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Die
vorliegende Erfindung betrifft Eisenlegierungen und Verfahren zu
ihrer Herstellung. Die erfindungsgemäßen Eisenlegierungen sind besonders
zur Verwendung in Scheibenbremsen für Fahrzeuge und in anderen
Fahrzeugkomponenten, insbesondere automatischen Komponenten, geeignet.
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Scheibenbremsen
wurden in den späten
50er Jahren für
Motorfahrzeuge eingeführt.
Scheibenbremsen umfassen eine Scheibe oder einen Rotor, der mit
der Fahrzeug-Radnabe starr verbunden ist. Zwei oder mehrere Klötze drücken über eine
Zangenwirkung auf die Scheibe oder den Rotor, um die Drehung der
Scheibe oder des Rotors zu stoppen und bremsen daher das Fahrzeug
ab. Die Klötze
weisen einen Friktionsbelag auf; der früher aus einem asbestartigen
Material bestand. Dieses asbestartige Material diente dazu, die
Klötze im
Wesentlichen vor Wärme
und einem mineralischen Angriff zu schützen. Hinsichtlich der extremen
Toxizität von
Asbest bestehen die Bremsklötze
nun allerdings allgemein aus einem Friktionsmaterial, das 10-20
Vol.-% Harze, 0-10
Vol.-% Friktionsmodifikatoren, 0-10 Vol.-% Metallpulver, 20-40 Vol.-%
Füllstoffe
und 10-50 Vol.-% Fasern
(Asbestfasern, Metallfasern, Glasfaser und synthetische mineralische
Fasern) enthält.
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Seit
der Einführung
von Scheibenbremsen war graues Gusseisen das Material der Wahl zur
Herstellung der Scheiben oder Rotoren. Verglichen mit Kugelgraphitgusseisen
weist graues Gusseisen eine höhere Wärmeleitfähigkeit
und einen geringeren Elastizitätsmodul
auf und ist oberhalb von 500 °C
dimensionsstabil. Kugelgraphitgusseisen wurden zur Verwendung in
Scheibenbremsen als ungeeignet angesehen, da sie eine zu geringe
Wärmebeständigkeit
zeigen.
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Obwohl
graues Gusseisen viele Eigenschaften aufweist, die es zur Verwendung
in Scheibenbremsen besonders geeignet machen, weist es den Nachteil
einer relativ geringen Zugfestigkeit auf. Eine Anzahl von Autoren
hat bereits versucht, diesen Nachteil anzugehen.
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Jimbo
et al. diskutierten in der SAE-Veröffentlichung Nr. 900002 mit
dem Titel "Development
of High Thermal Conductivity Cast Iron for Brake Disc Rotors" die Probleme der
Rissbildung in Scheibenbremsen. Die Autoren schlossen, dass graues
Gusseisen aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit im Hinblick auf die Bruchfestigkeit
das am meisten geeignete Rotormaterial wäre. Die Autoren haben auch
den Schluss gezogen, dass das graue Gusseisen einen hohen Kohlenstoffgehalt
(zur Maximierung der Wärmeleitfähigkeit),
einen geringen Siliziumgehalt und einen möglichst geringen Legierungsbestandteilgehalt
zur Erhöhung
der Festigkeit aufweisen sollte. Die Autoren haben beschlossen,
Molybdän
als einziges dem grauen Gusseisen zugesetztes Legierungsmittel zuzusetzen.
Die Autoren testeten eine Anzahl von Gusseisenlegierungen mit Molybdängehalten
im Bereich von 0,32 bis 0,68 % und schlossen, dass die Gusseisenlegierung
eine Zusammensetzung von 3,7-4,0% C, 1,4-2,0% Si und 0,5-0,6 Mo
und als Rest Eisen und beiläufige
Verunreinigungen aufweisen sollte.
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Die
australische Patentschrift Nr. 426529 (19758/67) im Namen von Westinghouse
Air Brake Company betraf eine Gussmetallzusammensetzung für Scheibenbremsenrotoren.
Diese Patentschrift erläutert Schwierigkeiten,
die in Frakturen in der Scheibenoberfläche von Bremsrotoren angetroffen
werden, wenn sie aus grauem Gusseisen hergestellt sind. Eine postulierte
Lösung
bestand in der Verwendung von Kugelgraphitgusseisen oder duktilem
Gusseisen, das eine ausreichende Festigkeit aufwies, um diesen Fehler
zu vermeiden, allerdings war die Bremsoberfläche der Verwerfung ausgesetzt.
Dies führte
eindeutig dazu, dass das Material ungeeignet ist. Die Patentschrift
schlug ein Chrom-Nickel-Gusseisen vor, mit einer Zusammensetzung von
3,20-3,55 % Kohlenstoff,
0,15-0,25 % Chrom, 1,15-1,35 % Nickel, 0,30-0,50 % Molybdän, 0,50-0,80
% Mangan, 1,80-2,00 % Silizium, weniger als 0,10 % Phosphor, weniger
als 0,08 % Schwefel und als Rest Eisen. Die Legierung wies eine
Mikrostruktur auf, die gleichmäßigen feinkörnigen Perlit
einschloss, in dem ein Minimum von 75 % Typ-A-Plattengraphit gleichmäßig verteilt
ist.
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Die
japanische Patentanmeldung Nr. 60-52553 im Namen von Sumitomo Kinzoku
Kogyo K.K. offenbart einen Stahl für einen Scheibenbremsenrotor
mit 0,1-0,6 % Kohlenstoff, weniger als 0,8 % Silizium, weniger als
3 % Mangan, 0,2-5,0 % Nickel und gegebenenfalls enthaltend eines
oder mehrere von 0,5-5,0 % Aluminium, 0,1-3,0 % Kupfer, 0,2-3,0
% Titan und 0,1-5,0 % Molybdän.
Dieser Stahl wird mit einer Bremsfestigkeit entsprechend derjenigen
von Gusseisen beschrieben, ohne dass die ausgezeichnete Wärmerissbildungsbeständigkeit
des Schmiedestahlrotors geschmälert
wird.
