Saranno senza rame, ovvero copper free, ma garantiranno prestazioni sempre migliori e saranno rispettosi dell'ambiente

Il rame non è un nemico dell'ambiente e rappresenta una risorsa fondamentale per la salute degli esseri viventi e anche per le piante. I mari, i fiumi e la terra contengono rame, un elemento fondamentale per i normali processi chimici che regolano la vita di animali e piante.

Purtroppo, però, agli inizi degli anni 90, il problema di un'eccessiva produzione di rame (simbolo CU) si fece sentire in California e, in particolare, nei dintorni della Baia di San Francisco. Alcuni bacini idrici nell'area metropolitana di San Francisco, infatti, mostrarono elevati contenuti di rame a tal punto che quasi non fu più possibile soddisfare i requisiti del Clean Water Act (la regolamentazione sulla qualità delle acque).
Accurati studi dimostrarono che fino al 60% del rame che veniva raccolto all'interno dei bacini di San Francisco proveniva dai freni degli autoveicoli. Tutto ciò provocava un'alterazione della concentrazione di rame all'interno dell'acqua, concentrazione che costituiva, quando troppo elevata, un problema grosso, ad esempio, per gli organismi acquatici.

Questa fu la genesi che portò alla legislazione vigente in termini di guarnizioni frenanti copper free, ovvero con bassi contenuti di rame. Del resto, gli studi dimostrarono che l'unico modo per ridurre questa concentrazione eccessiva di rame fosse perseguire una riduzione sensibile dello stesso all'interno dei materiali di attrito utilizzati per le pastiglie e per i ceppi degli elementi frenanti.
Nel 2010, quindi, lo stato di Washington e la California promossero una legge per limitare l'uso di rame all'interno delle pastiglie.
I due stati firmarono i protocolli SB6557 (Washington) e SB346 (California) che imponevano un limite dello 0,5% (entro il 2025) di contenuto di rame nelle pastiglie vendute all'interno dei due stati. Limite che sarebbe stato raggiunto nell'arco di un certo numero di anni.
 

La potenza è nulla senza il controllo

Si parla tanto di potenza e coppia del motore, ma sono in pochi a sapere che un impianto frenante è in grado di esercitare una potenza, per l'appunto frenante, molto più elevata della potenza del motore, con le guarnizioni frenanti che possono raggiungere temperature elevatissime, anche di gran lunga superiori ai 600 °C.
Da qui, la difficoltà nel realizzare una mescola adatta a sopportare sollecitazioni termomeccaniche di questa portata. Il rame è sempre stato un elemento determinante. Ora, le cose si sono complicate, ma la sicurezza per gli utenti non è mai venuta meno.
 

Il rame nelle pastiglie freno

L'utilizzo di questo elemento all'interno della mescola utilizzata per la realizzazione delle pastiglie freno è sempre stata necessaria per diversi motivi.
Tra questi, vale la pena ricordare le migliori prestazioni in termini di rumore, di dissipazione del calore e di omogeneità di funzionamento. In pratica, il rame offre una buona conducibilità termica, limita il rumore, gli stridii e le vibrazioni delle pastiglie e migliora la frenata in corrispondenza dei climi più rigidi. In realtà, dal punto di vista tecnico, bisognerebbe approfondire la questione. Il rame, infatti, è un elemento che stabilizza anche il valore del coefficiente di attrito dinamico tra pastiglia e disco, o tra ceppo e tamburo, al variare della temperatura, parametro fisico che mostra elevate oscillazioni all'interno di un gruppo freno.
A tutto ciò dobbiamo aggiungere la sua resistenza all'usura, aspetto fondamentale per un componente che basa il proprio funzionamento sull'attrito tra due corpi in moto relativo tra loro.
 

E al posto del rame?

