EP0279300A2 - Gusseisen zur Fertigung von Bremstrommeln - Google Patents

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EP0279300A2
EP0279300A2 EP88101722A EP88101722A EP0279300A2 EP 0279300 A2 EP0279300 A2 EP 0279300A2 EP 88101722 A EP88101722 A EP 88101722A EP 88101722 A EP88101722 A EP 88101722A EP 0279300 A2 EP0279300 A2 EP 0279300A2
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Schwaebische Huettenwerke Automotive GmbH
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    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B5/00—Making pig-iron in the blast furnace
    • C21B5/02—Making special pig-iron, e.g. by applying additives, e.g. oxides of other metals
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C37/00—Cast-iron alloys
    • C22C37/06—Cast-iron alloys containing chromium

Definitions

  • the invention relates to a cast iron for the production of brake drums, massive and ventilated brake discs and other brake bodies with an alloy of over 3.6% carbon 0.6-0.9% manganese 1.8 - 2.5% silicon less than 0.1% phosphorus less than 0.12% sulfur and with minor components of chrome, molybdenum and copper, the cast iron has a pearlitic structure.
  • a cast iron with this chemical composition is described in DE-OS 33 05 184. Due to the development of new asbestos-free brake pads, it became necessary to use cast iron alloys for brake drums, brake disks and the like that can withstand higher temperatures. To this end, the general tendency among users has hitherto been to use highly heat-resistant types of iron with a higher carbon content, which, however, have disadvantages, particularly with regard to a coarse structure and strength.
  • the present invention is therefore based on the object of providing a cast iron of the type mentioned at the outset, which has the lowest possible ferrite content with high tensile strength.
  • this object is achieved by the combination of the following features, namely a pearlitic basic structure with a maximum of 5% ferrite content and a tensile strength of at least 200 N / mm2 with the following chemical composition: Carbon 3.62 - 3.68% Silicon max. 2.10% Manganese 0.70 - 0.85% Phosphorus less than 0.080% Sulfur less than 0.095% Chromium 0.18 - 0.25% Molybdenum 0.30 - 0.45% Copper 0.30 - 0.45%.
  • the specified alloy components such as chromium, molybdenum, manganese and copper, determined in long tests, achieve a tensile strength of at least 200 N / mm2.
  • molybdenum In combination with chrome, molybdenum also ensures a high core strength of the structure and, as an alloy component, gives good heat resistance with changing thermal loads on the brake discs.
  • the carbon content up to max. 3.68% is achieved by melting in the cupola furnace at the C level of 3.4 - 3.45%.
  • the remaining 0.25 - 0.30% are introduced into the ladle using electrode graphite when tapping the liquid iron using a special vaccination process.
  • the resulting optimal inoculation effect gives rise to A-graphite of size 3-4. It was surprisingly found that carbide deposits in the pearlitic structure despite their alloying elements such as chromium and molybdenum do not occur.
  • the high carbon content causes a lot of graphite excretion with its excellent thermal conductivity and high thermal resistance properties for brakes. This means that the heat build-up on the brake friction rings can be spread over the entire disc in a very short time, which significantly reduces thermal stresses and fire cracks.
  • Sulfur is used up to a maximum of 0.095% to achieve the manganese Sulfur ratio used, but should not exceed the specified value.
  • the cast iron according to the invention has a fine structure and the graphite lamellae become somewhat shorter, as a result of which the higher strength according to the invention can be achieved.
  • a high proportion of carbon counteracts this, i.e. causes a reduction in strength and a coarser structure.
  • a high carbon content is a cost factor.
  • a low carbon content can be used, in the range of 3.62 - 3.68%, if this is done with the other alloy components combined. In this case, the desired high strength values and heat resistance are achieved.
  • the parts to be treated are brought to a temperature of 650-720 degrees C. in a heating-up time of 180 minutes and then kept at this temperature for 30 minutes, after which slow cooling in the annealing furnace to 250 degrees C.
  • the parts Before annealing, the parts should be pre-processed, namely roughed.
  • the cast skin of the friction surface and the inside of the pot should be removed approx. 1.5 mm.
  • the subsequent post-treatment method according to the invention eliminates both internal stresses generated during the cooling process and stresses caused by the machining. It is also essential that, due to the increased strength achieved by the alloy components in a certain area, higher residual stresses can arise, which can be eliminated by the heat treatment process according to the invention.
  • the longer heating time specified for the heating of the parts to be treated prevents their warping.
  • the cooling down after the specified holding time should in any case be carried out slowly so that no new tensions arise. This can e.g. can be achieved in a simple manner by switching off the annealing furnace, the parts remaining in the slowly cooling annealing furnace for a relatively long time.