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Die
US-Patentschrift Nr. 5,323,883 im Namen von Mibe et al. (Nissan
Motor Company, Limited zugesprochen) betrifft ein Kraftfahrzeug-Bremssystem.
Das Bremssystem umfasst einen Rotor, der aus graphitischem Gusseisen
hergestellt ist, bestehend aus 3,5-4,0 % Kohlenstoff, 1,6-2,0 %
Silizium, 0,5-0,8 % Mangan, 0,4-1,2% Molybdän und als Rest im Wesentlichen
Eisen. Die Matrixstruktur der Zusammensetzung liegt in der Form
eines Perlits vor. Diese Patentschrift betont die Bedeutung des
Erhalts einer guten Wärmeleitfähigkeit
in für
Scheibenbremsen verwendeten Materialien. Die Patentschrift stellt
auch fest, dass, wenn mehr als 1,2 % Mo zugesetzt werden, Carbide
oder Gussfehler hervorgerufen werden können, wodurch das oberste Niveau an
Molybdän
auf 1,2 % eingestellt wird. Mangan ist ebenfalls eine essentielle
Komponente der Metalllegierung.
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Die
US-Patentschrift Nr. 1,762,109 im Namen von Taylor et al. offenbart
eine Gusseisenlegierung, die leicht gehärtet und leichter als übliches
Gusseisen maschinell bearbeitet werden kann. Die Gusseisenlegierung
besteht aus 1,0-4,0 % Eisen, 0,5-2,5 % Silizium, 1,0-4,0 % Nickel
und bis zu 1,0 % Molybdän
und als Rest Eisen und beiläufige
Verunreinigungen. Die Legierung ist zur Herstellung von Gegenständen geeignet,
in denen einige Teile eine gehärtete
Oberfläche
aufweisen und andere Teile, wie Nocken, Zylinderblöcke und
Kolben. zur maschinellen Bearbeitung und für andere Zwecke relativ weich
sind.
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Die
US-Patentschrift Nr. 3,095,300 im Namen von Moore et al. offenbart
eine Gusseisenzusammensetzung, die 1,2-5,3 % Mangan und 0,40-0,80%
Molybdän
einschließt
und die ein Gusseisen bereitstellt, das im Gusszustand maschinell
bearbeitbar ist und an Luft gehärtet
werden kann.
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Die
US-Patentschrift Nr. 3,798,027 von Defranco et al. offenbart ein
hochfestes graues Gusseisen mit geringer Härte, das aus 1-3 % Aluminium,
2-4 % Kohlenstoff, bis zu 1 % Silizium und als Rest Eisen besteht, wobei
die Legierung auch mit einem Impfmittel, ausgewählt aus Calcium, Strontium
und Barium, angeimpft wurde. Die Patentschrift legt nahe, dass,
um bestimmte besondere Eigenschaften, wie Wärmebeständigkeit oder Korrosionsbeständigkeit,
zu erhalten, verschiedene Mengen an Legierungselementen, einschließlich 0-6 %
Kupfer, 0-12 % Nickel, 0-5 % Chrom, 0-2 % Molybdän und 0-1 % Zirconium, zugesetzt
werden müssen.
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Die
US-Patentschrift Nr. 3,902,897 von Sobue et al. offenbart ein Kugelgraphitgusseisen,
bestehend aus 2,3-4,2 % C, 1,5-5,0 % Si, nicht mehr als 1,0 % Mn,
1,5-6,0 % Ni, 0,1-1,0 % Mo, 0,2-2,0
% Al, bis zu 0,1 % eines spheroisierenden Mittels und als Rest Eisen.
Die Patentschrift erläutert
eindeutig die Bedeutung von Al in der Legierung und stellt auch
fest, dass ein Mo-Gehalt von 1,0 zu einer großen Menge an Carbid führt, das
im Gusszustand gebildet wird, was zu einer zu hohen Härte führt. Die
Patentschrift stellt eindeutig fest, dass die maximale Menge an
Mo 1,0 % beträgt.
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Die
US-Patentschrift Nr. 4,166,756 von Geyes et al. betrifft die Metallurgie
von verschleißfesten
Dämpfungselementen,
die in Eisenbahnwaggons eingesetzt werden. Insbesondere betrifft
die Patentschrift die chemische Zusammensetzung und Verfahrenskontrollparameter,
wie Gießtemperatur,
Form-Entnahmetemperatur und Abkühlungsgeschwindigkeit,
um die gewünschte
Mikrostruktur in den Gussteilen zu entwickeln. Die verwendete Legierung
weist eine chemische Zusammensetzung auf, bestehend aus 3,00-3,30
% Kohlenstoff, 1,20-1,50% Silizium, 0,85-1,00 % Mangan, 0,80-0,90
% Molybdän,
1,40-1,60 % (Nickel plus Kupfer) und als Rest Eisen. Das Verfahren
zur Bildung von Gussteilen aus dieser chemischen Zusammmensetzung
wird als kritisch beschrieben.
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Die
US-Patentschrift Nr. 4,450,019 von Satou et al. beschreibt ein duktiles
Gusseisen, das eine hohe Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen
und eine hohe Wärmeermüdung bei
Verwendung als Material für
Kraftfahrzeug-Abgasverteiler aufweist. Das Gusseisen besteht aus
2,5-3,8 % Kohlenstoff, 3,5-4,8 % Silizium, 1,0 % oder weniger Mangan,
0,1 % oder weniger Phosphor, 0,1 % oder weniger Schwefel, 0,5-2,0
% Molybdän,
0,03-0,1 % Magnesium und mindestens einem von Cer und Lanthan in
einer Menge von 0,02-0,5 % und als Rest Eisen. Falls Silizium in
einer Menge von weniger als 3,5 % vorhanden ist, kann auf dem Abgasverteiler
keine SiO2-Schutzschicht gebildet werden,
und es besteht die Neigung der Entstehung von Gussfehlern, wie Schrumpfungshohlräume, aufgrund
des Kohlenstoff-Sättigungsgrades.
