Pyrite de fer

Applications de la pyrite de fer dans les roues et les garnitures de frein liées à la résine

La pyrite de fer de haute qualité est utilisée dans une variété de contextes, y compris les garnitures de plaquettes de frein et les meules liées à la résine dans les environnements de meulage. Africal Pegmatite est l’un des principaux mineurs, meuniers et fournisseurs de pyrite de fer de la plus haute qualité pour ces applications et une multitude d’autres

Qu’est-ce que la pyrite de fer ?

La pyrite de fer (disulfure de fer(ii), FeS2) est un minéral sulfuré naturel et en est l’exemple le plus courant. On le trouve naturellement dans les coutures de quartz et à côté des gisements de charbon. Dans sa forme pure, il a un lustre métallique qui lui donne une apparence superficielle à l'or - d'où la pyrite est souvent appelé «or de l'imbécile». La pyrite trouve de nombreuses utilisations, mais beaucoup sont dues à son coût relativement peu coûteux et à ses niveaux de dureté modérés à élevés de 6 à 7 sur l’échelle de Mohs, par rapport au fer (4 Mohs) et à l’ongle humain (2 Mohs). En raison de cette dureté, il est souvent utilisé dans des environnements mécaniques où une tolérance élevée à la pression résistive est requise, comme un composant dans les plaquettes de frein et comme charge dans les meules pour le secteur manufacturier ; mais lorsqu’un matériau super dur tel que le diamant n’est pas nécessaire. En plus de niveaux élevés de dureté, la pyrite a une température de décomposition thermique modérée, se décomposant entre 540 et 700 °C en sulfure de fer(ii) et en soufre élémentaire, ce qui la rend bien adaptée comme composant dans un large éventail de processus de broyage et de friction. Il est également non toxique. Bien qu’elle soit composée principalement de fer en poids, la pyrite n’est pas considérée comme une source utile de fer. L’un des nombreux avantages de l’ajout de pyrite aux procédés abrasifs et frictionnels est que non seulement de petites quantités de pyrite sont généralement nécessaires, mais la nature peu coûteuse de la pyrite signifie que son inclusion, même dans les processus à plus grande échelle, est loin d’être économiquement prohibitive.

Pyrite de fer pour garnitures de frein

Les plaquettes de frein sont composées d'additifs de friction. Les additifs de garniture de frein incluent, liants, remplisseurs et fibres de renforcement qui produisent collectivement un tampon qui est facile à fabriquer et fiable, tout en réduisant les effets secondaires indésirables tels que le bruit excessif et la chaleur.


La pyrite
est principalement utilisée comme lubrifiant - peut-être de manière contre-intuitive - dans la fabrication de plaquettes de frein, pour une variété d’applications. L'application de pyrite de fer peut inclure un remplissage de doublure de frein. L'ajout de pyrite au pad module la dureté - rapport de frottement, un facteur crucial dans la performance d'une plaquette de frein, comme un solide qui est trop dur pourrait également être fragile, qui serait alors échouer dans le scénario de haute pression et de chaleur de freinage par frottement. Une plaquette de frein défectueuse signifie un freinage inefficace et un risque potentiel pour la vie. Le freinage fonctionne par la conversion de l'énergie cinétique en énergie thermique - il est donc crucial que n'importe quel bloc-notes de frein a une capacité globale élevée de répartir la chaleur uniformément.

Plaquette de frein et disque de frein

Comment est-il utilisé ?

La pyrite de fer pour la doublure de frein est employée comme lubrifiant dans la conception de garniture de frein, aussi bien qu'un remplissage de doublure de frein. Le terme « lubrifiant » semble contre-intuitif, mais dans l'application du freinage, il est crucial qu'un modèle de freinage uniforme soit atteint à chaque fois. En tant que tel, les fabricants de plaquettes de frein utilisent des additifs de friction - lubrifiants et abrasifs - pour moduler la voie de freinage pour l'uniformité.

Le choix du lubrifiant est souvent de s'assurer que les températures de fonctionnement sont maintenues en dessous de celle du montage de la plaquette de frein métallique. La température de décomposition de la pyrite semi-métallique correspond parfaitement aux exigences. Les lubrifiants peuvent constituer entre 5 et 30 de la composition d'une plaquette de frein, et généralement la pyrite est ajoutée au processus de fabrication de plaquette de frein comme poudre finement moulue. En plus de la voie lubrifiante, la pyrite aide à la dissipation de chaleur dans le coussin, où la pyrite agit dans un rôle de remplissage, en plus du rôle additif de friction.

