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PATENTANSPRÜCHE
1. Grauguss-Bremsklotz für Eisenbahnen, welcher Grauguss mehr als 2 Gewichtsprozent Phosphor enthält, dadurch gekennzeichnet, dass eine Menge an Schwefel gemäss der Formel S-(Mn/ 1,8) in Gewichtsprozent vorhanden ist, die nicht an Mangan gebunden ist.
2. Bremsklotz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge Phosphor nicht mehr als 6% beträgt und die gesamte Menge Schwefel 0,15% übersteigt.
Die vorliegende Erfindung betrifft die Metallurgie von Grauguss-Eisenbahnbremsklötzen gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 1.
Vom Standpunkt der voraussehbaren Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit aus ist Grauguss das beste Reibungsmaterial, das auf ein Eisenbahnwagenrad einwirkt, insbesondere wo die Unterhaltsanforderungen streng sind, wie im Fall des Bremsens während eines lange dauernden steilen Gefälles bei schweren Lasten.
Während vieler Jahre wurde normalerweise für Grauguss Eisenbahnbremsklötze eine Zusammensetzung von etwa 3% Kohlenstoff, 1,5% Silizium, nicht mehr als rund 0,15% Schwefel und nicht mehr als rund 1,5% Phosphor, und der Rest Eisen, abgesehen von Verunreinigung, als richtig befunden; Mangan wäre bei Verwendung von Schrotteisen oder Stahl für die Gewinnung von Gusseisen ebenfalls vorhanden. Sicher wurden Schwefel und Phosphor als unerwünschte Überbleibsel im Koks oder in der Metallschmelze zur Herstellung des Eisens eingestuft.
Eine Verbesserung in der Metallurgie der Grauguss-Eisenbahnbremsklötze ist im U.S. Patent Nr. 3 620 334 (siehe auch britisches Patent Nr. 1 238 646) beschrieben. Hier ist eine drastische Vergrösserung der Menge Phosphor vorgesehen, was zu einer unerwarteten Reduktion der Funken- und Flammenbildung führte und damit einen erheblichen Verdienst vom Standpunkt der Verringerung der Feuergefahr darstellte, welche Gefahr bisher als Folge von Funken, die zwischen dem Klotz und dem Radkranz erzeugt wurden, bestand.
Gleich wichtig ist aber die Tatsache, dass der höhere Phophorgehalt für eine Verminderung der Abnützung verantwortlich ist. Das bedeutet eine grössere Lebensdauer.
Die Grenze der verbesserten Leistungsfähigkeit scheint bei 2% (Gewicht) Phosphor aber ohne grössere Vorteile unterhalb einer oberen Grenze von 6% erreicht zu sein. Kohlenstoff und Silizium können in einem Prozentsatz von 6% oder weniger vorhanden sein, vorzugsweise 2,5-3,5% Kohlenstoff und 1,6-2,2% Silizium.
Der Graugussbremsklotz mit mehr als 2% Phosphor besteht hauptsächlich aus Körnern aus Austenit und/oder Ferrit (und Graphit) in einem Netz aus einem ternären Eutektikum (Steatit); das ist das Steatit, das die Austenit- und/oder Ferritkörner umgibt, wie durch die Mikrophotographie gezeigt ist. Das Steatit in einem typischen Guss (d.h. 2,8% Kohlenstoff, 3,0% Phosphor) erhärtet bei rund 9550C verglichen mit dem Material ausserhalb des Netzes, das bei rund 1 500C erhärtet. Das Steatit besteht aus Fe3C, Fe3P und Fe.
Es wird angenommen, dass das Steatitnetz, das durch die grosse Menge Phosphor gleichmässig wurde, für die unerwarteten Vorteile des hochphosphorhaltigen Materials verantwortlich ist. Das Eisen im Austenit kann verschiedene Formen annehmen, je nach dem Giessverfahren, das weder für ein Verständnis der vorliegenden Erfindung noch für deren Anwendung wichtig ist. Zum Beispiel kann die Sprödigkeit des Eisens durch Wärmebehandlung verändert werden, ebenfalls ohne Folgen auf den Umfang der Erfindung zu haben.
Die Erfindung ist gekennzeichnet durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des unabhängigen Patentanspruch 1.
Es wurde gefunden, dass ein Zusatz von 2-5% Phosphor eine weitere Verbesserung ergibt, wenn Schwefel in Mengen, die den Verschleiss noch weiter reduzieren, verwendet wird, d.h. die Lebensdauer des Bremsklotzes wird weiter verbessert, während die funken- oder flammenunterdrückende Rolle des Phosphors nur bis zu einem kleinen Ausmass beeinflusst wird.
Es wird angenommen, dass der verbesserte Verschleisswiderstand gemäss der Erfindung durch das mit FeS (Eisen.
sulfid) verstärkte Eutektikum bewirkt wird. Unabhängig von der Theorie bleibt, dass im ganzen der Verschleisswiderstand durch die Verwendung von zusätzlichem Schwefel zum Bedarf zur Bildung von MnS (Mangansulfid) verbessert wird.
