Ein neuartiger Weg zur Begrenzung von Non

Jul 03, 2023

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 666 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Unter Berücksichtigung von Recycling und Kreislaufwirtschaft untersucht diese Studie die Reduzierung der Emissionen einer hochoptimierten, kommerziell eingesetzten Reibmaterialformulierung durch die Zugabe von metallurgischen Schlacken aus einem Sauerstoffofen in unterschiedlichen Mengen von 6 bis 38 Gew.-%. Die verschiedenen Zusammensetzungen wurden mit einer Gegenfläche aus perlitischem Grauguss kombiniert und auf einem Stift-auf-Scheiben-Tribometer getestet. Der Reibungskoeffizient und der Stiftverschleiß stiegen mit der Schlackenzugabe an, lagen aber im Vergleich zur Originalrezeptur immer noch im zulässigen Bereich. Bei Proben mit höherem Schlackegehalt wurden extrem verdichtete und ausgedehnte sekundäre Kontaktplateaus beobachtet, die ebenfalls ein erhebliches Vorkommen von Schlacke aufwiesen. Die ausgedehnten Plateaus lösten sich in Form von Brocken von den Passflächen, die sich auf der Hardware des Geräts absetzten und die Produktion luftgetragener Partikel einschränkten. Aus Sicht der industriellen Symbiose erwies sich die Zugabe metallurgischer Schlacken als vielversprechender Weg zur Gewinnung grüner Reibmaterialien mit reduzierten Emissionen.

Reibungsmaterialien für Automobilbremssysteme müssen eine Vielzahl von Anforderungen erfüllen, darunter einen stabilen und wünschenswerten Reibungskoeffizienten (CoF), eine niedrige Systemverschleißrate sowie geringe Geräusche und Vibrationen1,2,3. Daher umfassen Reibungsmaterialformulierungen eine Reihe von Bestandteilen, manchmal mehr als 30 Inhaltsstoffe, die in Bindemittel, Verstärkung, Füllstoffe und Reibungsmodifikatoren (weiter unterteilt in Schleifmittel und Schmiermittel) unterteilt sind4. In jüngster Zeit wurden mehrere Anstrengungen unternommen, um umweltfreundliche Reibmaterialien herzustellen. Derzeit werden neue Formulierungen entwickelt, die verschiedene Arten von Abfällen verwenden, darunter landwirtschaftliche Abfälle und Industrieabfälle. Dies geschieht im Rahmen des Konzepts der Industriellen Symbiose, also in einem Prozess, bei dem Nebenprodukte oder Abfälle einer Branche oder eines Industrieprozesses zu Rohstoffen für eine andere Branche oder einen anderen Prozess werden. Dieses Konzept führt zu einer nachhaltigeren Nutzung von Materialien und trägt zur Entwicklung einer Kreislaufwirtschaft bei, die das Ziel des „Aktionsplans für die Kreislaufwirtschaft der Europäischen Kommission“5,6,7 ist. Durch die Kreislaufwirtschaft wird der ökologische Fußabdruck der Industrie verringert, der Bedarf an Neumaterialien begrenzt und der Bedarf an Deponieentsorgung eingeschränkt, was zu einer Wertschöpfung der Abfälle führt8,9,10. Aus ökologischer Sicht müssen die Materialformulierungen auch dem Erfordernis gerecht werden, den Ausstoß umweltschädlicher Feinstaubpartikel (PM) zu reduzieren. Tatsächlich trägt der Bremsvorgang unter den nicht aus Abgasen stammenden Quellen derzeit zu 55 Gew.-% zur PM10-Fraktion und zu 21 % zur PM2,5-Fraktion (Luftpartikel mit einem aerodynamischen Durchmesser von weniger als 10 µm bzw. 2,5 µm) bei11, 12. Es wurde beobachtet, dass PM-Emissionen zahlreiche gesundheitliche und umweltbezogene Auswirkungen haben. Sie können zu Atemwegs- und Herz-Kreislauf-Erkrankungen beitragen und einige der PMs werden als krebserregend eingestuft13,14.

