FI56699C - Maskinelement av segjaern foer kraftoeverfoering medelst friktion - Google Patents

Description

ΓβΙ M1vKUULUTUSjULKAISU rCCQo

Mo *11* UTLÄGGNINCSSKRIFT 56699 3¾¾¾ C (45) 13 :3 1930

Patent meddelat ^ ^ ^ (51) K».lk.*/lnt.CI.· C 21 D 5/00 SUOMI — FINLAND (21) P*Mnttlh»k.mu.-Ptt«ntM«eknln| 76283^ (22) Hakemlspiivl —Anteknlngidaf 05*10.76 ' * (23) Alkupiivl—Glltifh«tid*f 05.10.76 (41) Tullut julklMlul — Blivlt offantlif 06.04.78

Patentti· ia rekisterihallitus .... .. , .......

„ . ' ,.., (44) Nlhtivikilpinon |a kuuL|u I luisun pvm.— ,. _Λ

Patent- och registerstyrelsan Antökm utiajd och uti.ikrift*n pubiiccnd 30.11.79 (32)(33)(31) Pyydetty etuoikeus —Begird prloritet (71) Kymin Osakeyhtiö - Kymmene Aktiebolag, 1+5700 Kuusankoski, Suomi-Finland(Fl) ^ (72) Martti Kurkinen, Espoo, Atte Vesanen, Vantaa, Suomi-Finland(Fl) (7I+) Berggren Oy Ab (5I+) Kitkalla voimaa siirtävä pallografiittiraudasta valmistettu kone-elin - Maskinelement av segjärn för kraftöverföring medelst frik-tion

Keksintö kohdistuu kitkalla voimaa siirtävään pallografiittiraudasta valmistettuun kone-elimeen, joka toimii yhdessä toisen kone-elimen, työstettävän metalliaihion tai muun metallisen esineen kanssa siten, että niiden pinnat voivat ajoittain luistaa toistensa suhteen.

Tällainen kone-elin valmistetaan tunnetusti mm. teräksestä,karkaistusta teräksestä, nuorrutetusta teräksestä, valuraudasta, adusoidusta valuraudasta, pallografiittiraudasta, kokilliin valetusta valuraudasta tai erilaisista keinoaineista.

Tunnetuissa metalleista valmistetuissa kitkalla voimaa siirtävissä kone-elimissä on pahimpina epäkohtina suuri kuluminen ja alhainen kitkakerroin. Valmistettaessa tällainen kone-elin paremmin kulutusta kestävästä metallista on seurauksena alhaisempi kitkakerroin tai vastakappaleen lisääntynyt kuluminen. Paremmin kulutusta kestävät metallit ovat yleensä hauraampia, joten niitä käytettäessä on murtu-misvaara olemassa. Keinoaineisia kitkalla voimaa siirtäviä kone-elimiä voidaan käyttää vain eräissä erikoistapauksissa, kun kone-

C 22 C 37/OU

2 56699 elimeltä ei vaadita muutakin lujuutta, kuten esimerkiksi veto- tai taivutuslujuutta. Niissäkin tapauksissa, joissa keinoaineita käytetään esiintyy epäkohtana keinoaineen huono lämmönjohtavuus, jota tarvitaan kitkapinnoille syntyvän lämmön poisjohtamisessa.

Keksinnön mukaiselle kone-elimelle on tunnusomaista se, että se on valmistettu lämpökäsitellystä pallografiittiraudasta, jonka mikrorakenteessa on pallografiittiraudalle ominaisen palloutuneen grafiitin lisäksi vähintään noin 5 tilavuusprosenttia jäännösausteniittia, joka on termisesti pysyvää lämpötiloissa välillä +300°C ja -80°C, ja loput etupäässä bainiittia, joka on muodostunut bainitointilämpötilaisessa — isotermisessä lämpökäsittelyssä. Edullisimmin tulisi jäännösausteniittia olla yli 20 tilavuusprosenttia. Tunnetuissa ratkaisuissa on pyritty välttämään jännösausteniittia, koska jäännösausteniitti hei- ^ kentää peruslujuutta. Suuntaus näkyy selvästi esimerkiksi USA patentin 3 549 430 palstan 3 riveillä 14-20.

