se produce la densificación es el mismo que el determinado para la matriz metálica. La mojabilidad del líquido es función del tipo y porcentaje de grafito. Si esta no es suficiente, se puede producir la expansión de la pieza e incluso la exudación del bronce líquido. De los abrasivos empleados: sílice, alúmina, carburo de silicio y carburo de wolframio, las combinaciones sílice-alúmina y sílice¿carburo de wolframio han resultado ser las más efectivas.La exudación del bronce puede producirse durante la sinterización por un exceso de temperatura de sinterización (aumenta la viscosidad del líquido), por un exceso de líquido (relación hierro ¿ bronce), por la baja mojabilidad del grafito empleado e incluso por el porcentaje de resina fenólica empleada. Mediante la correcta selección de la composición de la matriz metálica, grafito (morfología y tamaño), y temperatura de sinterización se ha conseguido evitar este fenómeno. Se estudió la microestructura de los materiales. Se vio que las partículas de hierro experimentaron un engrosamiento durante la sinterización. La difusión del carbono en el hierro produjo una estructura perlítica. Las escamas del grafito se situaban alineadas en la dirección perpendicular a la aplicación de la presión de compactación. Se midió la conductividad térmica de los materiales desarrollados mediante la técnica laser-flash.Respecto de los ensayos de fricción, se ha progresado en el diseño y puesta en marcha de un equipo de ensayos alternativo al pin-on-disc estándar, que permite la determinación de los coeficientes de fricción y resistencia al desgaste de los materiales desarrollados en este trabajo. Se emplearon compactos de dimensiones relativamente grandes (Ø20 mm). El equipo permite realizar ensayos variando la presión (0,77 MPa ¿ 1,54 MPa) y velocidad (hasta 8,9 m/s). Además, se puede determinar la temperatura del disco durante el ensayo mediante una cámara termográfica ThermaCAMTM P25 que mide la radiación infrarroja emitida por un objeto y toma imágenes de ella.