Une nouvelle voie vers la limitation des non

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 666 (2023) Citer cet article

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En gardant à l'esprit le recyclage et l'économie circulaire, cette étude explore la réduction des émissions d'une formulation de matériau de friction hautement optimisée et utilisée dans le commerce grâce à l'ajout de scories métallurgiques provenant d'un four à oxygène basique en quantités variables de 6 à 38 % en poids. Les différentes compositions ont été couplées à une contre-face en fonte grise perlitique et testées sur un tribomètre à disque. Le coefficient de frottement et l'usure de la goupille ont augmenté avec l'ajout de laitier, mais étaient toujours dans la limite autorisée par rapport à la formulation d'origine. Les spécimens avec une teneur en scories plus élevée ont observé des plateaux de contact secondaires extrêmement compacts et étendus, qui ont également enregistré une présence significative de scories. Les plateaux étendus se sont détachés sous forme de morceaux des surfaces de contact, qui se sont déposés sur le matériel de l'équipement et ont limité la production de particules en suspension dans l'air. Du point de vue de la symbiose industrielle, l'ajout de scories métallurgiques s'est avéré être une voie prometteuse pour obtenir des matériaux de friction verts à émissions réduites.

Les matériaux de friction pour les systèmes de freinage automobile doivent répondre à un large éventail d'exigences, notamment un coefficient de friction (CoF) stable et souhaitable, un faible taux d'usure du système et un faible niveau de bruit et de vibrations1,2,3. Par conséquent, les formulations de matériaux de friction comprennent une gamme de constituants, parfois plus de 30 ingrédients, qui sont divisés en liant, renfort, charges et modificateurs de friction (divisés en abrasifs et lubrifiants)4. Récemment, plusieurs efforts ont été lancés pour produire des matériaux de friction respectueux de l'environnement. De nouvelles formulations sont en cours de développement utilisant différents types de déchets, y compris des déchets agricoles et des déchets industriels. Cela se fait dans le cadre du concept de symbiose industrielle, c'est-à-dire dans un processus par lequel les sous-produits ou les déchets d'une industrie ou d'un processus industriel deviennent des matières premières pour une autre industrie ou un autre processus. Ce concept se traduit par une utilisation plus durable des matériaux et contribue au développement d'une économie circulaire, qui est l'objectif du « plan d'action pour l'économie circulaire de la Commission européenne »5,6,7. Grâce à l'économie circulaire, les empreintes environnementales des industries sont réduites, les besoins en matériaux vierges sont limités et le besoin d'enfouissement est limité, ce qui entraîne une valeur ajoutée des déchets8,9,10. D'un point de vue environnemental, les formulations des matériaux doivent également répondre au besoin de réduire l'émission de particules polluantes (PM). En fait, parmi les sources non issues des gaz d'échappement, le processus de freinage contribue actuellement à 55 % en poids de la fraction PM10 et à 21 % de la fraction PM2,5 (particules en suspension dans l'air ayant un diamètre aérodynamique inférieur à 10 µm et 2,5 µm respectivement)11,12. Il a été observé que les émissions de PM ont de nombreuses répercussions sur la santé et l'environnement. Ils peuvent contribuer aux maladies respiratoires et cardiovasculaires, et quelques PM sont classées comme agents cancérigènes13,14.

Dans le présent travail, nous avons étudié l'utilisation possible de scories métallurgiques éliminées après réaction dans le four à oxygène basique (BOF) comme ingrédient dans une formulation commerciale de matériau de friction. Le laitier constitue généralement du CaO, du MgO, de la silice et des composés contenant du fer et peut également contenir des composés contenant du calcium et du silicium15. On s'attend à ce que les oxydes se comportent comme des abrasifs16. De plus, il est bien établi que les plateaux de contact secondaires déposés sur les surfaces accouplées lors du freinage sont majoritairement constitués d'oxydes de Fe17,18. La présence d'oxydes de Fe à travers les scories dans un système d'usure pourrait conduire à des résultats intéressants et positifs sur les caractéristiques du plateau secondaire (qui détermine le frottement, l'usure et le comportement d'émission d'un système). L'étude des caractéristiques d'émission et d'usure des formulations a été réalisée à 6, 12, 24, 32 et 38 % en poids de laitier, ainsi que leur caractérisation des débris d'usure. L'objectif des travaux est le développement d'un matériau de friction écologique à émissions réduites dans une perspective de symbiose industrielle. La nouveauté de l'étude est de réduire considérablement les émissions de particules dans une formulation de matériau de friction viable grâce à l'ajout de scories, tout en travaillant rigoureusement à la réduction de l'utilisation de matières premières vierges.

