Une nouvelle voie vers la non limitation

Jul 03, 2023

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 commercialement 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 associées à une surface d'appui en fonte grise perlitique et testées sur un tribomètre à broche sur disque. Le coefficient de frottement et l'usure des broches ont augmenté avec l'ajout de laitier mais sont restés dans la limite autorisée par rapport à la formulation d'origine. Les échantillons avec une teneur plus élevée en scories ont observé des plateaux de contact secondaires extrêmement compactés 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 un moyen prometteur d’obtenir des matériaux de friction écologiques avec des émissions réduites.

Les matériaux de friction pour les systèmes de freinage automobile doivent satisfaire 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 (également 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, notamment 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 des sous-produits ou des déchets d'une industrie ou d'un processus industriel deviennent des matières premières pour une autre industrie ou un autre processus. Ce concept aboutit à une utilisation plus durable des matériaux et contribue au développement d'une économie circulaire, ce qui est l'objectif du « Plan d'action pour l'économie circulaire de la Commission européenne »5,6,7. Grâce à l'économie circulaire, l'empreinte environnementale des industries est réduite, les besoins en matériaux vierges sont limités et le besoin de mise en décharge est limité, ce qui entraîne une valeur ajoutée des déchets8,9,10. D'un point de vue environnemental, les formulations de matériaux doivent également répondre au besoin de réduire les émissions de particules (PM) polluantes. En effet, parmi les sources d'origine hors 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 ayant un diamètre aérodynamique inférieur à 10 µm et 2,5 µm respectivement)11, 12. Il a été observé que les émissions de particules ont de nombreuses répercussions sur la santé et l’environnement. Ils peuvent contribuer aux maladies respiratoires et cardiovasculaires, et quelques-unes de ces particules 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 basique à oxygène (BOF) comme ingrédient dans une formulation commerciale de matériau de friction. Les scories constituent généralement du CaO, du MgO, de la silice et des composés contenant du fer et peuvent également contenir des composés contenant du calcium et du silicium15. Les oxydes devraient se comporter 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 déterminent le comportement en friction, à l'usure et en 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 teneur en scories, ainsi que la caractérisation de leurs 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 réside dans la réduction significative des 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.