ES2321664T3 - Hierro colado para la produccion de piezas componentes para dispositivos de frenos de friccion y procedimiento para la produccion del hierro colado. - Google Patents

Abstract

Hierro colado para la producción de piezas componentes para dispositivos de frenos de fricción, cuyo hierro de base contiene menos que 10% en peso de fósforo, menos que 6% del peso total a base de carbono y silicio y menos que 5% del peso total a base de otros metales de aleación, siendo neutralizado mediante manganeso el azufre contenido en la masa fundida y teniendo el hierro colado una dureza Brinell máxima de 275 HB, teniendo el hierro de base, aparte del hierro, la siguiente composición que está situada en la región del eutéctico C de 2,6 a 3,4% en peso Si de 1,2 a 2,6% en peso P de 2,0 a 3,5% en peso Mn < 0,9% en peso S < 0,2% en peso y porque al hierro de base, para el mantenimiento seguro de la dureza, en el caso de una formación proporcional de perlita y ferrita con un exceso de grafito laminar, así como para la formación de una alta proporción de esteadita de bajo punto de fusión en la textura de colada, se le ha añadido al alear por lo menos de 0,40% en peso a 1,20% en peso de cobre y/o de 0,05% en peso a 0,20% en peso de vanadio, y al hierro de base se le ha añadido al alear de 0,10% en peso a 0,40% en peso de cerio y/o minerales de elementos de las tierras raras, teniendo el hierro de base del hierro colado para la adición por aleación de cerio y/o minerales de elementos de las tierras raras, un contenido de azufre de como máximo 0,05% en peso.

Description

Hierro colado para la producción de piezas componentes para dispositivos de frenos de fricción y procedimiento para la producción del hierro colado.

El invento se refiere a un hierro colado para la producción de piezas componentes para dispositivos de frenos de fricción y a un procedimiento para la producción del hierro colado.

Un hierro colado que contiene correspondientemente fósforo, a partir del cual se pueden producir piezas componentes resistentes al desgaste para dispositivos de frenos de fricción de vehículos sobre carriles, es conocido ya a partir del documento de patente europea EP 0.277.931 B1. El hierro colado allí divulgado, que tiene una dureza Brinell menor que 270 HB, debe de estar compuesto a base de 85% en peso a 95% en peso de hierro, de 2% en peso a 10% en peso de fósforo, menos que 6% del peso total a base de carbono y silicio y menos que 5% del peso total a base de los metales manganeso, cobalto, níquel, vanadio, wolframio y molibdeno. El alto contenido de fósforo, en combinación con los elementos de aleación previstos, debe de asegurar en este contexto una buena capacidad para fluir de la masa fundida, tal como es necesario para el moldeo por colada con estabilidad dimensional de la aleación.

Con el fin de hacer posible una distribución uniforme del fósforo en la masa fundida de la conocida aleación para colada, y una dosificación más exacta de la proporción de fósforo, el fósforo en forma de ferrofósforo debe de ser aportado no al horno de fusión, sino tan solo a la masa fundida en la cuchara de colada o a un aparato mezclador especial. La proporción de azufre que procede, en el caso de la utilización de un horno de cubilote, en su mayor parte a partir del coque, debe de ser neutralizada para evitar rechupes y otros sitios defectuosos, mediante una cantidad de manganeso que está adaptada al contenido de azufre.

El hierro colado conocido tiene una textura que, junto a la estructura fundamental perlítica, dispone de una suficiente proporción de ferrita con grafito estructurado con forma laminar. Por consiguiente, el material moldeado por colada se distingue, junto con una dureza que en conjunto no es demasiado grande, por una alta resistencia a la abrasión y respectivamente al desgaste, por un lado, y por unas buenas propiedades conductoras del calor y amortiguadoras de las oscilaciones, por otro lado. Por consiguiente, él es apropiado en alta medida para la fabricación de piezas moldeadas por colada, que durante el funcionamiento están sometidas a altas cargas térmicas y mecánicas, tal como ocurre p.ej. en el caso de materiales de fricción de frenos de fricción.

Una desventaja del hierro colado conocido es su resistencia a la rotura relativamente pequeña, que es debida a la alta proporción de fósforo del material. En principio, es válida en tal caso la conexión de que el material para colada se hace cada vez más frágil con un contenido creciente de fósforo, de manera tal que se empeoran de un modo correspondiente las propiedades de alargamiento de rotura del material. Sin el contenido de fósforo relativamente alto, por otro lado, no se ajusta la resistencia al desgaste que es exigida en el caso de materiales de fricción junto con un coeficiente de fricción correspondientemente bueno entre el par participante en la fricción. Además, la producción del hierro colado es relativamente cara, puesto que el procedimiento para su producción, mediante unas etapas de procedimiento dispuestas detrás de la fusión de la fundición de hierro en el horno de cubilote, es relativamente complicado.

