DE19728771C2 - Verfahren zum Herstellen einer hochgekohlten, Niob-legierten Graugußlegierung unter Verwendung eines Legierungshilfsmittels - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer hoch­ gekohlten, Niob-legierten Graugußlegierung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, wie sie für Nutzfahrzeug-Bremsscheiben hoher Verschleißbeständigkeit und Wärmeleitfähigkeit benötigt wird. Die DE 195 45 611 C1 befaßt sich mit einer solchen Lamellen- Graugußlegierung für Bremsscheiben mit hoher Lebensdauererwar­ tung und hoher mechanischer und thermischer Beanspruchung für schwere Nutzfahrzeuge. Darüber hinaus betrifft die Erfindung die Verwendung eines Fülldrahtes nach dem Oberbegriff von Anspruch 6. Derartige Fülldrähte sind ihrer Gattung nach beispielsweise aus der DE 40 33 183 A1 oder aus der DE 42 36 727 A1 bekannt.

Im Bereich der gegenüber Personenkraftwagen um ein vielfaches schwereren Nutzfahrzeuge (Nfz), insbesondere bei Fernlastwagen oder Baustellenfahrzeugen, sind die Lebensdauererwartungen we­ sentlich höher als im Pkw-Bereich. Hier wird eine Lebensdauer im Bereich von mehreren Hunderttausend Kilometern für eine Brems­ trommel vor einer erforderlich werdenden Erneuerung erwartet. Die Legierungen der bisher in Nutzfahrzeugen üblichen Bremstrom­ meln sind wegen des wesentlich geringeren spezifischen Beanspru­ chungsniveaus gegenüber Bremsscheiben nicht für diese verwend­ bar. Vielmehr mußte für Nutzfahrzeug-Bremsscheiben eine eigene Graugußlegierung entwickelt und optimiert werden. Diese ist bei­ spielsweise in der erwähnten DE 195 45 611 C1 der erstgenannten Mitanmelderin gefunden.

Diese Niob-haltige Graugußlegierung erfüllt zwar die Forderungen nach Verschleiß- und Brandrißbeständigkeit, jedoch bietet sie gewisse Probleme beim Zulegieren des hochschmelzenden Niobs. Bisher kann Niob nur in einem Elektroofen zu Eisen zulegiert werden, indem die Eisen- bzw. Graugußlegierung auf ausreichend hohe Temperaturen erhitzt wird, so daß das Niob aufschmilzt und sich mit dem Basismaterial legiert. Abgesehen davon, daß nicht jede Graugießerei einen Elektroofen besitzt, müßte bei den Gie­ ßereien, die einen oder mehrere Elektroofen haben, wenigstens ein Elektroofen für das Legieren der Bremsscheibenlegierung be­ legt werden. Im übrigen ist der Betrieb eines Elektroofens per­ sonalintensiv und mit einem Verschleiß an Ofenausmauerung ver­ bunden, was den Unterhalt des Elektroofens kostspielig macht. Versuche, das Niob im Gießstrahl zuzulegieren, ergaben keine ak­ zeptablen Ergebnisse. Die Niobverteilung war zu ungleichmäßig, nämlich nicht homogen.

Aus der JP 6-116676 A ist es bekannt, einer duktilen, d. h. glo­ bulitischen, Niob-haltigen Graugußlegierung das Niob in einer Eisen/Niob-Vorlegierung zuzugeben. Durch die Zusammensetzung der Legierung soll diese eine hohe Dämpfungseigenschaft erhalten. Durch die spezielle Verabreichungsart der Legierungspartner in Form von Vorlegierungen soll die Herstellung der Legierung ver­ einfacht und ein Aufkohlungsvorgang vermieden werden. Das bedeu­ tet, daß ein bestimmter sonst erforderlicher Kohlenstoffgehalt durch die anderen Legierungspartner substituiert wird. Es geht bei diesem Stand der Technik also um die Substitution von Koh­ lenstoff durch andere Legierungspartner. Demgegenüber geht es bei der im Gattungsteil des vorliegenden Anspruchs 1 angespro­ chenen Legierung um solche Graugußlegierungen, die den Graphit aus tribologischen Gründen in Lamellenform enthalten sollen.

