DE19735217B4

DE19735217B4 - Verbundwerkstoff mit hohem Anteil intermetallischer Phasen, vorzugsweise für Reibkörper

Info

Publication number: DE19735217B4
Application number: DE19735217A
Authority: DE
Inventors: Manfred Dr. Heinritz; Günther Schwarz; Rainhard Dr. Laag
Original assignee: Schwaebische Huettenwerke Automotive GmbH
Current assignee: Schwaebische Huettenwerke Automotive GmbH
Priority date: 1997-08-14
Filing date: 1997-08-14
Publication date: 2004-09-09
Anticipated expiration: 2017-08-15
Also published as: WO1999009334A2; DE19735217A1; EP0931226B1; CA2268653A1; EP0931226A2; US6444055B1; WO1999009334A3; PT931226E; CA2268653C; JP2001504165A; DE59811690D1; ES2226176T3

Abstract

Gußwerkstoff der ternären Gruppe Eisen-Aluminium-Kohlenstoff, dadurch gekennzeichnet, daß er aus (in Gewichts-Prozent) 20–28 % Al, bis zu 1 % Si, mehr als 1 und bis zu 3 % C und Fe als Rest besteht und daß er freien Kohlenstoff aufweist.

Description

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Eisenwerkstoff für Reibkörper zu schaffen, der die bekannten Vorteile bisheriger Gußwerkstoffe, wie Hitzebeständigkeit, geringe Brandrißgefahr, akustische Dämpfung und dosierte Schmierung, aufweist sowie von geringer Dichte, weniger korrosionsgefährdet und, bei höherer Härte, besser bearbeitbar ist als Werkstoffe, die nach dem Stand der Technik hergestellt werden. Die Eigenschaften, die ein solcher Werkstoff haben muß, und die Maßnahmen, die zu seiner Erzeugung erforderlich sind, ergeben sich aus den kennzeichnenden Bestandteilen der Ansprüche.

Werkstoffe der erfindungsgemäßen Art eignen sich insbesondere für die Anwendung in Bremsscheiben, Bremstrommeln oder Kupplungsscheiben in land- oder schienengebundenen Verkehrssystemen, sind aber generell überall dort einsetzbar, wo für Beschleunigungs- oder Verzögerungsvorgänge eine Kraftübertragung zwischen 2 Körpern gewünscht wird, von denen mindestens einer eine translatorische oder rotatorische Bewegung relativ zum anderen Körper-ausführt. Die Reibungskoeffizienten zwischen beiden Reibflächen sind je nach Konstruktion konstant oder veränderlich.

In Bremsen für land- oder schienengebundene Verkehrssysteme werden Trommelbremsen, Lamellenbremsen oder Scheibenbremsen verwendet. Die in Scheibenbremsen verwendeten Scheiben sind massiv oder innenbelüftet, entsprechend der Wärmebelastung. Verwendet werden zu ihrer Herstellung überwiegend nach DIN 15437 Gußeisen mit Lamellengraphit (z. B. GG 25) oder Kugelgraphit (z.B. GGG 40, GGG 50 oder GGG 60), Stahlguß GS 60, Baustahl St 52-3, seltener auch Vergütungsstähle C 45 oder 42CrMo4. Als besonders vorteilhaft hat sich die Verwendung von Grauguß mit lamellarem Graphit (GG 25) erwiesen. Die dort vorliegende gestreckte Form des Graphits erzeugt die gewünschte hohe Wärmeleitfähigkeit. Der für die Bildung von Graphit erforderliche freie Kohlenstoff wird durch das Legieren des Roheisens mit Silizium erzeugt. Dabei sind möglichst geringe Gehalte von Silizium anzustreben, da Silizium die Wärmeleitfähigkeit von Eisen wiederum verringert. Besonders bewährt haben sich sonst unlegierte, hochgekohlte Gußeisenwerkstoffe. Das Versagen von Bremsscheiben durch Brandrisse und Maßänderungen durch Verzug sind bei unlegiertem Gußeisen geringer als bei niedriglegiertem oder bei Stahlguß. Auch das Bremsverhalten ist gleich oder besser. Der Verschleiß ist trotz geringer Härte niedriger, die Bremsscheiben neigen weniger zum Dröhnen und Rubbeln. Die Wärmeleitfähigkeit für einen z. B. aus GG 25 abgeleiteten GG 15 HC ist kleiner 50W/mK. Dieser kostengünstige Werkstoff ist zusätzlich gut zerspanbar.

