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RESUMO

São discutidas as diferentes alternativas de ferros fundidosempregadas para a produção de discos e tambores de freio.Inicialmente são caracterizadas as propriedades que os discose tambores de freio devem apresentar em serviço, tais comocapacidade de amortecimento de vibrações e ruído,condutividade térmica, resistência ao desgaste, resistênciamecânica e resistência à fadiga, módulo de elasticidade eresistência à fadiga térmica. Algumas destas propriedadesseriam influenciadas principalmente pela grafita (capacidadede amortecimento de vibrações, condutividade térmica), oque mostra o potencial de otimização destas propriedades;entretanto, a maioria das propriedades é afetada tanto pelagrafita quanto pela matriz, de modo que sua otimização envolvesempre um compromisso de propriedades.

Abordam-se as alternativas de elementos de liga queconferem propriedades específicas a este produto, bem comoas tendências no desenvolvimento de novas classes de ferrosfundidos para aplicações em discos e tambores de freio.Constata-se a tendência à utilização de ferros fundidos cinzentosde alta condutividade térmica (FC 150 HC), obtidos com altoteor de carbono e conseqüentemente com alta quantidade degrafita na microestrutura. Adições de elementos de liga podemainda conferir propriedades específicas a esta classe de ferrofundido, em especial adições de Nb e Ti (visando aumentode resistência ao desgaste) e adições de Mo (objetivandoaumento de resistência a quente e resistência à fadiga térmica).

Confrontam-se estas tendências com a produção de discosde freio no mercado brasileiro, sendo então discutidas ascaracterísticas dos seguintes tipos de ferros fundidos cinzentose sua aplicação em discos e tambores de freio: FC 200, FC250, FC 250 ligado com Ti, FC 250 ligado com Mo, FC 150HC e FC 150 HC ligado com Mo. Discutem-se resultados deensaios de resistência ao desgaste, ciclos térmicos na frenagem,acabamento superficial de peças usinadas e medidas de ruído.Comentam-se adicionalmente alguns resultados referentes adiscos de freio produzidos experimentalmente em ferro fundidovermicular.

Ferros Fundidos Empregados para Discos e Tambores de Freio

INTRODUÇÃO

Discos e tambores de freio são componentes de geometriarelativamente simples, e que atualmente são produzidos porum grande número de empresas. A maioria das empresasvoltadas para o mercado de reposição produz estes componentesem ferro fundido cinzento classe FC-200, atendendonormalmente aos requisitos de baixo custo, ótima usinabilidadee boa condutividade térmica. Por outro lado, a indústria defundição tem desenvolvido novas classes de ferros fundidosobjetivando aumentar a vida dos discos de freio, aumentar asegurança deste componente, reduzir ruído, reduzir o peso emelhorar o desempenho do sistema de freio. É esta discussãoque o presente trabalho se propõe a percorrer, apresentando-se as propriedades importantes para discos de freio eexemplificando como os novos desenvolvimentos em ferrosfundidos tem procurado corresponder a este conjunto depropriedades. Esta discussão é ilustrada com resultados dealguns trabalhos experimentais com a participação da TupyFundições em algumas instituições (EPUSP, PUC-MG, Fras-Le), complementando-se ainda com resultados importantesda literatura.

Wilson Luiz Guesser (wguesser@tupy.com.br)Tupy Fundições e UDESC

Ivo Baumer (ivobaume@tupy.com.br)Tupy Fundições

André Paulo Tschiptschin (aptchip@usp.br)Gustavo Cueva (gustcg@usp.br)

Amilton Sinatora (sinatora@usp.br)Escola Politécnica Universidade de São Paulo

Figura 1 - Disco de freio ventilado, produzido em ferro fundidocinzento.

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PROPRIEDADES IMPORTANTES PARA DISCOS DEFREIO

FADIGA TÉRMICA - O primeiro aspecto a considerarna solicitação de um disco de freio é a fadiga térmica. Cadaciclo de frenagem impõe um ciclo térmico, cuja temperaturamáxima depende também do material.

Considerando-se uma barra bi-engastada, as tensões decompressão no aquecimento podem ser expressas por: σ =E . α . T

Verifica-se assim que as tensões são minimizadas porbaixo módulo de elasticidade do material do disco (E), baixocoeficiente de dilatação térmica (α) e baixo gradiente detemperatura ( T) (1). Este último parâmetro é influenciadofortemente pela condutividade térmica do material do disco.Se ocorrerem deformações plásticas no aquecimento, resultamtensões de tração no resfriamento, o que pode conduzir àformação de trincas. Deste modo, é importante que a resistênciaa quente do material não seja ultrapassada.

