Die Erfindung bezieht sich auf eine Sphärogusslegierung für Gusseisenprodukte mit einer hohen mechanischen Festigkeit, einer hohen Verschleissfestigkeit und gleichzeitig einer hohen Zähigkeit, umfassend als Nicht-Eisenbestandteile C, Si, P, Mg, Cr, Al, S, B, Cu, Mn und den üblichen Verunreinigungen.

Im Kraftfahrzeugbau werden Gusseisenlegierungen verwendet für die Herstellung von Gussteilen, die eine hohe Verschleissfestigkeit haben müssen, beispielsweise Bremsscheiben, die beim Bremsvorgang die kinetische Energie des Fahrzeuges in thermische Energie umwandeln müssen. Die Bremsscheiben können dabei Temperaturen bis ca. 850 °C erreichen. Beim Bremsvorgang werden nicht nur die Bremsbeläge, sondern auch die Bremsscheiben abgenutzt. Bremsscheiben weisen einen unregelmässigen Verschleiss auf und müssen oft noch während der Garantieperiode mit hohen Kosten für den Automobilhersteller ersetzt werden. Damit die Abnutzung an der Oberfläche der Bremsscheibe möglichst gleichmässig stattfindet, werden hohe Ansprüche an das Kristallgefüge und an die Homogenität des Gefüges gestellt. Durch ein geeignetes Giessverfahren kann die Homogenität verbessert werden.

Aus der GB 832 666 ist eine Gusseisenlegierung mit als Nicht-Eisenbestandteilen 1,0 bis 2,5 Gew.% C, 1,5 bis 3,2 Gew.% Si, weniger als 1,15 Gew.% Mn, weniger als 0,5 Gew.% S und 0,001 bis 0,05 Gew.% B bekannt. Nach dem Giessen bildet sich der Graphitanteil in der kompakten Form aus. Es liegt, weil die Legierung kein Mg enthält, kein Kugelgraphit oder Vermiculargraphit, sondern überwiegend eine Graphitausbildung vor, die ähnlich aussieht wie die Temperkohleknoten von Temperguss. Die Legierung enthält 5 bis 10 % Karbide in einer überwiegend perlitischen Matrix, was zur Folge hat, dass die Bruchdehnung relativ niedrig wird. Um die Bildung von Lamellengraphit zu begrenzen und somit den Elastizitätsmodulus zu verbessern, werden als Legierungselemente Tellur und Wismuth beigemischt. Höhere Bruchdehnungswerte werden durch eine anschliessende Wärmebehandlung erreicht.

Aus der US 2004/0112479-A1 ist eine weitere Gusseisenlegierung bekannt, die vorzugsweise 3,7 Gew.% C, 2,5 Gew.% Si, 1,85 Gew.% Ni, 0,85 Gew.% Cu und 0,05 Gew.% Mo enthält. Dieser Werkstoff zeichnet sich aus durch eine Dehnung von 20 bis 16 % bei einer Zugfestigkeit von 500 bis 900 MPa und durch eine Brinell-Härte von 180 bis 290 HB. Diese Eigenschaften werden erreicht nach einer zeitaufwendigen Wärmebehandlung, die nacheinander folgende Schritte umfasst: 10 bis 360 Minuten Austenitisieren bei Temperaturen zwischen 750 und 790 °C, rasches Abkühlen in einem Salzbad auf einer Temperatur zwischen 300 und 400 °C, 1 bis 3 Stunden Austempern bei Temperaturen zwischen 300 und 400 °C und Abkühlen auf Raumtemperatur. Nach dieser Behandlung hat der Werkstoff ein Gefüge mit einer austenitischen und ferritischen Mikrostruktur. Der Werkstoff zeichnet sich aus durch eine leichtere maschinelle Bearbeitbarkeit als ein Gusseisen, das auf übliche Art einer Austemperung unterworfen wurde.