Divers projets de recherche ont été entrepris pour développer des formulations de matériaux de friction pour des applications de freinage automobile, dans lesquels différents types de déchets sont utilisés - déchets agricoles et déchets industriels. Par exemple, Gomes Nogueira et al.19 et Gehlen et al.20 ont mené des études détaillées sur le comportement de friction et d'émission des formulations de matériaux de friction avec l'ajout de balle de riz tamisée non traitée et traitée thermiquement. Les déchets ont efficacement contribué à la formation de plateaux de contact secondaires bien compactés, lisses et étendus, ce qui a réduit l'usure et les émissions du système. Ikpambese et al.21 ont ajouté des fibres de palmiste (PKF) dans une composition de matériau de friction automobile sans amiante. Les résultats ont montré une friction, une usure et des propriétés mécaniques réalisables avec l'ajout de 10 % en poids d'ajouts de PKF. Enfin, Ibrahim22 a évalué l'ajout de feuilles sèches de manguiers dans un composite à matrice polymère (résine typique utilisée comme liant dans une formulation de matériau de friction). Les déchets se sont comportés comme un lubrifiant solide, réduisant considérablement le coefficient de frottement et le taux d'usure. La modification de la formulation des matériaux de friction avec les déchets industriels est également à l'étude. Gangwar et al.23 ont mené un examen critique des propriétés tribologiques de la formulation des matériaux de friction avec l'ajout de boue rouge, de poussière de marbre et de déchets de cendres volantes. On a vu que ces déchets se comportaient comme des abrasifs, offrant des propriétés thermiques supérieures, un coefficient de frottement admissible et un faible taux d'usure. Il a également été démontré que ces matériaux étaient facilement disponibles, avaient un faible coût et avaient la densité nécessaire. De plus, la combinaison de boue rouge et de cendres volantes atteint également les magnitudes de frottement et d'usure requises par rapport à la formulation conventionnelle24. Mutlu et al.25 et Singh et al.26 ont respectivement ajouté de la poussière de pneus usagés et de la poussière de four à ciment dans différentes formulations typiques de matériaux de friction. Il a été constaté que la poussière de pneus usagés fournissait des caractéristiques d'usure admissibles et que la combinaison de poussière de four à ciment avec le liant de résine phénolique contribuait à améliorer les performances de friction. Les déchets générés lors du processus d'anodisation de l'aluminium ont également été étudiés dans différents types de formulations de matériaux de friction. À une teneur en déchets de 12 % en poids, les caractéristiques de frottement, d'usure et d'émission étaient similaires à la composition du matériau de frottement vierge18.

Les scories métallurgiques sont peut-être l'un des déchets industriels les plus testés. Selon les différents procédés métallurgiques, différents types de scories sont produites et sont classées en scories ferreuses, non ferreuses et d'incinération, et sont utilisées dans diverses applications telles que la construction de routes et les engrais15. Dernièrement, certaines tentatives ont été faites pour incorporer des scories dans des formulations de matériaux de friction. Wang et al.27 ont effectué une analyse de comportement tribologique, mécanique et thermique sur une formulation à base de composites à matrice polymère à différentes teneurs en laitier. L'étude a observé une résistance à l'usure supérieure et des amplitudes et courbes CoF stables à différentes températures d'essai. De même, Erdogan et al.28 ont montré que l'ajout de scories dans les composites à matrice époxy à différentes conditions de charge produisait une résistance à l'usure exemplaire à une charge accrue. Ozturk et al.16 et Jabbar et al.29 ont rapporté que la silice, le MgO et le CaO se comportent comme des abrasifs, ce qui implique que le laitier BOF peut potentiellement se comporter comme un abrasif. Les abrasifs sont connus pour élever et stabiliser le CoF et éliminer la couche carbonée déposée sur les surfaces accouplées. La majorité des études menées sur le laitier est basée sur sa contribution aux tendances de frottement et d'usure de la formulation du matériau de friction. Cependant, aucune information n'est fournie en ce qui concerne les tendances des concentrations d'émissions/particules et l'analyse des débris d'usure correspondants. De plus, les études sur les scories sont menées sur la formulation de matériaux de friction préparés/formulés en laboratoire.