Keksinnön mukainen kitkalla voimaa siirtävä kone-elin on edullinen tunnettuihin metalleista valmistettuihin vastaaviin kone-elimiin verrattuna siksi, että sen kuluminen voiman siirron yhteydessä esiintyvässä liukumisessa on erikoisen vähäinen, voimansiirron kitkakerroin on korkea ja vastakappaleen kuluminen on vähäinen. Kitkakertoimen pysyminen korkealla on erikoisen yllättävää aikaisempaan tietoon ja kokemukseen verrattuna. Joissakin käyttökohteissa keksinnön mukainen kone-elin korvaa aikaisemmin käytetyn kahdesta osasta, nimittäin teräksisestä runko-osasta ja keinoaineisesta kitkapinnasta yhdistämällä valmistetun kone-elimen.

Keksinnön mukainen kitkalla voimaa siirtävä pallografiittiraudasta valmistettu kone-elin on käyttöolosuhteissa aina sitkeä, joten sen yhteydessä ei tarvita lohkeamisvaaran takia eräissä tunnetuissa ra- _ kenteissa käytettyjä varmuuslaitteita. Esimerkiksi junan tunnetuissa jarrukengissä käytetään turvallisuussyistä sitkeästä teräksestä valmistettuja siderautoja.

Keksinnön mukaisia elimiä voidaan käyttää esimerkiksi seuraavissa kohteissa: kiskoilla kulkevan ajoneuvon vetävä pyörä vastakappaleena ratakisko, jarrukenkä vastakappaleena jarruttava pyörivä kone-elin, jarrurumpu, jarrulevy, jarrutettava kiskopyörä, irrotuskytkimen kitkapinta tai metallivalssaamon valssi vastakappaleena valssiparin vetämä valssattava aihiotanko.

3 66699

Keksinnön mukainen kitkalla voimaa siirtävä kone-elin voidaan valmistaa esimerkiksi suomalaisen patentin 49732 mukaisesta pallografiitti-raudasta, Raaka-aineeksi sopii muukin siten seostettu pallografiitti-rauta, että sopivalla bainitointilämpötilassa tapahtuvalla isotermi-sellä lämpökäsittelyllä sen austeniitti muuttuu osittain bainiitiksi ja osittain jää käyttölämpötilassa termisesti pysyväksi austeniitiksi. Lämpökäsittelyn jälkeen voi tällaisen pallografiittiraudan mikrorakenteessa olla grafiitin bainiitin ja austeniitin lisäksi jonkin verran esimerkiksi perliittiä tai martensiittia.

Keksinnön mukainen kitkalla voimaa siirtävä kone-elin voidaan valmistaa esimerkiksi seuraavasti: Valetaan kone-elimen valmistukseen sopi- ^ va valuaihio pallografiittiraudasta, jossa raudan (Fe) lisäksi on painoprosentteina ilmoitettuna hiiltä (C) 3,6 %, piitä (Si) 2,25 %, mangaania (Mn) 0,7 %, molybdeenia (Mo) 0,1 %, kuparia (Cu) 0,5 %, magnesiumia (Mg) 0,045 %, fosforia (P) 0,06 % ja rikkiä (S) 0,015 %. Valukappaleen annetaan jäähtyä. Valukappale koneistetaan lastuamalla suunnitellun kone-elimen mittoihin. Saatu kappale kuumennetaan lämpökäsittelyuunissa 880°C:n lämpötilassa austenitointilämpötilaan ja pidetään siinä kaksi tuntia, jona aikana sen etupäässä perliitti-nen mikrorakenne muuttuu austeniitiksi.