La pyrite de fer pour la doublure de frein est trouvée et utilisée dans les plaquettes et chaussures de frein haute performance (pour différents modes de freinage) comme additif de frottement et un remplissage de doublure de frein, particulièrement dans le secteur automobile, par des marques telles que Ferodo, Road House et Bosch - aux côtés du fer métallique, de l'hématite et du carbone comme matériaux de friction primaires.

Les performances des plaquettes de frein contenant de la pyrite sont généralement excellentes, offrant une capacité de freinage uniforme sur une gamme de vitesses et d’intensités de freinage appliquées. La longévité de la plaquette est liée à la quantité de composé de plaquettes de frein qui est éliminée par l’acte de rupture par friction - et une partie de la « poussière » qui s’échappe contribue en partie à la pollution atmosphérique localisée aux côtés de débris tels que les microplastiques/poussières de caoutchouc des pneus sur la route. Des recherches ont montré que les plaquettes de frein contenant de la pyrite sont stables selon les différents types de freinage, avec une perte minimale de pyrite sous forme de « poussière »(7). La taille des poussières particulaires émises varie de 10 nm à 10 μm et peut être dangereuse pour la santé humaine(8). Il va de soi que des quantités moindres de matériaux plus performants seront émises sous forme de poussières particulaires. Le seul inconvénient de l’utilisation prolongée d’une plaquette de frein contenant de la pyrite est que lors de la décomposition de la pyrite - après une longue utilisation à haute température - du gaz soufré est libéré(9), ce qui est considéré comme nocif. En raison de la quantité de pyrite utilisée, du temps nécessaire pour atteindre une voie de décomposition et de la faible quantité globale de soufre libérée dans tous les cas, cela n’est pas considéré comme une préoccupation majeure.

En tant que charge, la pyrite offre des avantages supplémentaires en plus de ceux disponibles par le processus de freinage. La résistance mécanique globale du tampon est augmentée par une meilleure adhérence des grains abrasifs au liant ; les grains abrasifs sont mieux protégés contre les dégagements de gaz nocifs lors de la cuisson du tampon dans le cadre de son processus de fabrication ; La charge empêche la dégradation thermique du liant lui-même.

Cependant, la pyrite est rarement utilisée comme seul composant d’une plaquette de frein. La dissipation et la régulation de la chaleur sont des éléments importants de la fonctionnalité des freins. Des recherches ont montré que d’autres inclusions métalliques, qui sont déjà connues pour leurs propriétés supérieures de dissipation thermique en dehors du freinage, peuvent être utilisées dans un système de freinage à LED en pyrite(10). La pyrite est très tolérante à ces inclusions et il a été démontré qu’elle agit en synergie avec des inclusions telles que le zinc en poudre, les fibres de cuivre et les fibres de laiton. Malgré l’ajout de ces autres matériaux, les nouvelles plaquettes de frein composites ont montré des performances de frottement constantes.

D’autres liants à base de sulfure ont été utilisés dans l’environnement de recherche. Des lubrifiants/liants solides, y compris le trisulfure de bismuth, le disulfure d’étain et le disulfure d’antimoine, ont été testés dans un scénario de freinage idéalisé, le graphite étant le composant principal de la plaquette de frein. Les essais ont montré que ces matériaux autres que la pyrite avaient des performances légèrement meilleures en termes de stabilité au frottement, mais présentaient des performances moins bonnes en termes d’usure(11).

Comme indiqué précédemment, une grande quantité de chaleur et de pression est produite à l’interface de la plaquette de frein et de la roue. Des recherches montrent que dans ces conditions immenses, la pyrite elle-même peut se former in situ. Les chercheurs ont utilisé la spectroscopie Mössbauer pour sonder l’état de la surface de freinage et voir quels composés étaient présents. On suppose qu’une troisième surface, c’est-à-dire un film de friction, est produite entre la plaquette de frein et la roue et qu’elle peut contenir de la pyrite, entre autres composés(12).

plaquettes de frein et disque de frein fabriqué à l'aide de pyrite de fer

Pyrite de fer dans des roues liées à la résine

Une meule liée à la résine est un type de meule utilisé dans l’industrie, elles sont formées d’un abrasif (comme le carbure de silicium ou le diamant synthétique, souvent appelé « grain »), d’une charge (généralement un composé inorganique) et d’un liant. Les liants sont de nature organique - généralement des résines phénoliques. La pyrite de fer est un choix efficace et économique pour une remplisseuse de meule(13). L’ajout d’une charge à une résine améliore la résine (et donc l’outillage global) en ajoutant de la résistance à la chaleur, de la ténacité et de la résistance à la casse(14) - et est souvent responsable de l’augmentation de la porosité. La porosité est un concept important dans les applications de broyage industriel - un niveau de porosité plus élevé augmente l’apport de liquide de refroidissement à la zone de broyage, tout en permettant simultanément l’élimination des débris et des résidus. Un remplisseur peut également agir comme un abrasif secondaire. Les meules abrasives courantes ont généralement une teneur en résine d’environ 8 % en poids, une teneur en charge d’environ 3 % en poids, le reste étant abrasif/grain primaire (15).