A causa de la gran fragilidad del hierro colado con un alto contenido de fósforo, en el caso de la producción de suelas de freno para zapatas de freno de vehículos sobre carriles fabricados en serie a partir de este hierro colado, es usual prever unas construcciones técnicamente costosas a base de un material compuesto, las cuales, para el aseguramiento contra la rotura de la pieza moldeada por colada, tienen una armadura de acero, con lo cual se condiciona un procedimiento de fabricación relativamente costoso.

Así, en el caso de un procedimiento de producción conocido a partir del documento de patente de los EE.UU. US 1.749.760 de acuerdo con Duncan, un respaldo de chapa de acero, previamente producido, de una zapata de freno se introduce en un molde de colada, desde cuyo lado periférico interior cóncavo sobresalen radialmente un gran número de lengüetas de chapa. A partir de las dos zonas extremas del respaldo de chapa de acero están circunscritos además, mediante unas incisiones longitudinales paralelas, dos lóbulos de chapa, los cuales están doblados aproximadamente en ángulo recto en torno a su pieza de unión, de manera tal que ellos sobresalen asimismo en dirección radial desde la periferia interior del respaldo de chapa de acero. En la zona central del respaldo de chapa de acero sobresale desde su lado trasero convexo, es decir en dirección opuesta, un puente en forma de U a base de chapa, junto al que está sostenida centralmente la zapata de freno en su estado montado. Las alas laterales de este puente están dobladas en ángulo en cada caso en su zona extrema inferior y junto a la cara inferior del respaldo de chapa están soldadas con ésta. Después de la remodelación por colada del respaldo de chapa de acero, por consiguiente, estas lengüetas de chapa, los lóbulos de chapa doblados en ángulo de las zonas extremas y también los extremos de las alas del puente se anclan firmemente en el material de hierro colado. Puesto que la fundición líquida de hierro debe de atravesar los diferentes orificios de paso previstos para el anclaje en el respaldo de chapa, es difícil estructurar de un modo estable dimensionalmente la pieza moldeada por colada por el lado trasero que tiene el puente, por lo que por lo menos el lado trasero del respaldo de chapa debe de ser elaborado posteriormente de manera intensiva después del proceso de colada. También el gasto técnico para la producción del respaldo de chapa, a pesar de su estructuración integral, es considerable, toda vez que la suela de freno moldeada por colada debe de ser atravesada a lo largo de todo su espesor por los lóbulos de chapa doblados en ángulo. Por consiguiente, ciertamente mediante esta estructura, también en el caso de la utilización de función de hierro con un alto contenido de fósforo, podría estar establecido el deseado aseguramiento contra la rotura, pero la pieza moldeada por colada es en total cara en su fabricación.

Lo mismo es válido para una zapata de freno para frenos de fricción de vehículos sobre carriles, tal como se conoce a partir del documento de solicitud de patente europea EP 0.026.578 A1. En este caso, desde un respaldo de acero doblado sobresalen varios bloques moldeados por colada, que están distribuidos a lo largo de la longitud de éste, los cuales están colados adyacentemente al respaldo de acero, siendo reforzados ellos en cada caso mediante unas incrustaciones metálicas que sobresalen radialmente desde el respaldo de acero. Los bloques moldeados por colada, dispuestos en fila unos junto a otros a cierta distancia entre sí, de la zapata de freno, forman en común la suela de freno de ésta, y para la consecución de las deseadas propiedades, deben de tener un contenido de fósforo de más que 5% en peso. El respaldo de acero y los refuerzos de acero de la suela de freno segmentada, que sobresalen desde éste, deben de estar estructurados constructivamente muy rígidos a la flexión, con el fin de impedir de manera confiable un ladeo de los bloques moldeados por colada bajo las fuerzas que actúan sobre su cara de fricción durante el proceso de frenado. Tal ladeo conduciría de una manera indeseada a un desgaste aumentado de la suela de freno y a una formación acrecentada de estrías junto a la superficie de rodadura de la rueda cargada.