Kappale siirretään lämpökäsitteyuunista suolakylpyyn, jonka lämpötila on 355°C. Suolakylpy on puoliksi natriumnitriittiä (Nal^K^) ja puoliksi kaliumnitraattia (KNO-j) . Suolakylvyssä on termostaatilla — varustettu lämmitys- ja jäähdytyslaite sekä laite sulan suolan kier rättämistä varten. Kappale pidetään suolakylvyssä 120 minuuttia, minkä jälkeen sen annetaan jäähtyä vapaasti ilmassa. Kappale on tä-— män jälkeen pallografiittirautaa, jonka mikrorakenteessa on grafiitti- palloja noin 10 tilavuus-%, bainiittia 50-60 tilavuus-% ja jäännös-austeniittia 30-40 tilavuus-%. Kappaleeseen ei tule lämpökäsittelyssä suuria muodonmuutoksia. Kuitenkin lastuava koneistus ja lämpökäsittely voidaan suorittaa toisessakin järjestyksessä, jolloin lastuaminen suoritetaan isotermisen lämpökäsittelyn jälkeen. Näin menetellen lastuamisen jälkeen ei tapahdu mitään muodonmuutoksia, mutta lastuaminen on jonkin verran vaikeampaa työstössä tapahtuvan muokkauslujittumisen takia, mikä johtuu jäännösausteniitin muuttumisesta osittain martensiitiksi.

Keksintöä selostetaan alla esimerkkien avulla.

$6699 4

Esimerkki 1

Keksinnön mukaisia kone-elimiä on kokeiltu valmistamalla kahteen dieselkäyttöiseen järjestelyveturiin "90" ja "50" teräspyörien kan-topintoja vastaan painettavat ja siten jarruttavat jarrukengät kahdesta erilaisesta pallografiittiraudasta. Veturissa "90" kokeiltujen jarrukenkien mikrorakenteessa oli termisesti pysyvää jäännösausteniittiä noin 5 tilavuus-%. Jarrukengät kuluivat 360 ajotunnin aikana keskimäärin 16 mm, mistä voidaan laskea näiden jarrukenkien keskimääräiseksi iäksi 1000-1200 käyttötuntia. Veturissa "50" kokeiltujen jarru-kenkien mikrorakenteessa oli termisesti pysyvää jäännösausteniittia - noin 20 tilavuus-%.

Nämä jarrukengät kuluivat 360 ajotunnin aikana keskimäärin vain 5 mm, _ mistä voidaan laskea näiden jarrukenkien iäksi yli 4000 käyttötuntia.

Neljän vuoden aikaisen huoltokirjanpidon mukaan on järjestelyvetureissa "90" ja "50" käytettyjen valuraudasta GRS 26 valmistettujen jarrukenkien keskimääräinen käyttöikä ollut 180 käyttötuntia. Vertaamalla keksinnön mukaisten jarrukenkien käyttötunteja aikaisemmin käytettyjen tavanomaisten jarrukenkien käyttötunteihin todetaan, että jäännösausteniittia 5 tilavuus-% sisältävät jarrukengät kestävät noin 6 kertaisesti ja jäännösausteniittia 20 tilavuus-% sisältävät jarru-kengät kestävät noin 20 kertaisesti sen mitä tavanomaiset jarrukengät kestävät. Järjestelyvetureissa suoritetuissa kokeissa on todettu lisäksi, että jarrutusteho on ollut vähintään normaali eikä pyörien kulumisessa tai muussa käyttäytymisessä ole todettu mitään negatiivista. ~~

Esimerkki 2

Asiaa on selvitetty myöskin laboratoriossa tekemällä kulutuskokeita Amsler-kiekkokulutuskoneella. Amsler-kiekkokulutuskoneessa käytetään pyörivää hiottua kiekkoa ja sen ulkokehää vasten painettuja koepaloja. Kiekon halkaisija on 50 mm ja paksuus 10 mm, kierrosnopeus 200 min ^ minkä lisäksi kiekko liikkuu akselinsa suunnassa 1 mm edestakaisen liikkeen 20 kertaa minuutissa. Koekappaleet, jotka painetaan jarrukenkien tavoin ulkokehää vasten, ovat 8 mm:n levyisiä 2 ja 20 mm:n pituisia, jolloin kosketuspinta on 160 mm . Koepaloissa on runsaasti kulutusvaraa. Kokeiden aikana jäähdytetään pyörää ja koepaloja paineilmapuhalluksella. Koe ajetaan voitelemattomana.