Die EP 693 336 A2 offenbart ein Verfahren zum Herstellen einer hochgekohlten, unter anderem niobhaltigen Graugußlegierung für Bremsscheiben oder Bremstrommeln, bei dem in drei verschiedenen Stufen verfahren wird. In einer ersten Stufe wird mittels stick­ stoffhaltiger Aufkohlungsmittel die Eisenschmelze auf bestimmte Werkstoff-Zielwerte (Wärmeleitfähigkeit, Härte, E-Modul) aufge­ kohlt. In einem zweiten Verfahrensschritt wird die aufgekohlte Grauguß-Schmelze mit den Legierungsmetallen Chrom, Kupfer, Nic­ kel und Molybdän bei mäßigen Gehalten legiert. In einer dritten Stufe werden unter geringem Einsatz verschiedener stickstoffbin­ dender Metalle - u. a. auch Niob - harte Carbonitrid-Kristalle aus der Graugußlegierung ausgeschieden, die später feindispers in dem Grundgefüge des Gußstückes enthalten sind. Bei diesem dreistufigen Verfahren wird in der Stickstoffbindungsstufe nicht nur der Stickstoff, sondern auch Kohlenstoff und das Stickstoff­ bindende Metall in dem Carbonitrid gebunden. Die Stickstoff-bin­ denden Metalle sind somit als Legierungsmetalle für die unmit­ telbare Beeinflussung der Eigenschaften des Werkstoffes zumin­ dest weitgehend verloren.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren aufzuzeigen, wie Ni­ ob in Graugußlegierungen, ohne dabei auf einen Elektroofen ange­ wiesen zu sein, wirksam zulegiert und zugleich die Festigkeit der Legierung über das übliche Maß hinaus gesteigert werden kann.

Diese Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 und bezüglich des Legierungshilfsmittels bzw. seiner Verwendung durch die Merkmale von Anspruch 6 gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Niob als Ferroniob (FeNb) oder als Niob-Vorlegierung in Granulat-Form unter inten­ sivem Umwälzen innig mit der Schmelze der Grauguß-Vorlegierung in Kontakt gebracht. Dabei wird das Niob durch annähernd verti­ kales Einspulen eines hohlen, drahtförmigen Legierungshilfsmit­ tels, einem sog. Fülldraht, in die Schmelze eingebracht, welches das Niob-Granulat - in einen quasi-endlosen Streifen eines Ei­ senbleches nach Art eines Längsnahtrohres eingerollt - bei etwa konstanter Niobbelegung je Längeneinheit des Legierungshilfsmit­ tels enthält. Aufgrund eines allmählichen Abschmelzens der Ei­ senumhüllung wird das Niobgranulat erst unterhalb der Badober­ fläche an die Schmelze entlassen. Auch das intensive Umwälzen der Schmelze erfolgt durch den gleichen Einspulvorgang. In dem erfindungsgemäß eingesetzten Fülldraht sind nämlich neben dem Niobgranulat auch noch Treibgas-Partikel enthalten, die unter­ halb der Schmelzeoberfläche in der Schmelzehitze Gase entwic­ keln, freisetzen oder abspalten. Bei den Treibgas-Partikeln kann es sich z. B. um Flammkohle und/oder um ein Kunststoffgranulat, insbesondere Polyethylen, handeln. Aufgrund der intensiven Bad­ bewegung und der großen Kontaktfläche zwischen Niob-Granulat und Schmelze der Grauguß-Vorlegierung wird ein fortschreitendes Auf­ lösen der Niob-Granuli auch bei unterhalb des Niob-Schmelz­ punktes liegender Bad-Temperatur bewirkt, weil in der Umgebung eines jeden relativ zur Schmelze bewegten Niob-Granulus ständig aufnahmefähige Graugußschmelze vorhanden ist. Auf diese Weise ist es möglich, das Niob selbst in einer Gießpfanne wirksam zu­ zulegieren. Die Zeit und Intensität der starken Badbewegung be­ stimmt die Aufnahme des zugeführten Niobs in die Schmelze und die Homogenität der Legierung.

