CS249102B2

CS249102B2 - Grey cast iron for friction components

Info

Publication number: CS249102B2
Application number: CS75280A
Authority: CS
Inventors: Barbara J Chapman; Stockport Chinley; Donald Hatch
Original assignee: Ferodo Ltd
Priority date: 1974-01-15
Filing date: 1975-01-15
Publication date: 1987-03-12
Also published as: DE2501083B2; DD119440A5; JPS5510645B2; SE431470B; CH606856A5; DE2501083A1; NL7500298A; FR2257906B1; ES433821A1; AU7684574A; LU71642A1; BE824417A; FR2257906A1; SU578020A3; CA1049791A; GB1472292A; ZA748039B; JPS50123516A; IT1026269B; SE7500316L

Abstract

1472292 Cast iron friction components FERODO Ltd 15 Jan 1975 [15 Jan 1974] 01861/74 Heading C7A The friction characteristics and wear properties of grey cast iron are controlled by adjusting the total content of Ti, V and Nb to a predetermined level which is below 0À15 by wt per cent. That level may be below 0À015% to produce a high wear rate and friction coefficient, or above 0À075% to provide low values of those properties. The amount of the critical elements may be increased by the addition of ferro-alloys, or reduced by dilution.

Description

Vynález se týká šedé litiny pro třecí strojní součástky, zejména součástky . brzd vozidel.The invention relates to gray cast iron for friction machine parts, in particular parts. vehicle brakes.

Je známo, že třecí vlastnosti materiálů používaných v součástech brzdných systémů mohou mít značné výchylky, což má za následek ztrátu požadovaných brzdných účinků, a to i mezi vsázkami materiálů stejných jmenovitých vlastností. Například složení třecího obkládacího materiálu pro přítlačné členy kotoučových brzd nebo čelistí bubnových brzd musí být přísně kontrolováno, má-li se dosáhnout požadované rychlosti opotřebení a součinitelů tření. K výchylkám dochází v těchto vlastnostech rovněž u protilehlého členu, tj. například samotného brzdového kotouče nebo bubnu, které jsou obvykle vytvořeny z šedé litiny s vločkovým grafitem, i když materiál má stejné jmenovité složení. U dvou pecních vsázek se stejným obsahem základních prvků může mít výsledná šedá litina rozdílné třecí parametry. Zjistilo se, že výchylky v třecích vlastnostech takového protilehlého členil brzdy zhotoveného z šedé litiny překvapivě vyplývají z výchylek v obsahu poměrně nepatrných množství nečistot.It is known that the frictional properties of the materials used in the components of the braking systems may have considerable variations, resulting in the loss of the desired braking effects, even between batches of materials of the same rated properties. For example, the composition of the friction lining material for the disc brake pads or drum brake shoes must be strictly controlled to achieve the desired wear rate and friction coefficients. Variations in these characteristics also occur in the opposite member, i.e., the brake disc or drum itself, which are usually made of flake graphite gray cast iron, even if the material has the same nominal composition. In two furnace batches with the same content of basic elements, the resulting gray cast iron may have different friction parameters. Surprisingly, variations in the frictional properties of such opposed articulated brakes made of gray cast iron have been found to result from variations in relatively small amounts of impurities.

Vynález vychází ze zjištění, že třecí vlastnosti šedé litiny lze ovládat udržováním obsasahu titanu, vanadu a niobu, které jsou normálně přítomné v litině jako nečistoty, v předem určených mezích. Jeho podstatou je šedá litina, obsahující železo v % hmot. 1,5 až 4 % uhlíku, 1 až 3 % křemíku, 0,2 až 2 % manganu, nejvýše 0,15 % síry, nejvýše 0,1 % fosforu a titan, vanad a niob ve formě nečistot, přičemž podstata vynálezu spočívá v tom, že obsah titanu, vanadu a niobu je udržován v mezích od 0,001 do 0,15 °/o.The invention is based on the finding that the frictional properties of gray cast iron can be controlled by keeping the titanium, vanadium and niobium contents normally present in the cast iron as impurities within predetermined limits. Its essence is gray iron, containing iron in% by weight. 1.5 to 4% carbon, 1 to 3% silicon, 0.2 to 2% manganese, at most 0.15% sulfur, at most 0.1% phosphorus and titanium, vanadium and niobium in the form of impurities, the present invention being wherein the titanium, vanadium and niobium contents are maintained within the range of 0.001 to 0.15%.