Voima, jolla koepaloja puristetaan pyörää vasten aikaansaadaan vipujen ja punnuksien avulla. Kokeen aikana kiekko pyörii 1 miljoonaa 5G6S9 kierrosta. Momenettipiirturista on luettavissa jarruvoima. Luetun jarruvoiman ja käytetyn puristusvoiman suhde on saatu kitkakerroin. Jokaista koetta varten asennetaan koneeseen punnittu kiekko ja punnitut koepalat. Kiekko ja koepalat punnitaan kokeen jälkeen ja kulumiset lasketaan.

Kokeissa käytettiin koepyörää, joka oli valmistettu standardin DIN 17200 mukaisesta nuorrutusteräksestä C45, joka induktiokarkaistiin. Keksinnön mukaisissa koepaloissa oli raudan lisäksi seosaineita painoprosentteina ilmaistuna seuraavasti: hiiltä (C) 3,6 %, piitä (Si) 2,25 %, magnaania (Mn) 0,7 %, kuparia (Cu) 0,5 %, molybdeeniä (Mo) 0,1 % ja magnesiumia (Mg) 0,045 %. Koepalat austenitoitiin 880°C lämpötilassa ja bainitoinnissa käytettiin tulostaulukossa ilmoitettuja lämpötiloja ja aikoja, jolloin niihin oli muodostunut erilaisia ^ jäännösausteniittimääriä.

Vertailupaloissa 10...13 tutkittiin nykyisin käytössä olevasta DIN 1692 mukaisesta adusoidusta valuraudasta GTS-70 valmistettuja koepaloja, joiden mikrorakenteen todettiin olevan hienojakoista perliittiä. Samoin tutkittiin koepaloja 14...17, jotka oli valmistettu per-liittisestä pallografiittiraudasta ja koepaloja 18 ja 19, jotka oli valmistettu vanadiinilla (V=0,36 %) seostetusta GRS25 vastaavasta valuraudasta, jolla seoksella on todettu olevan hyvä kitkakerroin.

Koetuloksista on esitetty seuraavassa taulukossa käytetty pintapaine, saavutettu kitkakerroin, koepalan kovuus ja kuluminen 1 miljoonan kierroksen aikana sekä vastapyörän kovuus ja vastaava kuluminen.

^ Väliviivan yläpuolella olevat kokeet 1...9 on tehty keksinnön mukai silla koepaloilla ja väliviivan alapuolella olevat kokeet vertailu-koepaloilla. Koetuloksista näkyy, että keksinnön mukainen koepala w kuluu vain vähän, että se kuluttaa vastapyörää vain vähän ja että kitkakerroin tällöin pysyy korkeana. Jäännösausteniitin ollessa 25 tai 35 tilavuus-% on tulos hyvä. Jäännösausteniitin ollessa vain 8 tilavuus-% on kuluminen suurempi ja kitkakerroin vähin alhaisempi. Adusoidusta valuraudasta GTS-70 valmistetut koepalat 10...13 kuluivat moninkertaisesti ja kitkakerroin oli alhainen. Perliittisestä pallografiittiraudasta valmistetut koepalat kuluivat runsaasti, kuluttivat vastapyörää vähemmän ja kitkakerroin oli alhainen. Vanadiinipitoi-sesta valuraudasta valmistetut koepalat 18 ja 19 kuluivat moninkertaisesti, kuluttivat vastapyörää moninkertaisesti mutta kitkakerroin oli tällöin korkea. Kokeet 11, 12, 13, 18 ja 19 keskeytettiin suuren kulumisen takia ja tuloksiksi ilmoitetut 1 milj. kierrosta vastaavat kulumiset on saatu laskemalla.

• < - 6 S ύ 6 9 c <u d iHi-HLnixiTrroovDkD νοΗ·οοιησ\ιη©νο •h οοΓΜΓ-οοιηΟνο<Νοο (ΝσιΓΟΓ^ιηνοσισιοο §tP %**»*****.