Les avantages résultant d'une réutilisation appropriée des scories métallurgiques dans les matériaux de friction pour les systèmes de freinage sont en principe très pertinents et essentiels. Il a été rapporté que pour toute la durée de vie d'une voiture, 16 paires de plaquettes de frein sont nécessaires, et depuis 2010, plus de 70 millions de véhicules utilitaires (y compris les voitures) sont fabriqués chaque année30. Il a également été signalé qu'environ un milliard de voitures sont actuellement en circulation dans le monde. La demande croissante de nouveaux matériaux pour chaque lot de plaquettes de frein fabriqué contribue à l'épuisement des ressources et à la production de sous-produits ou déchets d'une ampleur importante.

Dans cette étude, une formulation commerciale de matériau de friction (nommée CFM), fournie par Brembo Italie, a été soumise à une analyse de friction, d'usure et d'émission après l'ajout d'un laitier BOF. Le CFM a été sélectionné pour cette analyse car il s'agit d'une formulation largement testée et optimisée qui est utilisée commercialement depuis un certain temps. D'après une analyse XRD préliminaire, les principaux constituants du laitier se sont révélés être l'oxyde de fer (FeO), suivi de la mullite, de la monticellite, de la silice, de la magnétite et de l'α-Fe. La composition complète de CFM est restée confidentielle. Cependant, peu de constituants et le contenu correspondant dans la formulation sont présentés dans le tableau 1. La figure 1 montre la coupe transversale d'un échantillon en CFM avec quelques constituants mis en évidence.

Image MEB de l'ESB montrant la coupe transversale de l'échantillon CFM avec peu de constituants marqués.

Le CFM a été modifié en y ajoutant du laitier BOF métallurgique (nommé FS). Le CFM vierge a été comparé aux compositions CFM contenant 6, 12, 24, 32 et 38 % en poids de laitier FS. Toutes les formulations ont été testées sous forme d'épingles. Les broches ont été produites en interne. Les teneurs en CFM et en laitier correspondant ont été soigneusement mélangées dans un mélange TURBULA® pendant 30 minutes continues. Ensuite, les mélanges ont été soumis à une procédure de pressage à chaud sur un équipement BUEHLER® Pneumet I. Les poudres ont été pressées par taraudage dans un moule cylindrique en acier à outils à 150 ° C, une pression de 100 MPa et un temps de maintien de 10 min. Enfin, les spécimens de corps verts ont été soumis à un durcissement à 200 ° C pendant 4 h dans un four à moufle. Après l'achèvement du processus de production, la hauteur et le diamètre moyens des broches étaient de 10 mm4,18,31. Les broches étaient associées à une contre-face en forme de disques. Les disques étaient en fonte grise perlitique avec un diamètre et une épaisseur moyens de 60 mm et 6 mm respectivement. Les propriétés et la composition de la contre-face sont présentées dans le tableau 2.

L'analyse du frottement de glissement sec, de l'usure et des émissions sur les paires de broches et de disques a été réalisée sur une broche sur le tribomètre à disque (PoD, Ducom Instruments). Tous les essais ont été effectués sur un disque neuf et dans des conditions d'essai à température ambiante. Les conditions de test employées étaient une pression de contact de 1 MPa (79 N) et une vitesse de glissement constante de 1,51 m/s (600 tr/min pour une piste d'usure de 48 mm). Les paramètres de test sélectionnés ici reproduisent une condition de freinage léger et ont été sélectionnés car ce scénario aiderait non seulement à évaluer le comportement de frottement et d'usure, mais fournirait également des informations sur les caractéristiques du plateau de contact secondaire (extension, compactage, douceur)4,18. Les essais avec chaque composition ont été répétés trois fois pour obtenir une répétabilité des résultats. La configuration de l'appareil de test PoD, y compris la fixation de l'appareil de collecte de particules, est illustrée à la Fig. 2. L'air du laboratoire (A) est aspiré par un ventilateur (B), qui a été mis en circulation dans un filtre à air particulaire à haute efficacité (HEPA) (C) pour éliminer les impuretés et les particules de poussière et entraînant l'introduction d'air pur à l'intérieur de la chambre PoD (D). La vitesse de l'air a été maintenue à 11,5 m/s, la magnitude obtenue à partir d'une étude précédente31,32. Avant les tests, la propreté de l'air a été rigoureusement contrôlée et maintenue en dessous de 1 #/cm3. Pour obtenir la concentration en nombre de particules, un spectromètre optique de dimensionnement de particules TSI® (TSI Incorporated, Shoreview, USA) (OPS, modèle 3330) a été connecté à la chambre fermée au point F de la Fig. 2. L'OPS peut mesurer la concentration totale en nombre de particules dans la plage de taille de 0,3 μm à 10 μm, divisée en 16 canaux et avec une fréquence d'échantillonnage de 1 Hz. L'OPS enregistre et mesure la concentration de particules jusqu'à 3000 particules/cm3, fonctionnant avec un débit d'échantillonnage auto-contrôlé de 1 l/min32,33.

