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Antikorrosive Gußeisenmassen, deren Herstellung
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und Verwendung Die vorliegende Erfindung betrifft antikorrosive Gußeisenmassen,und
insbesondere antikorrosive Gußeisenmassen, die durch eine verbesserte Widerstandsfähigkeit
gegenüber dem lamellaren Abblättern von Rostlamellen ausgezeichnet sind. Die vorliegende
Erfindung umfaßt auch die Verfahren zur Herstellung der antikorrosiven Gußeisenmassen
und deren Verwendung, insbesondere für Materialien, die als Bestandteile von Automobilen
dienen und einem Schleif-bzw. Gleitverschleiß ausgesetzt sind.
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In Gebieten, in denen im Winter ein Salz (z.B.
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NaCl) als Schneeschmelzmittel oder als Antigefriermittel gestreut
wird, werden die Bremsscheiben in Fahrzeugen dank des Vorhandenseins von Salz und
Wasser einer korrosionsfördernden Atmosphäre ausgesetzt, und durch die Erzeugung
von Reibungswärme, die beim Schleifkontakt zwischen dem Reibungspuffer und der Bremsscheibe
entsteht, wird die Korrosion der Bremsscheibe beträchtlich verstärkt und eine Rostlamelle
auf der Oberfläche der letzteren gebildet. Da die Rostlamelle teilweise oder vollständig
abblättert, wenn sie bis zu einer gewissen Dicke verstärkt worden ist, wird in der
Gleitfläche der Bremsscheibe eine Rinne bzw. Nute gebildet. Die Gleitfläche der
Bremsscheibe soll normalerweise unter 10 yum sein, wenn jedoch die Rostlamelle bis
zu einer Dicke von annähernd 200 bis 1500 pm gewachsen ist, tritt das lamellare
Abblättern der Rostlamelle ein, und als Folge hiervon wird die Rilenbildung in der
Gleit-
fläche hervorgerureni und sie erzeugt ein Vibrieren und ein
irreguläres Gefühl im Bremszeitpunkt.
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Um dieses Problem überwinden zu können, wäre in der einschlägigen
Technik ein Gußeisen erwünscht, bei dem das Wachstum der Rostlamelle nur langsam
vor sich geht und das lamellare Abblättern unterbunden werden kann, doch ist ein
solches Gußeisen bis heute nicht entwickelt worden.
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Es sind bereits Versuche unternommen worden, die Größe und das Gewicht
der Bremsscheiben zu erhöhen, um deren Wärmeaufnahmevermögen über jenes hinaus zu
erhöhen, das erforderlich ist, um die in der Bremsscheibe erzeugte Wärme zu absorbieren,
und auf diese Weise den Fortgang der Korrosionsreaktion zu verhindern.
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Jedoch steht ein solches Bemühen in Widerstreit mit den derzeitigen
Forderungen nach Herabsetzung des Fahrzeuggewichts zwecks Kraftstoffeinsparung,
und es ist -daher nicht erwünscht.
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Das lamellare Abblättern einer Rostlamelle trittnicht nur an den
Bremsscheiben in der korrosiven Salz- oder ähnlichen Atmosphäre ein, sondern es
erfolgt auch an anderen Teilen, z.B. an Kupplungsteilen einschließlich der Druckscheibe,
dem Schwungrad u.dgl. in einer korrosiven Wasseratmosphäre, ferner an Motorteilen,
wie dem Motorblock, den Motorbuchsen u. dgl. Teilen in einer korrosiven -Atmosphäre
aus Wasser mit schwefelhaltigen Salzen in Benzin und Öl und chlorhaltigen Salzen
im Öl.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist nun das Verfügharmachen
einer antikorrosiven Gußeisenmasse, bei der eine vorbestimmte Menge Cu dem verhältnismäßig
wohlfeilen Gußeisen zugesetzt wird,um die Perlit-Grund-
masse zu
verstärken, und hierdurch die Eluierung des Fe-Ions zu regulieren und so das Wachstum
der Rostlamellen in den verschiedenen korrosiven Atmosphären wesentlich zu hemmen
und auf diese Weise die Widerstandsfähigkeit gegen das lamellare Abblättern zu verbessern.
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Die nach der Lehre der vorliegenden Erfindung zusammen gesetzte Gußeisenmasse
ist dadurch gekennzeichnet, daß sie im Bereich von 3,8 bis 4,5 Gew.-% des Kohlenstoff-Äquivalentgewichts
2,8 bis 4,0 Gew.-% C und 1,5 bis 3,0 Gew.-% Si aufweist und ferner 0,3 bis 1,2 Gew.-%
Mn, weniger als 0,20 Gew.-% P, 0,06 bis 0,25 Gew.-% S, 0,15 bis 3,5 Gew.-% Cu und
schließlich Fe und Verunreinigungen als Rest enthält.