In der vorliegenden Arbeit untersuchten wir die mögliche Verwendung von metallurgischen Schlacken, die nach der Reaktion im Sauerstoffbasisofen (BOF) entsorgt wurden, als Bestandteil in einer kommerziellen Reibmaterialformulierung. Die Schlacke besteht typischerweise aus CaO, MgO, Siliziumdioxid und eisenhaltigen Verbindungen und kann auch kalzium- und siliziumhaltige Verbindungen enthalten15. Von den Oxiden wird erwartet, dass sie sich wie Schleifmittel verhalten16. Darüber hinaus ist es eine gut etablierte Beobachtung, dass die sekundären Kontaktplateaus, die sich beim Bremsen auf den Kontaktflächen ablagern, überwiegend aus Fe-Oxiden bestehen17,18. Das Vorhandensein von Fe-Oxiden durch Schlacken in einem Verschleißsystem könnte zu interessanten und positiven Ergebnissen auf den sekundären Plateaueigenschaften führen (die das Reibungs-, Verschleiß- und Emissionsverhalten eines Systems bestimmen). Die Untersuchung der Emissions- und Verschleißeigenschaften der Formulierungen wurde bei 6, 12, 24, 32 und 38 Gew.-% Schlackegehalt zusammen mit der Charakterisierung ihrer Verschleißrückstände durchgeführt. Ziel der Arbeit ist die Entwicklung eines umweltfreundlichen Reibmaterials mit reduzierten Emissionen durch eine industrielle Symbiose-Perspektive. Die Neuheit der Studie besteht darin, die PM-Emissionen in einer brauchbaren Reibmaterialformulierung durch die Zugabe von Schlacken deutlich zu reduzieren und gleichzeitig konsequent auf eine Reduzierung des Einsatzes neuer Rohstoffe hinzuarbeiten.

Es wurden verschiedene Forschungsprojekte durchgeführt, um Reibmaterialformulierungen für Automobilbremsanwendungen zu entwickeln, wobei verschiedene Arten von Abfällen verwendet werden – landwirtschaftliche Abfälle und Industrieabfälle. Beispielsweise haben Gomes Nogueira et al.19 und Gehlen et al.20 detaillierte Studien zum Reibungs- und Emissionsverhalten von Reibungsmaterialformulierungen unter Zusatz von unbehandelten und wärmebehandelten gesiebten Reisschalen durchgeführt. Der Abfall trug effektiv zur Bildung gut verdichteter, glatter und ausgedehnter sekundärer Kontaktplateaus bei, was wiederum den Systemverschleiß und die Emissionen reduzierte. Ikpambese et al.21 fügten einer asbestfreien Reibmaterialzusammensetzung für Kraftfahrzeuge Palmkernfasern (PKF) hinzu. Die Ergebnisse zeigten, dass Reibung, Verschleiß und mechanische Eigenschaften bei Zugabe von 10 Gew.-% PKF machbar sind. Schließlich bewertete Ibrahim22 die Zugabe trockener Blätter von Mangobäumen zu einem Polymermatrix-Verbundwerkstoff (typisches Harz, das als Bindemittel in einer Reibmaterialformulierung verwendet wird). Der Abfall verhielt sich wie ein Festschmierstoff und reduzierte den Reibungskoeffizienten und die Verschleißrate erheblich. Die Modifizierung der Reibmaterialformulierung mit Industrieabfällen wird ebenfalls untersucht. Gangwar et al.23 führten eine kritische Überprüfung der tribologischen Eigenschaften der Reibmaterialformulierung unter Zusatz von Rotschlamm, Marmorstaub und Flugascheabfällen durch. Es zeigte sich, dass sich diese Abfälle wie Schleifmittel verhielten und hervorragende thermische Eigenschaften, einen zulässigen Reibungskoeffizienten und eine niedrige Verschleißrate lieferten. Es zeigte sich auch, dass diese Materialien leicht verfügbar, kostengünstig und über die erforderliche Dichte verfügten. Darüber hinaus erreicht die Kombination aus Rotschlamm und Flugasche im Vergleich zur herkömmlichen Formulierung24 auch die erforderlichen Reibungs- und Verschleißwerte. Mutlu et al.25 und Singh et al.26 fügten Altreifenstaub bzw. Zementofenstaub in unterschiedlichen typischen Reibmaterialformulierungen hinzu. Es zeigte sich, dass der Altreifenstaub zulässige Verschleißeigenschaften lieferte und die Kombination von Zementofenstaub mit dem Phenolharzbindemittel zu einer verbesserten Reibungsleistung beitrug. Die beim Aluminium-Anodisierungsprozess entstehenden Abfälle wurden auch in verschiedenen Arten von Reibmaterialformulierungen untersucht. Bei einem Abfallgehalt von 12 Gew.-% waren die Reibungs-, Verschleiß- und Emissionseigenschaften ähnlich wie bei der Zusammensetzung des neuen Reibmaterials18.