Configuration de l'appareil de test de broche sur disque (A) Air ambiant, (B) Ventilateur, (C) Filtre HEPA, (D) Air introduit dans la chambre, (E) Disque/contreface, (F) Sortie d'air vers l'OPS, (G) Poids.

Pour obtenir une bonne conformité entre les surfaces d'accouplement de la broche et du disque, avant la durée du test, une « procédure de rodage » ou une « procédure de mise en place » de 30 minutes a été effectuée pour tous les appariements. Après le processus de rodage, la durée réelle du test était de 90 minutes continues. Cette durée a été choisie pour observer l'établissement d'une couche de friction appropriée sur les surfaces accouplées18. Les valeurs instantanées du coefficient de frottement (CoF) et de la concentration totale de particules lors des essais ont été enregistrées directement à partir du logiciel attaché respectivement au PoD et à l'appareil OPS. Le coefficient d'usure spécifique (usure des broches) a été obtenu en pesant les broches avant et après chaque essai grâce à une balance analytique avec une précision de 10–4 g, et avec l'équation suivante :

où:

V : perte de volume d'usure ; F : charge appliquée ; d : distance de glisse (~ 8150 m).

Les surfaces usées de la broche CFM et avec des ajouts de scories, ainsi que la morphologie des débris d'usure collectés et l'analyse EDXS plein cadre ont été obtenues via SEM (JEOL IT300), attachées à un système de spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie (EDXS; Bruker).

La figure 3a montre les tendances de frottement de CFM et avec des ajouts de laitier. Les tendances CFM vierges sont indiquées en noir. La trace de frottement atteint un état stable après une augmentation initiale, suivie d'une diminution progressive et d'une stabilisation des traces, qui se maintient pendant toute la durée du test. Les tendances de frottement du CFM avec des ajouts de laitier observent une augmentation de l'amplitude du CoF. Néanmoins, les additions de laitier ne perturbent pas l'atteinte de l'état d'équilibre, c'est-à-dire que, dans ces cas également, l'état d'équilibre dans les traces de frottement est atteint comme CFM et maintenu pendant toute la durée de l'essai. La figure 3b montre les traces d'émission de CFM et avec des ajouts de laitier. Les tendances des émissions CFM vierges, représentées en noir, atteignent à nouveau un état stable dès le début de la durée des tests. Les fluctuations observées dans les traces de frottement sont caractéristiques des courbes d'émission. Avec les ajouts de laitier, une diminution de l'amplitude de l'émission est observée. De plus, dans tous les cas d'ajouts de scories, l'état stable des traces d'émission est toujours maintenu.

(a) Traces de frottement ; (b) Tendances des émissions de CFM et avec les ajouts de laitier FS.

La figure 4 présente la comparaison du coefficient de frottement à l'état d'équilibre (CoF, Fig. 4a), de l'usure des broches (Fig. 4b) et de la concentration moyenne de particules (Fig. 4c) de CFM et avec des ajouts de laitier. Sur la figure 4a, une augmentation du CoF peut être observée avec les ajouts de laitier, par rapport au CFM vierge. La magnitude du CoF est passée de 0,45 à environ 0,50. Le CoF reste similaire de 6 % en poids à 32 % en poids d'ajout de FS, mais on observe qu'il augmente légèrement à 38 % en poids d'ajout de laitier FS à 0,53. On observe que l'usure des broches sur la figure 4b augmente avec l'ajout de teneur en laitier par rapport au CFM vierge, tendant vers une valeur moyenne d'environ 3,3 × 10–14 m2/N, ce qui est supérieur à l'usure de la composition CFM mais bien dans le régime d'usure légère4,18,31. Enfin, la concentration moyenne de particules de toutes les compositions est représentée sur la figure 4c. On voit que les émissions diminuent sensiblement avec l'augmentation de la teneur en scories. L'amplitude de l'émission observe une stabilité de réduction au-delà de 32 % en poids d'ajout de laitier FS.