Udržováním výše uvedených nečistot v udaných mezích se umožňuje dosáhnout stálých třecích vlastností brzdných součástek vyrobených z této šedé litiny, a to bez výchylek. Umožňuje se zejména reprodukovatelnost třecích vlastností šedé litiny od vsázky k vsázce.By keeping the above-mentioned impurities within the specified limits, it is possible to achieve a constant frictional performance of the braking components made of this gray cast iron, without deviations. In particular, it is possible to reproduce the frictional properties of gray cast iron from batch to batch.

Kov, který má v prvé řadě vliv na výchylky v třecích vlastnostech, je titan, který vytváří tvrdý karbid s vysokým bodem tání, nebo tak zvaný tltan-karbonitridový komplex, který je normálně nerozpustný v železné matečné hmotě. Titan je téměř vždy přítomen v litině jako nečistota, a to až do úrovně 0,1 % hmot. Bylo zjištěno, že výchylky v obsahu titanu a/nebo vanadu a/nebo niobu v tomto poměrně úzkém rozmezí mají za následek významné rozdíly v třecích vlastnostech protilehlého členu brzdy, který má jinak shodné materiálové složení.The metal which primarily affects the variations in the frictional properties is titanium, which forms a hard carbide with a high melting point, or the so-called titanium-carbonitride complex, which is normally insoluble in the iron matrix. Titanium is almost always present in the cast iron as an impurity, up to 0.1% by weight. It has been found that variations in titanium and / or vanadium and / or niobium content within this relatively narrow range result in significant differences in the frictional properties of the opposite brake member having an otherwise identical material composition.

Šedá litina s vločkovým grafitem byla vždy pokládána za vyhovující z hlediska jejích třecích vlastností a pozornost proto byla po mnoho let zaměřena na „vnější“ příčiny výchylek třecích vlastností a vznikaly domněnky, že výchylky vyplývaly z tloušťky kovového protilehlého členu brzdy, chladicího účinku sousedních kovových konstruk cí a z jiných vnějších faktorů. Zjistilo se, že velikost grafitových vloček v litině má malý nebo vůbec žádný vliv na normální třecí vlastnosti a rychlost opotřebení brzdových rotorů a proto · je o to více překvapující, že výchylky takových nepatrných množství titanu, vanadu a/nebo niobu by mohly způsobit takové výchylky v třecích vlastnostech šedé litiny. Účinky jiných odchylek, ke kterým běžně dochází mezi kompozicemi šedé litiny používanými na brzdové rotory, jako obsah fosfidů, tvrdost matečné hmoty atd., které mohou spolu se strukturou grafitových vloček ovlivnit třecí vlastnosti a opoúčlnkem velmi tvrdých rozptýlených částic.Gray cast iron with flake graphite has always been considered satisfactory in terms of its frictional properties, and therefore attention has been focused for many years on the "external" causes of friction variations, suggesting that the variations result from the thickness of the metal opposite brake member, the cooling effect of adjacent metal structures. and other external factors. It has been found that the size of the graphite flakes in cast iron has little or no effect on the normal frictional properties and wear rate of the brake rotors and is therefore all the more surprising that variations in such small amounts of titanium, vanadium and / or niobium could cause such variations. in the frictional properties of gray cast iron. Effects of other deviations commonly occurring between gray cast iron compositions used for brake rotors, such as phosphide content, motherboard hardness, etc., which, together with the graphite flakes structure, can affect the frictional properties and the opacity of very hard dispersed particles.

Ovládání celkového obsahu takových prvků jako titanu, vanadu a/nebo niobu na hodnoty pod 0,15 % hmot, zajišťuje, že třecí vlastnosti a opotřebitelnost třecího materiálu běžně používaného při brzdění silničních vozidel budou v blízkosti horní meze rozmezí hodnot, které jsou pro tento materiál považovány za normální, a ovládání celkového obsahu na hodnoty vyšší než 0,075 % zajišťuje, že třecí vlastnosti a opotřebitelnost ma. teriálu budou v blízkosti dolní meze tohoto rozmezí, které je pro daný materiál pokládáno za normální. Horní mez přitom obvykle leží pod úrovní, která má za následek významné strukturální změny v litině.Controlling the total content of such elements as titanium, vanadium and / or niobium to values below 0.15% by weight ensures that the frictional properties and wear of the friction material commonly used in braking road vehicles are close to the upper limit of the value range for that material. considered to be normal, and controlling the total content at values greater than 0.075% ensures that the frictional properties and wear and tear. material will be near the lower limit of this range, which is considered normal for the material. The upper limit is usually below the level which results in significant structural changes in the cast iron.