En la cita de ABBASI y colaboradores Mat. Sci. and Engineering, se describe un hierro de fundición gris para la producción de suelas de freno, que tiene una alta proporción de fósforo así como ciertas proporciones de carbono, silicio y manganeso. La textura se compone de grafito laminar y tiene una matriz a base de esteadita y perlita. Es desventajosa en este caso una pequeña estabilidad frente a la rotura.

Además, es conocido moldear previamente por colada un respaldo de patín de freno que tiene una alta resistencia mecánica -p.ej. a base de una fundición de acero o esferoidal-, introducir éste en el molde de colada y colar adosadamente la fundición de hierro que contiene fósforo de la suela de freno. De esta manera, sin embargo, el grosor constructivamente posible de la suela de freno, en el caso de unas circunstancias preestablecidas de montaje de la suela de freno, puede ser reducido manifiestamente, puesto que el respaldo de patín de freno, provisto de la suela de freno, como pieza moldeada por colada de fundición de acero o de grafito esferoidal, debe de ser relativamente grueso. Además, la fundición de acero o esferoidal no dispone de un comportamiento de alargamiento de rotura comparablemente ventajoso, tal como p.ej. ocurre en el caso de las usuales aleaciones maleables a base de chapa de acero como aseguramiento contra la rotura. Además, el procedimiento de colada con dos pasadas es costoso en cuanto al tiempo ocupado y correspondientemente caro.

De las zapatas de freno empleadas en serie en el caso de vehículos sobre carriles es conocido además moldear por colada la suela de freno a base de una fundición de hierro que contiene fósforo, adosadamente a un respaldo de chapa de acero doblado. Esta pieza de chapa de acero comprende un puente en forma de arco, a través del cual la zapata de freno, en su posición de montaje, está apoyada centralmente junto a su cabeza de freno, la cual al iniciar el frenado se mueve sobre la periferia de rodadura de la rueda que se ha de frenar. Sobre el lado periférico interior del respaldo de chapa está fijada una pletina de hierro, que está doblada de un modo correspondiente al respaldo de chapa, y sobre la cual están fijadas por soldadura varias capas estratificadas unas sobre otras de rejillas de chapa a base de metal desplegado. La pletina de hierro y las rejillas de chapa se extienden casi a lo largo de toda la longitud periférica de la zapata de freno y las rejillas de chapa se extienden también a lo largo de la anchura predominante de la misma. Al moldear por colada la zapata de freno adosadamente a los respaldos de chapa de acero, la pletina de hierro y las rejillas de acero se empotran por consiguiente totalmente en el material colado de la zapata de freno, de manera tal que se establece una pieza compuesta firme y resistente. La seguridad contra la rotura y la aptitud funcional de esta construcción acreditada son ciertamente muy grandes, pero la suela de freno está estructurada de un modo costoso en cuanto a la técnica de fabricación y es correspondientemente cara en su producción.

El invento se basa en la misión de presentar un hierro colado con un contenido relativamente alto de fósforo para la producción de piezas componentes para dispositivos de frenos de fricción, en el cual el peligro de rotura, a pesar de una alta proporción de fósforo, sea tan pequeño, que a partir de éste se puedan producir también piezas componentes muy solicitadas tanto mecánica como térmicamente, sin adicionales medios de refuerzo.

El problema planteado por esta misión se resuelve conforme al invento mediante un hierro colado, que tiene las características indicadas en la reivindicación 1.

La esteadita se compone de una red afiligranada de un eutéctico de fosfuro ternario con una baja temperatura de fusión de aproximadamente 950 grados Celsius y aumenta la resistencia al desgaste de la pieza moldeada por colada de un modo deseado. El carbono en exceso se incorpora -en particular en la zona de transición a la esteadita- como grafito laminar compacto, pero todavía no esférico, dentro de la textura que en total es de grano fino, con lo cual se consigue una mejorada conductibilidad del calor y una mejorada amortiguación de las oscilaciones de la pieza moldeada por colada. La cantidad del grafito libre se establece en este caso a partir de la proporción en peso de carbono, que sobrepasa aproximadamente un 2%. Mediante la incorporación del exceso de carbono en forma de grafito laminar se asegura también que se mantenga la dureza preestablecida del material. A causa del mejorado comportamiento de amortiguación se establece además un mejorado comportamiento de alargamiento de rotura del material propiamente dicho. El peligro de rotura de una pieza componente moldeada por colada, que se compone del hierro colado, puede disminuir de esta manera, a pesar de la proporción relativamente alta de fósforo, de un modo tan grande que tampoco las piezas componentes muy solicitadas mecánica y térmicamente necesitan de ningún medio adicional de refuerzo para la protección contra la rotura. En el caso de suelas de freno de las zapatas freno de vehículos sobre carriles, que en lo que se refiere a su comportamiento de rotura deben de satisfacer requisitos especiales de seguridad, puede suprimirse el sistema de protección contra la rotura o por lo menos se le puede estructurar técnicamente de modo más sencillo, lo cual ya puede conducir a una manifiesta ventaja de costos en la producción de la zapata de freno o respectivamente de su suela de freno.