Sostituire il rame all'interno della mescola non è stata cosa semplice, tanto che anche il legislatore ha previsto un sistema di messa al bando del rame distribuito su un arco di tempo sufficientemente lungo da consentire a tutti i costruttori di freni di trovare nuove soluzioni ottemperanti alla normativa, ma che allo stesso tempo non costituiscano un motivo di peggioramento delle prestazioni.
Anche perché diversamente significherebbe mettere in discussione la sicurezza degli utenti. Per questo motivo, il contenuto imposto dalla normativa è stato fissato a un 5% iniziale (entro il 2021) con l'obiettivo di arrivare allo 0.5% entro il 2025.
Sostituire il rame è tutt'altro che facile, quindi, e i produttori di freni stanno lavorando da tempo sulla questione e hanno già messo in commercio prodotti in linea con la normativa.
Secondo un'indicazione tecnica di pubblico dominio pubblicata da Federal-Mogul, è noto che il rame rappresenta dal 5% al 20% dell'intera massa che costituisce la guarnizione di attrito. Stiamo parlando quindi di una percentuale in massa notevole, cosa che renderà la sostituzione totale del rame una sfida ancora più difficile. Federal-Mogul, per esempio, sempre secondo una comunicazione dell'azienda, ha analizzato circa 1.500 materie prime e tra queste è riuscita a trovare materiali con caratteristiche simili a quelle del rame.
La stessa Federal-Mogul sostiene che in ogni caso appare impossibile trovare un solo materiale in grado di sostituire il ventinovesimo elemento della tavola periodica, ma attraverso una formulazione complicata, con anche 30 differenti materiali, si può arrivare a costruire pastiglie freno con ottime prestazioni.
Tra i materiali più noti contenuti all'interno della mescola ricordiamo i solfuri metallici, le particelle in ceramica, alcuni tipi di grafite e abrasivi di diverso tipo.
 

La tecnica delle pastiglie freno e il rame

Il materiale di attrito che costituisce la parte attiva della pastiglia freno è, come visto, un mix di materiali differenti. Le caratteristiche di questo insieme sono ben definite nel campo della progettazione.
Tra le prestazioni che vengono richieste troviamo la resistenza alle temperature elevate, alle sollecitazioni meccaniche, la durata delle prestazioni nel tempo, la costanza del coefficiente di attrito al variare della temperatura e della velocità reciproca delle superfici in moto relativo (si tenga conto che il coefficiente di attrito delle pastiglie standard si aggira intorno allo 0,5), il mantenimento delle prestazioni, anche in presenza di umidità, acqua e materiali sporcanti e, aspetto che non abbiamo mai citato, l'assenza di vetrificazione quando la sollecitazione indotta dalle temperature più elevate potrebbe alterare in maniera irreversibile la superficie della pastiglia.
La parte attiva di una pastiglia freno è costituita, come abbiamo visto, da un'insieme di componenti. Possiamo fare un discorso tecnico sufficientemente approfondito e allo stesso tempo sufficientemente semplice per chiarire come si posiziona il rame all'interno di questo mix e quale importanza esso rivesta.
Per fare ciò possiamo pensare di suddividere tutti questi componenti in quattro macro categorie: gli abrasivi che hanno il compito di incrementare i valori del coefficiente di attrito, i modificatori di attrito anch'essi in grado di intervenire sui valori del coefficiente di attrito, tutta una serie di componenti che concorrono ad aumentare la resistenza all'usura e, infine, un insieme di riempitivi con l'unico scopo di aumentare la massa e tenere bassi i costi.
Gli abrasivi sono elementi a base di ferro, silice, alluminio e zirconio. Tra le formule più note possiamo elencare l'SiO2, l'Al2O3 e l'Fe2O3.
Per quanto riguarda invece i modificatori di attrito, troviamo la grafite e lo zolfo, che generalmente vengono utilizzati come lubrificanti, mentre le polveri metalliche, che aumentano i valori del coefficiente di attrito, contribuiscono a migliorare la conduzione del calore.
Per incrementare la resistenza all'usura, invece, si ricorre all'acciaio, al bronzo e a fibre organiche.
Arriviamo quindi ai riempitivi costituiti da carbonati di calcio e barite. Quest'ultima è sostanzialmente un minerale di bario.
Tra i leganti utilizzati per amalgamare l'insieme dei componenti che vengono a formare il materiale di attrito, troviamo anche le resine fenoliche e le gomme sintetiche e/o naturali. Per quanto riguarda le resine, in particolare, si tratta dei cosiddetti materiali plastici termoindurenti, ossia quei materiali che anche con l'applicazione di calore non possono essere riportati alle condizioni iniziali (da distinguere rispetto ai termoplastici, che in questo caso ovviamente non sono contemplati).
Nel caso di pastiglie freno parecchio sollecitate si utilizza il metallo sinterizzato
Bene, il rame si posiziona, o sarebbe meglio dire si posizionava, nella seconda categoria, ossia quella dei modificatori di attrito. Il suo contributo in tal senso è particolarmente apprezzato alle temperature di esercizio più elevate. In realtà, inserirlo in una sola categoria potrebbe essere fin troppo semplicistico, se si tiene conto anche che, in corrispondenza delle temperature più elevate, il rame migliora la conduzione termica e funge da lubrificante.
Tutto questo, però, sta già diventando storia.