Un camino novedoso hacia la limitación del no

Jul 03, 2023

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 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 combinaron con una contracara de hierro fundido gris perlítico y se probaron en un tribómetro de disco. El coeficiente de fricción y el desgaste de los pasadores aumentaron con la adición de escoria, pero todavía estaban dentro del límite permisible en comparación con la formulación original. Los ejemplares con mayor contenido de escoria observaron mesetas de contacto secundarias extremadamente compactadas y extendidas, que también registraron una presencia significativa de escoria. Las mesetas extendidas se desprendieron en forma de trozos de las superficies de contacto, que se depositaron 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 sistemas de frenos de 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 bajos niveles 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 aglutinante, refuerzo, rellenos y modificadores de fricción (divididos 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 y desechos industriales. Esto se hace dentro del concepto de Simbiosis Industrial, es decir, en un proceso mediante el cual los subproductos o desechos de una industria o un proceso industrial se convierten en materia prima para otra industria o proceso. Este concepto da como resultado una utilización más sostenible de los materiales y ayuda al 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 partículas contaminantes (PM). De hecho, entre las fuentes distintas de las de escape, el proceso de frenado actualmente contribuye al 55% en peso de la fracción PM10 y al 21% de la fracción PM2,5 (partículas en el aire que tienen 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 PM están clasificados como agentes cancerígenos13,14.

En el presente trabajo, investigamos el posible uso de escorias metalúrgicas eliminadas después de la reacción en el horno de oxígeno básico (BOF) como ingrediente en una formulación comercial de material de fricción. La escoria normalmente constituye CaO, MgO, sílice y compuestos que contienen 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 sobre las características de meseta secundaria (que determinan 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 y con emisiones reducidas desde 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 llevado a cabo varios proyectos de investigación para desarrollar formulaciones de materiales de fricción para aplicaciones de frenado de automóviles, en las que se emplean 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 cáscara de arroz tamizada tratada térmicamente y sin tratar. Los residuos contribuyeron eficazmente a la formación de mesetas de contacto secundarias bien compactadas, lisas y extendidas, que a su vez redujeron el desgaste y las emisiones del sistema. Ikpambese et al.21 agregaron fibras de palmiste (PKF) a una composición de material de fricción para automóviles sin asbesto. Los resultados mostraron propiedades mecánicas, de fricción y de desgaste factibles con la adición de un 10% en peso 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 estudia 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 barro rojo, polvo de mármol y residuos de cenizas volantes. Se observó que estos desechos se comportaban como abrasivos, proporcionando propiedades térmicas superiores, coeficiente de fricción permisible y baja tasa de desgaste. También se demostró que estos materiales eran fácilmente disponibles, tenían bajo costo y tenían 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 llantas de desecho y polvo de horno de cemento en diferentes formulaciones típicas de materiales de fricción, respectivamente. Se observó que el polvo de llantas de desecho proporcionaba 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. También se investigaron los residuos generados durante el proceso de anodizado del aluminio 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 la composición del material de fricción virgen18.

Quizás uno de los residuos industriales más analizados sean las escorias metalúrgicas. Dependiendo de los diferentes procesos metalúrgicos, se producen diferentes tipos de escorias, que se clasifican en escorias ferrosas, no ferrosas y de incineración, y se utilizan en diversas aplicaciones, como construcción de carreteras y fertilizantes15. Últimamente se han hecho algunos intentos de incorporar escorias en formulaciones de materiales de fricción. Wang et al.27 realizaron análisis de comportamiento tribológico, mecánico y térmico en formulaciones hechas 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 producía una resistencia al desgaste ejemplar con carga aumentada. Ozturk et al.16 y Jabbar et al.29 han informado que la sílice, el MgO y el CaO se comportan como abrasivos, lo que implica que la escoria BOF puede potencialmente comportarse como 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 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 residuos de desgaste correspondientes. Además, los estudios de escoria se llevan a cabo en la formulación de materiales de fricción preparados/formulados en laboratorio.

Los beneficios resultantes de una reutilización adecuada 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 necesitan 16 pares de pastillas de freno y, desde 2010, cada año se fabrican más de 70 millones de vehículos comerciales (incluidos automóviles)30. También se ha informado que se estima que actualmente hay mil millones de automóviles en funcionamiento 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 a la producción de subproductos o residuos de gran magnitud.

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

Imagen BSE SEM que muestra la sección transversal de la muestra CFM con pocos componentes marcados.

El CFM se modificó agregándole escoria BOF metalúrgica (llamada 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 probaron en forma de alfileres. Los pines fueron producidos internamente. Los CFM y los contenidos de escoria relevantes se mezclaron completamente en una mezcla TURBULA® durante 30 minutos continuos. A continuación, las mezclas fueron sometidas 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 retención de 10 min. Por último, las muestras de cuerpo verde se sometieron a curado a 200 °C durante 4 h en una urna de mufla. Una vez finalizado el proceso de producción, la altura y el diámetro promedio de los pasadores fueron de 10 mm4,18,31. Los pasadores estaban emparejados con una contracara en forma de discos. Los discos estaban fabricados de fundición gris perlítica con un diámetro y espesor promedio de 60 mm y 6 mm respectivamente. Las propiedades y composición de la contracara se muestran en la Tabla 2.