Cer und Lanthan sind essentielle Elemente der Zusammensetzung. Sind
Ce und La unterhalb der unteren Grenze von 0,02 % vorhanden, dispergiert
Silizium nicht in Richtung der Oberflächenregion des Gussteils (was
erforderlich ist, um die SiO2-Schutzschicht
auf dem Gussteil zu bilden), wobei die Eigenschaft von Molybdän die Oxidationsbeständigkeit
ausreichend hemmt. Somit müssen
Ce und La vorliegen, um den nachteiligen Eigenschaften des in der Legierung
vorhandenen Molybdäns
entgegen zu wirken.
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In
der US-Patentschrift Nr. 4,153,017 von Behnke wurden Nocken für Verbrennungsmotoren
aus einer Eisenlegierung hergestellt, bestehend aus 3,10-3,60 %
Kohlenstoff, 2,00-2,90 % Silizium, 0,60-0,90 % Mangan, 0,20-0,80
% Chrom. 0,30-0,60 % Nickel, 1,50-5,00 % Molybdän, 0,10-0,50 % Vanadium und
als Rest Eisen. Molybdän
wurde aus mehreren Gründen
als Hauptlegierungselement gewählt,
wovon einer darin bestand, dass Molybdän zwei Typen von Carbid bildet:
Ein kubisch flächenzentriertes
M23C6-Eisen-Molybdän-Carbid
und ein orthorhombisches Fe3C-Zementit-Carbid.
Das M23C6-Typ-Carbid
ist stabiler. Zur Lösung der
Zementittyp-Carbide werden der Legierung Chrom und Vanadium zugesetzt,
was zeigt, wie kritisch die Zugabe von Cr und V ist.
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Es
wurden bereits Versuche unternommen, Kraftfahrzeugteile, wie Bremsrotoren,
aus Metallmatrix-Composites (MMCs) herzustellen. Beispielsweise
beschreibt die US-Patentschrift Nr. 5,261,511 auf den Namen Libsch
einen Bremsrotor, der aus einer Zusammensetzung mit 20-80 Vol.-%
Siliziumcarbiden und 80-20 Vol.-% einer Eisenlegierung hergestellt
ist. Die Patentschrift stellt fest, dass die Eisenlegierung im Wesentlichen
aus 0,4-4,0% Kohlenstoff (gewichtsbezogen), 1,8-18,0% Silizium,
1,0-10,0% X, wobei X aus einer Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus Cr,
Mo, Cu, Mn, Ni, P und S, und als Rest Eisen besteht. Obwohl diese Patentschrift
einen breiten Bereich von 1,0-10,0% für X angibt, zeigt das einzige
Beispiel, dass X in einer Menge von 1,51 Gew.-% vorhanden und mit
Cr (0,13), Mo (0,08), Cu (0,28), Mn (0,75), Ni (0,13), P (0,06)
und S (0,08) angereichert ist. Die Patentschrift stellt auch fest,
dass das Metallmatrix-Composit, das 20-80% Siliziumcarbidteilchen
und 80-20% der Eisenlegierung einschließt, ein wirksames Material
zur Herstellung von Bremsrotoren ist. Die Eignung der Eisenlegierung
an sich als Material zur Herstellung des Bremsrotors wird in keiner
Weise erwähnt,
und insbesondere ist gemäß der Patentschrift
die Gegenwart von Siliziumcarbidteilchen erforderlich.
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Die
US-Patentschrift Nr. 3,909,252 von Kuriyama et al. beschreibt ein
verschleißfestes
und selbstschmierendes Gusseisen. Das Gusseisen besteht aus 1,0-3,5%
Kohlenstoff, 0,5-3,5% Silizium, 0,1-1,5% Mangan, 0,1-2,0% Chrom,
1,0-15,0% Kobalt, 0,5-10,0% Molybdän, 0,1-5,0% Nickel, 0,05-2,0%
Niob, 0,001-0,1% Bor und als Rest Eisen. Dieses Gusseisen, das eine
große
Menge an Kobalt und Zusätze
von Chrom und Niob enthält,
ist besonders zur Herstellung von Kolbenringen geeignet.
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Die
US-Patentschrift Nr. 3,559,775 im Namen von Miller beschreibt einen
Bremsrotor, der aus einer hypereutektischen grauen Gusseisenzusammensetzung
hergestellt ist, bestehend aus 3,6-4,0% Kohlenstoff, 2,5-4,0% Silizium
und bis zu etwa 2% von einem oder mehreren Perlitstabilisierenden
Elementen und Eisen. Die Perlit-stabilisierenden Elemente können Mangan,
Chrom, Kupfer, Zinn und Molybdän
sein. Obwohl die Patentschrift feststellt, dass die angegebenen
bestimmten Perlit-stabilisierenden Elemente allein oder in Kombination
verwendet werden können,
verwendete das einzige Beispiel, das Molybdän als Perlit-Stabilisator einschloss,
0,10-0,20% Molybdän, und das
Molybdän
wurde in Kombination mit Chrom verwendet. Der chemisch unassoziierte
bzw. ungebundene Kohlenstoff war in Form von relativ großen diskreten
Graphitkörpern
vom ASTM-Typ A (d.h. Graphitflocken) vorhanden.
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Das
polnische Dokument
PL
173 194 A offenbart ein Gusseisen zur Verwendung bei der
Herstellung von Kolbenringen mit Kugelgraphit-Morphologie, enthaltend:
Si 3,8-4,8%, Ni 2,8-3,5%, Mo 1,70-2,20%, Cu 1,2-1,5%, Mg 0,04-0,12%,
Ce 0,01-0,10%, C 2,7-3,2%, Mn ≤ 0,5%,
C5 ≤ 0,06%,
S ≤ 0,02%,
P ≤ 0,03%.
V ≤ 0,02%,
W ≤ 0,02%,
Ti ≤ 0,01
%, Sn ≤ 0,01
%, Al ≤ 0,02%
und als Rest Eisen.
