IT202100032786A1 - Ghisa grigia, in particolare per componenti di freni a disco - Google Patents
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Description
TITOLO: GHISA GRIGIA, IN PARTICOLARE PER COMPONENTI DI FRENI A DISCO
Descrizione
Campo dell?invenzione
La presente invenzione riguarda una ghisa, in particolare per la realizzazione di un disco per freni a disco, nonch? un disco realizzato con detta ghisa.
Stato dell?arte
I dischi per freni a disco (dischi freno) realizzati in ghisa grigia sono particolarmente soggetti a fenomeni di usura in corrispondenza delle fasce di frenatura. Oltre a condizionare inevitabilmente la durata dei dischi, tali fenomeni di usura contribuiscono all?emissione in atmosfera di particolato PM10, con conseguenze negative sull?ambiente e sulla salute umana.
Infatti, i dischi freno, consumandosi, rilasciano nell?ambiente particelle metalliche micrometriche generate dallo sfregamento dei dischi contro le pastiglie. Alcune di queste particelle aderiscono al cerchio della ruota, mentre altre cadono a terra o si disperdono nell?aria. Le particelle da usura dei freni costituiscono quindi una non trascurabile una fonte di inquinamento atmosferico.
Pertanto, l?esigenza di realizzare dischi freno in ghisa grigia dotati di una elevata resistenza ad usura ? molto sentita nel settore automotive, in particolare per i veicoli ad elevate prestazioni e le applicazioni frenanti pi? estreme, ad esempio auto di alta gamma o moto da competizioni.
Una aumentata resistenza all?usura porterebbe infatti ad un incremento della durata dei dischi freno nonch? ad una riduzione dell?emissione di polveri metalliche nell?ambiente.
I dischi freno sono sottoposti a sollecitazioni meccaniche e termiche di elevata intensit?, le quali comportano il raggiungimento di elevate temperature sulle fasce di frenatura che possono portare a cali delle prestazioni di frenata se non addirittura alla formazione di cricche su dette fasce di frenatura.
Pertanto, il problema che sta alla base della presente invenzione ? quello di mettere a disposizione una ghisa grigia che sia in grado di esibire elevata resistenza all?usura, senza influire negativamente sulla resistenza meccanica.
Sommario dell?invenzione
Il problema sopra enunciato ? risolto da una ghisa grigia, nonch? da un disco per freni a disco, come delineati nelle annesse rivendicazioni, le cui definizioni formano parte integrante della presente descrizione.
La ghisa grigia oggetto della presente invenzione mostra vantaggiosamente una pi? elevata resistenza all?usura, che permette a sua volta di ridurre drasticamente le emissioni di particolato PM10 in atmosfera con conseguenti vantaggi sull?ambiente e sulla salute umana.
Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell?invenzione risulteranno maggiormente dalla descrizione di alcuni esempi di realizzazione, fatta qui di seguito a titolo indicativo e non limitativo.
Descrizione dettagliata dell?invenzione
? oggetto della presente invenzione una ghisa grigia comprendente carbonio, silicio, titanio, manganese, nichel, cromo, rame, fosforo, zolfo, stagno, molibdeno, all?interno di una matrice ferrosa. Tali elementi alliganti sono contenuti nella ghisa grigia secondo l?invenzione nelle seguenti quantit? percentuali in peso, in cui detti valori percentuali sono rispetto al peso totale della ghisa:
carbonio in una quantit? compresa tra 3,60 e 3,90% in peso;
silicio in una quantit? compresa tra 1,40 e 1,90% in peso;
titanio in una quantit? non superiore a 0,10% in peso; manganese in una quantit? compresa tra 1,0% e 1,5% in peso;
nichel in una quantit? non superiore a 0,20% in peso; cromo in una quantit? compresa tra 0,40% e 1,0% in peso;
rame in una quantit? non superiore a 0,35% in peso; fosforo in una quantit? non superiore a 0,10% in peso; zolfo in una quantit? non superiore a 0,12% in peso; stagno in una quantit? non superiore a 0,10% in peso; molibdeno in una quantit? non superiore a 0,10% in peso.