Aus der DE 101 29 382 A1 ist eine Sphärogusslegierung für Gusseisenprodukte mit einer plastischen Verformbarkeit bekannt, wobei die Sphärogusslegierung als Nicht-Eisenbestandteile zumindest die Elemente C, Si, Mn, Cu, Mg, S und als Beimengungen eines oder mehrere Elemente aus der Gruppe IIIb des Periodensystems enthält, wobei die Legierung als Beimengung zumindest das Element Bor enthält und wobei der Si-Gehalt mehr als 2,4 % beträgt.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine Gusseisenlegierung anzugeben, die aus möglichst kostengünstigen Elementen hergestellt wird, wobei die Gussteile ohne eine zusätzliche Wärmebehandlung eine möglichst hohe Temperaturbeständigkeit und Festigkeit, insbesondere Verschleissfestigkeit und gleichzeitig eine sehr hohe Zähigkeit haben.

Diese Aufgabe wird durch eine Sphärogusslegierung für Gusseisenprodukte mit einer hohen mechanischen Festigkeit, einer hohen Verschleissfestigkeit und gleichzeitig einer hohen Zähigkeit, umfassend als Nicht-Eisenbestandteile C, Si, P, Mg, Cr, Al, S, B, Cu, Mn und den üblichen Verunreinigungen gemäß Anspruch 1 gelöst, wobei die Legierung 3,0 bis 3,7 Gew.% C, 2,6 bis 3,4 Gew.% Si, 0,02 bis 0,05 Gew.% P, 0,025 bis 0,045 Gew.% Mg, 0,01 bis 0,03 Gew.% Cr, 0,003 bis 0,017 Gew.% Al, 0,0005 bis 0,012 Gew.% S und 0,0004 bis 0,002 Gew.% B, 0,1 bis 1,5 Gew.% Cu, vorzugsweise 0,5 bis 0,8 Gew.% Cu und 0,1 bis 1,0 Gew.% Mn, vorzugsweise 0,15 bis 0,2 Gew.% Mn, Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen enthält.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen 2-17.

Es ist von Vorteil, dass die Legierung ein möglichst gutes Festigkeits-Dehnungsverhalten hat. Dies wird dadurch erreicht, dass die Sphärogusslegierung 0,1 bis 1,5 Gew.% Cu, vorzugsweise 0,5 bis 0,8 Gew.% Cu enthält. Dies wird auch dadurch erreicht, dass die Legierung 0,1 bis 1,0 Gew.% Mn, vorzugsweise 0,15 bis 0,2 Gew.% Mn enthält.

Es ist weiterhin auch von Vorteil dass die Legierung ein möglichst gutes Verschleissverhalten hat. Dies wird dadurch erreicht, dass die Legierung 0,1 bis 1,5 Gew.% Cu, vorzugsweise 0,5 bis 0,8 Gew.% Cu und 0,1 bis 1,0 Gew.% Mn, vorzugsweise 0,15 bis 0,2 Gew.% Mn enthält. Dies wird auch dadurch erreicht, dass die Legierung 0,1 bis 1,5 Gew.% Mn, vorzugsweise 0,5 bis 1,0 Gew.% Mn und 0,05 bis 1,0 Gew.% Cu, vorzugsweise 0,05 bis 0,2 Gew.% Cu enthält.

Der Kerngedanke der Erfindung ist es eine Gusseisenlegierung anzugeben, die eine Brinellhärte von mehr als 220 aufweist und die bei dem Einsatz als Bremsscheibe möglichst gleichmässig abgenutzt wird. Der Graphit in der Gusseisenlegierung kann sphäroidal (=kugelförmig) oder vermicular

(=würmchenförmig), jedoch nicht lamellar (=plättchenförmig) ausgebildet sein. Bremsscheiben mit Lamellargraphit sind zwar preisgünstig, weisen aber eine geringere Beständigkeit gegen Temperaturwechsel auf. Dadurch kann es schon nach kurzer Einsatzzeit zu so genannten Brandrissen kommen, die schnell weiter wachsen und zu Unebenheiten der Oberfläche führen. Eine unebene Oberfläche führt wiederum zu ungleichmässiger Temperaturbelastung, unregelmässigem Verschleiss und zum so genannten Bremsrubbeln.