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Abstract

Ein Gußeisen zur Fertigung von Bremstrommeln, insbesondere von massiven und belüfteten Bremsscheiben und sonstigen Brem­senkörpern weist die Kombination folgender Merkmale auf: ein perlitisches Grundgefüge mit maximal 5 % Ferritanteil und einer Zugfestigkeit von mind. 200 N/mm² mit folgender chemischer Zusammensetzung:
Kohlenstoff      3,62 - 3,68 %
Silizium      max. 2,10 %
Mangan      0,70 - 0,85 %
Phosphor      weniger als 0,080 %
Schwefel      weniger als 0,095 %
Chrom      0,18 - 0,25 %
Molybdän      0,30 - 0,45 %
Kupfer      0,30 - 0,45 %.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Gußeisen zur Fertigung von Brems­trommeln, von massiven und belüfteten Bremsscheiben und son­stigen Bremsenkörpern mit einer Legierung von

    über 3,6 % Kohlenstoff
    0,6 - 0,9 % Mangan
    1,8 - 2,5 % Silizium
    weniger als 0,1 % Phosphor
    weniger als 0,12 % Schwefel
    und mit geringen Bestandteilen von Chrom, Molybdän und Kupfer,

    wobei das Gußeisen ein perlitisches Grundgefüge aufweist.
  • Ein Gußeisen mit dieser chemischen Zusammensetzung ist in der DE-OS 33 05 184 beschrieben. Aufgrund der Entwicklung von neuen asbestfreien Bremsbelägen wurde es notwendig auch Gußeisenlegierungen bei Bremstrommeln, Bremsscheiben und dgl. zu verwenden, die höhere Temperaturen ertragen. Hierzu ging die allgemeine Tendenz bei den Anwendern bisher dahin, hoch warmfeste Eisensorten mit höherem Kohlenstoffgehalt zu verwenden, die jedoch Nachteile aufweisen, insbesondere bezüglich einem groben Gefüge und der Festigkeit.
  • Gemäß der DE-OS 33 05 184 wird ein Werkstoff für Bremsenkör­per vorgeschlagen, der einerseits eine ausreichende Festig­keit aufweisen soll, andererseits jedoch auch eine gute Wär­meableitung und eine hohe Dämpfungseigenschaft. In dieser Druckschrift wurde angegeben, daß auch bei niederen Festig­keitswerten die Warmzugfestigkeit bei extrem hohen Tempera­turen von GG 30 nur geringfügig höher bzw. fast gleich derje­nigen von GG 15 ist. Der Grauguß mit der relativ niedrigen Festigkeit soll ferner geringere Eigenspannungen besitzen, sich wegen des hohen C-Gehaltes bei der Bearbeitung weniger aufheizen und geringere Verzugserscheinigungen bei thermi­scher Belastung aufweisen als der bisher verwandte Grauguß mit hoher Festigkeit.
  • In der Praxis hat sich nun jedoch gezeigt, daß dieser Grau­ guß in nicht unerheblichen Mengen Ferritanteile aufweist. Ferritanteile in der Bremstrommel haben jedoch den Nachteil, daß die Reibpaarung, d.h. der Reibungskoeffizient zwischen den Bremsbelägen und der Bremstrommel bzw. Bremsscheibe sich verändert. Dies bedeutet, daß die Verzögerung beim Bremsen geringer wird. Optimal wäre somit ein möglichst 100%iges per­litisches Gefüge.
  • Außerdem wurde festgestellt, daß in vielen Fällen die Zugfe­stigkeit dieses Gußeisens nicht ausreicht.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein Gußeisen der eingangs erwähnten Art zu schaffen, das mög­lichst geringe Ferritanteile bei hoher Zugfestigkeit be­sitzt.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Kombination fol­gender Merkmale gelöst, nämlich einem perlitischen Grundge­füge mit maximal 5% Ferritanteil und einer Zugfestigkeit von mind. 200 N/mm² mit folgender chemischer Zusammensetzung:
    Kohlenstoff      3,62 - 3,68 %
    Silizium      max. 2,10 %
    Mangan      0,70 - 0,85 %
    Phosphor      weniger als 0,080 %
    Schwefel      weniger als 0,095 %
    Chrom      0,18 - 0,25 %
    Molybdän      0,30 - 0,45 %
    Kupfer      0,30 - 0,45 %.