Einer der am ausführlichsten untersuchten Industrieabfälle sind vielleicht metallurgische Schlacken. Abhängig von den verschiedenen metallurgischen Prozessen werden unterschiedliche Arten von Schlacken erzeugt, die in Eisen-, Nichteisen- und Verbrennungsschlacken eingeteilt werden und in verschiedenen Anwendungen wie Straßenbau und Düngemitteln verwendet werden15. In letzter Zeit wurden einige Versuche unternommen, Schlacken in Reibmaterialformulierungen einzuarbeiten. Wang et al.27 führten tribologische, mechanische und thermische Verhaltensanalysen an Formulierungen aus Polymermatrix-Verbundwerkstoffen mit unterschiedlichem Schlackengehalt durch. Die Studie ergab eine überlegene Verschleißfestigkeit und stabile CoF-Größen und -Kurven bei verschiedenen Testtemperaturen. In ähnlicher Weise zeigten Erdogan et al.28, dass die Zugabe von Schlacken zu Epoxidmatrix-Verbundwerkstoffen bei unterschiedlichen Belastungsbedingungen zu einer vorbildlichen Verschleißfestigkeit bei erhöhter Belastung führte. Ozturk et al.16 und Jabbar et al.29 haben berichtet, dass sich Siliciumdioxid, MgO und CaO als Schleifmittel verhalten, was darauf hindeutet, dass sich die BOF-Schlacke möglicherweise als Schleifmittel verhält. Es ist bekannt, dass Schleifmittel CoF anheben und stabilisieren und die auf den verbundenen Oberflächen abgelagerte kohlenstoffhaltige Schicht entfernen. Die meisten Studien zu Schlacke basieren auf ihrem Beitrag zu Reibungs- und Verschleißtrends der Reibmaterialformulierung. Es werden jedoch keine Angaben zu den Emissions-/Partikelkonzentrationstrends und der Analyse der entsprechenden Verschleißrückstände gemacht. Darüber hinaus werden die Schlackenstudien an im Labor hergestellten/formulierten Reibmaterialformulierungen durchgeführt.

Die Vorteile, die sich aus einer ordnungsgemäßen Wiederverwendung metallurgischer Schlacken in Reibmaterialien für Bremssysteme ergeben, sind grundsätzlich sehr relevant und entscheidend. Berichten zufolge werden für die gesamte Lebensdauer eines Autos 16 Paar Bremsbeläge benötigt, und seit 2010 werden jedes Jahr mehr als 70 Millionen Nutzfahrzeuge (einschließlich Pkw) hergestellt30. Es wurde auch berichtet, dass derzeit weltweit schätzungsweise eine Milliarde Autos im Einsatz sind. Der wachsende Bedarf an neuen Materialien für jede hergestellte Charge von Bremsbelägen trägt zur Erschöpfung der Ressourcen und zur Entstehung von Nebenprodukten oder Abfällen in großem Umfang bei.

In dieser Studie wurde eine kommerzielle Reibmaterialformulierung (CFM) von Brembo Italien nach Zugabe einer BOF-Schlacke einer Reibungs-, Verschleiß- und Emissionsanalyse unterzogen. Für diese Analyse wurde das CFM ausgewählt, da es sich um eine ausführlich getestete und optimierte Formulierung handelt, die schon seit geraumer Zeit kommerziell genutzt wird. Eine vorläufige XRD-Analyse ergab, dass die Hauptbestandteile der Schlacke Eisenoxid (FeO) waren, gefolgt von Mullit, Monticellit, Siliciumdioxid, Magnetit und α-Fe. Die vollständige Zusammensetzung von CFM wurde vertraulich behandelt. In Tabelle 1 sind jedoch einige der Bestandteile und der entsprechende Gehalt in der Formulierung aufgeführt. Abbildung 1 zeigt den Querschnitt einer Probe aus CFM, wobei einige Bestandteile hervorgehoben sind.

BSE-REM-Bild, das den Querschnitt der CFM-Probe mit wenigen markierten Bestandteilen zeigt.

Das CFM wurde durch Zugabe von metallurgischer BOF-Schlacke (FS genannt) modifiziert. Das neue CFM wurde mit den CFM-Zusammensetzungen verglichen, die 6, 12, 24, 32 und 38 Gew.-% FS-Schlacke enthielten. Alle Formulierungen wurden in Form von Stiften getestet. Die Pins wurden im eigenen Haus hergestellt. Die CFM- und relevanten Schlackeninhalte wurden in einer TURBULA®-Mischung 30 Minuten lang gründlich gemischt. Anschließend wurden die Mischungen einem Heißpressverfahren auf einer BUEHLER® Pneumet I-Anlage unterzogen. Die Pulver wurden in einer zylindrischen Werkzeugstahlform bei 150 °C, einem Druck von 100 MPa und einer Haltezeit von 10 Minuten klopfgepresst. Abschließend wurden die Grünkörperproben einer 4-stündigen Aushärtung bei 200 °C in einer Muffelurne unterzogen. Nach Abschluss des Produktionsprozesses betrugen die durchschnittliche Höhe und der Durchmesser der Stifte 10 mm4,18,31. Die Stifte wurden mit einer Gegenfläche in Form von Scheiben gepaart. Die Scheiben bestanden aus perlitischem Grauguss mit einem durchschnittlichen Durchmesser und einer Dicke von 60 mm bzw. 6 mm. Die Eigenschaften und Zusammensetzung der Gegenfläche sind in Tabelle 2 dargestellt.