(a) Coefficient de frottement en régime permanent ; (b) Usure des goupilles ; et (c) Concentration moyenne de particules/ampleur moyenne des émissions de CFM et avec les ajouts de laitier FS.

A titre d'exemple, les Fig. 5a et b montrent les caractéristiques de surface usée de CFM et CFM avec 38% en poids FS respectivement. Les surfaces usées sont généralement constituées de renforts durs comme des fibres d'acier qui agissent comme des plateaux de contact primaires, contre lesquels les débris d'usure compactés, appelés plateaux de contact secondaires, sont généralement déposés17,34. Sur la figure 5a, pour la surface CFM usée, les régions blanches sont les fibres d'acier (plateaux de contact primaires). Contre ces fibres d'acier, on observe des régions gris clair, qui sont fortement compactées et sont les plateaux secondaires de contact. Ces plateaux se déposent au voisinage des fibres d'acier et leur extension en surface est assez limitée. Avec l'ajout de 38% en poids de laitier sur la figure 5b, l'extension des plateaux de contact secondaires semble augmenter. Une autre observation intéressante est la diminution de l'apparition de fibres d'acier au fur et à mesure que la teneur en laitier est présente. Ceci est attribué à une diminution à la fois de la fraction de fibres d'acier et de leur couverture par les plateaux secondaires étendus et compactés. En effet, avec l'augmentation de la teneur en laitier, on a observé une augmentation de l'extension et de la compacité des plateaux secondaires de contact. Ceci est illustré par une estimation de base de la zone de couverture du plateau de contact secondaire réalisée sur les surfaces des broches usées à l'aide du logiciel open source ImageJ. La figure 5c présente la comparaison de surface, montrant l'augmentation constante de la couverture du plateau de contact secondaire avec l'augmentation de la teneur en scories.

Caractéristiques de la surface usée (a) CFM ; (b) PCM + 38FS ; ( c ) Estimation de la couverture de la zone du plateau secondaire déposée sur CFM et avec des ajouts de scories.

Pour comprendre les constituants des plateaux de contact secondaires, une analyse EDXS point/objet a été réalisée sur 8 sites de plateaux secondaires différents sur plusieurs spécimens pour toutes les compositions. Comme d'autres études antérieures, les plateaux de contact secondaires étaient principalement constitués de Fe et d'O, symbolisant les oxydes de Fe32,33,35. Outre les oxydes de Fe, les plateaux de contact secondaires sont constitués d'éléments mineurs tels que Si, Mg, Al, Mn, Sn, Cr et Zn. Cependant, pour les échantillons contenant des scories, la présence d'un autre élément a été observée, qui était Ca. La figure 6 présente la variation des teneurs en Fe et Ca en CFM et avec des ajouts de laitier. Le CFM vierge ne constitue pas Ca, comme le montre la figure. Cependant, on voit que la présence de Ca augmente avec l'augmentation de la teneur en laitier, symbolisant Ca comme étant l'élément marqueur du laitier FS. Avec 32 et 38% en poids d'ajout de laitier FS, une diminution de la teneur en Fe a été observée, ce qui pourrait être attribué à l'augmentation de la teneur en Ca, dénotant une contribution significative du laitier à la formation et au maintien des plateaux de contact secondaires.

Variation de Fe et Ca avec l'augmentation de la teneur en laitier en CFM.

Enfin, les débris d'usure collectés déposés sur le porte-disque de l'équipement PoD ont été soumis à une analyse SEM/EDXS. A titre d'exemple, les Fig. 7a et b montrent la morphologie des débris collectés après des tests avec du CFM vierge et du CFM avec 38 wt% FS respectivement. Lorsque les chiffres sont comparés, les particules avec le CFM vierge sont assez petites. En revanche, les particules collectées avec 38% en poids de FS sont considérablement plus grosses et plus nombreuses par rapport au CFM vierge. Dans les deux cas, à partir de l'analyse EDXS plein cadre (tableau 3), les principaux constituants des débris étaient Fe et O (oxydes de Fe), ce qui déduit le détachement des plateaux de contact secondaires. De plus, avec les échantillons contenant du laitier, la présence de l'élément marqueur Ca a été observée, montrant la contribution du laitier.