  • Durch die angegebene und in langen Versuchen ermittelten Le­gierungsbestandteile, wie Chrom, Molybdän, Mangan und Kupfer wird eine Zugfestigkeit von mind. 200 N/mm² erreicht.
  • Zusätzlich wurde in überraschender Weise festgestellt, daß Kupfer und auch Molybdän stabilisierend auf den Perlit wir­ken und zwar ohne zu Carbidausscheidungen zu führen. Es wur­de festgestellt, daß sich mit dem erfindungsgemäßen Gußeisen ein 100%iges perlitisches Grundgefüge erreichen läßt.
  • Molybdän bewirkt weiterhin in Verbindung mit Chrom eine hohe Kernfestigkeit des Gefüges und gibt als Legierungsbestand­teil gute Warmfestigkeiten bei wechselnder thermischer Bela­stung der Bremsscheiben. Der Kohlenstoffgehalt bis max. 3,68 % wird durch Erschmelzen im Kupolofen im C-Level von 3,4 - 3,45 % erreicht. Die restlichen 0,25 - 0,30 % werden durch ein Spezialimpfverfahren beim Abstich des Flüssig­eisens in die Gießpfanne mittels Elektrodengraphit einge­bracht. Der entstehende optimale Impfeffekt läßt durchweg A-Graphit der Größe 3-4 entstehen. Dabei wurde überraschen­derweise festgestellt, daß Carbidausscheidungen im perliti­schen Grundgefüge trotz deren Legierungselemente wie Chrom und Molybdän nicht vorkommen.
  • Der hohe Kohlenstoffgehalt bewirkt viel Graphitausscheidung mit seinen für Bremsen hervorragenden Eigenschaften der Wär­meleitfähigkeit und der hohen thermischen Beständigkeit. Dies bedeutet, daß der Hitzestau auf den Bremsreibringen in kürzester Zeit auf die gesamte Scheibe verteilt werden kann, wodurch thermische Spannungen und Brandrisse deutlich vermin­dert werden.
  • Von Vorteil ist auch, daß aufgrund fehlender Carbidausschei­dungen in dem perlitischem Grundgefüge Brandflecken, Risse durch Ausdehnungsfehler an den Reibringoberflächen, sowie das Auftreten von Hotspots nicht entstehen. Das nachteilige Rubbeln der Scheiben bei den bisher verwendeten Materialien wird, soweit dies materialbedingt ist, durch das erfindungs­gemäße Gußeisen ausgeschlossen.
  • Da Silizium die Wärmeleitfähigkeit erheblich reduziert, darf ein Bestandteil von 2,1 % nicht überschritten werden, da diese Eigenschaft der gewünschten schnellen Wärmeverteilung in der Scheibe entgegenwirkt. Der angegebene Wert von 0,08 % für Phosphor darf nicht überschritten werden, um Steadit und damit harte Bestandteile im Grundgefüge zu verhindern.
  • Schwefel wird bis maximal 0,095 % zur Erreichung des Mangan-­ Schwefel-Verhältnisses gebraucht, sollte jedoch den angegebe­nen Wert nicht überschreiten.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Gußeisen ergibt sich ein feines Gefüge und die Graphitlamellen werden etwas kürzer, wodurch die erfindungsgemäße höhere Festigkeit erreicht werden kann. Ein hoher Kohlenstoffanteil wirkt diesem an sich entgegen, d.h. bewirkt eine Festigkeitsverminderung und ein groberes Gefüge. Außerdem stellt ein hoher Kohlenstoffanteil einen Kostenfaktor dar. In langwierigen Versuchen wurde nun festge­stellt, daß man entgegen der allgemeinen Meinung mit einem geringen Kohlenstoffgehalt auskommt und zwar in dem ermittel­ten Bereich von 3,62 - 3,68 %, wenn man dies mit den übrigen Legierungsbestandteilen kombiniert. In diesem Falle kommt man zu den gewünschten hohen Festigkeitswerten und der Wärme­beständigkeit.
  • Zur Entspannung der Gußteile (künstliches Altern) nach Ihrer Herstellung wird erfindungsgemäß eine an sich bekannte Wärme­nachbehandlung vorgeschlagen, die in erfinderischer Weise an das erfindungsgemäße Gußeisen angepaßt worden ist.
  • Hierzu wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die zu behan­delnden Teile in einer Aufheizzeit von 180 Minuten auf eine Temperatur von 650 - 720 Grad C gebracht und anschließend für 30 Minuten bei dieser Temperatur gehalten werden, wonach eine langsame Abkühlung im Glühofen auf 250 Grad C erfolgt.
  • Vor dem Glühen sollen die Teile vorbearbeitet, nämlich ge­schruppt, werden. Die Gußhaut der Reibfläche, sowie des Topf­innenbodens, sollte ca. 1,5 mm entfernt werden. Durch das anschließende erfindungsgemäße Wärmenachbehandlungsverfahren werden sowohl während der Abkühlung entstandene Eigenspannun­gen als auch Spannungen, die durch das Bearbeiten entstanden sind, eliminiert. Wesentlich dabei ist auch, daß aufgrund der durch die Legierungsbestandteile in einem bestimmten Be­reich erzielte angehobene Festigkeit höhere Eigenspannungen entstehen können, welche durch das erfindungsgemäße Wärme­nachbehandlungsverfahren beseitigt werden können.
  • Auf diese Weise sind nach der Wärmebehandlung nur noch ge­ringe Bearbeitungen notwendig, wodurch ein erneutes Auftre­ten von Spannungen vermieden werden kann.
  • Es wurde festgestellt, daß durch die angegebene längere Auf­heizzeit für die Erwärmung der zu behandelnden Teile deren Verziehen vermieden wird. Die Abkühlung nach der angegebenen Haltezeit soll auf jeden Fall langsam vorgenommen werden, da­mit keine neuen Spannungen entstehen. Dies kann z.B. auf ein­fache Weise durch ein Abschalten des Glühofens erreicht wer­den, wobei die Teile noch längere Zeit in dem sich langsam abkühlenden Glühofen verbleiben.