Durch die erfindungsgemäße Art der Niobzugabe konnte eine Fe­ stigkeitssteigerung und Härtezunahme bis zu 35% gegenüber einer Niobzugabe im Elektroofen bei gleicher Grundanalyse der Grauguß­ legierung erreicht werden. Diese Festigkeitssteigerung erlaubt es, speziell bei Graugußlegierungen für Bremsscheiben, den Koh­ lenstoffgehalt und den Siliciumgehalt bei gleicher Festigkeit zu erhöhen. Ein hoher Kohlenstoffgehalt ist zur Erzielung einer besseren Wärmeleitfähigkeit erwünscht und ein hoher Siliciumge­ halt bewirkt eine gute Graphitausbildung. Das Zulegieren des Niob erlaubt also eine Steigerung der Wärmeleitfähigkeit und des E-Moduls durch Aufkohlen, wodurch wiederum die Brandrißgefahr vermindert werden kann.

Neu hiebei ist, das Legierungsmetall selber, nämlich das Niob- Granulat und die Treibgaspartikel in einem einheitlichen Füll­ draht gemeinsam in die Schmelze einzubringen. Es ist vorliegend im übrigen besonders wichtig, daß die Turbulenz bereits während der Niobzugabe vorliegt. Diesbezüglich wird die zugrundeliegende Aufgabe eines unproblematischen Niob-Zulegierens auch durch die Merkmale des Anspruchs 6 bezüglich eines entsprechend ausgebil­ deten Fülldrahtes gelöst.

Zwar ist das sog. "Eindrahten" beim Zulegieren von leicht schmelzendem Magnesium in Graugußlegierungen zur sphärolitischen Abscheidung des enthaltenen Kohlenstoffes an sich bekannt, je­ doch konnte dieser Umstand dem Fachmann keinerlei Anregungen da­ für bieten, hochschmelzendes Niob wirkungsvoller zu Grauguß zu­ zulegieren als im Elektroofen. Auch Fülldrähte, die mit Treib­ gaspartikeln gefüllt sind und beim Eindrahten in die Schmelze Turbulenzen darin hervorrufen, sind beispielsweise durch die eingangs zitierte Literatur an sich bekannt. Außer Treibgaspar­ tikel können in diesen Fülldrähten auch andere Partikel zur Be­ handlung der Schmelze enthalten sein. Der Fülldraht nach der DE 40 33 183 A1 enthält neben den Treibgaspartikeln auch noch gra­ nuliertes Calciumcarbid zur Calciumbehandlung von Stahl und ggf. auch noch Calciumsilicium. Bei dem aus der bereits erwähnten DE 42 36 727 A1 bekannten Fülldraht dienen die durch das in der Schmelze freigesetzte Treibgas hervorgerufenen Turbulenzen dem Homogenisieren der Schmelze insbesondere beim Legieren. Bei die­ sem Fülldraht kann Eisenpulver als passiver Füllstoff enthalten sein. Durch derartige Füllstoffe läßt sich bei einer aus Gründen der Handhabbarkeit vorgegebenen Mindestdicke des Fülldrahtes die Belegungsdichte je Längeneinheit mit Treibgaspartikeln geringer wählen und die sekundliche Partikelzufuhr und somit die Intensi­ tät der Turbulenz genauer durch die Zufuhrgeschwindigkeit des Fülldrahtes in die Schmelze dosieren bzw. regeln. Diese Schrift erwähnt auch die Möglichkeit, Mikrolegierungselemente wie z. B. Titan, Molybdän, Bor oder andere in den Fülldraht mit aufzuneh­ men und diese Elemente beim Einspulen des Fülldrahtes in eine Schmelze mit zulegieren zu können. Eisen-Niob oder eine Niobvor­ legierung sind dabei als Drahtfüllung jedoch nicht genannt.

Im Gegensatz zu dem weiter oben gewürdigten Stand der Technik nach der JP 6-116676, bei dem es um die Substitution von Kohlen­ stoff durch Legierungsmetalle geht, wird bei der vorliegenden Graugußlegierung ein möglichst hoher Kohlenstoffgehalt ange­ strebt; durch Zugabe von Niob kann die Kohlenstoffaufnahmefähig­ keit der Graugußlegierung gesteigert werden.