Morphologie des débris d'usure (a) CFM ; (b) CFM avec 38% en poids de FS.

Avec l'introduction des scories, une augmentation du CoF a été observée (Fig. 4a). Comme mentionné précédemment, les constituants du laitier sont généralement constitués de particules abrasives qui augmentent l'usure de la face d'appui du disque. Les particules d'usure de la face d'appui sont principalement constituées de Fe. Lors du glissement, ils sont alors oxydés, mélangés aux particules d'usure provenant du matériau de friction, et enfin compactés contre les plateaux primaires. Ceci induit une augmentation de l'extension des plateaux secondaires (Fig. 5), qui s'accompagne d'une augmentation du CoF et de l'usure des broches (Fig. 4b)18,31. Cependant, il convient de noter que l'usure des broches avec des scories est toujours dans le régime d'usure acceptable et identique à celle du CFM vierge (catégorie douce).

Avec l'augmentation de la teneur en scories, une réduction cruciale de la concentration/des émissions moyennes de particules a également été observée (Fig. 4c). Comme on le voit, avec une augmentation de la teneur en laitier, l'extension ainsi que le compactage du plateau de contact secondaire augmentent assez significativement. En fait, les plus grosses particules de laitier agissaient comme des plateaux primaires petits et distribués. En revanche, les plus petites particules ont pu pénétrer dans les plateaux secondaires, surtout à l'addition la plus élevée (32 et 38 % en poids), aidant à leur compaction. C'est une observation bien connue que la plupart des particules d'usure libérées du matériau de friction (y compris les particules les plus fines en suspension dans l'air) sont constituées de plateaux de contact secondaires détachés32. Avec la présence de scories, qui a conduit à une extension plus importante des plateaux de contact secondaires, les plateaux secondaires détachés étaient également plus grands et plus gros, comme le montre la figure 7b. Ces particules plus grosses se déposent sur le porte-disque et ne sont pas en suspension dans l'air, ce qui entraîne une réduction significative des émissions. En revanche, la morphologie des débris du CFM vierge, Fig. 7a, est plus petite que celle des échantillons de scories, qui peuvent être en suspension dans l'air et conduire à un enregistrement d'émissions plus élevé, malgré le taux d'usure total plus faible.

En résumé, l'ajout de particules de laitier métallurgique à la formulation CFM a induit une augmentation de l'extension et de la compacité des plateaux secondaires qui à son tour a entraîné une augmentation du coefficient de frottement (résultat positif) et de l'usure (restant de nature douce). Dans le même temps, une grande partie des débris d'usure était constituée de grosses particules qui ne pouvaient pas être en suspension dans l'air.

L'étude actuelle a pu montrer l'utilisation efficace du laitier BOF produit en abondance dans une formulation de matériau de friction utilisée dans le commerce. Bien que Wang et al.27 et Erdogan et al.28 aient montré des résultats positifs concernant les ajouts de laitier, la comparaison des émissions et l'analyse des débris n'ont pas été effectuées et la formulation du matériau de friction utilisée était conventionnelle. Grâce à cette étude, il a été constaté que la teneur élevée en laitier n'entrave pas les caractéristiques d'usure et d'émission. De plus, avec l'ajout d'une grande teneur en laitier (38 % en poids), les fabricants de plaquettes de frein exigent une portion considérablement réduite de la formulation CFM vierge, réduisant ainsi le coût des matières premières et, par conséquent, les coûts de fabrication. En 2020, 12 millions de voitures ont été mises sur le marché en Europe, ce qui, en première approximation, correspond à 96 millions de plaquettes. Le poids du matériau de friction dans chaque patin est d'environ 125 g, puis d'env. 4560 tonnes de scories métallurgiques pourraient être réutilisées chaque année en Europe (ce nombre devrait encore augmenter) à la place des abrasifs conventionnels (qui ont aujourd'hui un prix d'environ 2 euros le kilogramme). En outre, le parc automobile européen s'élève à env. 300 millions de véhicules, et la consommation de plaquettes de friction dans ces véhicules s'élèverait à env. 300 millions de serviettes chaque année30. La production de laitier métallurgique est très élevée (environ 34 et 16 Mt de laitier de haut-fourneau et de haut-fourneau en Europe, respectivement) et une fraction considérable est utilisée dans l'industrie du ciment et le génie civil. Cependant, une grande partie des scories est encore enfouie et les avantages de l'utilisation avantageuse des scories dans les patins de friction sont donc évidents36,37. Bien sûr, une évaluation du cycle de vie spécifique dans un cadre de symbiose industrielle est nécessaire pour évaluer la durabilité globale du nouveau matériau de friction du « berceau à la tombe », en tenant compte des réglementations environnementales actuelles qui limitent l'enfouissement des déchets de scories.