Die Trockengleitreibungs-, Verschleiß- und Emissionsanalyse der Stift- und Scheibenpaarungen wurde an einem Stift am Scheibentribometer (PoD, Ducom Instruments) durchgeführt. Alle Versuche wurden auf einer neuen Scheibe und unter Testbedingungen bei Raumtemperatur durchgeführt. Die angewandten Testbedingungen waren ein Anpressdruck von 1 MPa (79 N) und eine konstante Gleitgeschwindigkeit von 1,51 m/s (600 U/min bei einer Verschleißspur von 48 mm). Die hier ausgewählten Testparameter reproduzieren milde Bremsbedingungen und wurden ausgewählt, da dieses Szenario nicht nur bei der Bewertung des Reibungs- und Verschleißverhaltens helfen würde, sondern auch Informationen über die Eigenschaften des sekundären Kontaktplateaus (Ausdehnung, Verdichtung, Glätte) liefern würde4,18. Die Versuche mit jeder Zusammensetzung wurden dreimal wiederholt, um eine Wiederholbarkeit der Ergebnisse zu erreichen. Der Aufbau des PoD-Testgeräts, einschließlich des Aufsatzes für das Partikelsammelgerät, ist in Abb. 2 dargestellt. Die Luft aus dem Labor (A) wird durch einen Ventilator (B) angesaugt, der in einem HEPA-System (High-Efficiency Particulate Air) zirkuliert ) Filter (C), um alle Verunreinigungen und Staubpartikel zu entfernen und so saubere Luft in die PoD-Kammer (D) einzuleiten. Die Luftgeschwindigkeit wurde bei 11,5 m/s gehalten, der Größenordnung, die aus einer früheren Studie ermittelt wurde31,32. Vor dem Test wurde die Luftreinheit streng überwacht und unter 1 #/cm3 gehalten. Um die Partikelanzahlkonzentration zu ermitteln, wurde ein optisches Partikelgrößenspektrometer (OPS, Modell 3330) von TSI® (TSI Incorporated, Shoreview, USA) an Punkt F in Abb. 2 mit der geschlossenen Kammer verbunden. Das OPS kann die Gesamtpartikelanzahl messen Konzentration im Größenbereich von 0,3 μm bis 10 μm, aufgeteilt in 16 Kanäle und mit einer Abtastfrequenz von 1 Hz. Das OPS erfasst und misst Partikelkonzentrationen von bis zu 3000 Partikeln/cm3 und arbeitet mit einer selbstgesteuerten Probenahmerate von 1 l/min32,33.

Aufbau des Pin-on-Disc-Testgeräts (A) Umgebungsluft, (B) Ventilator, (C) HEPA-Filter, (D) in die Kammer eingeführte Luft, (E) Scheibe/Gegenfläche, (F) Luftauslass zum OPS, (G ) Gewichte.

Um eine ordnungsgemäße Übereinstimmung zwischen den Passflächen von Stift und Scheibe zu erreichen, wurde vor der Testdauer für alle Paarungen ein 30-minütiger „Einlauf“- oder „Einbettungsvorgang“ durchgeführt. Nach dem Einlaufvorgang betrug die eigentliche Testdauer durchgehend 90 Minuten. Diese Dauer wurde gewählt, um die Bildung einer geeigneten Reibungsschicht auf den zusammenpassenden Oberflächen zu beobachten18. Die Momentanwerte des Reibungskoeffizienten (CoF) und der Gesamtpartikelkonzentration während der Versuche wurden direkt von der Software aufgezeichnet, die an den PoD bzw. das OPS-Gerät angeschlossen war. Der spezifische Verschleißkoeffizient (Stiftverschleiß) wurde durch Wiegen der Stifte vor und nach jedem Versuch mit einer Analysenwaage mit einer Genauigkeit von 10–4 g und mit der folgenden Gleichung ermittelt:

Wo:

V: Volumenverlust durch Verschleiß; F: Last angewendet; d: Rutschstrecke (~ 8150 m).

