El papel del aluminio en el comportamiento al desgaste de discos de freno de fundición gris

Las emisiones de frenado, principalmente partículas finas y ultrafinas de polvo metálico y otros materiales, son tan o incluso más perjudiciales que los gases de escape, causando graves problemas de salud tanto en adultos como en niños. Las partículas más preocupantes son las PM10, aquellas con un diámetro inferior a 10 micras, ya que tienen la capacidad de infiltrarse en el tejido pulmonar causando daños significativos. Este problema creciente y de gran exigencia será regulado por la norma Euro 7, que reducirá drásticamente las emisiones contaminantes de los turismos a partir de 2027 y de los vehículos pesados (HDVs) en 2029. Elementos como el amianto, material que fue sustituido debido a su alta toxicidad, o el cobre, componente clave en los recubrimientos actuales de pastillas de freno, deben evitarse para reducir la contaminación por polvo de frenado. Las modificaciones de los discos de freno mediante soluciones metalúrgicas, tratamientos térmicos o recubrimientos especiales, que los hacen más resistentes al desgaste, contribuyen también de forma significativa a la reducción de emisiones a la atmósfera.

El objetivo de esta investigación fue mejorar la fundición gris convencional Fe-C-Si mediante contenidos específicos de aluminio, ya sea sustituyendo el silicio (3,27%Al y 0,21%Si) o añadiéndolo como elemento aleante (4,37%Al y 1,81%Si), analizando su efecto en la microestructura, propiedades mecánicas, resistencia al desgaste y emisiones de partículas.

Para ello se fundieron varios discos de freno (sin Al, con 3,27%Al y con 4,37%Al) inoculados con un 0,15 % de inoculante ZrMn. Se realizó análisis metalográfico y las principales fases formadas se identificaron mediante SEM. La resistencia al desgaste se evaluó como pérdida de masa mediante ensayos pin-on-disc (PoD). La concentración de partículas en el aire (PM10) se midió de forma continua durante los ensayos con una bomba de succión SKC. También se examinaron las superficies desgastadas del pin y de los discos.

El grafito tipo A fue predominante en las muestras sin aluminio, mientras que la presencia de Al provocó un refinamiento del grafito con la formación de cierta cantidad de tipo E. La microestructura fue completamente perlítica en las muestras sin aluminio y con 3,27%Al, mientras que fue principalmente ferrítica en las muestras con mayor contenido (4,37%Al). No se detectaron ledeburita, cementita ni carburos. Se observaron sulfuros de manganeso de morfología poligonal en todos los discos. En las muestras con 4,37%Al se detectaron compuestos intermetálicos Fe-Si-Al.

Los valores más elevados de propiedades mecánicas se obtuvieron en la muestra sin silicio (265 MPa y 211 HBW), debido a los cambios en la red cristalina al sustituir silicio por aluminio y al efecto del aluminio en la solubilidad del carbono en el líquido y en la austenita. Se observó un comportamiento al desgaste superior en las muestras aleadas con aluminio, mejorando en un 60% la resistencia al desgaste y reduciendo en un 30% las emisiones de PM10. En todas las muestras predominó el desgaste oxidativo y adhesivo.