Der Grund für den Ausgleich der Menge Schwefel zu MnS die nicht an Mangan gebunden ist, ist der, dass das verwendete Eisen Mangan enthalten muss, das sich bevorzugt mit Schwefel bindet. Dieses MnS ist ohne Zweifel mit den Austenit- und/oder Ferrit-Körnern, die ausserhalb des eutektischen Netzes liegen, verbunden.
Das Atomgewicht von Mangan ist 55, das von Schwefel 32, so dass für jedes Gewichtsprozent Schwefel Mangan im Verhältnis von 55/32 entsprechend 1,72 verbraucht wird.
Werden kleinere Mengen von ungebundenem Schwefel in der festen Schmelze und ähnliche geringe Einwirkungen erlaubt, kann die Menge (Gewichtsprozent) Schwefel, die nicht an Mangan gebunden ist und daher für das Eutektikum frei ist, mit S-(Mn/l,8) bezeichnet werden, das heisst, die Gewichtsprozente von nicht an Mangan gebundenem Schwefel minus die Gewichtsprozente von vorhandenem Mangan geteilt durch 1,8, wobei die Mengen analytisch festgestellt wurden.
Die in der Zeichnung dargestellte Kurve wurde mit den Daten in Tabelle I gezeichnet und diese Daten wurden mit einem Dynamometer gemessen, mit dem die Versuchsklötze mit einem normalen Klotz bezüglich des Abnutzungsverhältnisses verglichen wurden.
Der normale Klotz hatte die folgende (nominelle) Zusammensetzung: 2,8% Kohlenstoff, 2,1% Silizium und 3% Phosphor. Durch eine erste Messung der Abnutzung des normalen Klotzes und eine Messung der Abnutzung jedes folgenden Versuchsklotzes, alle bei gleichen Dynamometer-Bedingungen, war es möglich, die relativen Abnutzungswerte auszurechnen, das heisst: Versuchsklotz/normalem Klotz.
Tabelle (Gewichts %; nominell 3% P) Versuchsklotz %S %Mn S-(Mn/l,8) Abnutzungs verhältnis
1 0.45 0.30 0.283 0.41
2 0.33 0.36 0.13 0.67
3 0.43 0.27 0.28 0.34
4 0.41 0.40 0.188 0.30
5 0.41 0.42 0.177 0.64
6 0.38 0.30 0.213 0.47
7 0.33 0.30 0.163 0.57
8 0.215 0.36 0.015 0.87
9 0.335 0.53 0.041 0.82 10 0.27 0.42 0.037 0.87 11 0.375 0.49 0.103 0.64
Die Kurve zeigt, dass mit steigendem Schwefelgehalt das Abnutzungsverhältnis sinkt, das heisst, dass bei einer grös
seren Menge Schwefel als die, die sich mit Mangan verbindet, das Abnutzungsverhältnis sinkt. Im praktischen Sinn heisst dies, dass Eisenbahnbremsklötze bei zunehmendem Schwefelgehalt mehr Nothalte aushalten können, oder mehr und stärkere Bremsungen, was ebenfalls von erheblicher Wichtigkeit ist, wenn die Bremsen des Zuges während langer Zeit bei einem Gefälle in Berggebieten angezogen sind.
Der Bereich für Kohlenstoff und für Silizium wurde schon angegeben; Phosphor ist im Bereich von 2 bis 10% Gewicht, jedoch wird ein Bereich von 2,4 bis höchstens 5% bevorzugt.
Aus dem obigen ist ersichtlich, dass wenn der Klotz wenigstens 2% Phosphor enthält, dies grundsätzlich zur Verminderung der Flammtendenz führt, es ist aber möglich, wenigstens und erheblich mehr als 0,15% Schwefel zu tolerieren, ohne umgekehrte Effekte zu erzielen, sicherlich wird der Klotz noch verbessert, wie mit der Kurve nachgewiesen ist, die ganz zuletzt erlaubt, ein Eisen zu verwenden, das mehr Schwefel enthält als vorerst erwartet wurde.
Die Mikrophotographie (200 x vergrössert) ist typisch für den normalen Klotz und ebenso für die Versuchsklötze, die bei der Dynamometer-Prüfung verwendet wurden und zeigt das Steatit (weiss) und die umgebenden Körner von Austenit (schwarz).
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PATENT CLAIMS
1. Gray cast iron brake block for railways, which gray cast iron contains more than 2 weight percent phosphorus, characterized in that an amount of sulfur according to the formula S- (Mn / 1.8) is present in weight percent that is not bound to manganese.
2. Brake pad according to claim 1, characterized in that the amount of phosphorus is not more than 6% and the total amount of sulfur exceeds 0.15%.
The present invention relates to the metallurgy of cast iron railway brake blocks according to the preamble of independent claim 1.
From the standpoint of predictable performance and reliability, gray cast iron is the best friction material that acts on a railway wagon wheel, especially where the maintenance requirements are strict, such as in the case of braking during a long steep gradient with heavy loads.