Die verschlissenen Oberflächen des CFM-Stifts und mit Schlackenzusätzen sowie die Morphologie der gesammelten Verschleißrückstände und die vollständige EDXS-Analyse wurden durch SEM (JEOL IT300) beschafft, verbunden mit einem energiedispersiven Röntgenspektroskopiesystem (EDXS; Bruker).

Abbildung 3a zeigt die Reibungstrends von CFM und mit Schlackenzusätzen. Die neuen CFM-Trends werden in Schwarz angezeigt. Die Reibungsspur erreicht nach einem anfänglichen Anstieg einen stabilen Zustand, gefolgt von einem allmählichen Rückgang und einer Stabilisierung der Spuren, die während der gesamten Testdauer aufrechterhalten wird. Die Reibungstrends von CFM mit Schlackenzusätzen zeigen einen Anstieg der CoF-Größe. Dennoch stören die Schlackenzusätze das Erreichen des stationären Zustands nicht, dh auch in diesen Fällen wird der stationäre Zustand in den Reibungsspuren wie bei CFM erreicht und über die gesamte Versuchsdauer aufrechterhalten. Abbildung 3b zeigt die Emissionsspuren von CFM und mit Schlackenzusätzen. Die in Schwarz dargestellten Trends der reinen CFM-Emissionen erreichen bereits zu Beginn der Testdauer wieder einen stabilen Zustand. Die in den Reibungsspuren beobachteten Schwankungen sind charakteristisch für die Emissionskurven. Mit den Schlackenzusätzen ist eine Abnahme der Emissionsgröße zu beobachten. Darüber hinaus bleibt in allen Fällen der Schlackenzugabe der stationäre Zustand der Emissionsspuren erhalten.

(a) Reibungsspuren; (b) Emissionstrends von CFM und mit den FS-Schlackenzusätzen.

Abbildung 4 zeigt den stationären Reibungskoeffizienten (CoF, Abb. 4a), den Stiftverschleiß (Abb. 4b) und die durchschnittliche Partikelkonzentration (Abb. 4c) im Vergleich von CFM und mit Schlackenzusätzen. In Abb. 4a ist ein Anstieg des CoF bei den Schlackenzusätzen im Vergleich zum reinen CFM zu beobachten. Die CoF-Größe stieg von 0,45 auf etwa 0,50. Der CoF bleibt von 6 Gew.-% bis 32 Gew.-% FS-Zugabe ähnlich, es ist jedoch zu beobachten, dass er bei 38 Gew.-% FS-Zugabe der Schlacke leicht auf 0,53 ansteigt. Es ist zu beobachten, dass der Stiftverschleiß in Abb. 4b im Vergleich zu reinem CFM mit der Zugabe von Schlacke zunimmt und einen Durchschnittswert von etwa 3,3 × 10–14 m2/N erreicht, was zwar höher ist als der Verschleiß der CFM-Zusammensetzung, aber gut innerhalb des milden Verschleißbereichs4,18,31. Abschließend ist die durchschnittliche Partikelkonzentration aller Zusammensetzungen in Abb. 4c dargestellt. Mit steigendem Schlackegehalt sinken die Emissionen deutlich. Die Emissionsgröße zeigt eine Stabilität der Reduktion über 32 Gew.-% Zugabe von FS-Schlacke hinaus.

(a) stationärer Reibungskoeffizient; (b) Stiftverschleiß; und (c) Durchschnittliche Partikelkonzentration/durchschnittliche Emissionsgröße von CFM und mit den FS-Schlackenzusätzen.