Comment l’utiliser ?

Pendant la fabrication des roues de broyage collées de résine phénolique, la pyrite est ajoutée comme remplissage dans la résine à côté du grain, avec l'addition des charges partiellement responsables de la qualité et de la dureté de la résine globale. Les applications de pyrite de fer incluent l'utilisation comme remplissage de roue de meulage, la pyrite est décrite comme un « remplisseur actif », car la surface de la pyrite de fer interagit avec d'autres composés dans la résine, ce qui explique une microstructure interconnectée de remplissage. Sulfure - contenant des additifs tels que la pyrite empêcher la formation de couches d'oxyde de métal par une réaction redox à haute température, qui à son tour provoque le retard de l'oxydation à la liaison de résine phénolique elle-même, à son tour prolonger la durée de vie de l'outil.

Roue de broyage avec des étincelles

De plus, les dioxydes de soufre qui peuvent se développer lors de la décomposition de la pyrite peuvent ralentir la décomposition thermique de la résine de liaison synthétique elle-même, offrant ainsi une longévité supplémentaire de l’outillage(19). Les charges, telles que la pyrite, sont généralement utilisées dans l’espace de meule de meulage et de liant à la résine dans la plage de chargement allant jusqu’à 20 % en poids, par rapport à l’abrasif lui-même qui peut être trouvé dans 65 à 90 %, et le liant de résine phénolique/synthétique étant utilisé entre 5 et 20 % en poids(20). La pyrite est considérée comme une charge « privilégiée » pour de telles applications - apparemment en raison de son faible prix et de ses performances élevées dans une variété de scénarios de broyage.

machine à broyer qui utilise la pyrite de fer

Les roues de broyage collées en résine sont utilisées dans des situations de broyage conventionnelles, de haute précision et super abrasives, pour les deux derniers scénarios, la capacité de chaleur élevée de la pyrite est bénéfique comme un évier thermique, réduisant la température sur le site de l'activité de broyage et ainsi améliorer les performances. Le lien lui-même est connu pour sa capacité à résister à des niveaux élevés de charge de choc.

Pyrite de fer pour les roues de meulage est ajouté sous la forme monocrystalline pure, prenant un éclat, ou forme de type aiguille, cet ajout contribue non seulement à l'amélioration de la conductivité thermique comme mentionné précédemment, mais améliore la force de tension et la porosité de la résine colléale abrasive. Dans l'ensemble, la durabilité est accrue, ce qui se traduit par plus de temps de broyage et moins d'exigences pour remplacer l'outil de broyage. La pyrite a été utilisée dans de nombreuses catégories abrasives en résine, y compris des applications avec des abrasifs en céramique, carbure et alumine.

En tant que charge, la pyrite est ajoutée aux meules liées à la résine pour améliorer principalement la résistance, mais d’autres avantages incluent une mise à disposition assurée d’espace pour permettre l’ajout de lubrifiant d’usinage ou de refroidissement ; offrent une meilleure résistance aux chocs grâce à l’encombrement de la roue ; fournir un environnement permettant l’érosion progressive et contrôlée des liaisons afin d’exposer de nouvelles arêtes de coupe et d’assurer un certain degré de résistance chimique de la meule aux lubrifiants de refroidissement ou d’usinage(22). La stabilité globale générale de la résine est particulièrement améliorée par la présence de charges, tout comme les caractéristiques globales de résistance à la flexion(23).

Il a été démontré que les meules utilisant de la pyrite comme composant aux côtés de la fibre de verre et de la bakélite comme liant sont plus durables sur des temps de broyage à long terme que celles ne contenant que des éléments de carbone(24), d’environ 30 %, lorsque l’on n’utilisait que 7,8 % de pyrite en poids. La pyrite peut non seulement être utilisée dans la production conventionnelle de meules et/ou de milieux, mais aussi dans de nouvelles méthodes de production de supports de broyage, telles que celles produites par frittage laser et impression 3D(25).