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Das
polnische Dokument
PL
173 169 A offenbart ein Kugelgraphitgusseisen zur Verwendung
bei der Herstellung von Kolbenringen, enthaltend: Si 3,8-4,5%, Ni
1,2-1,5%, Mo 1,10-1,80%, Cu 0,9-1,2%, Mg 0,05-0,12%, Ce 0,05-0,12%,
C 2,7-3,2%, S ≤ 0,02%,
P ≤ 0,08%,
Mn ≤ 0,5%,
Cr ≤ 0,06%,
V < 0,01 %, W ≤ 0,02%, Ti ≤ 0,01 %, Sn ≤ 0,01 %, Al < 0,02% und als Rest
Eisen.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Eisenlegierung
bereitzustellen, die besonders zur Verwendung bei der Herstellung
von Scheibenbremsenrotoren geeignet ist und die auch bei der Herstellung
einer breiten Vielzahl von anderen Kraftfahrzeugkomponenten und
anderen Gegenständen
verwendet werden kann.
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Gemäß eines
ersten Aspekts stellt die vorliegende Erfindung eine Kugelgraphitgusseisenlegierung, wie
in Anspruch 32 definiert, bereit.
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Überall in
der Beschreibung sind sämtliche
Prozentangaben in Gewichtsprozent ausgedrückt.
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Die
Menge an Kohlenstoff fällt
vorzugsweise in den Bereich von 1,5 bis 3,8, stärker bevorzugt in den Bereich
von 3,0 bis 3,5%, stärker
bevorzugt in den Bereich von 3,0 bis 3,35%, und besonders bevorzugt
beträgt
sie etwa 3,25%.
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Die
Menge an Silizium in der Eisenlegierung fällt vorzugsweise in den Bereich
von 1,9 bis 2,5% und stärker
bevorzugt in den Bereich von 2,1 bis 2,3%.
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Molybdän ist eine
essentielle Komponente der Legierung und ist in einer Menge von
mindestens 1,2% vorhanden. Vorzugsweise ist Molybdän in einer
Menge von mindestens 1,2% bis 4,5%, stärker bevorzugt von mindestens
1,2% bis 3,0%, vorhanden. Es wurde festgestellt, dass eine Legierung,
die 1,5% Molybdän
enthält, zur
Verwendung in den Scheibenbremsenrotoren von Pkw geeignet ist, während Scheibenbremsenrotoren
für Rennwagen
zweckmäßigerweise
3,0% Molybdän
enthalten.
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Nickel
und/oder Kupfer können
ebenfalls vorliegen und funktionieren als Legierungsmodifikatoren
zur Verbesserung der Festigkeit und zur Verfeinerung der Struktur
der Legierung. Vorzugsweise ist Nickel in einer Menge von 0,1 bis
4,5%, stärker
bevorzugt von 0,1 bis 3,5% und am stärksten bevorzugt zu 1 % vorhanden. Die
Menge an Kupfer beträgt
vorzugsweise 0,1 bis 4,5%, stärker
bevorzugt 0,1 bis 3,5% und am stärksten
bevorzugt 1 %. Die Gesamtmenge an Molybdän und Nickel und/oder Kupfer
sollte 6,5% nicht übersteigen.
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Die
beiläufigen
Verunreinigungen können
Mangan, Schwefel und Phosphor einschließen. Die Menge an Verunreinigungen
liegt im Allgemeinen im Bereich von 0,1 bis 0,8%, vorzugsweise 0,04%
Schwefel und 0,04% Phosphor.
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Eine
besonders bevorzugte erfindungsgemäße Legierung enthält 3 bis
3,35% Kohlenstoff, 1,9 bis 2,5% Silizium und mindestens 1 bis 3%
Molybdän
und als Rest Eisen und beiläufige
Verunreinigungen.
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Für Scheibenbremsenrotoren
für Rennwagen
umfasst eine bevorzugte Zusammensetzung der Legierung 3,5 bis 4,5%
Kohlenstoff, 2,1 bis 2,3% Silizium, 2,5 bis 3,5% Molybdän und als
Rest Eisen und beiläufige Verunreinigungen,
stärker
bevorzugt 3,7-3,8% Kohlenstoff, etwa 3,0% Molybdän, 2,1-2,3% Silizium und als Rest
Eisen und beiläufige
Verunreinigungen. Nickel und/oder Kupfer können gegebenenfalls in den
vorstehend ausgeführten
Mengen eingeschlossen sein.
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Das
Kohlenstoffäquivalent
(CE) dieser besonders bevorzugten Legierung beträgt im Allgemeinen 3,8.
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Das
Kohlenstoffäquivalent
wird durch die folgende Formel bestimmt: C.E. = %C + 13 (% Si) (1)
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Obwohl
Nickel und/oder Kupfer gegebenenfalls in der erfindungsgemäßen Legierung
in den vorstehend angegebenen Mengen eingeschlossen sein können, ohne
dass im Wesentlichen nachteilige Wirkungen festgestellt werden,
ist es bei einer Ausführungsform
bevorzugt, dass absichtliche Zugaben von Nickel und Kupfer zu der
Legierung minimiert oder überhaupt
vermieden werden. Darum sind in der erfindungsgemäßen Eisenlegierung
Nickel und/oder Kupfer nur in Verunreinigungsmengen vorhanden.
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Gleichermaßen wird
vorzugsweise die Zugabe von weiteren Legierungsbestandteilen vermieden.
Insbesondere Chrom, Mangan, Vanadium und Seltenerdmetalle sollten
in der erfindungsgemäßen Eisenlegierung im
Wesentlichen in Konzentrationen von 0 und sicherlich nicht mehr
als Verunreinigungsniveaus vorliegen. Chrom und Mangan wirken zur
Erhöhung
der Härte
der Legierung, wodurch die maschinelle Bearbeitung erschwert wird.
Außerdem
würden
Legierungselemente auch die Kosten zur Herstellung der Legierung
in unerwünschter
Weise erhöhen
und könnten
unbekannte oder unerwünschte
Auswirkungen auf die Mikrostruktur und/oder die physikalischen Eigenschaften
der Legierung haben.
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Die
vorliegende Erfindung ist ein Kugelgraphitgusseisen (auch als globularer
Grauguss bekannt), das kleine Mengen von einem oder mehreren spheroisierenden
Mitteln enthält.
