Desenvolvimento de pastilhas de freio sinterizadas com matrizes metálicas: liga de cobre para alto desempenho e matriz ferrosa eco-friendly

Abstract

As pastilhas de freio sinterizadas com matrizes metálicas desempenham um papel fundamental nos sistemas de frenagem, convertendo energia cinética em calor por atrito e dissipando-o. Para garantir um desempenho eficiente, essas pastilhas devem manter um coeficiente de atrito (coefficient of friction ? COF) elevado e estável, além de apresentar baixa taxa de desgaste e alta condutividade térmica. Neste trabalho, foram desenvolvidas pastilhas de freio sinterizadas com matriz metálica. Os desafios variaram desde a obtenção de um compósito de matriz de liga de cobre com microestrutura homogênea e formulação otimizada para alto desempenho até o desenvolvimento de um compósito de matriz ferrosa ecologicamente sustentável (eco-friendly). A pastilha de liga de cobre foi projetada para aplicações que exigem alta dissipação térmica e frenagens intensas, como veículos militares, trens de alta velocidade e turbinas eólicas. Já a pastilha ferrosa foi desenvolvida com uma composição ambientalmente sustentável, em conformidade com regulamentações rigorosas do setor de materiais de fricção. Entre elas, destaca-se a Better Brakes Law, vigente nos estados da Califórnia e Washington (EUA), que restringe o uso de metais pesados, como chumbo, cádmio e mercúrio, e estabelece limites progressivos para a diminuição do teor de cobre em veículos leves, com eliminação total prevista para 2025. Além disso, sua formulação provavelmente atende às diretrizes ambientais europeias, que visam reduzir a liberação de partículas finas prejudiciais à saúde e ao meio ambiente. Na formulação de pastilhas de freio com matriz à base de liga de cobre, foram utilizados pós de fases precursoras (como NiO e SiC) na mistura de pós, que geraram elementos de liga para endurecimento da matriz in situ durante a etapa de sinterização por reação entre os componentes da mistura, além de partículas de atrito e lubrificantes sólidos (grafite). Após a otimização, esse material apresentou um COF superior e uma taxa de desgaste semelhante à de uma pastilha de freio comercial de mesma matriz metálica. Já a pastilha de matriz ferrosa eco-friendly, desenvolvida com o intuito de atender a Better Brakes Law, incorporou compostos, como o FeCr, FeNb, Fe-Mn e SiC, que originaram elementos de liga como Si, Mn e Cr, resultando em uma matriz predominantemente bainítica, com dureza em torno de 450 HV. O grafite foi utilizado como lubrificante sólido, enquanto o FeNb atuou como partícula atritante, reagindo in situ com o carbono para formar NbC. A otimização, conduzida por meio de um planejamento experimental variando os teores de FeNb e grafite, resultou em uma pastilha com maior COF e menor taxa de desgaste em comparação com uma pastilha sinterizada comercial de matriz de liga de cobre. A pastilha ferrosa eco-friendly também se mostrou promissora para veículos de passeio, apresentando alto desempenho e menor taxa de desgaste em relação às pastilhas fenólicas tradicionais, além de provavelmente atender às exigências das regulamentações ambientais mais recentes no setor de fricção.

Abstract: Sintered brake pads with metallic matrices play a crucial role in braking systems by converting kinetic energy into heat through friction and dissipating it. To ensure efficient performance, these pads must maintain a high and stable coefficient of friction (COF), as well as exhibit low wear rate and high thermal conductivity. In this study, sintered brake pads with metallic matrices were developed. The challenges ranged from achieving a copper alloy matrix composite with a homogeneous microstructure and an optimized formulation for high performance, to the development of an environmentally sustainable iron-based (eco-friendly) matrix composite. The copper alloy pad was designed for applications requiring high thermal dissipation and intense braking, such as military vehicles, high-speed trains, and wind turbines. In contrast, the iron-based pad was developed with an environmentally sustainable composition, in compliance with strict regulations in the friction materials sector. Among them, the Better Brakes Law, in effect in the states of California and Washington (USA), stands out. It restricts the use of heavy metals such as lead, cadmium, and mercury, and sets progressive limits for reducing copper content in light vehicles, with a complete phase-out scheduled for 2025. Additionally, the formulation is likely to meet European environmental guidelines aimed at reducing the release of fine particles harmful to health and the environment. In the formulation of copper alloy-based brake pads, precursor phase powders (such as NiO and SiC) were used in the powder mixture, generating alloying elements for in situ matrix hardening during the sintering stage through reactions among the mixture components, in addition to friction particles and solid lubricants (graphite). After optimization, this material exhibited a higher COF and a wear rate comparable to that of a commercial brake pad with the same metallic matrix. The eco-friendly iron-based pad, developed to comply with the Better Brakes Law, incorporated compounds such as FeCr, FeNb, Fe-Mn, and SiC, which generated alloying elements like Si, Mn, and Cr, resulting in a predominantly bainitic matrix with a hardness around 450 HV. Graphite was used as a solid lubricant, while FeNb acted as a friction particle, reacting in situ with carbon to form NbC. Optimization, carried out through a design of experiments varying the contents of FeNb and graphite, led to a pad with a higher COF and lower wear rate compared to a commercial sintered pad with a copper alloy matrix. The eco-friendly iron-based pad also proved promising for passenger vehicles, showing high performance and lower wear rate compared to traditional phenolic pads, while likely complying with the latest environmental regulations in the friction materials sector