Cosa determina la durata e le prestazioni delle ganasce dei freni in fusione?

Ghisa grigia e ghisa sferoidale: scelta del giusto materiale di fusione per le ganasce dei freni

Ganasce dei freni in fusione sono più comunemente prodotte in ghisa grigia o ghisa duttile (nodulare) e la scelta tra le due ha un effetto diretto sulle prestazioni della scarpa sotto ripetute sollecitazioni termiche e meccaniche. La ghisa grigia contiene grafite sotto forma di scaglie, che conferisce al materiale un'eccellente conduttività termica e un naturale smorzamento delle vibrazioni, entrambe proprietà preziose per un componente che assorbe e dissipa ripetutamente il calore di attrito durante la frenata. Tuttavia, la struttura in grafite lamellare rende anche la ghisa grigia più fragile, il che significa che può rompersi sotto carichi di impatto improvviso o se la scarpa cade o viene maneggiata in modo errato prima dell'installazione.

La ghisa sferoidale, al contrario, contiene grafite in noduli sferici anziché in scaglie, che interrompe la propagazione delle cricche in modo molto più efficace e conferisce al materiale una resistenza alla trazione e agli urti significativamente più elevata. Ciò rende la ghisa sferoidale una scelta migliore per applicazioni pesanti come ferrovie merci, attrezzature minerarie o veicoli commerciali pesanti, dove la ganascia del freno è sottoposta a carichi di shock meccanici più elevati oltre al ciclo termico. Il compromesso è che la ghisa sferoidale in genere costa di più da produrre e può essere leggermente più difficile da lavorare a causa della sua maggiore resistenza, il che è una considerazione pratica quando un produttore propone grandi volumi di produzione.

Corrispondenza della composizione della lega con la temperatura operativa

Le ganasce dei freni che operano in servizi stop-start ad alta frequenza, come locomotive di manovra o camion da miniera, sono soggette a cicli termici ripetuti che possono portare al controllo del calore, una serie di sottili crepe superficiali causate dalla superficie di attrito che si espande e si contrae più velocemente del materiale centrale della ganascia. L'aggiunta di piccole quantità di cromo o molibdeno alla composizione del ferro migliora la resistenza al controllo termico aumentando la resistenza del materiale alle alte temperature e riducendo la fatica termica, motivo per cui le specifiche per le applicazioni di frenatura impegnative spesso richiedono un contenuto di lega specifico piuttosto che lasciare la composizione ai valori predefiniti standard della ghisa grigia.

Difetti comuni di fusione che compromettono l'integrità delle ganasce dei freni

Poiché le ganasce dei freni sono componenti critici per la sicurezza, i difetti di fusione che potrebbero essere esteticamente accettabili in altre fusioni di ghisa possono essere squalificanti in questo caso. Comprendere l'origine di questi difetti aiuta gli acquirenti a valutare il processo di controllo qualità di un fornitore anziché fare affidamento esclusivamente su un'ispezione visiva finale.

I test radiografici o ultrasonici su base campionaria sono il modo più affidabile per individuare difetti interni come cavità da ritiro e inclusioni che non sarebbero visibili dall'esterno della fusione, poiché questi difetti spesso si trovano sotto la superficie nelle sezioni più spesse della scarpa dove il raffreddamento è più lento.

Metodi di fissaggio del rivestimento di attrito e loro affidabilità a lungo termine

Una ganascia del freno in fusione è solo metà dell'assemblaggio; il rivestimento di attrito incollato o fissato meccanicamente alla sua superficie è ciò che effettivamente entra in contatto con la ruota o il tamburo. Il metodo utilizzato per fissare questa fodera ha un effetto significativo sulle prestazioni della scarpa poiché la fodera si consuma nel corso della sua durata. Le fodere rivettate utilizzano elementi di fissaggio meccanici inseriti in fori svasati nella fusione della scarpa, che consentono di sostituire la fodera indipendentemente dal corpo della scarpa, estendendo la vita utile della scarpa attraverso molteplici sostituzioni della fodera. Il compromesso è che le teste dei rivetti vengono gradualmente esposte man mano che il rivestimento si usura e l'uso continuato oltre questo punto può far sì che i rivetti graffino la superficie di accoppiamento, quindi i rivestimenti rivettati necessitano di un limite di usura definito che ne attivi la sostituzione prima che si verifichi il contatto del rivetto.