Je zřejmé, že pojmy „horní mez“ a „dolní mez“ jsou použity v relativním smyslu, neboť je zapotřebí zvolit standardní podmínky pro určení třecích vlastností protilehlého členu brzdy. To znamená, že je třeba zvolit normální pracovní podmínky, standardní materiál pro třecí obložení a pevně stanovený bzdný tlak, mají-li se určit třecí vlastnosti. Za těchto podmínek může být „horní“ koeficient tření o 50 % vyšší než „dolní“ koeficient tření.Obviously, the terms "upper limit" and "lower limit" are used in a relative sense, as it is necessary to select standard conditions for determining the frictional properties of the opposite brake member. This means that normal working conditions, standard friction lining material and a fixed braking pressure should be selected to determine friction properties. Under these conditions, the 'upper' coefficient of friction may be 50% higher than the 'lower' coefficient of friction.

Obsah prvku schopného vytvářet tvrdý karbid s vysokým bodem tání (nebo jejich komplex) lze určit jakýmkoli známým metalurgickým postupem; například obsah titanu lze určit spektrograficky v průběhu normálních zkoušek kvality taveniny, například při určování obsahu křemíku při kontrole vlastností litiny pro odlévání do kokil.The content of the high melting point carbide element (or a complex thereof) can be determined by any known metallurgical process; for example, the titanium content can be determined spectrographically during normal melt quality tests, for example, in determining the silicon content in controlling cast iron properties for casting into the ingot molds.

Obsah kovu vytvářejícího tvrdé rozptýlené částice lze měnit podle potřeby na požadovanou hodnotu normálními metalurgickými postupy. Obsah titanu lze například zvýšit přidáním titanu ve formě ferotitanu do taveniny.The content of the metal forming the hard dispersed particles can be varied as desired by normal metallurgical processes. For example, the titanium content can be increased by adding titanium ferrotitanium to the melt.

I když titan je prvek, který se zcela běžně vyskytuje v litině vzhledem k různícím se množstvím přítomným v použité surovině, lze přidávat další prvky, které normálně nejsou přítomny ve významnějších množstvích. Lze použít jakýchkoli prvků, které vytvářejí velmi tvrdé rozptýlené částice, jako výše uvedený vanad a niob. Například je velmi výhodné přidat do roztavené litiny za účelem ovládání třecích vlastností a opotřebitelnosti vanad (ve formě ferrovanadu), přičemž obsah titanu v roztavené litině se „dovrší“ použitím vanadu jako přísady.Although titanium is an element that is commonly found in cast iron due to varying amounts present in the raw material used, other elements that are not normally present in significant amounts can be added. Any elements that produce very hard dispersed particles, such as vanadium and niobium, can be used. For example, it is very advantageous to add vanadium (in the form of ferrovanadium) to the molten cast iron in order to control the frictional properties and wear properties, wherein the titanium content of the molten iron is "completed" by using vanadium as an additive.

Příklady, tabelárně sestavené v následující tabulce, znázorňují nejvýhodnější provedení vynálezu. V tabulce tvoří zbytek složek litiny zde uváděných do 100 % samozřejmě železo. Příklady V a VII znázorňují účinek získaný přidáním vymezeného množství vanadu do litiny z příkladu I a příkladThe examples tabulated in the following table illustrate the most preferred embodiments of the invention. Of course, in the table, the remainder of the cast iron components mentioned here are 100% iron. Examples V and VII illustrate the effect obtained by adding a defined amount of vanadium to the cast iron of Example I and Example

VIII ukazuje účinek přidání vymezeného množství titanu do litiny z příkladu II (přidání těchto kontrolovaných množství bylo provedeno normálními metalurgickými postupy). Zbývajících příkladů lze použít pro znázornění účinku postupně se zvyšujícího obsahu titanu při stálé kontrole obsahu v různých kompozicích šedé litiny.VIII shows the effect of adding a limited amount of titanium to the cast iron of Example II (addition of these controlled amounts was accomplished by normal metallurgical procedures). The remaining examples can be used to illustrate the effect of a gradually increasing titanium content while constantly checking the content in various gray cast iron compositions.