Opzionalmente, detta ghisa grigia pu? inoltre comprendere vanadio in una quantit? non superiore a 0,05% in peso, ad esempio non superiore a 0,04% in peso, oppure non superiore a 0,03% in peso, oppure non superiore a 0,02% in peso, oppure non superiore a 0,01% in peso.
Nella suddetta ghisa grigia, il carbonio ? in forma di grafite.
Preferibilmente, la quantit? di carbonio ? compresa tra 3,65 e 3,85% in peso, pi? preferibilmente tra 3,70 e 3,80% in peso, ancor pi? preferibilmente tra 3,75 e 3,80% in peso.
Preferibilmente, la quantit? di silicio ? compresa tra 1,50 e 1,80% in peso, pi? preferibilmente tra 1,50 e 1,70% in peso, ancor pi? preferibilmente tra 1,60 e 1,65% in peso.
Preferibilmente, la quantit? di titanio ? non superiore a 0,08% in peso, pi? preferibilmente ? compresa tra 0,03 e 0,07% in peso, ancor pi? preferibilmente ? compresa tra 0,04 e 0,06% in peso.
Preferibilmente, la quantit? di manganese ? compresa tra 1,0 e 1,3% in peso, preferibilmente tra 1,1 e 1,2% in peso.
Preferibilmente, la quantit? di nichel ? non superiore a 0,10% in peso, ad esempio non superiore a 0,08% in peso, a 0,07% in peso, a 0,06% in peso.
Preferibilmente, la quantit? di cromo ? compresa tra 0,50 e 0,90% in peso, pi? preferibilmente tra 0,50 e 0,60% in peso.
Preferibilmente, la quantit? di rame ? non superiore a 0,30% in peso, pi? preferibilmente ? compresa tra 0,10 e 0,30% in peso, ancor pi? preferibilmente ? compresa tra 0,20 e 0,30% in peso.
Preferibilmente, la quantit? di fosforo ? non superiore a 0,08% in peso, pi? preferibilmente ? compresa tra 0,02 e 0,07% in peso, ancor pi? preferibilmente ? compresa tra 0,03 e 0,05% in peso.
Preferibilmente, la quantit? di zolfo ? non superiore a 0,10% in peso, pi? preferibilmente ? compresa tra 0,05 e 0,09% in peso, ancor pi? preferibilmente ? compresa tra 0,07 e 0,08% in peso.
Preferibilmente, la quantit? di stagno ? non superiore a 0,08% in peso, pi? preferibilmente ? compresa tra 0,02 e 0,07% in peso, ancor pi? preferibilmente ? compresa tra 0,03 e 0,05% in peso.
Preferibilmente, la quantit? di molibdeno ? non superiore a 0,08% in peso, pi? preferibilmente ? compresa tra 0,02 e 0,07% in peso, ancor pi? preferibilmente ? compresa tra 0,03 e 0,05% in peso.
Preferibilmente, detta ghisa grigia ? costituita, o ? essenzialmente costituita, dai suddetti elementi alliganti e da detta matrice ferrosa, vale a dire che la restante quantit? in peso di ghisa grigia, rispetto alle quantit? degli elementi alliganti come definite sopra, ? costituita, o ? essenzialmente costituita, da detta matrice ferrosa. L?espressione ?essenzialmente costituita da? denota che la ghisa grigia dell?invenzione, oltre ai suddetti elementi alliganti e alla matrice ferrosa, pu? comprendere impurit?, come ad esempio boro, tungsteno e/o alluminio, ciascuna in quantit? inferiore a 0,01% in peso; preferibilmente, la ghisa grigia dell?invenzione contiene impurit? in una quantit? complessiva inferiore allo 0,01% in peso.
In accordo con una forma di realizzazione dell?invenzione, detta ghisa grigia ha la seguente composizione:
3,77% in peso di carbonio;
1,63% in peso di silicio;
0,0512% in peso di titanio;
0,0069% in peso di vanadio;
1,14% in peso di manganese;
0,0535% in peso di nichel;
0,502% in peso di cromo;
0,237% in peso di rame;
0,0307% in peso di fosforo;
0,0708% in peso di zolfo;
0,037% in peso di stagno;
0,0362% in peso di molibdeno,
la restante quantit? in peso essendo essenzialmente costituita dalla matrice ferrosa.