Na tabela I constam propriedades físicas de diversas classesde ferros fundidos cinzentos, previstas na Norma EuropéiaEN 1561/1997. Observa-se que o coeficiente de dilataçãotérmica não é afetado pela classe de ferro fundido cinzento,enquanto a condutividade térmica aumenta à medida que secaminha para classes de menor resistência mecânica. Isto édevido à contribuição da grafita na condutividade térmica, demodo que as classes que contém maiores quantidades degrafita apresentam maior condutividade térmica (e menorresistência mecânica).

Metzler (2) comenta ainda o efeito de regiões da peçacontendo carbonetos, em ferros fundidos ligados ao molibdênio.Estas regiões apresentariam baixa condutividade térmica ebaixa capacidade de amortecimento de vibrações, causandopulsação no pedal e danificação da resina da pastilha, resultandoem tensões térmicas e trincas térmicas.

Verifica-se ainda na tabela II que o módulo de elasticidadedecresce quando se caminha para classes de menor resistência,de modo que estas classes apresentariam melhor resistênciaà fadiga térmica.

RESISTÊNCIA MECÂNICA E RESISTÊNCIA ÀFADIGA - cada ciclo de frenagem impõe um ciclo de tensõesao disco de freio, de modo que é importante a resistência àfadiga do material do disco. Tradicionalmente os discos defreio tem sido produzidos em classes FC-200 e FC-250, cujaspropriedades especificadas podem ser vistas na tabela II.Ressaltam-se os valores (mínimos) de limite de fadiga (flexãorotativa) de 90 e 120 MPa, correspondentes às classes FC-200 e FC-250, respectivamente.

CAPACIDADE DE AMORTECIMENTO DEVIBRAÇÕES E RUÍDO - A capacidade de amortecimento devibrações de um material é a sua habilidade de dissipar parteda energia vibracional. Em ferros fundidos, a capacidade deamortecimento de vibrações é resultado do atrito entre a grafitae a matriz metálica, durante a solicitação mecânica (figura 2)(3).

Isto pode ser visto no ensaio de tração, através da histereseno descarregamento e carregamento da amostra. (figura 3) (3,4)

Tabela I - Propriedades Físicas de Ferros Fundidos Cinzentos(Norma EN 1561/1997)

Figura 2 - O amortecimento de vibrações ocorre devido aoatrito entre as partículas de grafita e a matriz (3).

Tabela II - Propriedades Mecânicas de Ferros FundidosCinzentos (Norma EN 1561/1997)

A capacidade de amortecimento de vibrações depende dedefeitos na grafita, sendo independente da matriz metálica (5-7). Uma alta capacidade de amortecimento de vibrações,avaliada através do coeficiente de amortecimento de vibrações,é obtida com grande quantidade de partículas grandes degrafita lamelar, o que é conseguido com alto teor de carbonoequivalente. Isto resulta, por outro lado, em diminuiçãoconsiderável da resistência mecânica, o que poderia serparcialmente contrabalançado com aumento da resistência damatriz, com o uso de elementos de liga, como Cr (0,10-0,50%),Mo (0,2%), Ti (200-400 ppm) e Nb (até 0,1%) (5,6).

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RUGOSIDADE SUPERFICIAL - esta característicadepende do material e das condições de usinagem. De ummodo geral, ferros fundidos de alta condutividade térmica,com altos teores de carbono, tendem a apresentar maioresvalores de rugosidade superficial, resultante do arrancamentodas partículas de grafita durante a usinagem.

RESISTÊNCIA AO DESGASTE - em condições em quenão ocorre dano por fadiga térmica, este parâmetro define otempo de vida do disco de freio. A resistência ao desgaste éprimeiramente função da dureza da matriz e da quantidadede grafita na microestrutura. Nos discos de freio produzidoscom ferros fundidos de alto carbono, o aumento da quantidadede grafita é compensado pela adição de elementos formadoresde carbonetos ou carbonitretos, como o Ti e Nb, introduzindo-se partículas duras na matriz para aumentar a resistência aodesgaste.

TENDÊNCIAS EM FERROS FUNDIDOS UTILIZADOSPARA DISCOS DE FREIO:

Na tabela III são apresentadas composições químicastípicas de discos e tambores de freio produzidos na TupyFundições.

Estas composições são o resultado da evolução datecnologia mundial para estes tipos de componente, e podemser agrupadas nas seguintes famílias:

* FC 200 e FC 250 - estes são os materiais clássicos paradiscos de freio. O teor de carbono é limitado superiormenteem cerca de 3,5-3,6 %, de modo a garantir a resistênciamecânica especificada. A relativamente baixa quantidade degrafita limita a condutividade térmica. A resistência ao desgasteé garantida pela matriz totalmente perlítica, obtida com o usodos elementos de liga. Os elementos de liga usuais são cobree estanho, e eventualmente cromo. Em certas normas européiasé especificado o uso de manganês como elemento de liga, oque traz algumas dificuldades de fabricação, devido à grandetendência à segregação deste elemento. Em algumas normasé ainda especificado o uso de molibdênio, para conferirresistência a quente e, conseqüentemente, resistência à fadigatérmica.

