Proprietà uniche dei freni in ceramica

I freni a disco standard sono costituiti da dischi e pastiglie in ghisa o acciaio in cui il riempimento è rinforzato con trucioli di metallo. Quando l'amianto era la base dei rivestimenti di attrito, non c'erano domande particolari sulla composizione, ma poi si è scoperto che le fibre di amianto e la polvere rilasciata durante la frenata hanno forti proprietà cancerogene. L'uso dell'amianto fu vietato e vari composti organici iniziarono ad essere utilizzati nei cuscinetti. Le loro proprietà si sono rivelate insufficienti in condizioni estreme.

Cos'è la ceramica e perché

La ceramica può essere considerata tutto ciò che non è organico o metallico. Sono state le sue proprietà a rivelarsi ciò che è necessario per le guarnizioni di attrito dei freni delle automobili che lavorano in condizioni difficili.

Il freno a disco ha grandi vantaggi rispetto ad altri, ma la sua caratteristica è la piccola area delle pastiglie. E un'elevata potenza frenante implica il rapido rilascio di un'enorme quantità di energia termica. Come sapete, l'energia è proporzionale alla potenza e al tempo per cui viene rilasciata. Ed entrambi determinano l'efficienza frenante dell'auto.

Il rilascio di energia significativa in un volume limitato in breve tempo, cioè quando il calore non ha il tempo di dissiparsi nello spazio circostante, secondo la stessa fisica, porta ad un aumento della temperatura. E qui i materiali tradizionali con cui sono realizzate le guarnizioni dei freni non possono più farcela. L'uso di dischi ventilati può stabilizzare il regime termico a lungo termine, ma non salva dal surriscaldamento locale nella zona di contatto. Il materiale della pastiglia evapora letteralmente e le frazioni risultanti creano un ambiente scivoloso, il coefficiente di attrito diminuisce drasticamente e i freni si guastano.

La ceramica a base di varie sostanze inorganiche, solitamente carburo di silicio, può resistere a temperature molto più elevate. Inoltre, una volta riscaldati, entrano solo nella modalità ottimale, fornendo il più alto coefficiente di attrito.

Senza rinforzo, il rivestimento non sarà in grado di avere una resistenza sufficiente, per questo nella composizione vengono introdotte varie fibre. Molto spesso si tratta di trucioli di rame, la fibra di carbonio viene utilizzata per i freni sportivi. Il materiale di rinforzo viene miscelato con la ceramica e cotto ad alta temperatura.

A seconda della natura dell'applicazione, la formulazione dei tamponi può essere diversa. Ciò è determinato dallo scopo dei freni, spiccano pastiglie stradali, sportive o di tipo estremo. Hanno diverse temperature di esercizio e capacità di limitazione. Ma il generale sarà un aumento dell'efficienza del lavoro in condizioni difficili:

• stabilità del coefficiente di attrito;
• minimizzazione dell'usura del disco;
• riduzione del rumore di funzionamento e del carico vibratorio;
• elevata resistenza e sicurezza del materiale alle alte temperature di esercizio.

Con l'uso della ceramica non si realizzano solo pastiglie, ma anche dischi. Allo stesso tempo, non si osserva una maggiore usura in caso di uso misto, i cuscinetti in ceramica non portano alla cancellazione accelerata dei dischi in acciaio e ghisa. I rotori in ceramica (dischi) si distinguono per l'elevata resistenza in condizioni di carico termico, che consente di non renderli inaccettabilmente grandi e inoltre non lasciano deformazioni residue durante il raffreddamento improvviso. E con tale riscaldamento, anche il raffrescamento naturale porta a notevoli sbalzi di temperatura in un tempo limitato.

Pro e contro dei freni in ceramica

È già stato detto sui vantaggi della ceramica, può essere integrato con fattori non così evidenti:

• tali meccanismi hanno peso e dimensioni inferiori a parità di efficienza, il che riduce un indicatore così importante della dinamica delle sospensioni come la massa non sospesa;
• non vi è rilascio di sostanze nocive nell'ambiente;
• con l'aumento della temperatura, l'efficienza dei freni non diminuisce, ma aumenta, il che a volte richiede un preriscaldamento;
• il materiale di rinforzo non è soggetto a corrosione ad alta temperatura;
• le proprietà della ceramica sono ben previste e programmate quando si seleziona una ricetta, il che rende possibile la produzione di parti simili per un'ampia varietà di applicazioni;
• sono possibili combinazioni di parti contenenti ferro con quelle ceramiche, non è necessario utilizzare gli stessi dischi per le pastiglie ceramiche;
• le parti in ceramica sono molto resistenti quando si lavora in condizioni delicate.

Non potrebbe fare a meno degli svantaggi, ma non ce ne sono molti sullo sfondo dei vantaggi:

• i freni in ceramica sono ancora più costosi;
• composizioni particolarmente efficaci richiedono un preriscaldamento, poiché il coefficiente di attrito diminuisce al diminuire della temperatura;
• in una determinata combinazione di condizioni, possono creare uno scricchiolio difficile da rimuovere.

Ovviamente, le parti dei freni in ceramica non hanno alternative nella guida e nello sport vivaci. In altri casi, il loro prezzo elevato fa pensare all'adeguatezza del loro utilizzo.