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Die Grenzwerte für die Gehalte an den vorstehend angeführten Elementen
sind wie folgt festzulegen: (a) C und Si C und Si sind die Grundelemente des Gußeisens
und eine quantitative Kombination derselben bringt eine Änderung der Form des Graphits
und im Gefüge des Eisenmaterials zustande. In der Regel steigt dann, wenn das Kohlenstoff-Äquivalentgewicht
(Gew.-% C + 1/3 Gew.-% Si) einen Wert von 4,5 Gew.-% übersteigt, die Kristallisation
des proeutiktischen Graphits an, und es wird freies Ferrit gebildet und so die Zugfestigkeit
und die Härte des Gußeisenprodukts herabgesetzt. Liegt andererseits das Kohlenstoff-Äquivalentgewicht
unter 3,8 Gew.-%, dann entsteht weißes Roheisen, welches die Härte des Gußeisenprodukts
übermäßig erhöht und so dessen spanabhebende Bearbeitbarkeit verschlechtert. Innerhalb
des Kohlenstoff-Äquivalentgewichtsbereichs von 3,8 bis 4,5 Gew.-% soll der C-Gehalt
auf 2,8 bis 4,0 Gew.-% und der Si-Gehalt auf 1,5 bis 3,0 Gew.-% begrenzt sein.
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(b) Mn Mn wird im Gußeisen mit S kombiniert, um MnS in Form von feinen
Körnern zu bilden, welche die Schmiereigenschaften von Automobilteilen, die dem
Verschleiß durch Glitbeanspruchung ausgesetzt sind, verbessern, und welche einen
Verschleißregelungseffekt für sich selbst und für das aufeinander arbeitende Material
bewirken.
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Liegt jedoch der Mn-Gehalt unter 0,3 Gew.-%, dann wird weniger MnS
erzeugt, und die Masse wird durch die S-Menge beeinträchtigt und der Schmiereffekt
nicht erzielt. Übersteigt andererseits der Mn-Gehalt 1,2 Gew.-%, dann verstärkt
sich die Neigung zur Bildung von weißem Roheisen und es steigt die Härte des Gußeisens
an, wodurch die spanabhebende Bearbeitbarkeit verschlechtert wird. Aus diesem Grunde
soll der Mn-Gehalt auf 0,3 bis 1,2 Gew.-% begrenzt sein.
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(c) P Übersteigt der P-Gehalt 0,20 Gew.-%, dann wird eine Verbesserung
der Fließbarkeit des geschmolzenen Metalls erzielt und dabei Ferrophosphor in der
Masse gebildet, wodurch die Sprödigkeit des Gußeisenprodukts erhöht wird. Aus diesem
Grund soll der P-Gehalt auf 0,2 oder weniger begrenzt sein.
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(d) S S wird zur Bildung von MnS benötigt, wie es oben in Abschnitt
(b) erläutert ist, doch wird dann, wenn der S-Gehalt unter 0,06 Gew.-% liegt, eine
nur unzureichende Menge MnS gebildet. Übersteigt andererseits der S-Gehalt einen
Wert von 0,25 Gew.--%, dann steigt die Menge des gebildeten MnS an, was zur Folge
hat, daß die er-
forderliche Menge Mn erhöht werden muß und so die
Neigung zur Bildung von weißem Roheisen ansteigt, und damit die spanabhebende Bearbeitbarkeit
des Gußeisenproduktes verschlechtert wird. Aus diesem Grund soll der S-Gehalt auf
0,06 bis 0,25 Gew.-% begrenzt sein.
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(e) Cu Das Cu wird in der Eisenmasse zur vollständigen festen Lösung
gebracht, um die Effekte einer Beschleunigung der Verdichtung des Perlit-Gefüges,
der Regelung der Bildung von freiem Ferrit und einer Beschleunigung der Graphitbildung
zu erzielen. Das Cu hat ferner die Wirkung, daß es die antikorrosiven Eigenschaften
des Gußeisens in einer Atmosphäre, die Nach und 02 enthält, verbessert, und daß
es insbesondere das lamellare Abblättern der Rostlamellen reguliert, wenn die Rostlamellen
gebildet sind. Liegt derCu-Gehalt unter 0,15 Gew.-%, dann werden die vorerwähnten
Wirkungen nicht erzielt, wohingegen in den Fällen, in denen der Cu-Gehalt 3,5 Gew.-%
übersteigt, die Härte der Eisenmasse und die Rostlamellen übermäßig ansteigen und
die Gleiteigenschaften derart nachteilig beeinflussen, daß ein partielles Abblättern
der Rostlamellen eintritt. Der Cu-Gehalt soll daher auf 0,15 bis 3,5 Gew.-% begrenzt
sein.