For many years, for cast iron railroad brake pads, a composition of about 3% carbon, 1.5% silicon, no more than about 0.15% sulfur and no more than about 1.5% phosphorus, and the rest iron, apart from pollution, has normally , found to be correct; Manganese would also be present if scrap iron or steel were used to extract cast iron. Certainly, sulfur and phosphorus were classified as undesirable residues in the coke or in the molten metal for the production of iron.
An improvement in the metallurgy of the cast iron railway brake pads is in the U.S. Patent No. 3,620,334 (see also British Patent No. 1,238,646). Here, a drastic increase in the amount of phosphorus is envisaged, which led to an unexpected reduction in sparking and flame formation and thus represented a considerable merit from the point of view of reducing the risk of fire, which danger has hitherto resulted from sparks generated between the block and the rim were existed.
However, the fact that the higher phosphorus content is responsible for a reduction in wear is equally important. That means a longer lifespan.
The limit of improved performance seems to have been reached with 2% (weight) phosphorus without major advantages below an upper limit of 6%. Carbon and silicon can be present in a percentage of 6% or less, preferably 2.5-3.5% carbon and 1.6-2.2% silicon.
The cast iron brake block with more than 2% phosphorus consists mainly of grains of austenite and / or ferrite (and graphite) in a network of a ternary eutectic (steatite); this is the steatite that surrounds the austenite and / or ferrite grains, as shown by the photomicrograph. The steatite in a typical casting (i.e. 2.8% carbon, 3.0% phosphorus) hardens at around 9550C compared to the material outside the mesh, which hardens at around 1500C. The steatite consists of Fe3C, Fe3P and Fe.
It is believed that the steatite network, which became uniform due to the large amount of phosphorus, is responsible for the unexpected advantages of the high-phosphorus material. The iron in austenite can take various forms, depending on the casting process, which is neither important for an understanding of the present invention nor for its application. For example, the brittleness of iron can be changed by heat treatment, also without affecting the scope of the invention.
The invention is characterized by the features in the characterizing part of independent claim 1.
It has been found that adding 2-5% phosphorus gives a further improvement when sulfur is used in amounts that further reduce wear, i.e. the lifespan of the brake pad is further improved, while the spark or flame-suppressing role of phosphorus is only influenced to a small extent.
It is believed that the improved wear resistance according to the invention is due to the FeS (iron.
sulfide) reinforced eutectic is effected. Regardless of the theory, it remains that wear resistance as a whole is improved by the use of additional sulfur for the need to form MnS (manganese sulfide).
The reason for balancing the amount of sulfur to MnS that is not bound to manganese is that the iron used must contain manganese, which preferentially binds with sulfur. This MnS is undoubtedly connected to the austenite and / or ferrite grains that lie outside the eutectic network.
The atomic weight of manganese is 55, that of sulfur 32, so that for each weight percent of sulfur manganese in the ratio 55/32 is consumed correspondingly 1.72.
If smaller amounts of unbound sulfur in the solid melt and similar minor effects are permitted, the amount (percent by weight) of sulfur which is not bound to manganese and is therefore free for the eutectic can be designated S- (Mn / 1.8) , that is, the weight percent of sulfur not bound to manganese minus the weight percent of manganese present divided by 1.8, the amounts being determined analytically.
The curve shown in the drawing was drawn with the data in Table I and this data was measured with a dynamometer which was used to compare the test blocks with a normal block in terms of wear ratio.
The normal block had the following (nominal) composition: 2.8% carbon, 2.1% silicon and 3% phosphorus. By a first measurement of the wear of the normal block and a measurement of the wear of each subsequent test block, all under the same dynamometer conditions, it was possible to calculate the relative wear values, that is: test block / normal block.
Table (weight%; nominal 3% P) test block% S% Mn S- (Mn / l, 8) wear ratio
1 0.45 0.30 0.283 0.41
2 0.33 0.36 0.13 0.67
3 0.43 0.27 0.28 0.34
4 0.41 0.40 0.188 0.30
5 0.41 0.42 0.177 0.64
6 0.38 0.30 0.213 0.47
7 0.33 0.30 0.163 0.57
8 0.215 0.36 0.015 0.87
9 0.335 0.53 0.041 0.82 10 0.27 0.42 0.037 0.87 11 0.375 0.49 0.103 0.64
The curve shows that as the sulfur content increases, the wear ratio decreases, which means that one increases
amount of sulfur than that associated with manganese, the wear ratio decreases. In practical terms, this means that, as the sulfur content increases, rail brake pads can withstand more emergency stops or more and stronger braking, which is also of considerable importance if the train's brakes are applied for a long time on a downhill slope in mountain areas.
The range for carbon and for silicon has already been specified; Phosphorus is in the range of 2 to 10% by weight, however a range of 2.4 to at most 5% is preferred.
From the above it can be seen that if the block contains at least 2% phosphorus, this basically leads to a reduction in the flame tendency, but it is possible to tolerate at least and considerably more than 0.15% sulfur without achieving reverse effects the block is still improved, as evidenced by the curve that allows the use of an iron that contains more sulfur than was initially expected.
The photomicrograph (magnified 200 x) is typical for the normal block and also for the test blocks used in the dynamometer test and shows the steatite (white) and the surrounding grains of austenite (black).