Preferibilmente, la ghisa grigia dell?invenzione ? di tipo lamellare fine e il carbonio ivi contenuto ? principalmente sotto forma di grafite lamellare. Preferibilmente, detta ghisa grigia comprende lamelle sottili di grafite appartenenti alla categoria indicata con il numero romano ?I?. Preferibilmente, le lamelle di grafite hanno dimensioni indicate con i numeri di riferimento da 3 a 8, preferibilmente da 3 a 5. La forma e le dimensioni della grafite di cui sopra sono come classificate nella norma UNI EN ISO 945-1.
Preferibilmente, la matrice ferrosa della ghisa grigia ? di tipo perlitico.
Preferibilmente, detta ghisa grigia comprende perlite in una quantit? non inferiore al 95% in peso rispetto al peso della matrice ferrosa. Preferibilmente, detta ghisa grigia comprende perlite in una quantit? superiore al 95% in peso, oppure superiore al 96% in peso, oppure superiore al 97% in peso, oppure superiore al 98% in peso, oppure superiore al 99% in peso, rispetto al peso della matrice ferrosa.
Preferibilmente, detta ghisa grigia comprende ferrite in una quantit? non superiore al 5% in peso rispetto al peso della matrice ferrosa. In accordo con diverse forme di realizzazione, detta ghisa grigia comprende ferrite in una quantit? inferiore al 5% in peso, oppure inferiore al 4% in peso, oppure inferiore al 3% in peso, oppure inferiore al 2% in peso, oppure inferiore all?1% in peso, rispetto al peso della matrice ferrosa. In accordo con una forma di realizzazione preferita, detta ghisa grigia comprende ferrite in una quantit? di circa l?1% in peso rispetto al peso della matrice ferrosa. In accordo con un?altra forma di realizzazione preferita, detta ghisa grigia non comprende ferrite.
Preferibilmente, detta ghisa grigia comprende cementite e carburi liberi in una quantit? non superiore al 5% in peso rispetto al peso della matrice ferrosa. In accordo con diverse forme di realizzazione, detta ghisa grigia comprende cementite e carburi liberi in una quantit? inferiore al 5% in peso, oppure inferiore al 4% in peso, oppure inferiore al 3% in peso, oppure inferiore al 2% in peso, oppure inferiore all?1% in peso, rispetto al peso della matrice ferrosa. In accordo con una forma di realizzazione preferita, detta ghisa grigia comprende cementite e carburi liberi in una quantit? non superiore all?1% in peso, o inferiore all?1% in peso, rispetto al peso della matrice ferrosa.
Vantaggiosamente, la ghisa grigia della presente invenzione pu? essere utilizzata per la produzione di componenti di freni a disco. Vantaggiosamente, la ghisa grigia della presente invenzione pu? essere utilizzata per produrre almeno una fascia di frenatura di un disco per freni a disco di qualsiasi tipo.
Prove sperimentali
Sono state condotte prove sperimentali di usura, comparando un disco freno realizzato con una ghisa grigia secondo la presente invenzione (Esempio 1) e un disco freno realizzato con una ghisa grigia che non ? oggetto della presente invenzione (Esempio comparativo).
Esempio comparativo
? stato realizzato un disco freno con una ghisa grigia avente la seguente composizione: 3,74% in peso di carbonio; 1,65% in peso di silicio; 0,55% in peso di manganese; 0,1% in peso di nichel; 0,15% in peso di cromo; 0,1% in peso di molibdeno; 0,2% in peso di rame; <0,1% in peso di zolfo; <0,08% in peso di fosforo; 0,023% in peso di stagno; <0,09% in peso di titanio; la restante parte in peso essendo costituita da una matrice ferrosa. Detta matrice ferrosa ? costituita da 1% in peso di ferrite, 98,5% in peso di perlite e 0,5% in peso di carburi.
