Gusseisen zur Fertigung von Bremstrommeln

Beschreibung

[0001] 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.

[0002] 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.

[0003] 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.

[0004] 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.

[0005] Außerdem wurde festgestellt, daß in vielen Fällen die Zugfe­stigkeit dieses Gußeisens nicht ausreicht.

[0006] Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein Gußeisen der eingangs erwähnten Art zu schaffen, das mög­lichst geringe Ferritanteile bei hoher Zugfestigkeit be­sitzt.

[0007] 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 %.

[0008] Durch die angegebene und in langen Versuchen ermittelten Le­gierungsbestandteile, wie Chrom, Molybdän, Mangan und Kupfer wird eine Zugfestigkeit von mind. 200 N/mm² erreicht.

[0009] 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.

[0010] 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.

[0011] 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.

[0012] 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.

[0013] 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.

[0014] Schwefel wird bis maximal 0,095 % zur Erreichung des Mangan-­ Schwefel-Verhältnisses gebraucht, sollte jedoch den angegebe­nen Wert nicht überschreiten.

[0015] 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.

[0016] 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.

[0017] 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.

[0018] 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.

[0019] Auf diese Weise sind nach der Wärmebehandlung nur noch ge­ringe Bearbeitungen notwendig, wodurch ein erneutes Auftre­ten von Spannungen vermieden werden kann.

[0020] 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.

Ansprüche

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.