Spheroisierende Mittel umfassen typischerweise etwas Magnesium,
und demnach kann die Eisenlegierung geringe Mengen an Magnesium
einschließen.
Alternativ oder zusätzlich
kann die Eisenlegierung geringe Mengen an Elementen enthalten, die
in anderen spheroisierenden Mitteln verwendet wer den, die dem Fachmann
als geeignet bekannt sind. Das spheroisierende Mittel ist in einer
maximalen Menge von 0,1% bis 0,2% vorhanden.
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Die
am stärksten
bevorzugte erfindungsgemäße Eisenlegierung
umfasst 3 bis 3,35% Kohlenstoff, 2,1-2,3% Silizium, mindestens 1,0
bis 3% Molybdän
und als Rest Eisen und beiläufige
Verunreinigungen, wobei die Eisenlegierung ein Kugelgraphitgusseisen
ist.
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Molybdän ist das
Hauptlegierungselement, das der erfindungsgemäßen Eisenlegierung zugesetzt wird.
Es wurde festgestellt, dass Molybdän insofern eine stabilisierende
Wirkung auf die Legierung besitzt, als es beim Auftreten von Temperaturänderungen
die Wirkung einer Unterdrückung
der Phasenübergänge in der Legierung
besitzt. Bei Verwendung bei der Herstellung von Scheibenbremsenrotoren
bewirkt das Bremsen die Aufheizung der Rotoren und das Abkühlen: Die
stabilisierende Wirkung des Molybdäns minimiert oder vermeidet
Phasenübergänge, was
dadurch zur Aufrechterhaltung der Dimensionsstabilität der Rotoren
beiträgt
und das Reißen
bzw. eine Rißbildung
des Rotors minimiert oder vermeidet. Es wird angenommen, dass Molybdän auch die
Wärmeleitfähigkeit
der Legierung erhöht,
um dadurch die Verbesserung der Wärmedissipation von den Rotoren
zu unterstützen.
Molybdän
verfeinert auch die Körnung
unter Erzeugung einer Legierung mit einer feinen Korngröße.
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Der
Erfinder der vorliegenden Erfindung hat eine ausgiebige Erforschung
der Stand-der-Technik-Literatur
vorgenommen und hat kein Dokument ausfindig gemacht, das eine Eisenlegierung
mit der hier ausgeführten
Zusammensetzung offenbart. Ein weiteres erfindungsgemäßes Unterscheidungsmerkmal
liegt in der Bereitstellung der ausgeführten Zusammensetzung in Form
eines Kugelgraphitgusseisens.
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Die
erfindungsgemäße Eisenlegierung
ist besonders zur Verwendung bei der Herstellung von Scheibenbremsenrotoren
für Fahrzeuge,
wie Kraftfahrzeuge, Flugzeuge und Züge, geeignet.
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Nach
einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung einen Scheibenbremsenrotor,
wie in Anspruch 26 definiert, bereit. Wenn die erfindungsgemäße Eisenlegierung
bei der Herstellung von Scheibenbremsenrotoren verwendet wird, wurde
festgestellt, dass die Scheibenrotoren einen herabgesetzten Verschleiß aufweisen.
Vibrieren, Reißen
und Quietschen sind im Vergleich mit herkömmlichen aus grauem Gusseisen
hergestellten Scheibenbremsen ebenfalls reduziert.
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Obwohl
die erfindungsgemäße Eisenlegierung
besonders zur Herstellung von Scheibenbremsenrotoren geeignet ist,
wird davon ausgegangen, dass eine breite Vielzahl von anderen Gegenständen aus
der erfindungsgemäßen Eisenlegierung
hergestellt werden kann. Beispiele für weitere Gegenstände, die
aus der erfindungsgemäßen Eisenlegierung
hergestellt werden können,
umfassen Fahrzeug-, Flugzeug- oder Schiffsbauteile, einschließlich von
Schiffskielen, Zylinderköpfen,
Zylinderblöcken
und Rädern;
Asche- und Staubsysteme, Flugasche-Leitungen, Verschleißplatten
für Luftkontroll-
oder Brennerkästen,
insbesondere zur Verwendung in Stromstationen; Pumpkörper und
Abdeckungen; Rohrleitungen, Brecherteile, Getrieberäder und
Ritzel, Verschleißplatten;
Staubzufuhrventile, Wasserzufuhrventile, Kupplungen und andere Rohrverbinder, Gussgewinde,
Mannloch-Abdeckungen und -Rahmen, Gitterroste; Walzen, Steuerwellen;
Kurbelschäfte,
Gelenkverbindungen an Aufhängesystemen,
Flugzeugtragflächen
und Kupplungsplatten, LKW-Bremsrotoren und Bremstrommeln für Fahrzeuge.
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Bereitgestellt
wird ein Verfahren zur Herstellung einer Eisenlegierung, wie hier
beschrieben, umfassend die Schritte:
- (a) Bereitstellung
einer Schmelze, einschließlich
Eisen, Silizium, Kohlenstoff, Molybdän und gegebenenfalls Kupfer
und/oder Nickel; und
- (b) Gießen
der Schmelze.
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Vorzugsweise
umfasst Schritt (a) den Schritt des Schmelzens von Gusseisen, Ferrosiliziumlegierung, Rückkohlmittel
und Ferromolybdänlegierung.
Der Schmelze kann auch ein Animpfmittel zugesetzt werden. Die Schmelze
wird vorzugsweise auch mit einem spheroisierenden Mittel behandelt,
um zu bewirken, dass jeder chemisch unassoziierte Kohlenstoff in
der abgekühlten
Legierung in Form von Kugeln oder Kügelchen anstelle von Flocken
vorliegt.