Aus der DE 42 36 727 A1 entnimmt der Fachmann zwar, daß durch eine Badbewegung, welche durch Einspulen eines mit gasabgebenden Partikeln gefüllten Fülldrahtes in die Schmelze erzeugt wird, die Schmelze homogenisiert oder raffiniert oder gekühlt oder mit Mikrolegierungselementen wie z. B. Titan, Molybdän, Bor oder an­ deren legiert werden kann. Damit ist jedoch kein Hinweis gege­ ben, daß damit eine Verbesserung der Legierungseigenschaften in dem vorliegenden Ausmaß erreichbar ist. Eine erhebliche Steige­ rung der Festigkeitseigenschaft der Legierung durch die erfin­ dungsgemäße Legierungsherstellung gegenüber der Festigkeitsei­ genschaft einer herkömmlich hergestellten Legierung mußte den Fachmann überraschen; er hatte keinerlei Veranlassung, eine sol­ che Steigerung der Legierungseigenschaft lediglich aufgrund ei­ ner Homogenisierung der Schmelze zu vermuten.

Nachfolgend ist ein Verfahrensbeispiel unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert; dabei zeigen:

Fig. 1 eine einfache Anordnung zum erfindungsgemäßen Zulegieren von Niob in eine Graugußlegierung, während sich diese in einer Gießpfanne befindet und

Fig. 2 und 3 einen vergrößerten Längs- (Fig. 2) bzw. Quer­ schnitt (Fig. 3) durch ein drahtförmiges Legierungshilfs­ mittel, welches in der Anordnung nach Fig. 1 eingesetzt wird.

Die in Fig. 1 gezeigte Anordnung zum Zulegieren von Niob in ei­ ne Graugußlegierung ist denkbar einfach gestaltet und greift auf bewährte Komponenten zurück, die jedoch hier im Sinne der Erfin­ dung in neuer Kombination und zu einem neuen Zweck zusammenge­ stellt sind.

Das Zulegieren des Niob erfolgt in einer Gießpfanne 1, in der eine abgemessene Schmelze-Menge einer Graugußlegierung einge­ füllt ist und die - außer dem Niob - bereits alle für die ge­ wünschte Graugußlegierung erforderlichen Legierungsbestanddteile enthält. Für den Einsatz der Graugußlegierung zum Gießen von Nutzfahrzeug-Scheibenbremsen hoher Verschleiß- und Brandrißbe­ ständigkeit hat sich nach den Erkenntnissen der Anmelderinnen beispielsweise eine Graugußlegierung folgender Zusammensetzung (Angaben in Gewichts-%) als optimal herausgestellt:
Kohlenstoff: etwa 3,95%,
Chrom: etwa 0,15%,
Silicium: etwa 2,20%,
Mangan: etwa 0,70%
Kupfer: etwa 0,15%,
Rest Eisen, Spuren anderer Legierungsmetalle und erschmelzungs­ bedingter Eisenbegleiter wie Phosphor, Schwefel oder dgl. Diese Niob noch nicht enthaltende Vorlegierung kann für den angegebe­ nen Verwendungszweck Vanadium, Nickel, Zinn, Molybdän u. dgl. je­ weils mit einem Einzelgehalt von jeweils höchstens etwa 0,06 Gew.-% und einem Gesamtgehalt dieser zusätzlichen Legierungsme­ talle von zusammen maximal etwa 0,3 Gew.-% enthalten. Die ge­ nannten Legierungsmetalle - außer Niob - lassen sich problemlos durch Einrieseln von granulierten Legierungsmetallen in den Schmelzestrahl gehaltgenau und gleichmäßig zulegieren.

In die solcherart vorlegierte Schmelze 2 sollen noch etwa 0,25 Gewichts-% Niob in die Gießpfanne zulegiert werden. Erfindungs­ gemäß wird dazu ein drahtförmiges Legierungshilfsmittel 3 ver­ wendet, welches das Niob in Granulatform bei etwa konstanter Ni­ obbelegung je Längeneinheit des Legierungshilfsmittels, z. B. 100-200 g/m enthält. Das granulierte Niob ist als FeNb oder als Niob-Vorlegierung in dem Legierungshilfsmittel enthalten. Das Granulat 5 ist in einen quasi-endlosen Streifen eines Eisenble­ ches 4 nach Art eines Längsnahtrohres eingerollt.