Ventajosas formas de realización del invento son objeto de las reivindicaciones subordinadas.

Con el fin de conseguir la deseada textura, a la aleación de base se le pueden añadir al alear en pequeñas cantidades los elementos químicos cobre y/o vanadio y/o cerio y/o minerales de alimentos de las tierras raras o respectivamente un "Mischmetal" (aleación de metales mixtos) de cerio.

Como agentes de adición a las aleaciones, especialmente apropiados, se han manifestado unos sistemas de cobre y/o vanadio y de cerio y minerales de elementos de las tierras raras.

El contenido de cobre, conseguido mediante la adición al alear en el hierro colado, debe de estar situado como resultado entre 0,40% en peso y 1,20% en peso, y el contenido de vanadio conseguido mediante la adición al alear debe de estar situado entre 0,05% en peso y 0,20% en peso. La cantidad de la sustancia añadida al alear, o respectivamente de las sustancias añadidas al alear, ha de escogerse en tal caso en lo posible de manera tal que no se sobrepasen las proporciones ponderales indicadas. Así, la masa fundida de base, p.ej. a causa de una chatarra conjuntamente fundida, de composición no conocida con exactitud, puede contener perfectamente ya pequeñas cantidades de vanadio o cobre.

Lo mismo es válido para el sistema de cerio y minerales de elementos de las tierras raras, que se debe de añadir al alear con el hierro de base en una proporción de 0,10% en peso a 0,40% en peso.

El sistema de vanadio y cobre trabaja con un hierro de base que tiene hasta 0,20% en peso de azufre, mientras que para el sistema de cerio y minerales de elementos de las tierras raras se necesita un hierro de base pobre en azufre, con un contenido de hasta 0,05% en peso de azufre. Para el sistema de cerio y minerales de elementos de las tierras raras, por consiguiente, también a causa del contenido de azufre de la masa fundida, que es calculable con mayor precisión, la utilización de un horno de fusión calentable eléctricamente puede ser más conveniente que la utilización de un horno de cubilote.

Con el fin de poder producir de una manera especialmente rentable la fundición de hierro conforme al invento, al horno de fusión, ya durante la fundición del material de colada, se le debe de añadir hasta 4% en peso de fósforo, y para la neutralización del azufre se debe de ajustar un exceso de manganeso de 0,25% en peso a 0,55% en peso. En el caso de una adición de aproximadamente 4% de ferrofósforo, se asegura que sea mantenido de una manera confiable el previsto contenido de fósforo de 2,0% en peso a 3,5% en peso en el hierro de base. La diferencia entre las cantidades de fósforo se encuentra en la escoria del hierro colado. Mediante el exceso ajustado de manganeso se garantiza que la constitución de la textura no sea perjudicada por la presencia de azufre sin combinar o respectivamente de sulfuros de azufre.

Con el fin de acelerar, durante la producción de la fundición de hierro, la cristalización de la masa fundida, para favorecer la formación de núcleos en la masa fundida está previsto un tratamiento con un agente de inoculación o respectivamente con varios agentes de inoculación. Ventajosamente, el agente de inoculación ya es añadido a la masa fundida dentro del horno de fusión, cuando se ha fundido el hierro colado. La mezcladura a fondo, por lo demás necesaria, de la masa fundida en el horno de fusión al añadir al alear los demás componentes de la aleación en la masa fundida de base, se puede usar conjuntamente entonces para el entremezclamiento intensivo del agente de inoculación.

Los tratamientos de inoculación están previstos con agentes de inoculación usuales en el comercio tales como carburo de silicio y/o CaBaSi. El número y la intensidad de los tratamientos de inoculación ofrecidos para favorecer la formación de núcleos de cristalización en la masa fundida, dependen tanto de la aleación como también de las condiciones límites del procedimiento de colada. Para tratamientos de inoculación de masas fundidas metálicas es necesaria por lo tanto mucha experiencia, toda vez que tienen una gran importancia incluso la velocidad de enfriamiento de la pieza moldeada por colada propiamente dicha, y por consiguiente su relación de volumen a superficie, para la formación de cristales.