plaquette de frein et disque de frein

Types de broyage spécialisés

Les technologies de broyage modernes peuvent également tirer parti de la pyrite - et sont particulièrement bien adaptées aux projets d’ingénierie de la génération moderne tels que la construction d’infrastructures ferroviaires à grande vitesse. Le meulage à grande vitesse des rails est une méthode de meulage très efficace qui repose sur le mouvement relatif entre la meule et le rail - sur des distances généralement beaucoup plus longues que le meulage conventionnel. À partir de ce mouvement relatif, des gains d’efficacité sont réalisés et la vitesse de meulage globale est augmentée, ce qui est particulièrement important pour les grands projets d’infrastructure. La pyrite - comme dans d’autres scénarios de broyage - est prisée pour sa capacité en tant qu’abrasif et dissipateur de chaleur(26). Il se débrouille bien dans les environnements de broyage difficiles que l’on trouve dans l’industrie ferroviaire, la pyrite absorbant la chaleur de broyage, se combinant avec l’oxygène pour former de l’oxyde ferrique et du dioxyde de soufre, abaissant ainsi la température globale de broyage. En raison de l’accumulation de chaleur de meulage, on postule que les meules à rail à base de pyrite sont mieux adaptées au meulage en courtes rafales brusques, par opposition à une action soutenue et continue(27).

Avec un intérêt croissant pour les utilisations de matériaux contemporains et/ou à la mode tels que la fibre de carbone, l’intérêt s’est tourné vers la question de savoir si ceux-ci peuvent être utilisés dans les systèmes de freinage. Comme toujours, en utilisant la pyrite comme liant, des meules à base de fibre de carbone ont été développées et se sont avérées assez efficaces dans le rôle de meulage primaire(28). Le choix d’un liant aussi résistant est considéré comme important, avec d’excellentes propriétés de durabilité observées.

Où d’autre la pyrite a-t-elle été utilisée ?

La pyrite a été utilisée dans d’autres situations industrielles. En tant que source de soufre, les cendres de pyrite se sont avérées être un bon additif/charge pour le bitume utilisé dans la construction de routes. Aussi performant que les charges établies (ciment Portland, poussière de calcaire), le bitume dopé de pyrite qui en a résulté ont donné de bonnes données pour tester la mixabilité, la stabilité et le débit. De plus, cet ajout de cendres de pyrite peut être considéré comme bénéfique pour l’environnement, car il empêche les cendres de pyrite (un sous-produit de la production de charbon) d’être autrement gaspillées(29,30). En tant que composant des gisements de « shungite », la pyrite de fer a été trouvée en petites quantités et a été utilisée dans l’ensemble comme stimulant de la production de caoutchouc synthétique, aux côtés d’autres minéraux(31).

Outre le fait d’être une charge, la pyrite a trouvé d’autres utilisations ces dernières années, notamment comme cathode dans de nouveaux types de cellules de batterie. Une cathode de pyrite de nanocristalline a été montrée employée à côté d'une anode de magnésium dans un électrolyte de sel de sodium/magnésium double, offrant des densités d'énergie de circa. 210 wattheures par kilogramme, ce qui est comparable aux cellules lithium-ion leaders du marché, et deux fois la capacité des cellules lithium-ion magnésium. Cette performance est particulièrement bonne compte tenu du faible coût des matériaux(32).

En raison de sa bande interdite électrique incroyablement faible de 0,95 eV et de sa caractérisation en tant que semi-conducteur de type n, la pyrite de fer a été identifiée comme un matériau potentiellement utile pour la fabrication de cellules solaires flexibles, présentant un caractère d’absorption solaire élevé en utilisant des couches beaucoup plus minces que celles utilisées pour le silicium(33). Les chercheurs, cependant, ont constaté que les difficultés découlant de défauts de surface (un manque d'atomes de soufre dans la structure cristalline) sont à l'origine des inefficacités dans l'utilisation comme cellules solaires. Malgré cela, des travaux sont en cours sur ce matériau apparemment prometteur(34).

Meules

Résumé

  • La pyrite de fer est un minéral naturel de soufre qui a un bon niveau de dureté et a un profil de stabilité thermique utile dans les applications de freinage et de meulage, il est également relativement peu coûteux et non toxique.
  • Il est utilisé comme additif de friction dans la fabrication de plaquettes et de mâchoires de frein, comme lubrifiant, pour assurer l’uniformité du processus de freinage. Il peut être utilisé de concert avec d’autres lubrifiants solides ou charges
  • Il est utilisé dans les roues collées en résine comme un remplissage actif, améliorant la performance de la roue de meulage globale en augmentant les niveaux de porosité, la conduction de la chaleur et la force physique de la roue. Un cas d’utilisation très prometteur est le meulage de rails pour l’utilisation de chemins de fer à grande vitesse
  • Il a été démontré que la pyrite est une charge utile dans la production de bitume, remplaçant les charges traditionnelles telles que le calcaire et le ciment ; et en petites quantités dans la production de caoutchouc
  • La pyrite a trouvé d’autres utilisations en dehors des charges, comme dans les cellules de batterie mixtes, et comme matériau potentiel pour la production d’énergie solaire.