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Der
Schmelzschritt (a) kann in jedem geeigneten Gerät, wie einem Ofen, beispielsweise
einem Induktionsofen, durchgeführt
werden. Die geschmolzenen Bestandteile werden vorzugsweise gut gemischt,
sodass die Legierungselemente gleichmäßig verteilt sind. Die Temperatur
des Ofens liegt vorzugsweise oberhalb von etwa 1350 °C. Die Schmelze
in dem Ofen wird anschließend
zweckmäßigerweise
in eine vorgeheizte Gießpfanne
abgezapft. Die Eisenlegierung kann Gusseisen, Kugelgraphit-(SG)-Eisen
oder Strukturstahl sein. Vorzugsweise ist die Eisenlegierung beispielsweise
BHP-300PLUS, welches 0,22% C, 0,50% Si, 1,6% Mn, 0,040% P, 0,040%
S enthält und
ein CE von 0,45 aufweist. Weitere Elemente, wie 0,40% Cu, 0,50%
Ni, 0,30% Cr und 0,10% Mo, können
in der Basis-Eisenlegierung, die der Schmelze zugesetzt wird, vorliegen,
mit der Maßgabe,
dass ihr Gesamtgehalt 1,00% nicht übersteigt.
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Vorzugsweise
enthält
die Ferrosiliziumlegierung 70 bis 75% Si und 1,5 bis 2% Al und als
Rest Eisen und beiläufige
Verunreinigungen.
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Das
Rückkohlmittel
dient der Erhöhung
der Menge an Kohlenstoff, die in der Legierung vorhanden ist, und
kann ein zerkleinertes Elektrodenmaterial, beispielsweise Carbonin
101 sein, das 98,0% Kohlenstoff, 1,0% Feuchtigkeit, 0,5% flüchtige Substanz,
1,0% Asche, 0,07% Schwefel und 0,02% Stickstoff enthält.
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Vorzugsweise
enthält
die Ferromolybdänlegierung
67% Mo, 1 % Si, 0,6% S und 0,04% P und als Rest Eisen und beiläufige Verunreinigungen.
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Nach
Schritt (a) kann die Schmelze gegebenenfalls einer Metallbehandlung,
wie Spheroisieren, unterzogen werden, das Flocken zu Kügelchen
umwandelt. Dies kann durch Zugabe einer Magnesiumferrosiliziumlegierung
erreicht werden, die zweckmäßigerweise
6,3% Mg, 46,6% Si, 0,82% Al, 1,09% Ca und 0,99% Re und als Rest
Eisen und beiläufige
Verunreinigungen enthält.
Andere spheroisierende Mittel, die dem Fachmann bekannt sind, können ebenfalls
verwendet werden, einschließlich
von Nickelmagnesiumferrosilizium-Spheroisierungsmitteln.
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Das
Impfmittel von Schritt (b) verfeinert die Körnchen der Legierung und ist
vorzugsweise ZL80, welches 71 % Si, 1,6% Al, 1,89% Zr und 0,83%
Ca und als Rest Eisen und beiläufige
Verunreinigungen enthält.
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Anschließend kann
der Schmelze, sofern gewünscht,
ein Nodularitätsmodifikator,
wie Spheroflux, zugesetzt werden.
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Der
Gießschritt
erfolgt vorzugsweise, bevor der Schwund einsetzt, da die Gussteile
sonst minderwertig sein können.
Es ist im Allgemeinen bevorzugt, dass das Gießen bis zu 10 Minuten nach
Zugabe des Animpfmittels, stärker
bevorzugt nach etwa 7 Minuten erfolgt. Die Gussteile werden zweckmäßigerweise
in den Gussformen, vorzugsweise über
Nacht, abkühlen
gelassen.
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Die
Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die folgenden Beispiele
und Figuren beschrieben. Diese Beispiele und Figuren sind keineswegs
als Einschränkung
der Erfindung gedacht. Es zeigen:
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1 einen
Graph, der die Ergebnisse eines Schwungmassen-Scheibenbremsenverschleißtests für einen
Scheibenrotor zeigt, der aus einer erfindungsgemäßen Legierung hergestellt wurde;
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2 einen
Graph, der die Ergebnisse eines Schwungmassen-Scheibenbremsenverschleißtests für einen
Scheibenrotor der Originalapparatur (OE) zeigt;
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3 und 4 die
Ergebnisse von Niederdruckverschleißtests unter Verwendung von
erfindungsgemäß hergestellten
Rotoren und von OE-Rotoren;
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5 eine
Mikrophotographie der Gussrandes eines erfindungsgemäßen angeätzten Teststabs
in 100facher Vergrößerung;
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6 eine
Mikrophotographie in 100facher Vergrößerung eines Ausschnitts aus
der Radiusmitte des erfindungsgemäßen Teststabs;
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7 eine
Mikrophotographie der allgemeinen Fläche des in 6 gezeigten
Teststabs, allerdings mit 500facher Vergrößerung; und
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8 eine
Mikrophotographie, entsprechend 7, allerdings
in 200facher Vergrößerung.
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Beispiel 1
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Die
folgenden Bestandteile wurden einem Induktionsofen in den ausgeführten Mengen
zugesetzt:
| Bestandteil | Menge
(kg) |
| BHP-300
PLUS-Eisenlegierung | 400 |
| Ferrosiliziumlegierung | 13,2 |
| Carbonin
101 Rückkohlmittel | 16,2 |
| Ferromolybdänlegierung | 8 |
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Die
Bestandteile wurden bei 1400 °C
in dem Ofen geschmolzen. Anschließend wurde die Schmelze mit
7 kg Magnesiumferrosiliziumlegierung, die als spheroisierendes Mittel
dient, 1,2 kg eines Animpfmittels ZL80 und 0,8 kg Spheroflux, das
ein Nodularitätsmodifikator
ist, behandelt. Die Schmelze wurde sorgfältig gerührt, sodass eine angemessene
Verteilung der Legierung gewährleistet
ist. Das Gießen
der Schmelze in eine Teeschöpfkelle
erfolgte innerhalb von 7 Minuten, sodass gewährleistet war, dass kein Schwund
bestand. Anschließend
wurden die Gussteile in Formen gegossen und über Nacht abkühlen gelassen.
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Die
resultierende Eisenlegierung besaß die folgende Zusammensetzung:
3,25%
Kohlenstoff
2,1% Silizium
1,5% Molybdän und
93,15% Eisen und
beiläufige
Verunreinigungen
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Es
hat sich gezeigt, dass dieses Legierungsprodukt das Vibrieren und
Quietschen in den Scheibenbremsen von normalen Pkws vermindert.