* FC 200-250 ligado com Ti - o Ti tem sido empregadocomo elemento de liga tanto em blocos de motores como emdiscos de freio, aumentando a resistência ao desgaste. Alémdisto, o Ti melhoraria propriedades de fricção, evitandotravamento do sistema de freio (8). São usuais valores entre200 a 400 ppm Ti. É interessante registrar que, em estudossobre ruído em sistemas de freio conduzidos na FrasLe comdiscos de freio produzidos na Tupy Fundições, este foi o tipode ferro fundido que apresentou o melhor desempenho, comopode ser visto na tabela IV e figura 4 (9) . Não está clara arazão das diferenças registradas nesta figura, entretanto épossível que a presença de carbonitretos de titânio namicroestrutura (figura 5) afete as condições do atrito disco-pastilha, minimizando o estabelecimento de vibrações naoperação de frenagem.

Tabela IV - Características de ferros fundidos ensaiados emtestes de ruído (9).

Figura 4 - Resultados de testes de ruído em diversos discosde freio (9).

Figura 3 - Diagrama tensão-deformação esquemático, para umaaço (linha cheia), mostrando um comportamento linear nocarregamento e descarregamento. O ferro fundido cinzento(linha tracejada) mostra uma recuperação não linear dadeformação e a formação de um loop de histerese norecarregamento. O loop de histerese seria o resultado do atritosólido entre a grafita e a matriz (3).

Tabela III - Especificações de discos e tambores de freioproduzidos na Tupy Fundições.

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Na figura 7 são apresentadas microestruturas típicas deferros fundidos cinzentos das classes FC-250 e FC-150 HC,verificando-se a maior quantidade de grafita neste últimomaterial. Esta maior quantidade de grafita resulta em menorresistência mecânica, o que deve ser considerado no projetoda peça (12). Por outro lado, o aumento da condutividadetérmica tem resultado no aumento da vida de componentessujeitos à fadiga térmica (21, 22), diminuindo-se a temperaturaem serviço. Na figura 8 apresentam-se resultados obtidos naEPUSP com diferentes amostras de ferros fundidos obtidasna Tupy Fundições, ilustrando-se as variações de temperaturaem teste de desgaste, onde as diferentes amostras de ferrosfundidos (como discos) foram testadas contra uma pastilhade freio. Verifica-se que o disco de ferro fundido cinzentocom alto carbono atinge menores temperaturas no ciclo defrenagem, comparativamente aos ferros fundidos classe FC-250, e que o ferro fundido vermicular atinge as maiorestemperaturas (13)

Esta menor temperatura em serviço dos ferros fundidos dealto carbono certamente influencia a vida do componente emsolicitação de fadiga térmica, como ilustrado na figura 9.

* FC150 HC - Visando otimizações no desempenho dediscos e tambores de freio, foi desenvolvida uma classe deferro fundido cinzento de alta condutividade térmica, associadaainda a bons valores de resistência mecânica e de resistênciaao desgaste. A microestrutura destes materiais apresentagrande quantidade de grafita e matriz perlítica, a grafitaconferindo alta condutividade térmica (figura 6) e a matrizperlítica fornecendo resistência mecânica e ao desgaste. Estematerial é obtido com o uso de teores relativamente elevadosde carbono (3,7 a 3,9%) e de elementos de liga perlitizantes,como o cobre, cromo e estanho.

Na tabela V são apresentados resultados de propriedadesfísicas e mecânicas das classes FC 250 e FC 150 HC.

Figura 8 - Temperatura de contacto pino - disco durante osciclos de frenagem (13)

Figura 7 - Microestruturas de discos de freio obtidos emclasses FC-250 (a) e FC-200 HC (b), sem ataque. 100 x.

Tabela V - Propriedades físicas e mecânicas de FC-150 HCe FC-250 (11).

Figura 5 - Microestrutura de disco de freio em ferro fundidocinzento microligado com Ti (300 ppm).

Figura 6 - Efeito do teor de carbono sobre a condutividadetérmica em ferros fundidos cinzentos (10).

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* FC150 HC com Mo - Em algumas normas sãoespecificadas adições de molibdênio a ferros fundidos cinzentosde alto teor de carbono, objetivando conferir resistência àquente e assim aumentar a resistência à fadiga térmica. Aliteratura técnica reporta efeito favorável do molibdênio emsolicitações envolvendo fadiga térmica, como ilustrado nafigura 11 (10).