African Pegmatite
est le partenaire industriel de référence pour la fourniture et le traitement de la pyrite de fer de la plus haute qualité pour toute une série d’applications, y compris dans les scénarios de revêtement de roue et de disque de frein en résine. African Pegmatite a l’expérience, la capacité et la portée nécessaires pour être en mesure de fournir de la pyrite pour n’importe quelle application selon les spécifications rigoureuses de tout client dans le monde entier.

Poudre de pyrites dans un pot

Références

1 D Chan et G W Stachowiak, Proc. Instn. Mech. Des Engrs. Partie D : J. Automobile Engineering, 2014, 218, 953

2 Brevet américain 6080230, 2000

3 Brevet américain 6220404, 2001

4 D. Rafaja et coll.,Wear, 2002, 252 189

5 I. Urban et coll. Porter, 2001, 251, 1469

6 F. Amanto et coll., Revista de la Sociedad Espaola de Mineralogàa, 2012, 16, 154

7 O. Schneeweiss et al, Analyse des nanoparticules libérées par les freins de la voiture, dans : NANOCON, Brno, République tchèque, 2015

8 S. Kumar et S. K. Ghosh, Proc. Inst. Mech. Eng., Part D : J. Automob, Eng., 2019, 234, 1213

9 A. Rudawska (éd.), Technologie abrasive : caractéristiques et applications, BoD, Norderstedt, Allemagne, 2018

10 K. A. Ahmed et al., Proc. Inst. Mech. Eng., Part J : J. Eng. Tribology, 2022, 236, 292

11 K. Sathickbasha et al., Ind. Lubrification et tribologie, 2021, 73, 325

12 M. A. Z. Vasconcellos et al., Wear, 2010, 268, 715

13 K.H.J. Buschow (éd.), Encyclopedia of Materials : Science and Technology, Pergame, Londres, 2001

14 B. S. Linke, CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology, 2014, 7, 258

15 B. S. Linke, Prod. Eng. Res. Devel, c'est moi., 2016, 10, 265

16 A. Woelkel et B. Strzemiecka, Int. J. Adhérence et Abrasifs, 2007, 27, 188

17 A. Woelkel et B. Strzemiecka, Acta Chromatographa, 2016, 16, 140

18 A. Knop et L. A. Pilato, Résines phénoliques : chimie, applications et performances, Springer, Berlin, 1985

19 F. Klocke, Procédés de fabrication 2 : meulage, rodage, rodage, Springer, Berlin/Heidelberg, 2009

20 A. Knop et al., Résines phénoliques : chimie, applications, normalisation, sécurité et écologie , Springer, Berlin/Heidelberg, 2000

21 H. Ohimori (éd.), Tribologie des procédés d’usinage abrasifs, William Andrew, Oxford, 2013

22 B. Linke, Cycle de vie et durabilité des outils abrasifs , Springer, Berlin/Heidelberg, 2016

23 A. Knop et L. A. Pialto, Résines phénoliques : chimie, applications et performances, Springer, Berlin/Heidelberg, 2013

24 A. Korotkov et V. Korotkov, IOP Conf. Ser. : Mater. Sci. Eng., 2020, 709, 022020

25 F. Zhang et al., Ceram. Int., 2019, 45, 20873

26 P. Liu et al., Micromachines, 2022, 12, 2118

27 P. Liu et al., C'est Constr. Construire. Mater., 2022, 319, 126073

28 A. Korotkov et V. Korotkov, IOP Conf. Ser. : Mater. Eng., 2020, 709, 022020

29 A. H. Lav, Utilisation de la pyrite de cendre comme charge dans les mélanges bitumineux lors du Symposium national sur l’utilisation de matériaux recyclés dans la construction d’ingénierie , Barton, Australie, 1996

30 G. Papierer et al., Rheologica Acta, 1981, 20, 78

31 M. K. Nauryzbayev et al., Production de concentrés de shungite – Charges multifonctionnelles pour élastomères au XVIIIe Congrès international de préparation du charbon, Saint-Pétersbourg, 2016

32 M. V. Kovalemo et coll., Chem. Mater. 2015, 27, 7452

33 H. Dahman et al., Renewable Energy, 1991, 2, 125

34 M. Z. Rahman et T. Edvinsson, Joule, 2019, doi : 10.1016/j.joule.2019.06.015