Weitere Anwendungen der erfindungsgemässen Sphärogusslegierung sind Achs- und Fahrwerksteile für Lastkraftwagen und für Personenkraftwagen, wie beispielsweise Querlenker, Radträger und Schwenklager, welche hohen mechanischen und dynamischen Belastungen ausgesetzt sind und welche sich im Falle eines Zusammenstosses des Kraftwagens plastisch verformen müssen und nicht brechen dürfen.

Eine Bremsscheibe wurde aus der erfindungsgemässen Sphärogusslegierung gefertigt. Die chemische Zusammensetzung betrug 3,34 Gew.% C, 2,92 Gew.% Si, 0,62 Gew.% Cu, 0,17 Gew.% Mn, 0,038 Gew.% Mg, 0,025 Gew.% P, 0,021 Gew.% Cr, 0,01 Gew.% Al, 0,001 Gew.% S und 0,0008 Gew.% B, Rest Fe und den üblichen Verunreinigungen. Die Bremsscheibe wurde untersucht auf Sphärolithenzahl, Graphitgehalt, Graphitform und Graphitgrösse, Perlitgehalt und Brinellhärte. Proben aus der Bremsscheibe wurden einem Zugversuch unterworfen um das Festigkeits-Dehnungsverhalten festzustellen. Die Spärolithenzahl beträgt 384 +/- 76 Sphärolithen pro mm². Der Graphitgehalt 9,7 +/-0,7 %. Die Graphitform nach DIN EN ISO 945 ist zu 97.9 % von der Form VI. Die Grössenverteilung nach DIN EN ISO 945 ist 45 % der Grösse 8, 42 % der Grösse 7 und 13 % der Grösse 6. Der Perlitgehalt beträgt 84 +/- 1%. Die Brinellhärte beträgt 248 +/- 3 HB. Beim Zugversuch wurden folgende Werte festgestellt: Dehngrenze R_p 0.2 = 474 MPa, Zugfestigkeit Rm = 778 MPa, Bruchdehnung A5 =11,4 % und Elastizitätsmodulus E = 165 bis 170 kN/mm².

Im Vergleich mit den bekannten Werkstoffen für Bremsscheiben konnte ein wesentlich besseres Oxidationsverhalten (siehe Figur 1) und eine stark reduzierte Neigung zu Brandrissbildung (siehe Figuren 2 und 3) festgestellt werden. Das Oxidationsverhalten und somit auch das Verschleissverhalten wird wesentlich verbessert durch die Zugabe einer Mischung von Kupfer und/oder Mangan zur Sphärogusslegierung.

In Figur 1 ist die Gewichtszunahme in Gramm pro Quadratmeter und Tag durch Oxidation bei 700°C an Luft dargestellt. Der erfindungsgemässe Werkstoff zeigt eine Gewichtszunahme von ca. 9 g/m².d im Vergleich zu einem Gusseisenwerkstoff für konventionelle Bremsscheiben mit einer Gewichtszunahme von ca. 21 g/m².d.

Die Versuche zur Prüfung auf Brandrissbildung wurden wie folgt durchgeführt: Eine Probe mit den Abmessungen 40 x 20 x 7 mm wird mindestens 100 Zyklen bestehend aus 7 Sekunden Aufheizen auf 700°C und 6 Sekunden Abschrecken in Wasser unterworfen. Anschliessend werden Querschliffe hergestellt und unter dem Mikroskop untersucht und fotografiert.

In Figur 2 ist ein Mikrofoto einer handelsüblichen Bremsscheibe mit einem Brandriss von 0,4 mm Tiefe dargestellt. In Figur 3 ist ein weiteres Mikrofoto der erfindungsgemässen Bremsscheibe bei gleicher Vergrösserung mit einem Brandriss von 0,14 mm Tiefe dargestellt.