I rivestimenti incollati, che utilizzano un adesivo ad alta temperatura per fissare il materiale di attrito direttamente alla fusione della scarpa, evitano completamente il problema dei rivetti rigati e possono supportare una profondità di rivestimento utilizzabile leggermente più spessa, poiché non è presente la testa del rivetto all'interno del materiale di rivestimento. Tuttavia, la qualità del legame dipende fortemente dalla preparazione della superficie del getto prima dell'applicazione del rivestimento; qualsiasi incrostazione residua, ossidazione o contaminazione sulla superficie di incollaggio può causare la delaminazione del rivestimento sotto il calore e le vibrazioni del servizio, che è una modalità di guasto che spesso non si manifesta finché la scarpa non viene utilizzata per un certo periodo di tempo.

Preparazione della superficie prima dell'incollaggio del rivestimento

La granigliatura della superficie della fusione prima di applicare un rivestimento incollato rimuove le scaglie di laminazione e crea un profilo leggermente irruvidito che migliora l'incastro meccanico adesivo, che è un passaggio che non dovrebbe essere saltato anche quando la fusione appare visivamente pulita, poiché l'ossidazione invisibile all'occhio può comunque interferire con l'incollaggio adesivo. I fornitori che sabbiano, sgrassano e applicano un primer adesivo in una sequenza controllata in genere producono rivestimenti con una forza di adesione più costante rispetto a quelli che si affidano a un singolo passaggio di sabbiatura senza una fase di sgrassaggio successiva.

Modelli di usura e cosa indicano sull'allineamento del pattino e del tamburo

Il modo in cui una ganascia del freno si usura nel corso della sua vita utile fornisce utili informazioni diagnostiche sul corretto funzionamento del sistema frenante, oltre a indicare semplicemente quando la ganascia deve essere sostituita. L'usura uniforme su tutta la superficie di contatto indica generalmente un corretto allineamento tra la ganascia e il tamburo o il battistrada della ruota, mentre l'usura concentrata su un bordo della ganascia spesso indica un disallineamento, un tamburo non circolare o una tensione irregolare della molla nel meccanismo di azionamento. Modelli di usura diagonali o rastremati possono indicare che la ganascia non è a filo con la superficie del tamburo, il che riduce l'effettiva area di contatto della frenata e può portare a un surriscaldamento concentrato nell'area più piccola che entra in contatto.

• Una fessurazione che si irradia da un singolo punto sulla superficie di attrito indica solitamente un difetto di fusione localizzato piuttosto che una normale usura, e la scarpa dovrebbe essere ritirata dal servizio e ispezionata piuttosto che continuare a essere utilizzata.
• La vetratura, una superficie lucida e indurita sul rivestimento di attrito, è generalmente il risultato di un eccessivo accumulo di calore e riduce l'efficacia della frenata anche se lo spessore del rivestimento può ancora apparire adeguato.
• Macchie di calore o scolorimento blu sul corpo stesso della scarpa fusa sono un segno che le temperature di esercizio hanno superato l'intervallo di progettazione per quella lega, il che può essere un avvertimento precoce di una specifica del materiale non corrispondente per l'applicazione.

Standard di test di qualità relativi all'approvvigionamento di ganasce per freni fuse

Gli acquirenti che acquistano ganasce freno fuse per applicazioni regolamentate come il trasporto ferroviario o commerciale in genere devono verificare la conformità agli standard di prova riconosciuti piuttosto che fare affidamento sulle dichiarazioni di qualità generali di un fornitore. I test di durezza confermano che la fusione ha raggiunto la microstruttura prevista, poiché una scarpa troppo morbida si usurerà rapidamente mentre una troppo dura può diventare fragile e soggetta a crepe sotto l'impatto. Le prove di trazione e impatto sui campioni di getti di ciascun lotto di produzione verificano che la composizione della lega e la velocità di raffreddamento abbiano prodotto le proprietà meccaniche specificate nell'ordine di acquisto, anziché assumere una consistenza basata esclusivamente sulle specifiche della lega.

La verifica dimensionale è importante tanto quanto le proprietà del materiale, in particolare per la curvatura della superficie di attrito della scarpa, che deve corrispondere al raggio del tamburo o della ruota abbastanza da ottenere un'area di contatto completa. Una scarpa fusa con una discrepanza del raggio, anche piccola, inizialmente entrerà in contatto con il tamburo solo sui bordi, richiedendo un periodo di rodaggio più lungo prima di ottenere il contatto completo e aumentando l'usura dei bordi di contatto durante quel periodo di rodaggio. Richiedere la verifica del misuratore del raggio come parte dell'ispezione in entrata, anziché affidarsi esclusivamente al confronto visivo con una scarpa di riferimento, consente di individuare questo problema dimensionale prima che le scarpe vengano installate e messe in servizio.