H—1H — 1

tM tM o o o o LD 00 O O LD 00 O O CM CM CD CD CD CD (D (D CO rH CO rH CD CD^ 00 r-^ CD CD ^ 00 r- ^ 1 ^ю.1 ^ю . CD^UD CD ^ UD CO CM CO CM O O” rH cd” O O ”rH cd” rH rH θ' θ ' rH rH rH rH rH rH oo oo iM iM

Složení [ % hmot.) Příklad a vlastnosti I II III IV V VI VII VIIIComposition [% by weight] Example and properties I II III IV V VI VII VIII

id co ooid co oo

O LO CM CO O. tH M^-1 CDO LO CM CO O. tH M ^-1 CD

CM т-H cd O CD^ CD^ cd 0O со” См” CD o Cd” Cd” O rHCM т-H CD O CD ^ CD ^ cd 0O со ”См” CD o Cd ”Cd” O rH

CO WHAT CM CM^LD^ CM CM ^ LD ^ ’Φ ’Φ CD CD ’φ” ’Φ” rH rH rH rH o” O" cd” CD" ’φ ’Φ 00 00 rH rH

CD CD CO CD CO CD CD' CD' OO” OO ” rH rH rH rH oo” oo ” ’Φ ’Φ 00 00 rH rH rH rH

LO c\]LO c \]

ОЮСМСООхтНСМСМ CM rH CD^ CD (D CD CD ID CO Cm” CD” o” o” o” CD rHОЮСМСООхтНСМСМ CM rH CD ^ CD (CD CD ID CO Cm ”CD” o ”o” o ”CD rH

CM CM CD CD^ CD CD ^ O O ’Φ ’Φ СТ)” СТ) ” со” тн” со ”тн” ’φ” ’Φ” oo” oo ” *φ * φ ID ID tH tH

CO CDCO CD

CM 00 o o co cm ’Ф CM^ CO rH (D oo” cm” cd” cd cd cdCM 00 about what cm ’^ CM ^ CO rH (D” cm cm cd cd cd cd cd

D D 00 00 CD CD^IM CD CD ^ IM <D <D tH tH CM rH CM rH cd” CD" ’Φ ’Φ Φ Φ tH tH

oo co co ID rH co in rH CM (M CD 00~ CD <D CD | tr co” rH CD~ o” o” cd” rHoo what co rH co in rH CM (M CD 00 ~ CD <D CD | tr co ”rH CD ~ o” o ”cd” rH

ID CM CD LO CM CD t>. T-H CM HCDO^CDO co” cm” cd” o” cd” oID CD CD LO CM CD t>. T-H CM HCDO ^ CDO co ”cm” cd ”o” cd ”o

CD_ oTCD_ oT

CMCM

D D C0~ C0 ~ 00 00 ^φ” ^ φ ” oo” rH oo ”rH co” what" oo” oo ” CD CD CO WHAT rH rH

<ф<ф

Ν X CD Η H CM DXlíWHO I rH co” rH” 0' o” cd” cT cm”Ν X CD Η H CM DXLWHO I rH what ”rH” 0 'o ”cd” cT cm ”

00 ° ° 00 ° CD CD ’φ” о ’Φ” о oo” cm” oo ”cm” oo” ’ф oo ”’ ф o” rH o ”rH tH tH rH rH

I CD O 00 I ¹ rH oo” 'Φ ooI CD 00 00 ^{1 1} rH oo '' Φ oo

2 setí O Ф2 sowing O Ф

а P< o oа P <o o

243102243102

Tabulka znázorňuje tyto účinky, když se brzdové kotouče, vyrobené z litinových materiálů, zkouší v záběru s jedním nebo oběma typy běžné kvality na trhu dostupných přítlačných členů brzdových kotoučů, dále označovanými Materiál A a Materiál B. Dále je popisován zkušební postup.The table illustrates these effects when brake discs made of cast iron materials are tested in engagement with one or both of the common quality types of commercially available brake disc thrust members, hereinafter referred to as Material A and Material B. The test procedure is described below.