Als Beispiel zeigen Abb. 5a und b die abgenutzten Oberflächeneigenschaften von CFM bzw. CFM mit 38 Gew.-% FS. Die verschlissenen Oberflächen bestehen typischerweise aus harten Verstärkungen wie Stahlfasern, die als primäre Kontaktplateaus fungieren, auf denen sich die verdichteten Verschleißrückstände, sogenannte sekundäre Kontaktplateaus, normalerweise ablagern17,34. In Abb. 5a sind die weißen Bereiche der abgenutzten CFM-Oberfläche die Stahlfasern (primäre Kontaktplateaus). Vor diesen Stahlfasern sind hellgraue Bereiche zu beobachten, die deutlich verdichtet sind und die sekundären Kontaktplateaus darstellen. Diese Plateaus lagern sich in der Nähe der Stahlfasern ab und ihre Ausdehnung an der Oberfläche ist recht begrenzt. Mit der Zugabe von 38 Gew.-% Schlacke in Abb. 5b ist zu erkennen, dass die Ausdehnung der sekundären Kontaktplateaus zunimmt. Eine weitere interessante Beobachtung ist die Abnahme des Aussehens von Stahlfasern mit zunehmendem Schlackengehalt. Dies wird auf einen Rückgang sowohl des Anteils an Stahlfasern als auch ihrer Bedeckung durch die ausgedehnten und verdichteten Sekundärplateaus zurückgeführt. Tatsächlich nahm mit der Erhöhung des Schlackengehalts die Ausdehnung und Kompaktheit der sekundären Kontaktplateaus zu. Dies wird durch eine grundlegende Schätzung der sekundären Kontaktplateau-Abdeckungsfläche gezeigt, die auf den verschlissenen Stiftoberflächen mithilfe der Open-Source-Software ImageJ durchgeführt wurde. Abbildung 5c ​​zeigt den Flächenvergleich und zeigt die stetige Zunahme der sekundären Kontaktplateaubedeckung mit der Zunahme des Schlackengehalts.

Eigenschaften der abgenutzten Oberfläche (a) CFM; (b) CFM + 38FS; (c) Schätzung der sekundären Plateauflächenbedeckung, die auf CFM und mit Schlackenzusätzen abgelagert wurde.

Um die Bestandteile der sekundären Kontaktplateaus zu verstehen, wurde eine Punkt-/Objekt-EDXS-Analyse an 8 verschiedenen sekundären Plateaustandorten an mehreren Proben für alle Zusammensetzungen durchgeführt. Wie in anderen früheren Studien bestanden die sekundären Kontaktplateaus hauptsächlich aus Fe und O, was Fe-Oxide symbolisiert32,33,35. Abgesehen von den Fe-Oxiden bestehen die sekundären Kontaktplateaus aus Nebenelementen wie Si, Mg, Al, Mn, Sn, Cr und Zn. Bei schlackehaltigen Proben wurde jedoch das Vorhandensein eines anderen Elements beobachtet, nämlich Ca. Abbildung 6 zeigt die Variation des Fe- und Ca-Gehalts in Bezug auf CFM und mit Schlackenzusätzen. Das reine CFM stellt kein Ca dar, wie in der Abbildung zu sehen ist. Es ist jedoch zu erkennen, dass die Anwesenheit von Ca mit zunehmendem Schlackengehalt zunimmt, was symbolisiert, dass Ca das Markierungselement der FS-Schlacke ist. Bei der Zugabe von 32 und 38 Gew.-% FS-Schlacke wurde eine Abnahme des Fe-Gehalts beobachtet, die auf den Anstieg des Ca-Gehalts zurückgeführt werden konnte, was auf einen signifikanten Beitrag der Schlacke zur Bildung und Aufrechterhaltung der sekundären Kontaktplateaus hinweist.

Fe- und Ca-Variation mit zunehmendem Schlackegehalt in CFM.

Abschließend wurden die gesammelten Verschleißrückstände, die sich auf dem Scheibenhalter der PoD-Ausrüstung abgelagert hatten, einer SEM/EDXS-Analyse unterzogen. Als Beispiel zeigen Abb. 7a und b die Morphologie der Rückstände, die nach Tests mit frischem CFM bzw. CFM mit 38 Gew.-% FS gesammelt wurden. Wenn man die Zahlen vergleicht, sind die Partikel mit dem reinen CFM recht klein. Im Gegensatz dazu sind die gesammelten Partikel mit 38 Gew.-% FS deutlich größer und zahlreicher im Vergleich zu reinem CFM. In beiden Fällen waren laut Vollbild-EDXS-Analyse (Tabelle 3) die Hauptbestandteile der Trümmer Fe und O (Fe-Oxide), was auf die Ablösung sekundärer Kontaktplateaus schließen lässt. Darüber hinaus wurde bei den schlackehaltigen Proben das Vorhandensein des Markierungselements Ca beobachtet, was den Schlackenbeitrag zeigt.

Morphologie der Abriebpartikel (a) CFM; (b) CFM mit 38 Gew.-% FS.

Mit dem Einbringen von Schlacken wurde ein Anstieg des CoF beobachtet (Abb. 4a). Wie bereits erwähnt, bestehen die Schlackenbestandteile typischerweise aus abrasiven Partikeln, die den Verschleiß der Gegenfläche der Scheibe erhöhen. Die Verschleißpartikel der Gegenlauffläche bestehen hauptsächlich aus Fe. Beim Gleiten werden sie dann oxidiert, mit Verschleißpartikeln aus dem Reibmaterial vermischt und schließlich gegen die Primärplateaus verdichtet. Dies führt zu einer Zunahme der Ausdehnung der Sekundärplateaus (Abb. 5), was mit einem Anstieg des CoF und des Stiftverschleißes einhergeht (Abb. 4b)18,31. Es muss jedoch beachtet werden, dass der Stiftverschleiß durch Schlacken immer noch im akzeptablen Bereich liegt und dem gleichen Verschleißbereich entspricht wie der des reinen CFM (Kategorie „mild“).