Enfin, l'impact social de la pollution de l'environnement doit être pris en compte. Le développement d'un nouveau matériau de friction "entièrement vert", avec la réutilisation technique des déchets et une réduction des émissions de particules, devrait avoir un impact positif sur la qualité de vie en Europe, ce qui, à long terme, contribuera largement au développement durable mondial.

Dans cette étude, un laitier BOF a été ajouté dans une formulation de matériau de friction commercialement incorporée pour vérifier les caractéristiques de frottement, d'usure et d'émission à différentes teneurs en laitier - 6, 12, 24, 32 et 38 % en poids.

Le CoF a augmenté avec l'ajout de laitier par rapport à la formulation vierge. L'amplitude CoF la plus élevée a été observée pour une teneur en laitier de 38 % en poids. Comme le CoF, l'usure des broches a augmenté avec l'ajout de la teneur en laitier. Cependant, l'usure des broches pour toutes les compositions était dans la gamme douce. L'augmentation du CoF et de l'usure des broches a été attribuée à la nature abrasive des particules de laitier.

Les émissions/concentration moyenne de particules diminuaient régulièrement avec l'augmentation de la teneur en scories. Une stabilité de l'amplitude des émissions a été observée au-delà de 32 % en poids. Les faibles émissions sont dues à la présence de plateaux de contact secondaires lisses, compactés et étendus, dont la qualité s'est améliorée avec l'augmentation de la teneur en laitier. Ces plateaux secondaires allongés et compactés produisaient des débris d'usure plus gros, qui s'accumulaient sur le porte-disque et n'étaient pas en suspension dans l'air. La présence de scories dans les plateaux de contact secondaires a été mise en évidence par l'élément marqueur Ca, qui n'était pas présent dans le CFM.

Ces résultats prometteurs demandent à être confirmés par des essais dynamométriques spécifiques, capables de simuler des cycles de freinage réels. Les travaux futurs de cette étude comprennent également le remplacement de quelques constituants de CFM par des constituants de laitier. En outre, l'accent sera également mis sur une évaluation du cycle de vie spécifique au sein d'un modèle de symbiose industrielle, afin d'évaluer la durabilité globale du nouveau matériau de friction.

Les données générées et/ou analysées au cours de l'étude sont disponibles sur demande auprès de l'auteur correspondant.

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Cette étude n'a reçu aucun financement externe.

Département de génie industriel, Université de Trente, Via Sommarive 9, Trente, Italie

Priyadarshini Jayashree et Giovanni Straffelini

Département des procédés chimiques et physico-chimiques, VSB – Université technique d'Ostrava, 17. Listopadu 2172/15, 708 33, Ostrava, République tchèque

Vlastimil Matějko

Brembo SPA, Stezzano, Bergame, Italie

Mara Léonardi

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PJ : Visualisation, Méthodologie, Rédaction—Ébauche originale. VM : visualisation, écriture – révision et édition. ML : Méthodologie, rédaction—révision et édition. GS : Conceptualisation, visualisation, méthodologie, rédaction—révision et édition. Tous les auteurs ont examiné le manuscrit.

Correspondance à Giovanni Straffelini.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Jayashree, P., Matějka, V., Leonardi, M. et al. Une nouvelle voie vers la limitation des émissions de matières particulaires non gazeuses d'un matériau de friction commercial par l'ajout de scories métallurgiques. Sci Rep 13, 666 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-27932-6

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Reçu : 06 juillet 2022

Accepté : 10 janvier 2023

Publié: 12 janvier 2023

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

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