Zkušební postupTest procedure

Přítlačné členy kotoučových brzd ve skutečné velikosti (typu Girling 16P) se osadí do běžné (typu Girling 16P) brzdové sestavy používající kotoučů přiměřené velikosti (pro Ford Cortina) a upevní se na setrvačníkový dynamometr o 295 N . m². Pro každou zkoušku se použije nová souprava přítlačných brzdových členů a kotouče se před každou zkouškou čerstvě přebrousí.The actual size (Girling 16P) disc brake pads are fitted to a conventional (Girling 16P) brake assembly using a suitable size disc (for Ford Cortina) and mounted on a flywheel dynamometer by 295 N. m ² . A new set of pressure brake members shall be used for each test and the discs freshly ground prior to each test.

Zkouška spočívá v 7 obězích s ovládanou teplotou, zahrnující každý 200 uvedení v činnost a trvající 3 hodiny, což má za účel na-The test consists of 7 temperature-controlled circuits, each involving 200 actuations and lasting 3 hours, in order to

malé zatížení 70 °C low load 70 ° C až to 140 °C 140 [deg.] C střední zatížení 90 °C medium load 90 ° C až to 210 cc 210 cc velké zatížení 150 °C high load 150 ° C až to 300 °C 300 [deg.] C

Tření se měří při každém uvedení brzdy v činnost a automaticky se vynáší do diagramu v závislosti na teplotě. Číselné údaje uvedené v příkladech představují průměrné hodnoty tření zaznamenané při teplotě 150 stupňů Celsia při konečném oběhu při středním zatížení.The friction is measured each time the brake is applied and is automatically plotted against the temperature. The numerical data in the examples represent the average friction values recorded at 150 degrees Celsius in the final medium load cycle.

Každý přítlačný člen brzdy se měří ve čtyřech bodech při použití digitálního mikrometru s rozlišovací schopností do 0,0025 mm. Kotouče se měří při použití podobného mikrometru v 16 bodech rozmístěných okolo kotouče ve vzdálenosti 19 mm od vnějšího obvodu. Číselné údaje uvedené v příkladech jsou celkové zráty tloušťky v průběhu všech 7 oběhů.Each brake pressure member is measured at four points using a digital micrometer with a resolution of up to 0.0025 mm. Discs are measured using a similar micrometer at 16 points spaced around the disc at a distance of 19 mm from the outer circumference. The figures given in the examples are total thickness losses over all 7 cycles.

Výsledky lze graficky shrnout, jak je znázorněno v připojených výkresech, ve kterých obr. 1 je graf závislosti součinitele tření na obsahu kovu vytvářejícího rozptýlené částice, obr. 2 je graf závislosti opotřebení třecího materiálu třením na obsahu uvedeného kovu, a obr. 3 je graf závislosti opotřebení kotouče (z litiny] na obsahu uvedeného kovu.The results can be graphically summarized as shown in the accompanying drawings in which Figure 1 is a graph of the coefficient of friction versus the metal content of the scattered particles, Figure 2 is a graph of friction wear versus the metal content, and Figure 3 is a graph dependence of disc wear (of cast iron) on the content of said metal.

Z diagramů je patrno, že ovládáním obsahu titanu, vanadu nebo niobu .nebo jejich vzájemných kombinací v rozmezí od 0 do a, dosahuje se vysokých součinitelů tření (a velké rychlosti opotřebení). Při ovládání obpodobit typickou jízdu po silnici v cestovním automobilu. Rychlost při uvedení brzdy v činnost, rychlost při uvolnění, tlak a teplota se kombinují v nahodilém sledu, avšak schopném reprodukce, aby se získala energetická spektra, representativní pro určité úrovně zatížení, ke kterým dochází při normálním používání cestovních automobilů.The diagrams show that by controlling the titanium, vanadium or niobium content or combinations thereof in the range of 0 to a, high coefficients of friction (and high wear rates) are achieved. When operating, simulate a typical road travel in a car. The brake actuation speed, release speed, pressure and temperature are combined in a random sequence, but capable of reproduction to obtain energy spectra representative of certain levels of load that occur in normal use of touring cars.