Häufig wird für Bremsscheiben der Werkstoff GG 20 verwendet. Dessen chemische Zusammensetzung zeigt die nachfolgende Tabelle 1.

Ein geringer Gehalt an Mo, Cr und Ni kann zulegiert werden, um die Festigkeit zu steigern und den Perlit zu stabilisieren. GG 20 weist nach DIN 1690 eine Zugfestigkeit von 200 bis 300 N/qmm auf, womit die für die Verwendung gewünschte Zugfestigkeit von mind. 150 N/qmm überschritten wird. Die Brinellhärte des Werkstoffs liegt bei 180 bis 220 HB.

Nachteilig ist aber bei allen bisher bekannten Graugußwerkstoffen für Reibkörper die zu geringe Bruchdehnung. Für viele Anwendungen, insbesondere wenn die Erwärmung auf der Reibfläche ungleichmäßig ist, also sog. Hot Spots auftreten, werden deshalb Legierungen aus Grauguß mit Kugelgraphit bzw. Stahlguß oder, in selteneren Fällen, Vergütungsstähle eingesetzt. Damit kann der weitere Nachteil, die relativ hohe Korrosionsanfälligkeit des Werkstoffs, jedoch nicht positiv beeinflußt werden. Schließlich sind die hohe Dichte der aus dem beschriebenen Werkstoff hergestellten Reibkörper, der schnelle Abrieb, der sich insbesondere beim Abbremsen großer Massen, wie LKWs oder Schienenfahrzeuge, bemerkbar macht, und Kosten für teure Legierungselemente als zusätzliche Nachteile zu erwähnen.

Für die Verbesserung der Eigenschaften heutiger Reibkörperwerkstoffe auf Fe-Basis können mehrere Ansätze verfolgt werden. Um die Korrosionseigenschaften zu verbessern, kommen Legierungselemente in Frage. Teure Legierungselemente erhöhen allerdings die Materialkosten unzulässig. Gewichtsersparnis kann primär mit einer leichteren Legierung erreicht werden. Wird Aluminium als Basiswerkstoff eingesetzt, verbessert sich zwar das Korrosionsverhalten, die Verschleißeigenschaften verschlechtern sich aber drastisch und die Einsatztemperatur ist begrenzt.

Alle aufgeführten Nachteile resultieren im wesentlichen aus dem Gefüge des Werkstoffs, da die Matrix aus einem Mischkristall auf der Basis von Fe-C besteht, der häufig ferritisch oder perlitisch oder martensitisch ist. Charakteristisch für derartige Mischkristalle ist die ungeordnete Anordnung der Metallatome. Fast ausschließlich liegt der metallische Bindungstyp zwischen ihnen vor. Als gute Alternative bieten sich dagegen Legierungen mit intermetallischen Verbindungen an. Intermetallische Verbindungen haben geordnete Kristallgitter mit einem hohen Anteil an Bindungen des ionischen oder kovalenten Typs. Sie haben, obwohl sie nur aus metallischen Elementen bestehen, Eigenschaften von Oxid-, Karbid- oder Nitridkeramiken, zeichnen sich durch hohe Schmelztemperaturen aus und eine sehr gute Korrosionsbeständigkeit. Es schien deshalb denkbar, daß durch Verwendung einer intermetallischen Verbindung die Eigenschaften von Reibkörpern wesentlich verbessert werden könnten. In Frage kamen dabei vor allem, wegen der auch gewünschten Gewichtsreduzierung, intermetallische Verbindungen auf der Basis von Eisen und Aluminium.