Mit der Erhöhung des Schlackengehalts wurde auch eine entscheidende Verringerung der durchschnittlichen Partikelkonzentration/-emissionen beobachtet (Abb. 4c). Wie man sieht, nehmen mit zunehmendem Schlackegehalt sowohl die Dehnung als auch die Verdichtung des sekundären Kontaktplateaus deutlich zu. Tatsächlich fungierten die größten Schlackepartikel als kleine und verteilte Primärplateaus. Andererseits konnten die kleinsten Partikel, insbesondere bei der höchsten Zugabe (32 und 38 Gew.-%), in die Sekundärplateaus eindringen und so zu deren Verdichtung beitragen. Es ist eine bekannte Beobachtung, dass die meisten vom Reibmaterial freigesetzten Verschleißpartikel (einschließlich der feinsten Schwebeteilchen) aus abgelösten sekundären Kontaktplateaus bestehen32. Durch das Vorhandensein von Schlacken, die zu einer höheren Ausdehnung der sekundären Kontaktplateaus führten, waren auch die abgelösten sekundären Plateaus größer und klobiger, was in Abb. 7b dargestellt ist. Diese größeren Partikel setzen sich auf dem Scheibenhalter ab und werden nicht in die Luft getragen, was zu einer deutlichen Reduzierung der Emissionen führt. Im Gegensatz dazu ist die Trümmermorphologie von frischem CFM (Abb. 7a) kleiner als die der Schlackeproben, die in der Luft schweben können und trotz der geringeren Gesamtverschleißrate zu einer höheren Emissionsaufzeichnung führen.

Zusammenfassend führte die Zugabe metallurgischer Schlackepartikel zur CFM-Formulierung zu einer Erhöhung der Ausdehnung und Kompaktheit der Sekundärplateaus, was wiederum zu einer Erhöhung des Reibungskoeffizienten (ein positives Ergebnis) und des Verschleißes (von Natur aus mild blieb) führte. . Gleichzeitig bestand ein großer Teil der Verschleißteile aus großen Partikeln, die nicht in die Luft gelangen konnten.

Die aktuelle Studie konnte die effektive Nutzung der reichlich produzierten BOF-Schlacke in einer kommerziell eingesetzten Reibmaterialformulierung zeigen. Obwohl Wang et al.27 und Erdogan et al.28 positive Ergebnisse in Bezug auf Schlackenzusätze zeigten, wurden der Emissionsvergleich und die Trümmeranalyse nicht durchgeführt und die verwendete Reibmaterialformulierung war konventionell. Durch diese Studie wurde festgestellt, dass der hohe Schlackengehalt die Verschleiß- und Emissionseigenschaften nicht beeinträchtigte. Darüber hinaus benötigen die Bremsbelaghersteller durch die Zugabe eines hohen Schlackengehalts (38 Gew.-%) einen deutlich geringeren Anteil der neuen CFM-Formulierung, wodurch die Kosten für Rohstoffe und damit auch die Herstellungskosten gesenkt werden. Im Jahr 2020 wurden in Europa 12 Millionen Autos auf den Markt gebracht, was in erster Näherung 96 Millionen Belägen entspricht. Das Gewicht des Reibmaterials in jedem Belag beträgt ca. 125 g und dann ca. 4.560 Tonnen metallurgische Schlacke könnten pro Jahr in Europa wiederverwendet werden (diese Zahl wird voraussichtlich weiter steigen) anstelle herkömmlicher Strahlmittel (die heute einen Preis von ca. 2 Euro pro Kilogramm haben). Darüber hinaus beträgt die europäische Fahrzeugflotte ca. 300 Millionen Fahrzeuge und der Verbrauch an Reibbelägen würde bei diesen Fahrzeugen ca. 300 Millionen Pads pro Jahr30. Die Produktion metallurgischer Schlacken ist sehr hoch (ca. 34 bzw. 16 Mio. t Hochofen- und Stahlofenschlacken in Europa) und ein beträchtlicher Anteil wird in der Zementindustrie und im Tiefbau verwendet. Ein großer Teil der Schlacke wird jedoch immer noch deponiert, und daher liegen die Vorteile einer sinnvollen Verwendung der Schlacke in Reibbelägen auf der Hand36,37. Natürlich ist eine spezifische Ökobilanz im Rahmen einer industriellen Symbiose erforderlich, um die gesamte Nachhaltigkeit des neuartigen Reibmaterials aus der Perspektive „von der Wiege bis zur Bahre“ zu bewerten und dabei die tatsächlichen Umweltvorschriften zu berücksichtigen, die die Deponieentsorgung der Abfallschlacken einschränken.