Il disco freno realizzato con detta ghisa grigia ? denominato nel seguito come ?Disco comparativo?.
Esempio 1
? stato realizzato un disco freno, identico al disco comparativo, ma utilizzando una ghisa grigia secondo l?invenzione, avente la seguente composizione: 3,77% in peso di carbonio; 1,63% in peso di silicio; 0,0512% in peso di titanio; 0,0069% in peso di vanadio; 1,14% in peso di manganese; 0,0535% in peso di nichel; 0,502% in peso di cromo; 0,237% in peso di rame; 0,0307% in peso di fosforo; 0,0708% in peso di zolfo; 0,037% in peso di stagno; 0,0362% in peso di molibdeno; la restante parte in peso essendo essenzialmente costituita da una matrice ferrosa.
La matrice ferrosa ? costituita da 99,10% in peso di perlite e 0,90% in peso di carburi. Le lamelle di grafite appartengono alla categoria ?I? definita sopra, e hanno dimensioni indicate con i numeri di riferimento da 3 a 5, come definite sopra.
Il disco freno realizzato con tale ghisa grigia ? denominato nel seguito come ?Disco 1?.
Prove sperimentali
Il ?Disco comparativo? e il ?Disco 1? secondo l?invenzione sono stati sottoposti a pi? ripetizioni della prova WLTP per il rilevamento di emissioni PM10 (1 ora di condizionamento con aria a 20?C e 50% di umidit? relativa 303 fermate (circa 7,5 ore di prove) raffreddamento). I parametri utilizzati sono i seguenti:
Velocit? media freno: 43,7 km/h;
Decelerazione: 0,49 ? 2,18 m/s<2>;
Decelerazione media: 0,97 m/s<2>;
BT (?Braking Temperature?): da <40?C fino a 175?C; Numero fermate: 303;
Distanza totale: 192 km.
Al termine di tale prova, ? stata misurata la perdita di peso dei due dischi (?Disc Mass Loss?), con ottenimento dei seguenti risultati:
- ?Disco comparativo?: perdita di peso di 9,0 grammi, - ?Disco 1?: perdita di peso di 4,9 grammi.
Emerge che, a parit? di condizioni, il ?Disco 1? ha subito una perdita di peso significativamente inferiore a quella subita dal ?Disco comparativo?.
Sono stati inoltre ricavati i fattori di emissione PM10 [mg km<-1>wheel<-1>] per i due dischi, in particolare:
- ?Disco comparativo?: fattore di emissione PM10 (PM10 EF) di 1,92 mg km<-1>wheel<-1>,
- ?Disco 1?: fattore di emissione PM10 (PM10 EF) di 0,62 mg km<-1>wheel<-1>.
Emerge che il fattore di emissione PM10 ? significativamente inferiore per il ?Disco 1? rispetto al ?Disco Comparativo?.
Dai risultati di cui sopra, ? evidente come la ghisa grigia secondo l?invenzione mostri vantaggiosamente una pi? elevata resistenza all?usura rispetto alla ghisa grigia standard presa come riferimento, permettendo di conseguenza di ridurre drasticamente le emissioni in atmosfera di particolato PM10.
Il ?Disco 1? e il ?Disco comparativo? sono stati inoltre caratterizzati da un punto di vista meccanico e dei parametri funzionali. I risultati sono riportati nella Tabella 1:
Tabella 1
Da un confronto dei dati riportati in tabella 1 emerge che il ?Disco 1? ha prestazioni in termini di resistenza meccanica sostanzialmente paragonabili a quelli del ?Disco comparativo?.
Come si pu? apprezzare da quanto descritto, la ghisa grigia della presente invenzione consente di superare gli inconvenienti presentati nella tecnica nota.
In particolare, la ghisa in accordo con la presente invenzione e i relativi dischi freno realizzati con detta ghisa offrono una resistenza all?usura significativamente superiore, ed emissioni in atmosfera di particolato PM10 drasticamente inferiori, rispetto alla ghisa grigia standard presa come riferimento, ci? senza tradursi in uno scadimento della resistenza meccanica.