Gegenüber Eisen-/Aluminium-Verbindungen bestanden jedoch erhebliche Vorbehalte, da sie allgemein als schwierig herstellbar, spröde und schwer bearbeitbar eingeschätzt wurden. Hierzu sei z. B. verwiesen auf die Mitteilungen der Zentrale für Gußverwendung, Blatt Nr. 1105/1 (erschienen in 9. Aufl. 1968), die auch noch den heutigen Stand der Technik wiedergibt. Aluminiumlegierte Gußeisen mit niedrigem Aluminiumgehalt (4 bis 7 % Al) werden darin mit geringer Schlagbiegefestigkeit und geringer Bearbeitbarkeit qualifiziert, solche mit hohem Aluminiumgehalt von 22 bis 30 Al ebenfalls mit geringer Schlagbiegefestigkeit und sogar schlechter Bearbeitbarkeit. Als Anwendungsbeispiele sind Teile für Öfen, für Apparaturen zur Schwefeldestillation und zur Herstellung von Natriumsulfid, Schmelztiegel, Heizplatten und Widerstandspakete erwähnt, jedoch keinerlei mechanisch belastete Konstruktionsbauteile. An mehreren Stellen der Veröffentlichung ist darauf hingewiesen, daß zwar eine gute Zunderfestigkeit bestehe, Nachteile seien jedoch die schwierige Herstellung, die häufig schlechte Bearbeitbarkeit und die Sprödigkeit.

Im Gegenteil hat sich bei den der Erfindung zugrundeliegenden Versuchen jedoch entsprechend dem Ergebnis theoretischer Vorüberlegungen gezeigt, daß diese Nachteile nicht eintreten. Es wurde eine erheblich höhere Korrosionsbeständigkeit beobachtet. Die Schlagbiegefestigkeit entsprach mindestens der herkömmlicher Werkstoffe, die Bearbeitbarkeit war eher verbessert.

Wesentlich für die Eigenschaften des gesuchten Stoffes, der die gestellte Aufgabe lösen soll, ist das Vorhandensein lamellar ausgebildeten Kohlenstoffs in möglichst gleichmäßiger und feiner Ausbildung. Die in der Eisen-Kohlenstoff-Metallurgie dazu üblichen Verfahren lassen sich im Eisen-Aluminium-System nicht anwenden. Insbesondere die Zugabe von Silizium in größerem Umfang ist unerwünscht, da Silizium im Kristallgitter der intermetallischen Phase Positionen einnimmt, die mit Aluminium besetzt werden müßten. Es wurde deshalb gezielt untersucht, ob sich etwa die Ausscheidung des Kohlenstoffs durch die Variation des Mischungsverhältnisses von Eisen und Aluminium beeinflussen läßt. Zu entsprechenden Überlegungen hatte die Betrachtung der Metallgitterstrukturen der binären und ternären Systeme Fe-Al bzw. Fe-Al-C geführt, die in 1 und 2 dargestellt sind. Darin sind die Gitterplätze der Eisenatome schwarz, die der Aluminiumatome als offener Kreis ausgeführt. Der schraffierte Kreis in 2 zeigt die Position des Kohlenstoffs.

Die angestellten Versuche ergaben folgende wesentliche Veränderungen der Stoffstruktur: Bei einem Legierungsanteil von bis zu 4 Gew-% Aluminium verhält sich der erzeugte Stoff bezüglich der Kohlenstoff-Ausscheidung etwa wie Gußeisen, d. h., es bedarf der gezielten Zugabe von Silizium, um feinlamellaren Graphit zu erhalten. Mit steigendem Gewichtsanteil von Aluminium bildet sich Karbid als Perowskit-Kristall, kubisch flächenzentriert mit dem Kohlenstoffatom im Raumzentrum der Elementarzelle. Vgl. hierzu 2. Ab etwa 17 Gew-% Aluminium-Anteil wird die Kristallstruktur durch Aluminium so dicht gefüllt, daß die Einlagerung von Kohlenstoff zunehmend zurückgeht, damit also auch der Karbid-Anteil abnimmt und freier Kohlenstoff ausgeschieden wird. Bei mäßiger Anwesenheit von Silizium (bis zu 1 Gew-%) bildet sich der Kohlenstoff lamellar aus. Schließlich entsteht bei etwa 24 Gew-% Aluminium-Anteil die für den gewünschten Zweck optimale Struktur, in der durch die Verkleinerung der Oktaederlücke die in das Gitter eingelagerten Kohlenstoffatome ausgeschieden werden. Eine Darstellung des erhaltenen Gefüges zeigt 3, in der die weißen Bereiche aus FeAl gemäß 1 bestehen und der elementare Kohlenstoff (schwarz) aus 2 ausgeschieden ist. Der so geschaffene Stoff, im folgenden als FELAMCAL bezeichnet, hat alle gewünschten Vorteile bezüglich Wärmeleitfähigkeit, Schmierung, Freiheit von Brandrissen, Duktilität bei Raumtemperatur, Zerspanbarkeit und Korrosionsbeständigkeit sowie leichteren Gewichtes. Für die Wärmeleitfähigkeit der Eisen-Aluminiumlegierung und ihren Härteverlauf finden sich die festgestellten Werte in den 4 und 5. 4 ist die Darstellung der Wärmeleitfähigkeit als Funktion des Aluminiumgehalts, 5 die des Härteverlaufs.