Ein Querlenker für Personenkraftwagen wurde aus der erfindungsgemässen Sphärogusslegierung gefertigt. Die chemische Zusammensetzung betrug 3,5 Gew.% C, 2,85 Gew.% Si, 0,63 Gew.% Cu, 0,18 Gew.% Mn, 0,038 Gew.% Mg, 0,026 Gew.% P, 0,029 Gew.% Cr, 0,004 Gew.% Al, 0,001 Gew.% S und 0,0007 Gew.% B, Rest Fe und den üblichen Verunreinigungen. Beim Zugversuch wurden folgende Werte festgestellt: Dehngrenze R_p 0.2 = 465 MPa, Zugfestigkeit Rm = 757 Mpa, Bruchdehnung A5 =11,1 % und Elastizitätsmodulus E = 165 bis 170 kN/mm². Die Brinellhärte beträgt 258 +/- 3 HB.

Ein Radträger für Personenkraftwagen wurde aus der erfindungsgemässen Sphärogusslegierung gefertigt. Die chemische Zusammensetzung betrug 3,43 Gew.% C, 3,38 Gew.% Si, 0,71 Gew.% Cu, 0,2 Gew.% Mn, 0,037 Gew.% Mg, 0,047 Gew.% P, 0,043 Gew.% Cr, 0,012 Gew.% Al, 0,004 Gew.% S und 0,0008 Gew.% B, Rest Fe und den üblichen Verunreinigungen. Beim Zugversuch wurden folgende Werte festgestellt: Dehngrenze R_p 0.2 = 558 MPa, Zugfestigkeit Rm = 862 MPa und Bruchdehnung A5 =6,1 %. Die Brinellhärte beträgt 288 HB. Die Sphärolithenzahl im Mikrogefüge wurde zu 455 Sphärolithen pro mm² ermittelt.

In Figur 4 ist die Bruchdehnung A5 in Funktion der Zugfestigkeit Rm dargestellt. Die durchgezogene Linie gibt die Mindestwerte gemäss der Norm EN 1563 für Gusseisen mit Kugelgraphit von im Gusszustand hergestellten Sorten an. Die Messungen des erfindungsgemässen Werkstoffes sind gemäss der oben aufgeführten Beispiele 1 bis 3 mit eingetragen.

In Figur 5 ist die Bruchdehnung A5 in Funktion der Dehngrenze R_p 0.2 dargestellt. Die durchgezogene Linie gibt die Mindestwerte gemäss der Norm EN 1563 für Gusseisen mit Kugelgraphit an von im Gusszustand hergestellte Sorten an. Die Messungen des erfindungsgemässen Werkstoffes sind gemäss der oben aufgeführten Beispiele 1 bis 3 mit eingetragen.

Die Werkstoffeigenschaften der erfindungsgemässen Sphärogusslegierung liegen damit weit über der Europäischen Norm EN 1563 für Gusseisen mit Kugelgraphit und erreichen sogar die Werte von ADI (= Austempered Ductile Iron), einem durch eine sehr aufwendige Wärmebehandlung erzeugten, in grösseren Wanddicken nur durch Zulegieren der teuren Elemente Nickel und/oder Molybdän realisierbaren und damit entsprechend teuren Eisengusswerkstoff, der in Europa unter EN 1564 genormt ist.

Figur 6 zeigt die Festigkeitsbereiche gegenüber der Bruchdehnung der Werkstoffe Aluminiumgusslegierungen, Gusseisen mit Kugelgraphit, ADI und des erfindungsgemässen Werkstoffs mit den eingetragenen Beispielen 1 bis 3.

Die Gleichmässigkeit des Gefüges wird auch durch ein neues Giessverfahren erreicht. Die Giessform wird waagrecht statt senkrecht geteilt, wobei die Bremsscheiben waagrecht angeordnet sind und die Befüllung der Giessform von der Mitte aus zum Rand der Bremsscheibe durchgeführt wird. Dies hat zur Folge, dass die Giessform rotationssymmetrisch gefüllt wird und dass die Bremsscheibe nach dem Giessen von Innen nach Aussen gleichmässig abkühlt. Dadurch entsteht über den gesamten Umfang der Bremsscheibe ein gleichmässiges, homogenes Gefüge. Eine nachträgliche Wärmebehandlung, die zeitaufwendig ist und Kosten verursacht, ist nicht mehr erforderlich.