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Was nun die dieser Beschreibung beigefügten Zeichnungen anbelangt,
so gibt Fig. 1 eine graphische Darstellung wieder, welche die Beziehung zwischen
der Wahrscheinlichkeit des Eintritts des anfänglichen lamellaren Abblätterns einer
Rostlamelle und dem Cu-Gehalt veranschaulicht.
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Fig. 2 veranschaulicht graphisch die Beziehung zwischen
der
Abblätterungswahrscheinlichkeit und der Dicke der Rostlamellen.
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In Fig. 3 wird die Beziehung zwischen der Korrosion und dem Cu-Gehalt
graphisch dargesteik.
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Fig. 1 veranschaulicht die Wahrscheinlichkeit des Eintritts des anfänglichen
lamellaren Abblätterns einer Rostlamelle in seiner Beziehung zum Cu-Gehalt bei Gußeisenmaterialien,
die mit verschiedenen Cu-Gehalten hergestellt worden sind, wobei diese Probestücke
danach einem Rostlamellenbildungstest unterworfen wurden.
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Bei dem Rostlamellenbildungstest wurde ein Probestück 60 Minuten lang
in einem Oxydationsofen auf eine Temperatur von 250 OC + 50 OC erhitzt. Das Probestück
wurde dann 5 Minuten lang in ein übersättigtes NaCl-Bad getaucht und danach wurde
das Probestück 1bis 10 Stunden lang der Außenatmosphäre ausgesetzt.
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Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, tritt in den Fällen, in denen der
Cu-Gehalt 0,15 Gew.-% übersteigt, ein lamellares Abblättern der Rostlamellen nicht
ein, doch wenn der Cu-Gehalt weniger als 0,15 Gew.-% beträgt, steigt das lamellare
Abblättern abrupt an.
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Fig. 2 veranschaulicht die Beziehung zwischen der Abblätterungswahrscheinlichkeit
und der Dicke der Rostlamellen in den Fällen, in denen Gußeisen mit einem Cu-Gehalt
von un-ter 0,15 Gew.--% dem vorerwähnten Rostlamellenbildungstest unterworfen wurde.
Wie gefunden wurde, tritt dann, wenn die Dicke der Rostlamelle auf 0,3 bis 0,4 mm
ansteigt, das lamellare Abblättern ein, und wenn die Dicke der Rostlamelle auf 1,2
mm ansteigt, wird die Rostlamelle vollständig abgeblättert (zu 100 %).
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Bei der vorliegenden Erfindung wird das Perlit-Gefüge durch Einstellung
des Cu-Gehalts auf mehr als 0,15 Gew.-% verstärkt, und demzufolge wird die Eluierung
des Fe-Ions reguliert, und als Folge hiervon wird das Wachstum der Rostlamellen
beträchtlich verzögert, und die Rostlamellen wachsen nicht bis zu einer Dicke, bei
der das Abblättern stattfindet. Die Testergebnisse lassen erkennen, daß bei einem
Gußeisen mit einem Cu-Gehalt von 0,33 Gew.-% die Dicke der Rostlamelle im Mittel
0,15 mm oder weniger betrug; bei Gußeisen mit einem Cu-Gehalt von 0,33 bis 1,91
Gew.-% belief sich die Dicke der Rostlamelle auf annähernd 0,12 mm oder weniger;
und bei Gußeisen mit einem Cu-Gehalt von 1,91 bis 3,5 Gew.-% betrug die Dicke der
Rostlamelle annähernd 0,10 mm oder weniger.
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Ferner wird bei einem Gußeisen mit einem Cu-Gehalt von wenigstens
0,15 Gew.-% die Rostlamelle in dichter kompakter Form gebildet und hierdurch wird
der Fortgang der Korrosion verzögert. Wurde der vorerwähnte Test wiederholt durchgeführt,
dann erfolgte das lamellare Abblättern derRostlamellen 3 bis 6 mal bei Gußeisen
mit einem Cu-Gehalt von unter 0,15 Gew.-%, wohingegen bei einem Gußeisen mit einem
Cu-Gehalt von über 0,15 Gew.-% kein lamellares Abblättern der Rostlamellen eintrat.