Wichtig ist, daß die Schmelze 2 während der Niobzugabe intensiv umgewälzt wird, damit eine hohe Relativbewegung zwischen zugege­ benen Niob-Granuli und umgebender Schmelze stattfindet und sich die Granuli rasch in der Schmelze auflösen. Das erwähnte Umwäl­ zen geschieht durch Einbringen von Gas unterhalb des Schmelze­ spiegels in Form von Treibgas-Partikeln, die in der Schmelzehit­ ze Gase entwickeln, freisetzen oder abspalten. Auch die Treib­ gaspartikel sind in dem drahtförmigen Legierungshilfsmittel 3 enthalten. Als Treibgaspartikel wurden beispielsweise getrockne­ te granulierte Flammkohle und ein Granulat aus Polyethylen ver­ wendet.

Das drahtförmige Legierungshilfsmittel 3 wird auf einer Spule 6 angeliefert, die in der gezeigten Anordnung erhöht auf einem Spulenständer 7 drehbar bereitgestellt wird. Die Spule ist etwas schwergängig gelagert, so daß sie keine Nachlauftendenz hat. In dem Spulenträger ist ein Drahtantrieb 8 mit einem Zuführrohr 9 integriert, welches nach unten in die Schmelze gerichtet ist. Durch den Drahtantrieb wird das drahtförmige Legierungshilfsmit­ tel zwischen zwei elektromotorisch langsam antreibbaren Reib­ rollen mit definierter Geschwindigkeit von der Spule abgezogen und über das Zuführrohr in die Schmelze geleitet. Die Steuerung des elektromotorischen Drahtantriebes ist so ausgebildet, daß eine bestimmte Abspullänge voreinstellbar ist und der Antrieb nach Zufuhr dieser Länge sich selbsttätig stillsetzt. Die einzu­ stellende Länge muß entsprechend der Schmelzemenge, dem ge­ wünschten Niobgehalt der Schmelze und der Niobbelegung je Län­ geneinheit des Fülldrahtes rechnerisch ermittelt werden. Bei ei­ ner Schmelzemenge von beispielsweise 0,75 Tonnen in der Gieß­ pfanne und einem gewünschten Niobgehalt von 0,25 Gew.-% sind 1,875 kg Niob zuzugeben. Bei einer Niobbelegung von - angenommen - 100 Gramm je Meter Legierungs-"draht" müssen für eine Zudosie­ rung der genannten Niobmenge etwa 18,75 m Legierungs-"draht" eingespult werden.

Beim annähernd vertikalen Einspulen des drahtförmigen Legie­ rungshilfsmittels in die Schmelze schmilzt die Eisenumhüllung 4 allmählich ab und setzt das Niob-Granulat und ggf. die Treibgas­ partikel erst unterhalb der Schmelzeoberfläche in die Schmelze frei. Die Zugabegeschwindigkeit ist so groß zu wählen, daß die Eisenumhüllung des Legierungshilfsmittels erst deutlich unter­ halb der Schmelzeoberfläche aufgeschmolzen ist. Je schneller eingespult wird, um so tiefer liegt der Bereich, in dem die "Draht"Umhüllung sich in der Schmelze aufgelöst hat. Durch das Einspulen des drahtförmigen Legierungshilfsmittels in die Gieß­ pfanne brodelt die Schmelze intensiv auf und löst das einge­ brachte Niobgranulat rasch in sich auf; zugleich wird durch die Umwälzbewegung das Niob gleichmäßig im Gießpfanneninhalt ver­ teilt.