Schließlich müssen die sozialen Auswirkungen der Umweltverschmutzung berücksichtigt werden. Die Entwicklung eines neuartigen „völlig umweltfreundlichen“ Reibmaterials mit der technischen Wiederverwendung von Abfallmaterialien und einer Reduzierung der PM-Emissionen dürfte sich positiv auf die Lebensqualität in Europa auswirken, was langfristig einen großen Beitrag zur globalen Lebensqualität leisten wird nachhaltige Entwicklung.

In dieser Studie wurde einer kommerziell eingearbeiteten Reibmaterialformulierung eine BOF-Schlacke zugesetzt, um die Reibungs-, Verschleiß- und Emissionseigenschaften bei unterschiedlichen Schlackengehalten – 6, 12, 24, 32 und 38 Gew.-% – zu prüfen.

Der CoF stieg mit der Zugabe von Schlacke im Vergleich zur Neuformulierung. Die höchste CoF-Größe wurde bei einem Schlackegehalt von 38 Gew.-% beobachtet. Wie beim CoF nahm der Stiftverschleiß mit der Zugabe von Schlacke zu. Allerdings lag der Stiftverschleiß bei allen Kompositionen im leichten Bereich. Der Anstieg des CoF- und Stiftverschleißes wurde auf die abrasive Natur der Schlackepartikel zurückgeführt.

Die Emissionen bzw. die mittlere Partikelkonzentration nahmen mit zunehmendem Schlackegehalt stetig ab. Eine Stabilität der Emissionsgröße wurde über 32 Gew.-% hinaus beobachtet. Die geringen Emissionen waren auf das Vorhandensein glatter, verdichteter und ausgedehnter sekundärer Kontaktplateaus zurückzuführen, deren Qualität mit zunehmendem Schlackegehalt zunahm. Diese erweiterten und verdichteten Sekundärplateaus erzeugten größere Abriebpartikel, die sich auf dem Scheibenhalter ansammelten und nicht in der Luft waren. Das Vorhandensein von Schlacken in den sekundären Kontaktplateaus wurde durch das Markerelement Ca angezeigt, das im CFM nicht vorhanden war.

Diese vielversprechenden Ergebnisse müssen durch spezifische dynamometrische Tests bestätigt werden, mit denen reale Bremszyklen simuliert werden können. Die zukünftige Arbeit dieser Studie umfasst auch den Ersatz einiger CFM-Bestandteile durch Schlackenbestandteile. Darüber hinaus wird der Fokus auch auf einer spezifischen Ökobilanz im Rahmen eines industriellen Symbiosemodells gelegt, um die gesamte Nachhaltigkeit des neuartigen Reibmaterials zu bewerten.

Die während der Studie generierten und/oder analysierten Daten sind auf Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Diese Studie erhielt keine externe Finanzierung.

Fakultät für Wirtschaftsingenieurwesen, Universität Trient, Via Sommarive 9, Trient, Italien

Priyadarshini Jayashree & Giovanni Straffellini

Abteilung für chemische und physikalisch-chemische Prozesse, VSB – Technische Universität Ostrava, 17. Listopadu 2172/15, 708 33, Ostrava, Tschechische Republik

Vlastimil Matějko

Brembo SPA, Stezzano, Bergamo, Italien

Mara Leonardi

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PJ: Visualisierung, Methodik, Schreiben – Originalentwurf. VM: Visualisieren, Schreiben – Überprüfen und Bearbeiten. ML: Methodik, Schreiben – Überprüfung und Bearbeitung. GS: Konzeptualisierung, Visualisierung, Methodik, Schreiben – Überprüfung und Bearbeitung. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Giovanni Straffelini.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Jayashree, P., Matějka, V., Leonardi, M. et al. Ein neuartiger Weg zur Begrenzung der Nicht-Abgas-Feinstaubemissionen eines kommerziellen Reibmaterials durch die Zugabe von metallurgischer Schlacke. Sci Rep 13, 666 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-27932-6

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Eingegangen: 06. Juli 2022

Angenommen: 10. Januar 2023

Veröffentlicht: 12. Januar 2023

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

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