El análisis de fricción, desgaste y emisiones por deslizamiento seco en los pares de pasador y disco se realizó en un pasador en el tribómetro de disco (PoD, Ducom Instruments). Todas las pruebas se realizaron en un disco nuevo y en condiciones de prueba a temperatura ambiente. Las condiciones de prueba empleadas fueron una presión de apriete 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 una condición de frenado suave 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 secundaria (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 aspira a través de un ventilador (B), que se hizo circular en un sistema de aire de partículas de alta eficiencia (HEPA). ) filtro (C) para eliminar impurezas y partículas de polvo, lo que da 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 en un estudio previo31,32. Antes de las pruebas, 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 óptico de tamaño de partículas (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, dividida 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 con pasador en el disco (A) Aire ambiente, (B) Ventilador, (C) Filtro HEPA, (D) Aire introducido en la cámara, (E) Disco/Contracara, (F) Salida de aire al OPS, (G ) Pesos.

Para lograr una conformidad adecuada entre las superficies de contacto del pasador y el disco, antes de la duración de la prueba, se realizó un "procedimiento de asentamiento" de 30 minutos de duración para todos los emparejamientos. Después del proceso de rodaje, la duración real de la prueba fue de 90 minutos continuos. Esta duración se seleccionó 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 a 4 g, y con la siguiente ecuación:

dónde:

V: pérdida de volumen por 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), conectados con un sistema de espectroscopía 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 vírgenes se muestran en negro. La huella de fricción alcanza un estado estable después de un aumento inicial, seguido de una disminución gradual y una estabilización de las huellas, que se mantiene durante toda la prueba. Las tendencias de fricción de CFM con adiciones de escoria observan un aumento en la magnitud de 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 pistas de fricción se logra como CFM y se mantiene durante toda la prueba. La Figura 3b muestra las trazas de emisión de CFM y con adiciones de escoria. Las tendencias de emisiones vírgenes de CFM, que se muestran en negro, nuevamente alcanzan un estado estable desde el comienzo de la duración de la prueba. Las fluctuaciones observadas en las trazas de fricción son características de las curvas de emisión. Con las adiciones de escoria se observa una disminución en la magnitud de las emisiones. Además, en todos los casos de adiciones de escoria, se sigue manteniendo el estado estacionario en las trazas de emisión.

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

La Figura 4 presenta la comparación del coeficiente de fricción en estado estacionario (CoF, Fig. 4a), el desgaste del pasador (Fig. 4b) y la concentración promedio de partículas (Fig. 4c) 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 aproximadamente 0,50. El CoF sigue siendo similar desde un 6% en peso hasta un 32% en peso de FS, pero se observa que aumenta ligeramente con una adición de 38% en peso de escoria FS a 0,53. Se observa que el desgaste del pasador en la Fig. 4b aumenta con la adición de contenido de escoria en comparación con el CFM virgen, tendiendo a un valor promedio de alrededor de 3,3 × 10–14 m2/N, que es mayor que el desgaste de la composición CFM pero bien. dentro del régimen de desgaste suave4,18,31. Por último, la concentración promedio de partículas de todas las composiciones se muestra en la Fig. 4c. Se observa que las emisiones se reducen apreciablemente con el aumento del contenido de escoria. La magnitud de la 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 los 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 yb 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 primarias, contra las cuales generalmente se depositan los residuos de desgaste compactados, denominadas mesetas de contacto secundarias17,34. En la Fig. 5a, para la superficie CFM desgastada, las regiones blancas son las fibras de acero (mesetas de contacto primario). Frente a estas fibras de acero se observan zonas de color gris claro, que están claramente compactadas y constituyen las mesetas de contacto secundarias. Estas mesetas se depositan en las proximidades de las fibras de acero y su extensión en la superficie es bastante limitada. Con la adición de 38% en peso de escoria 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 el contenido de escoria está presente. 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 del 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 de los pasadores desgastados 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 secundaria con el aumento en el contenido de escoria.

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

Para comprender los constituyentes de las mesetas de contacto secundarias, se realizó un análisis EDXS de punto/objeto en 8 sitios diferentes de mesetas secundarias en múltiples muestras para todas las composiciones. Al igual que otros estudios previos, las mesetas de contacto secundarias estaban hechas principalmente de Fe y O, que simbolizan los óxidos de Fe32,33,35. Además 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 las probetas que contienen 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 observa 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 de LF, se observó una disminución en el contenido de Fe, lo que podría atribuirse al aumento en el contenido de Ca, denotando una contribución significativa de la escoria a la formación y sustento de las mesetas de contacto secundarias.

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

Por último, los restos de desgaste recolectados y depositados en el soporte del disco del equipo PoD se sometieron a análisis SEM/EDXS. Como ejemplo, las figuras 7a yb 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 numerosas en comparación con los CFM vírgenes. En ambos casos, a partir del análisis EDXS de fotograma completo (Tabla 3), el componente principal de los desechos fueron Fe y O (óxidos de Fe), lo que infiere el desprendimiento de las mesetas de contacto secundarias. Además, en las muestras que contienen escoria se observó la presencia del elemento marcador Ca, lo que demuestra el aporte de escoria.