Como ventajoso se ha establecido en los ensayos que a la masa fundida, en particular al añadir mediante aleación cerio y/o minerales de elementos de las tierras raras, se le aporte una proporción de 0,05% en peso a 0,40% en peso del agente de inoculación en la cuchara CaBaSi.

Con el hierro colado conforme al invento se pueden producir en particular unas suelas de freno muy solicitadas térmica y mecánicamente de frenos de fricción para vehículos sobre carriles. La duración de vida útil de los patines de freno o respectivamente de las zapatas de frenos de los frenos de fricción para vehículos sobre carriles, que están provistos de tales suelas de freno, es aproximadamente de magnitud doble que la duración de vida útil de los usuales patines de freno producidos en serie, utilizados en Alemania en vehículos sobre carriles. El desgaste de la rueda que coopera con la suela de freno no aumenta en este caso, en contra lo esperado, sino que permanece igual o incluso disminuye ligeramente.

Una ventaja adicional de las suelas de freno producidas a partir del hierro colado, ha de verse en el mejorado factor de fricción entre la suela de freno y la superficie de rodadura en la periferia de la rueda, que, en particular en el caso de bajas velocidades del vehículo sobre carriles, conduce a una distancia de frenado acortada del vehículo.

La formación de chispas, que es típica de los frenos de fricción, pero de por sí es indeseada, entre la superficie de rodadura de la rueda y la suela de freno, disminuye apreciablemente en el caso de las suelas de freno a base de hierro colado, conformes al invento.

Puesto que la superficie de fricción de la suela de freno además coopera de una manera más moderada con la superficie de rodadura de la rueda, resulta en la superficie de rodadura una menor formación de estrías. Como consecuencia inmediata de esto, disminuye de un modo correspondiente el ruido de rodaje de la rueda rodante.

Tal como ya se ha mencionado, las propiedades mecánicas del hierro colado con alto contenido de fósforo se mejoran en total de una manera tan decisiva, que se pueden reducir por lo menos manifiestamente los requisitos establecidos para un sistema eficaz de protección contra la rotura para la suela de freno.

Claims (2)

1. Hierro colado para la producción de piezas componentes para dispositivos de frenos de fricción, cuyo hierro de base contiene menos que 10% en peso de fósforo, menos que 6% del peso total a base de carbono y silicio y menos que 5% del peso total a base de otros metales de aleación, siendo neutralizado mediante manganeso el azufre contenido en la masa fundida y teniendo el hierro colado una dureza Brinell máxima de 275 HB,

teniendo el hierro de base, aparte del hierro, la siguiente composición que está situada en la región del eutéctico

C

de 2,6 a 3,4% en peso

Si

de 1,2 a 2,6% en peso

P

de 2,0 a 3,5% en peso

Mn

< 0,9% en peso

S

< 0,2% en peso

y porque al hierro de base, para el mantenimiento seguro de la dureza, en el caso de una formación proporcional de perlita y ferrita con un exceso de grafito laminar, así como para la formación de una alta proporción de esteadita de bajo punto de fusión en la textura de colada, se le ha añadido al alear por lo menos de 0,40% en peso a 1,20% en peso de cobre y/o de 0,05% en peso a 0,20% en peso de vanadio, y al hierro de base se le ha añadido al alear de 0,10% en peso a 0,40% en peso de cerio y/o minerales de elementos de las tierras raras, teniendo el hierro de base del hierro colado para la adición por aleación de cerio y/o minerales de elementos de las tierras raras, un contenido de azufre de como máximo 0,05% en peso.

2. Procedimiento para la producción de hierro colado de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque ya en el horno de fusión con la fundición del material de colada se añade hasta 4% en peso de fósforo, y porque para la neutralización del azufre se ajusta un exceso de manganeso de 0,25% en peso a 0,55% en peso, estando previsto, para el favorecimiento de la formación de núcleos de la masa fundida, un tratamiento con un agente de inoculación, que se añade a la masa fundida en el horno de fusión, siendo llevados a cabo los tratamientos de inoculación con carburo de silicio y/o con un agente de inoculación en cuchara usual en el comercio (CaBaSi), o a la masa fundida, al añadir por aleación cerio y/o minerales de elementos de las tierras raras, se le aporta de 0,05% en peso a 0,40% en peso del agente de inoculación en cuchara (CaBaSi).