»HiHOO*HtH*HrHiH r—I r—I LO CO O O O O (N

U Ή (N tH

•.O d >i tt P-i (0 -(-> en tn d (Op »π·—ιΟΓ-'σ'ιΟΟΓ'-σ' ΉοοιΗοοοοσιΟΓ^σι > !> υ ιηιηιηΗ·Η·ιηιη*τΗ· ιη^ιηιηιη^^ιη^ν O « a a d d)

d H’crvcoOcor'rMrrrM

•H fHcnm^rmoorPoirsi oo.moOcNOiHmoo £ tT> ..... > » - h co —

d CMrHiHiHCMrHCNiHH* ViMmHHfflCOIflffltO

Ή LO Γ“- iH »H »H

(0 P (ΟΠΗ

Η Χ <N CM

Ό a a) O tn a d d IDrHiTiOi-fCnenOO (liflflOHCOOtOOtfl > 'T^rON^ojHOJN σ\οθΓ~Γ-σιοονθΓ^σιοο O en Γοη^τττηηΗ·Η*η (Ν(Ν(Μ(ν<Ν(Ν(Ν(ΝιΗιΗ a a

d I H

0(00 rHCTiCOOfdt^COVDin H*OcOCTi<NHVOr-lcnO

λ; λ; M voineovavDVDvovDin M P P ..... -

d-H(U OOOOOOOOO 0000OOOOOO

-* a M

d (0

H

(tj (U<N

u d E

d -Η Ο ΙΠιΛιΠίΠΟΟΟΟΟ tntoOOOOOOOO

•H (0 \ rH rH rH rH r—i rH I—I »H rH rH iH iH iH

d Q< Oj »X

tn · :θ d d w c P <#> tninininmininmoo tfOtn (Η(Η(Ν(ΝΠΠ(Ν<Ν :(0 d _ *"D (0 (0

X d OOOOOOOOO

•H-H-H (N(NOO<N<NOOO

4-t t0 £ rH rH rH i—I rH rH r—( rH ΙΠ d

•rH

o 4-> H 4-1

d (O minoOLnmOOO

•Hfi uoinrHrHunin»HrH<N

i0 Eu nnnnnnrnnH·

CQ :(0 O rH

0) O

Ο ·· οή<ν<η h- lo vö t'- αο οί ad rHojrorfinvor'COcn rH»HrHr^'-^,-|'_,'-,,_|,-|

Claims (3)

1. 7 56699 Keksinnön mukaisen kone-elimen mikrorakenteen jäännösausteniitin termistä pysyvyyttä on kokeiltu kappaleilla, joissa oli jäännös-austeniittia 20 tilavuus-%. Kappaleita pidettiin 5 tuntia lämpötilassa 400°C, 500 tuntia lämpötilassa 300°C, 20 minuuttia lämpötilassa -80°C ja 15 minuuttia lämpötilassa -190°C eikä mikään koe aiheuttanut jäännösausteniitin havaittavaa muuttumista. Keksinnön mukaisissa kone-elimissä käytetyn pallografiittiraudan mikrorakenteessa olevan pysyvän jäännösausteniitin yläraja käytännössä — on noin 50 tilavuus-%, koska sen ylittäminen on vaikeaa ilman kalliiden seosaineiden runsasta käyttöä. ^ Keksinnön mukaista kone-elintä voidaan käyttää myöskin toista keksin nön mukaista kone-elintä vasten toimivana esimerkiksi siten, että sekä jarrukenkä että jarrutettava kone-elin ovat keksinnön mukaisia.
2. 1. Kitkalla voimaa siirtävä pallografiittiraudasta valmistettu kone-elin sellaiseen voimansiirtolaitteeseen, jonka kitkapinnat luistavat ajoittain toisiaan vasten puristettuina, tunnettu siitä, että pallografiittiraudan mikrorakenteessa on palloutuneen grafiitin lisäksi ainakin 5 tilavuus-% jäännösausteniittia, joka on termisesti pysyvää lämpötilassa, joka on välillä +300°C ja -80°C, ja loput etupäässä bainiittia. — 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kone-elin, tunnettu siitä, että pallografiittiraudan mikrorakenteessa on jäännösausteniittiä 8-50 tilavuus-%
3. 3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kone-elin, tunnettu siitä, että pallografiittiraudan mikrorakenteessa on jäännösausteniittia 20-50 tilavuus-%.