Use la morfología de los desechos (a) CFM; (b) CFM con 38% en peso de FS.

Con la introducción de escorias se observó un aumento del CoF (Fig. 4a). Como se mencionó anteriormente, los constituyentes de la escoria suelen estar formados por partículas abrasivas que aumentan el desgaste de la superficie del disco. Las partículas de desgaste de la superficie de contacto están compuestas principalmente de Fe. Durante el deslizamiento, se oxidan, se mezclan con partículas de desgaste procedentes 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), que se acompaña de un aumento en el CoF y el desgaste de los pasadores (Fig. 4b)18,31. Sin embargo, se debe tener en cuenta que el desgaste de los pasadores 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, la extensión así como la compactación de la meseta de contacto secundaria aumentan de manera bastante significativa. De hecho, las partículas de escoria más grandes actuaron como mesetas primarias pequeñas y distribuidas. Por otro lado, las partículas más pequeñas lograron ingresar a las mesetas secundarias, especialmente en la adición más alta (32 y 38 % en peso), ayudando en su compactación. Es una observación bien conocida que la mayoría de las partículas de desgaste liberadas por el material de fricción (incluidas las partículas más finas en el aire) están formadas por mesetas de contacto secundarias desprendidas32. Con la presencia de escorias, lo que llevó a una mayor extensión de las mesetas de contacto secundarias, las mesetas secundarias desprendidas también eran más grandes y gruesas, como se muestra en la Fig. 7b. Estas partículas más grandes se depositan 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 del CFM virgen, Fig. 7a, es más pequeña que la de las muestras de escoria, lo que puede estar en el aire y conducir a un mayor registro de emisiones, 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 (un resultado positivo) y en el desgaste (permaneciendo de naturaleza suave). . Al mismo tiempo, una gran fracción de los restos de desgaste estaba formada por partículas grandes que no podían transportarse por el aire.

El estudio actual pudo mostrar la utilización efectiva de la abundante escoria BOF 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, no se realizaron la comparación de emisiones ni el análisis de desechos y la formulación del material de fricción utilizada fue convencional. A través de este estudio, se vio que el alto contenido de escoria no obstaculizaba 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 reducida de la formulación CFM virgen, reduciendo así el costo de las materias primas y, a su vez, los costos de fabricación. En 2020, se comercializaron 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 gy luego aprox. En Europa se podrían reutilizar cada año 4.560 toneladas de escoria metalúrgica (se espera que esta cifra siga aumentando) en lugar de los abrasivos convencionales (que hoy tienen un precio de aproximadamente 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 toallas sanitarias cada año30. La producción de escorias metalúrgicas es muy elevada (aprox. 34 y 16 Mt de escorias de alto horno y de acería en Europa, respectivamente) y una fracción considerable se utiliza en la industria del cemento y en la ingeniería civil. Sin embargo, una gran fracción de la escoria todavía se deposita en vertederos y, por tanto, las ventajas de utilizar la escoria de forma beneficiosa en las pastillas 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 sostenibilidad total del nuevo material de fricción desde una perspectiva "de la cuna a la tumba", considerando las regulaciones ambientales reales que limitan la eliminación de las escorias residuales en vertederos.

Por último, hay que considerar el impacto social de la contaminación ambiental. Se espera que el desarrollo de un novedoso material de fricción “totalmente ecológico”, con la reutilización diseñada de materiales de desecho y una reducción de las emisiones de PM, tenga un impacto positivo en la calidad de vida en Europa, lo que a largo plazo contribuirá en gran medida a la economía mundial. desarrollo sostenible.

En este estudio, se agregó 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 de los pasadores para todas las composiciones estuvo en el rango leve. El aumento en el CoF y el desgaste de los pasadores se atribuyó a la naturaleza abrasiva de las partículas de escoria.

Las emisiones/concentración media de partículas disminuyeron constantemente con el aumento del contenido de escoria. Se observó una estabilidad en la magnitud de las emisiones más allá del 32% en peso. Las bajas emisiones se debieron a la presencia de mesetas de contacto secundarias lisas, compactadas y extendidas, cuya calidad mejoraba 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 resultados prometedores deben ser confirmados mediante pruebas dinamométricas específicas, capaces de simular ciclos de frenado reales. El trabajo futuro de este estudio también incluye reemplazar algunos componentes del CFM con constituyentes 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 previa solicitud.

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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 Físicoquímicos, VSB – Universidad Técnica de Ostrava, 17. Listopadu 2172/15, 708 33, Ostrava, República Checa

Vlastimil Matějko

Brembo SPA, Stezzano, Bérgamo, Italia

mara leonardo

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PJ: Visualización, Metodología, Escritura—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 partículas no procedentes del escape de un material de fricción comercial mediante la adición de escoria metalúrgica. Representante científico 13, 666 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-27932-6

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Recibido: 06 de julio de 2022

Aceptado: 10 de enero de 2023

Publicado: 12 de enero de 2023

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

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