Claims (7)

1. Verfahren zum Herstellen einer hochgekohlten und mit weiteren graugußüblichen Legierungsmetallen sowie mit wenigstens etwa 0,12 Gew.-% Niob versehenen Graugußlegierung zum Gießen von Nutzfahrzeug-Bremsscheiben hoher Verschleißbeständigkeit und Wärmeleitfähigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß in eine abgemessene, in einer Gießpfanne (1) bereitgestell­ ten Schmelze-Menge einer Grauguß-Vorlegierung, die außer dem Ni­ ob bereits alle für die gewünschte Graugußlegierung erforderli­ chen Legierungsbestandteile enthält, das Niob als FeNb oder als Niob-Vorlegierung in Granulat-Form unter intensivem Umwälzen der Schmelze der Grauguß-Vorlegierung aufgrund Gaseinbringung unter­ halb des Schmelzespiegels in die Grauguß-Vorlegierung einge­ bracht wird, indem ein Legierungshilfsmittel in Form eines Füll­ drahtes (3) annähernd vertikal in die Schmelze (2) eingespult wird, der das Niob bei etwa konstanter Niobbelegung je Län­ geneinheit des Fülldrahtes (3) sowie Treibgas-Partikel, d. h. Partikel, die in der Schmelzhitze Gase entwickeln, freisetzen oder abspalten, ebenfalls bei etwa konstanter Partikelbelegung je Längeneinheit des Fülldrahtes (3), enthält, wobei das Niob­ granulat und die Treibgas-Partikel aufgrund allmählichen Ab­ schmelzens der Eisenumhüllung (4) erst unterhalb des Schmelze­ spiegels an die Schmelze (2) entlassen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Treibgaspartikel getrocknete Steinkohle, insbesondere Flammkohle oder Gasflammkohle, und/oder getrocknete Braunkohle und/oder ein Kunststoffgranulat, insbesondere Polyethylen ver­ wendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Niob-Granulat mit einer Körnung von maximal 2 mm, vor­ zugsweise kleiner als 1 mm eingebracht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Graugußlegierung folgender Zusammensetzung - Angaben in Ge­ wichtsprozent:
Kohlenstoff: 3,50 bis 4,00%,
Chrom: 0,15 bis 0,30%,
Silicium: 1,30 bis 2,50%,
Mangan: 0,30 bis 0,80%,
Kupfer: 0,10 bis 0,50%,
Niob: 0,20 bis 0,80%,
Vanadium, Nickel, Zinn, Molybdän u. dgl. jeweils mit einem Ein­ zelgehalt von jeweils höchstens etwa 0,1 Gew.-% und einem Ge­ samtgehalt dieser zusätzlichen Legierungsmetalle von zusammen maximal etwa 0,5 Gew.-%, Rest Eisen, Spuren anderer Legierungs­ metalle und erschmelzungsbedingter Verunreinigungen wie Phosphor oder Schwefel.

5. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Graugußlegierung folgender Zusammensetzung - Angaben in Ge­ wichtsprozent:
Kohlenstoff: etwa 3,95%,
Chrom: etwa 0,15%,
Silicium: etwa 2,20%,
Mangan: etwa 0,70%,
Kupfer: etwa 0,15%,
Niob: etwa 0,40% ± 0,05%,
Vanadium, Nickel, Zinn, Molybdän u. dgl. jeweils mit einem Ein­ zelgehalt von jeweils höchstens etwa 0,06 Gew.-% und einem Ge­ samtgehalt dieser zusätzlichen Legierungsmetalle von zusammen maximal etwa 0,3 Gew.-%, Rest Eisen, Spuren anderer Legierungs­ metalle und erschmelzungsbedingter Verunreinigungen wie Phosphor oder Schwefel.

6. Fülldraht zum Zulegieren eines granulatförmigen Legierungsme­ talles in eine Eisenbasislegierung, zur Ausübung des Verfahrens nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Fülldraht als Legierungsmetall Ferroniob zum Zulegieren von Niob und zusätzlich sich in der Schmelze inert verhaltende Treibgaspartikel zur Erzeugung von Turbulenzen in der Schmelze enthält.

7. Fülldraht nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Treibgaspartikel getrocknete Steinkohle, insbesondere Flammkohle oder Gasflammkohle, und/oder getrocknete Braunkohle und/oder ein Kunststoffgranulat, insbesondere Polyethylen im Fülldraht enthalten sind.