Os resultados da figura 12 mostram ainda outras vantagensdo uso de elementos de liga em ferros fundidos cinzentos dealto teor de carbono. A curva da figura mostra a relação usualentre limite de resistência e coeficiente de amortecimento devibrações; com o uso de pequenas adições de Mo (0,2%) eNb (0,03-0,09%), aumenta-se consideravelmente o limite deresistência para um dado coeficiente de amortecimento devibrações (6).

CONSIDERAÇÕES FINAIS

Verifica-se que inovações no projeto metalúrgico dosferros fundidos cinzentos tem permitido oferecer ao projetistanovas opções para a seleção de material para discos e tamboresde freio. Merecem particular destaque os ferros fundidoscinzentos de alta condutividade térmica (alto carbono), comelementos de liga na matriz, aliando alta condutividade térmicae boa resistência mecânica e ao desgaste, e que possibilitarama moderna tendência de utilização de discos de freio inclusiveem caminhões.

Os exemplos apresentados no trabalho mostram apossibilidade de inovação mesmo em materiais tradicionaisda engenharia, como é o caso dos ferros fundidos cinzentos.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1) Roehrig, K. Thermal Fatigue of Gray and Ductile Irons.AFS Transactions, 1978, p. 75-88.

2) Metzler, H. The brake rotor - friction partner of brakelinings. SAE Congress, Detroit , paper 900847.

Figura 11 - Influência do teor de molibdênio sobre o tamanhode trinca formada por fadiga térmica (10).

Entretanto, esta classe de ferros fundidos de alto carbono,conforme mencionado anteriormente, pode apresentarproblemas de rugosidade superficial, devido ao arrancamentodas partículas de grafita na usinagem. O aumento da rugosidadesuperficial pode conduzir a superaquecimentos em serviço,devido à redução da área de contato com a pastilha. Estudosconduzidos pela PUC-MG e Tupy Fundições mostraram quea rugosidade superficial pode ser minimizada com o empregode baixos valores de profundidade de corte na usinagem (14),como é ilustrado na figura 10.

Figura 9 - Efeito do teor de carbono sobre o tamanho de trincaformada por fadiga térmica (10).

Figura 10 - Variação da rugosidade superficial com aprofundidade de corte (14).

Figura 12 - Relação entre Limite de Resistência e Coeficientede Amortecimento de Vibrações (6).

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3) Metzloff, K. E. & Loper Jr, C. Effect of nodule-matrixinterface on stress/strain relationship and damping in ductileand compacted graphite iron. AFS Transactions 2002, p. 1-14.

4) Metzloff, K. E. & Loper Jr, C. Measurement of elasticmodulus of DI, using a sinusoidal loading method, andquantifying factors that affect elastic modulus. AFSTransactions 2000, p. 207-218.

5) Subramanian, S.V. & Genualdi, A. J. ÜbereutektischesGusseisen mit Lamellengraphit mit hoher Dämpfungsfähiggkeitund Festigkeit. Giesserei-Praxis, 4/1998, p.137-144.

6) Subramanian, S.V. & Genualdi, A. J. Für Bauteile mithoher Dämpfungsfähigkeit und Festigkeit: übereutektischesGusseisen mit Lamellengraphit. Konstruiren + Giessen, 23(2), 1998 :29-35.

7) Schaller, R. & Benoit, W. The damping capacity of castmaterials, an interesting property for mechanical engineering.56th World Foundry Congress, Düsseldorf, 1989, paper 13.

8) Chapman, B.J. & Mannion, G. Titanium-bearing cast ironsfor automotive braking applications. Meehanite Report E.1344,1981.

9) Canali, R. & Tamagna, A. Evaluation of properties of discand pad materials and their relation with disc brake noise -an experimental investigation. SAE Congress, Detroit, 2002,paper 2002-01-2604.

10) Jimbo, Y. et all. Development of high thermal conductivitycast iron for brake disk rotors. SAE Technical Paper 900002,Detroit, 1990.

11) Keiner, W. & Werning, H. Hochgekohlter Grauguss GG-15HC - Idealer Werksotoff fuer Bremsscheiben undBremstrommeln. Konstruiren + Giessen, 15 (4) :4-14, 1990

12) Macnaughtan, M. Cast iron brake discs - a brief historyof their development and metallurgy. Foundryman, Oct 98,p. 321-324.

13) Cueva, G. et all. Desgaste em discos de freio de veículosautomotores. Congresso SAE Brasil, S Paulo, 2001, paper2001-01-3982.

14) Borges Souto, U. et all. Torneamento de discos de freio- avaliação da topografia da superfície e do fenômeno opengrain. Congresso SAE Brasil, S Paulo, 2002.