Použijí-li se hydraulické tlaky 1,38 a 2,27 ΜΝ'Λη _a rychlosti při uvedené v činnost ažWhen hydraulic pressures of 1,38 and 2,27 ΜΝ'Λη are used _{and the} speeds at actuation up to

112,65 km . h^_1 . Nejvyss í vyvinutí energie tak je brzdění z rychlosti 112,65 km . h¹ do klidového stavu a nejnižší z 64,37 na 56,33 kilometrů . h^_1.112.65 km. h ^_1 . The highest energy generation is braking from 112.65 km. h ¹ to standstill and lowest from 64.37 to 56.33 kilometers. h ^_1 .

obetiů spočtu ve 2 obězích určených pro napodobení jízdy s malým zatížením, 2/ oběhy pro napodobení jízdy se středním zatížením a 2 pro napodobení jízdy s velkým zatížením, následované konečným oběhem se středním zatížením. Teploty jsou ovládány tak, aby pokryly následující rozmezí průměr 100 °C průměr 150 °C průměr 210 °C sáhu titanu v rozmezí od b do b¹ se naopak dosahuje nízkých součinitelů tření (a malé rychlosti opotřebení). Je samozřejmě možné ovládat obsah titanu nebo podobného kovu tak, aby byl v rozmezí od a do b, aby se tak dosáhlo středních hodnot součinitele tření, avšak strmost křivky v této oblasti však bude mít za následek, že ovládání třecích vlastností již není tak přesné.victims counted in 2 circuits intended to mimic a low-load ride, 2 / circuits to mimic a medium-load ride and 2 to mimic a heavy-load ride, followed by a final medium-load circulation. The temperatures are controlled to cover the following range diameter 100 ° C diameter 150 ° C diameter 210 ° C titanium ranging from b to b ¹ , on the other hand, low friction coefficients (and low wear rates) are achieved. Of course, it is possible to control the titanium or similar metal content to be in the range of a to b to achieve the mean values of the coefficient of friction, but the steepness of the curve in this region will result in the frictional properties control being less accurate.

Poloha bodů a a b se různí podle použitého třecího materiálu. Při použití materiálu A odpovídá bod a - - obsahu titanu 0,015 % a b 0,04 %, zatímco s materiálem B se a dosáhne při obsahu titanu 0,02 % a b při 0,065 %. Z grafů je zřejmé, že vynález přináší možnost přesně ovládat třecí vlastnosti litiny, které vede k zajištění schopnosti reprodukovat tyto vlastnosti při výrobě litiny od vsázky k vsázce. Při použití vynálezu je možno předcházet vzniku odchylek ve vlastnostech brzdných členů jednoho vozidla nebo mezi vozidly určité značky, a to tak, že se zajistí, obsah titanu nebo vanadu nebo niobu ve vsázce litiny byl na požadované úrovni. Obsah titanu, vanadu nebo niobu -se dá snadno zvýšit, jak bylo popsáno výše, avšak snížení jeho obsahu ve slévárně je dosti obtížné, neboť vyžaduje zředění základního materiálu pro výrobu litiny železným materiálem s nízkým obsahem tohoto kovu.The positions of points a and b vary depending on the friction material used. When material A is used, the point a - - titanium content corresponds to 0.015% and b to 0.04%, while with material B a is achieved at a titanium content of 0.02% and b at 0.065%. It is apparent from the graphs that the invention provides the ability to precisely control the frictional properties of cast iron, which results in the ability to reproduce these properties in the production of cast iron from batch to batch. By using the invention, deviations in the characteristics of the braking members of one vehicle or between vehicles of a certain brand can be prevented by ensuring that the titanium or vanadium or niobium content of the cast iron charge is at the desired level. The titanium, vanadium or niobium content can be easily increased as described above, but reducing the content in the foundry is quite difficult as it requires dilution of the base material for cast iron production with a low-iron iron material.

Claims

SUBJECT OF THE INVENTION

Gray cast iron for friction machine parts, in particular for brake rotors, containing iron and in% by weight. 1.5 to 4% carbon, 1 to 3% silicon, 0.2 to 2% manganese, at most 0.15 percent sulfur, at most 0.1% phosphorus and titanium, vanadium and niobium impurities, The total titanium, vanadium and niobium contents are in the range of 0.001 to 0.15%.