? evidente che quella che ? stata descritta ? solo una forma particolare di realizzazione della presente invenzione. L?esperto dell?arte sar? in grado di apportare alla ghisa e al disco freno tutte quelle modifiche necessarie per l?adattamento a particolari condizioni, senza peraltro discostarsi dall?ambito di protezione come definito nelle annesse rivendicazioni.
Claims (19)
1. Ghisa grigia comprendente carbonio, silicio, titanio, manganese, nichel, cromo, rame, fosforo, zolfo, stagno e molibdeno in una matrice ferrosa, in cui:
la quantit? di carbonio ? compresa tra 3,60 e 3,90% in peso;
la quantit? di silicio ? compresa tra 1,40 e 1,90% in peso;
la quantit? di titanio ? non superiore a 0,10% in peso;
la quantit? di manganese ? compresa tra 1,0% e 1,5% in peso;
la quantit? di nichel ? non superiore a 0,20% in peso; la quantit? di cromo ? compresa tra 0,40% e 1,0% in peso;
la quantit? di rame ? non superiore a 0,35% in peso; la quantit? di fosforo ? non superiore a 0,10% in peso;
la quantit? di zolfo ? non superiore a 0,12% in peso; la quantit? di stagno ? non superiore a 0,10% in peso; la quantit? di molibdeno ? non superiore a 0,10% in peso.
2. Ghisa secondo la rivendicazione 1, comprendente inoltre vanadio in una quantit? non superiore a 0,05% in peso.
3. Ghisa secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui la quantit? di carbonio ? compresa tra 3,65 e 3,85% in peso, preferibilmente tra 3,70 e 3,80% in peso.
4. Ghisa secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la quantit? di silicio ? compresa tra 1,50 e 1,80% in peso, preferibilmente tra 1,50 e 1,70% in peso.
5. Ghisa secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la quantit? di titanio ? non superiore a 0,08% in peso, preferibilmente ? compresa tra 0,03 e 0,07% in peso.
6. Ghisa secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la quantit? di manganese ? compresa tra 1,0 e 1,3% in peso, preferibilmente tra 1,1 e 1,2% in peso.
7. Ghisa secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la quantit? di nichel ? non superiore a 0,10% in peso.
8. Ghisa secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la quantit? di cromo ? compresa tra 0,50 e 0,90% in peso, preferibilmente tra 0,50 e 0,60% in peso.
9. Ghisa secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la quantit? di rame ? non superiore a 0,30% in peso, preferibilmente ? compresa tra 0,10 e 0,30% in peso.
10. Ghisa secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la quantit? di fosforo ? non superiore a 0,08% in peso.
11. Ghisa secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la quantit? di zolfo ? non superiore a 0,10% in peso.
12. Ghisa secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la quantit? di stagno ? non superiore a 0,08% in peso.
13. Ghisa secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la quantit? di molibdeno ? non superiore a 0,08% in peso.
14. Ghisa secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la restante quantit? in peso ? costituita, o ? essenzialmente costituita, dalla matrice ferrosa.
15. Ghisa secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, detta ghisa grigia essendo di tipo lamellare fine, preferibilmente detta ghisa grigia comprendendo lamelle sottili di grafite appartenenti alla categoria indicata con il numero romano ?I? secondo la norma UNI EN ISO 945-1.
16. Ghisa secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la matrice ferrosa di detta ghisa grigia ? di tipo perlitico, preferibilmente la percentuale in peso di perlite rispetto al peso della matrice ferrosa ? non inferiore al 95%.
17. Ghisa secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente ferrite in una quantit? inferiore al 5% in peso rispetto al peso della matrice ferrosa, preferibilmente in una quantit? di circa l?1% in peso.
18. Ghisa secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente cementite e carburi liberi in una quantit? non superiore all?1% in peso rispetto al peso della matrice ferrosa.
19. Disco per freni a disco, comprendente una fascia di frenatura realizzata in una ghisa grigia in accordo con una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti.
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