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Beispiel 2
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Es
wurde die gleiche Vorgehensweise, wie in Beispiel 1 beschrieben,
befolgt, mit der Ausnahme, dass dem Induktionsofen die folgenden
Bestandteile in den festgelegten Mengen zugesetzt wurden:
| Bestandteil | Menge
(kg) |
| BHP-300
PLUS-Eisenlegierung | 400 |
| Ferrosiliziumlegierung | 13,2 |
| Carbonin
101 Rückkohlmittel | 16,2 |
| Ferromolybdänlegierung | 16 |
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Die
resultierende Eisenlegierung wies die folgende Zusammensetzung auf:
3,25%
Kohlenstoff
2,1 % Silizium
3,0% Molybdän und
91,65% Eisen und
beiläufige
Verunreinigungen
-
Es
hat sich gezeigt, dass dieses Legierungsprodukt das Vibrieren und
Quietschen in den Scheibenbremsen von Rennwagen vermindert.
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Beispiel 3
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Um
die Eignung der erfindungsgemäßen Eisenlegierung
zur Verwendung bei der Herstellung von Scheibenrotoren für Scheibenbremsen
zu testen, wurde eine Reihe von Scheibenrotoren unter Verwendung der
Eisenlegierung von Beispiel 1 hergestellt. Diese Scheibenrotoren
wurden anschließend
der Testung durch eine führende
australische Bremsenfirma unterzogen. Die Testung umfasste:
- – Niederdruck-Verschleißtest, der
den Rotorverschleiß in
einer belastungsfreien Niederdruck-Position simuliert;
- – DTV-Bremstest,
der 20.000 km eines normalen Fahrzeuggebrauchs entspricht;
- – voller
Schwungmassen-Bremstest, der den Verschleiß unter normalen Fahrbedingungen
simuliert;
- – Dämpfungstest,
der das Scheibenrotorgeräusch
misst, und
- – Rißprobe,
die einen Prüfstandtest
bei verschiedenen simulierten Geschwindigkeiten bei verschiedenen Standardraten
umfasste.
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Die
nachstehenden Tabellen 1 und 2 geben die Rohdaten an, die aus dem
Schwungmassen-Scheibenbremsenverschleißtest für aus der
erfindungsgemäßen Eisenlegierung
(Tabelle 1) hergestellten Rotoren und für Originalapparatur-(OE)-Scheibenrotoren
(Tabelle 2) erhalten wurden. Die Ergebnisse sind in den 1 und 2 graphisch
dargestellt.
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Der
durch diesen Test bestimmte Gesamtverschleiß für aus der erfindungsgemäßen Legierung
hergestellte Rotoren betrug 0,069 mm, wohingegen die Originalapparatur-(OE)-Rotoren
einen Gesamtverschleiß von
0,102 mm zeigten.
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Die 3 und 4 zeigen
die Ergebnisse des Niederdruck-Verschleißtests unter Verwendung von erfindungsgemäß hergestellten
Rotoren (in den 3 und 4 als "Camcast-Rotoren" bezeichnet) und OE-Rotoren.
Leider ergaben sich bei dem Testverfahren Schwierigkeiten, möglicherweise
bei der Datensammlung, die zu den 3 und 4 führte, die
einige anormale Ergebnisse, insbesondere bezüglich des Verschleißes zeigen,
der anscheinend bei erhöhten
Belastungen abnimmt. Diese Tests werden erneut durchgeführt, allerdings
sind die Ergebnisse noch nicht verfügbar. Allerdings zeigen die
Daten in den 3 und 4, die zuverlässig interpretiert werden
können,
dass die erfindungsgemäßen Scheibenrotoren
den OE-Rotoren überlegene
Verschleißeigenschaften
aufweisen.
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Auch
Vibrationstests wurden durchgeführt.
Die Bremsenfirma, die diese Tests durchführte, verwendete eine interne
Bewertungsskala und bewertete die erfindungsgemäßen Scheibenrotoren mit 8,5
von 10. OE-Rotoren werden normalerweise mit 5 bis 6 von 10 bewertet.
Der Vibrationstest stellte auch fest, dass kein offensichtliches
Vibrieren verzeichnet wurde.
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Beispiel 4
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Ein
Scheibendicke-Schwankungs-(DTV)-Test wurde mit vier aus einer erfindungsgemäßen Legierung hergestellten
Scheibenrotoren durchgeführt.
Die Ergebnisse dieses Tests sind in Tabelle 3 tabellarisch aufgeführt, die
nur eine sehr geringe Schwankung in der Dicke des Scheibenrotors
zeigt.
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Die
bisher mit den erfindungsgemäßen Scheibenrotoren
durchgeführte
Testung befindet sich erst in einem frühen Stadium, und weitere Test
sind erforderlich, bevor schlüssige
Ergebnisse erhalten werden können.
Allerdings zeigt die bisher durchgeführte Frühtestung, dass die erfindungsgemäßen Scheibenrotoren
den OE-Scheibenrotoren überlegene
Leistung aufweisen. In der Tat wird angenommen, dass die erfindungsgemäßen Scheibenrotoren
im Vergleich zu OE-Scheibenrotoren
die folgenden Vorteile bereitstellen:
- – Vibrieren
beseitigt;
- – keine
Rißbildung
- – geringere
Scheibendicke-Schwankungswerte;
- – geringerer
Schleifkoeffizient;
- – sichereres
Produkt;
- – längere Lebensdauer;
- – minimimales
Rosten;
- – geringere
Ablagerungen von schwarzem Rückstand
auf den Legierungsrädern;
- – stabileres
Material;
- – leichte
Herstellung.
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Eine
mikrographische, metallurgische Voranalyse einer Testprobe mit einer
erfindungsgemäßen Zusammensetzung
wurde ebenfalls durchgeführt.