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Fig. 3 veranschaulicht die Beziehung zwischen der Korrosionszunahme
und -abnahme und dem Cu-Gehalt, wobei der vorerwähnte Test mit verschiedenen Probestücken
in 94 Zyklen (ein Zeitraum von 135 Tagen) durchgeführt wurde, wobei vorausgesetzt
ist, daß der oben erwähnte Test einen Zyklus darstellt.
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Bei Cu-Gehalten von 1,11 Gew.-% (A), 1,24 Gew.-% (B) und 0,67 Gew.-%
(C) tritt ein lamellares Abblättern der Rostlamellen nicht ein, und daher befindet
sich die
Rostlamelle im Prozeß des Oxydationszuwachses. Bei Cu-Gehalten
von 0,10 Gew.-% (D), 0,14 Gew.-% (E), 0,03 Gew.-% (F), 0,02 Gew.-% (G) und 0,01
Gew.-% (H) tritt das lamellare Abblättern der Rostlamellen 3 bis 6 mal ein, und
daher wird das Gewicht aufgrund der Korrosion beträchtlich reduziert. Bei den Kupfergehalten
(G) bis (H) tritt das anfängliche lamellare Abblättern beim 16. Zyklus ein, und
daher übertreffen die Massen mit den Cu-Gehalten (A) bis (C) diejenigen mit den
Cu-Gehalten (D) bis (H) um mehr als das 5-fache, selbst bei einer einfachen vergleichenden
Gegenüberstellung.
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Es ist darauf hinzuweisen, daß der Zusatz von Cu zusammen mit Cr oder
von Cr und Ni zusammen mit dem Cu ein wirksames Mittel zur Regulierung des lamellaren
Abblätterns der Rostlamellen darstellt.
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Der Einzelzusatz von Cr oder Ni bewirkt eine Regulierung der Korrosionsabnahme
des Gußeisens, vermag aber nicht das lamellare Abblättern der Rostlamellen zu steuern.
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Jedoch bewirkt der Zusatz von Cr und Ni zusammen mit Kupfer die Regulierung
des partiellen lamellaren Abblätterns der Rostlamellen. In diesem Fall kann jedoch
der vorerwähnte Effekt nicht erzielt werden, wenn der Gehalt an Cr und Ni unter
0,05 Gew.-% liegt. Übersteigt der Cr-Gehalt 0,5 Gew.-%, dann steigt die Bildung
von Chromcarbid an und demzufolge die Sprödigkeit und die Härte, wodurch die spanabhebende
Bearbeitbarkeit verschlechtert wird, während in dem Fall, in dem der Ni-Gehalt 0,5
Gew.-% übersteigt, die spanabhebende Bearbeitbarkeit ähnlich wie im Falle von Chrom
beeinträchtigt wird. Demzufolge sollen die Gehalte an Cr bzw. Ni zwischen 0,05 und
0,5 Gew.-% liegen.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine vorbestimmte
MengeCu Gußeisen zugesetzt, das unter verhältnismäßig geringem Kostenaufwand nach
dem Kupolofenschmelzverfahren oder dergleichen gewonnen wird, um so die Perlit-Grundmasse
zu verstärken und hierdurch die Eluierung des Fe-Ions zu regulieren und das Wachstum
der Rostlamellen unter verschiedenartigen korrodierend wirkenden Atmosphären beträchtlich
zu verzögern, um so zu einer antikorrosiven Gußeisenmasse zu gelangen, die eine
verbesserte Widerstandsfähigkeit gegen das lamellare Abblättern der Rostlamellen
aufweist. Die Gußeisenmasse ist so technisch vorzüglich brauchbar als Material für
Automobilteile, die dem Gleitverschleiß ausgesetzt sind, z.B. für Bremselemente,
wie Bremsscheiben, Bremstrommeln, Kupplungsteile, z.B. Druckscheiben und Schwungräder,
und für Motorteile, z.B. Motorblöcke und MotOrbuchsen.
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Darüber hinaus wird gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung
eine vorbestimmte Menge Cr oder Cr und Ni zusätzlich zur Cooperation mit dem Cu
zugegeben, um das partielle lamellare Abblättern der Rostlamellen zu;steuern, und
in diesem Falle kann die Widerstandsfähigkeit gegen das lamellare Abblättern weiter
verbessert werden, wenn man es mit der Widerstandsfähigkeit von Gußeisenmassen vergleicht,
die durch Zusatz von Kupfer allein gewonnen worden sind.
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