Zur näheren Erläuterung der metallurgischen Zusammenhänge, die den entwickelten Stoffqualitäten zugrundeliegen, sei zusätzlich auf 6 (Darstellung des binären Systems Eisen-Aluminium) verwiesen. Die senkrechte Linie A-A bei 24 Gew-% bzw. 40 At.% Aluminium weist auf den Entstehungsbereich von FELAMCAL.

Ein Herstellverfahren von Reibkörpern aus FELAMCAL sei im folgenden beispielhaft für die Legierung mit 24 Gew-% Aluminium beschrieben:

Der Eisenanteil der Schmelze wird entweder aus Roheisen, niedrig legierten Stahlschrotten oder Kreislaufmaterial aus Grauguß mit Lamellengraphit oder Grauguß mit Kugelgraphit erschmolzen. Die Erschmelzung erfolgt entweder im Kupolofen oder im Elektroofen offen an Luft. Bei der Auswahl des Ausgangsmaterials ist ein geringer Kupfergehalt von unter 0,5 % zu beachten. Der Aluminiumanteil der Schmelze wird entweder aus Hüttenaluminium oder aus Aluminiumschrotten erhalten, wobei auf geringe Siliziumgehalte von max. 1 % zu achten ist. Die Legierung erfolgt in einem sauer zugestellten Ofen durch die Zugabe festen Aluminiums in flüssiges Gußeisen. Dadurch wird eine unerwünschte Sauerstoffaufnahme wirkungsvoll vermieden. Während der Legierungsbildung tritt eine exotherme Reaktion auf.
Die Schmelze wird auf 1.600' C aufgeheizt, hat vor. dem Abguß eine Temperatur von etwa 1.540°C und wird unter der Schlacke hervor abgegossen. Es ergibt sich ein homogenes Fließen und eine völlige Füllung der nach üblichem Herstellverfahren gefertigten Sandformen. Die Abkühlung erfolgt ebenfalls im herkömmlichen Verfahren ohne besondere Maßnahmen, wie etwa Verringerung oder Erhöhung der Abkühlungsgeschwindigkeit oder dgl. Auch ein völliger Luftabschluß ist nicht erforderlich. Das Verfahren kann infolgedessen mit nur geringen zusätzlichen Maßnahmen in der herkömmlichen Gießerei angewendet werden.
Weiter verfolgte Überlegungen bezüglich anderer intermetallischer Verbindungen führten zu keinen günstigeren Ergebnissen. Es ist zwar theoretisch denkbar, intermetallische Verbindungen auf der Basis Eisen-Kupfer bzw. Eisen-Nickel zu erzeugen. Sie scheiden jedoch aus der weiteren Betrachtung vor allem wegen ihrer Verfahrensnachteile (Gefährdung des Personals durch Giftstoffe) bzw. ihrer hohen hohen Kosten aus. Auch wäre mit ihnen die gewünschte Gewichtsreduzierung nicht zu erzielen.
Bei Anwendung entsprechender bekannter metallurgischer Verfahren zur Beeinflussung der Form, in der der überschüssige Kohlenstoff in der Legierung ausgeschieden wird (z. B. Zulegierung von Magnesium), ist es auch denkbar, intermetallische Verbindungen des Systems Eisen-Aluminium-Kohlenstoff mit kugelförmigem (Sphäroguß) oder vermikularem Kohlenstoff zu erzeugen. Die Anwendungsbereiche derart erzeugter Körper liegen z. B. bei Maschinenbauteilen für Motorgehäuse, Turbinen und chemischen Apparaten.
Es hat sich weiter ergeben, daß FELAMCAL sich, wie Gußeisenwerkstoffe, dazu eignet, zur weiteren Verbesserung der Verschleißfestigkeit bzw. zur Anpassung des Kaltreibwertes gezielt mit Karbiden oder Oxiden versehen zu werden. Wie bekannt werden hierzu Karbidbildner wie Molybdän, Chrom, Hafnium, Titan oder Tantal, Oxidbildner wie Erbium, Zirkon oder gleichartige oxidbildende Elemente bzw. Oxide von Erbium oder Zirkon, jeweils mit Anteilen von unter 5 Gew-%, zulegiert.
Die nach dem beschriebenen Verfahren erzielte Schmelze hat eine höhere Viskosität als konventionelle hochgekohlte Gußeisen, wie sie vorzugsweise für die Reibkörperfertigung verwendet werden. Deshalb sind vergrößerte Anschnittsquerschnitte in der Gießform erforderlich. Als besonders vorteilhaft hat sich der zentrale Einguß je Reibkörper aus dem Oberlauf der Form erwiesen.
FELAMCAL wurde, wie dargestellt, bevorzugt als verbessertes Substitutiv bekannter Reibwerkstoffe entwickelt. Es leuchtet ein, daß die Verwendung des Stoffes auf derartige Erzeugnisse nicht beschränkt ist. Er kann überall dort verwendet werden, wo es auf die dargestellten Eigenschaften ankommt, da er als leicht verarbeitbarer Gußwerkstoff auch ohne wesentliche zusätzliche Einrichtungen oder Verfahrensschritte erzeugt werden kann und günstige Herstellkosten aufweist.
Als Herstellverfahren für FELAMCAL können natürlich auch andere Abläufe gewählt werden, etwa das gemeinsame Erschmelzen der in fester Form vorliegenden Ausgangsmetalle oder sonstige Verfahren, die dem Gießereifachmann herkömmlicherweise bekannt sind.