Claims (2)

1) Gußeisen zur Fertigung von Bremstrommeln, insbesondere von massiven und belüfteten Bremsscheiben und sonstigen Brem­senkörpern mit einer Legierung von

über 3,6% Kohlenstoff
0,6 - 0,9% Mangan
1,8 - 2,5% Silizium
weniger als 0,1% Phosphor
weniger als 0,12 % Schwefel
und mit geringen Bestandteilen von Chrom, Molybdän und Kupfer,

wobei das Gußeisen ein perlitisches Grundgefüge aufweist,
gekennzeichnet durch
die Kombination folgender Merkmale:
einem perlitischen Grundgefüge mit maximal 5% Ferritanteil und einer Zugfestigkeit von mind. 200 N/mm² mit folgender chemischer Zusammensetzung:

Kohlenstoff      3,62 - 3,68 %
Silizium      max. 2,10 %
Mangan      0,70 - 0,85 %
Phosphor      weniger als 0,080 %
Schwefel      weniger als 0,095 %
Chrom      0,18 - 0,25 %
Molybdän      0,30 - 0,45 %
Kupfer      0,30 - 0,45 %
2) Verfahren zur Wärmenachbehandlung des Gußeisens nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die zu behandelnden Teile in einer Anfahrzeit von 180 Minu­ten auf eine Temperatur von 650 - 720 Grad C gebracht und an­schließend für 30 Minuten bei dieser Temperatur gehalten wer­den, wonach eine langsame Abkühlung im Glühofen auf 250 Grad C erfolgt.
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