Die Testprobe wies die Form eines Teststabs von 30 mm Durchmesser
auf und besaß die
folgende Zusammensetzung:
| Kohlenstoff | 3,7% |
| Silizium | 2,58% |
| Mangan | 0,259% |
| Phosphor | 0,037% |
| Schwefel | 0,010% |
| Chrom | 0,034% |
| Nickel | 0,070% |
| Molybdän | 1,28% |
| Magnesium | 0,039% |
| Eisen | Rest |
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5 zeigt
eine Mikrophotographie, die mit 100facher Vergrößerung vom Gussrand des Teststabs aufgenommen
wurde. Der Teststab wurde in 2% Nitallösung geätzt.
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5 zeigt
eine typische Kugelgraphitgusseisenstruktur, die gut definierten
Kugelgraphit (insbesondere im Oberflächen- bis Sub-Oberflächenbereich)
in einer Matrix zeigt, die aus Ferrit und Perlit und aus einem komplexen
Carbid, das während
der anfänglichen
Verfestigung gebildet wird, besteht. Es wird postuliert, dass der
Graphit, wenn sich die Schmelze aus der Flüssigkeit abkühlt, Kügelchen
bildet, die dann als Keime wirken, um die herum Ferrit wächst. Wenn
der Ferrit wächst,
geht die restliche Flüssigkeit
(reich an Kohlenstoff und Legierungsbestandteilen, insbesondere
Molybdän)
in den interstitiellen Raum über.
Diese Flüssigkeit
enthält das
komplexe Carbid und bildet eine Austenitphase, mit der das komplexe
Carbid assoziiert ist. Der Austenit wird anschließend bei
einem weiteren Abkühlen
des Gussteils in Perlit übergeführt. Es
wird angenommen, dass die komplexen Carbide aus der Flüssigkeit
gebildet werden und dass sie daher recht gleichmäßig verteilt sind.
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Beim
Bewegen des Blickfeldes zurück
zu der Masse des Gussteils (weg von dem Rand), neigt die Kugelmorphologie
des Graphits zu einer Verminderung (von der Form VI zurück zu den
Formen V und IV).
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6 zeigt
eine Mikrophotographie mit 100facher Vergrößerung des in 2% Nitallösung angeätzten Teststabs.
Dieser weist eine Mikrostruktur auf, die die Gegenwart des Kugelgraphits
(überwiegend
in "zersetzten" oder weniger kugeligen
Morphologien) in Verbindung mit dem Ferrit-, Perlit- und dem komplexen
Carbid-Bestandteil zeigt. Der Perlit ist vorhanden und macht ungefähr 20% (bezogen
auf den Flächenbruchteil) der
Mikrostruktur aus.
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7 zeigt
eine in 2% Nitallösung
angeätzte
Mikrophotographie mit 500facher Vergrößerung der gleichen allgemeinen
Region des Teststabs, wie in 6 gezeigt. 8 entspricht 7,
allerdings war die Vergrößerung 200fach.
Einzelheiten bezüglich
der Mikrostruktur wurden in 7 markiert.
Auch die Mikrohärtetestung
der Phasen wurde unter Anwendung von 100 g Hv (Vickers-Härte) durchgeführt, und
ist ebenfalls nachstehend angegeben:
- A – zersetzte
Graphitkügelchen
(Form IV);
- B – Ferrit,
der die Graphitkügelchen
umgibt, die Mikrohärte
unter Verwendung von Hv 100gm beträgt typischerweise 200;
- C – Perlit,
der die zuvor interdendritischen Regionen besetzt, die Mikrohärte beträgt typischerweise
400;
- D – Komplexes
Carbid, von dem angenommen wird, dass es vom Typ M6C
ist, wobei M variable Kombinationen von Fe, Mo und anderen Carbid-bildenden
Elementen darstellt. Das komplexe Carbid ist als gerüstartige
Verbindung in den zuvor interdendritischen Regionen vorhanden und
stellt ungefähr
5% (Flächenbruchteil)
der Mikrostruktur dar. Die Mikrohärtemessungen der "Gerüste" (einschließlich des
Carbids plus Perlits) betragen typischerweise 550 plus.
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Vor
dem Schneiden und Polieren der Schnitte der Teststäbe betrug
der Durchschnitt der Makrohärtemessungen
unter Verwendung von Hv20kg 214 (Radius in der Mitte) und 204 (hinterer
Rand).
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Der
Teststab zeigte in Richtung der Stabmitte zersetzten Kugelgraphit.
Allerdings wurde der Teststab immer noch eindeutig als Kugelgraphitgusseisen
klassifiziert. Möglicherweise
wurde die Zersetzung in der Nähe
des Mittelpunkts durch ein langsameres Abkühlen in dieser Region aufgrund
des relativ großen
Durchmessers (30 mm) des Teststabs verursacht. Es wird erwartet,
dass Gegenstände
von dünnerem
Querschnitt, wie Scheibenbremsenrotoren, die typischerweise eine
Dicke von 10 bis 12 mm aufweisen, nicht die Kugelgraphitzersetzung
erleiden, oder dass die Zersetzung möglichst gering ist.
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Die
Gegenwart der komplexen Carbidphase in der erfindungsgemäßen Legierung
war unerwartet, und der Testleiter äußerte sich dahingehend, dass
er bisher noch nie eine solche Phase in einem Gusseisen festgestellt
hat. Die Legierung wies eine Mikrostruktur auf, die sehr weiche
Graphitkügelchen,
umgeben von relativ weichem und duktilem Ferrit, einschloss. Diese
weichen Teile werden durch die Perlitphase und die sehr harte komplexe
Carbidphase gefestigt und gehärtet.
Interessanterweise ortete die bisher durchgeführte mikrographische Voranalyse
keinerlei Bainit. Wichtig ist, dass die oben besprochene Mikrostruktur
aus dem Gusszustand erhalten werden kann.
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Die
Fachleute wissen, dass die hier beschriebene Erfindung Variationen
und Modifikationen zugänglich
ist, die anders sind als diejenigen, die hier speziell beschrieben
sind. Selbstverständlich
umfasst die vorliegende Erfindung alle derartigen, in den Umfang
fallenden Variationen und Modifikationen.