Claims

Gußwerkstoff der ternären Gruppe Eisen-Aluminium-Kohlenstoff, dadurch gekennzeichnet, daß er aus (in Gewichts-Prozent) 20–28 % Al, bis zu 1 % Si, mehr als 1 und bis zu 3 % C und Fe als Rest besteht und daß er freien Kohlenstoff aufweist.
Gußwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der freie Kohlenstoff in lamellarer Form vorliegt.
Gußwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der freie Kohlenstoff in kugeliger Form vorliegt.
Gußwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der freie Kohlenstoff in vermikularer Form vorliegt.
Gußwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Werkstoff Molybdän, Chrom, Hafnium, Titan, Tantal oder gleichartige karbidbildende Elemente mit unter 5 Gewichtsprozent Anteil zulegiert sind.
Gußwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Werkstoff Erbium, Zirkon oder gleichartige oxidbildende Elemente mit unter 5 Gewichtsprozent Anteil zulegiert sind.
Gußwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Werkstoff Oxide von Erbium oder Zirkon jeweils mit unter 5 Gewichtsprozent Anteil zulegiert sind.
Reibkörper zur Kraftübertragung in Beschleunigungs- oder Verzögerungseinrichtunggen, insbesondere in Brems- oder Kupplungssystemen von Straßen- oder Schienen fahrzeugen, aus einem Gußwerkstoff, dadurch gekennzeichnet, daß der Gußwerkstoff eine Legierung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 ist.
Reibkörper zur Kraftübertragung in Beschleunigungs- oder Verzögerungseinrichtungen, insbesondere in Brems- oder Kupplungssystemen von Straßen- oder Schienen fahrzeugen, aus einem metallischen oder keramischen Grundkörper, auf den eine Reibschicht durch thermisches Spritzen, Walzen, Reibschweißen oder in vergleichbarer Weise aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Reibschicht ein Gußwerkstoff gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 ist.
Verfahren zur Herstellung eines Gußwerkstoffs gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Erschmelzen und Vergießen des Werkstoffs offen unter Luft erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Erschmelzen des Werkstoffs im sauer zugestellten Ofen erfolgt.
Reibkörper nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Reibkörper eine Bremsscheibe ist.
Bremsscheibe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Bremsscheibe innenbelüftet ist.
Reibkörper nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Reibkörper eine Bremstrommel ist.
Verfahren zur Herstellung eine Reibkörpers, vorzugsweise einer Bremsscheibe oder Bremstrommel, nach mindestens einem der Ansprüche 8, 9 bzw. 12–14, dadurch gekennzeichnet, daß die Gußform des einzelnen Reibkörpers mittig durch Einfluß aus dem Oberlauf gefüllt wird.