NO170989B

NO170989B - Durable cast iron with high phosphorus content and procedures for making the same

Info

Publication number: NO170989B
Application number: NO880496A
Authority: NO
Inventors: Herman Dehon
Original assignee: Abex Rail Sa
Priority date: 1987-02-05
Filing date: 1988-02-04
Publication date: 1992-09-28
Also published as: EP0277931A3; NO880496D0; DK56488D0; ES2032602T5; ATE77658T1; EP0277931B1; ES2032602T3; EP0277931A2; DK173189B1; DE3872262D1; DE3872262T2; GR3005698T3; BE1000292A3; DK56488A; EP0277931B2; GR3034788T3; NO170989C; NO880496L

Abstract

A cast iron of high phosphorus content, intended especially for the manufacture of brake shoes, offering good wear resistance, is produced by directly incorporating approximately 10% by weight of ferrophosphorus in a liquid casting melt collected in a casting ladle or in a mixer associated with this casting ladle.

Description

Denne oppfinnelse angår et støpejern med høyt innhold av fosfor, som spesielt er beregnet for fremstilling av friksjonsbremseanordninger, og som oppviser god slitestyrke. Stø-pejernet ifølge oppfinnelsen er særlig anvendbart i friksjons-bremseklosser beregnet for jernbanemateriell. Oppfinnelsen angår også en fremgangsmåte for fremstilling av det nye støpe-jern. This invention relates to a cast iron with a high content of phosphorus, which is especially intended for the production of friction brake devices, and which exhibits good wear resistance. The cast iron according to the invention is particularly applicable in friction brake blocks intended for railway equipment. The invention also relates to a method for producing the new cast iron.

Det er fra FR-A-1584012 kjent et støpejern med høyt innhold av fosfor som på grunn av sin slitestyrke er anven-delig i friksjonsbremseanordninger. Fordi det i dette støpe-jern er sørget for et fosforinnhold på minst 2 vekt%, har det vært mulig å redusere slitasjen som følge av friksjon i for-hold til konvensjonelt grått støpejern, som bare inneholder 1% fosfor. Dette høyere fosforinnhold gjør det også mulig å redusere dannelsen av gnister under bremsingen. A cast iron with a high phosphorus content is known from FR-A-1584012 which, due to its wear resistance, can be used in friction brake devices. Because this cast iron has a phosphorus content of at least 2% by weight, it has been possible to reduce the wear due to friction compared to conventional gray cast iron, which only contains 1% phosphorus. This higher phosphorus content also makes it possible to reduce the formation of sparks during braking.

Fosforet tilsettes vanligvis støpejernet i form av ferro-fosfor. Innlemmelsen foretas under en andre smelteope-rasjon i en kupolovn i hvilken alternerende charger av koks og en blanding av jern og ferro-fosfor på forhånd er blitt an-bragt. I henhold til nevnte FR-A-1584012 oppviser det således erholdte støpejern en Brinell-hårdhet på mellom 207 og 255 HB, mens innholdet av ferritt i legeringen ikke er angitt. The phosphorus is usually added to the cast iron in the form of ferro-phosphorus. The incorporation is carried out during a second smelting operation in a cupola furnace in which alternating charges of coke and a mixture of iron and ferro-phosphorus have been placed in advance. According to said FR-A-1584012, the cast iron thus obtained exhibits a Brinell hardness of between 207 and 255 HB, while the content of ferrite in the alloy is not stated.

Hårdhetsmålinger som er blitt foretatt av søkeren i henhold til standarden DIN 50.351, viser imidlertid at Brinell-hårdheten av jern-fosfor-legeringene av den i nevnte FR-A-1584012 angitte sammensetning er langt større enn den ovenfor angitte, iallfall når det ikke tas spesielle for-holdsregler. Brinell-hårdhetsverdier på mellom 250 og 350 HB ble målt da støpejernet ble fremstilt på konvensjonell måte ved raffinering i kupolovn. At det for de fosforholdige støpe-jern oppnåes en stor Brinell-hårdhet kan lett forklares ved den innvirkning som fosforet har på støpejernet fra den andre smeltning, hvilket vanligvis har et carboninnhold som er høyere enn 2 vekt%. Hardness measurements which have been carried out by the applicant in accordance with the standard DIN 50.351 show, however, that the Brinell hardness of the iron-phosphorus alloys of the composition stated in the said FR-A-1584012 is far greater than that stated above, at least when it is not taken special precautions. Brinell hardness values of between 250 and 350 HB were measured when the cast iron was produced conventionally by cupola furnace refining. The fact that a high Brinell hardness is achieved for the phosphorus-containing cast irons can easily be explained by the effect that the phosphorus has on the cast iron from the second melting, which usually has a carbon content higher than 2% by weight.

Fosforet fremmer utskillelsen av grafitt og avsted-kommer dannelse av et ternært eutektikum, steaditt, som har en Brinell-hårdhet på ca. 440 HB. Dets smeltepunkt er opp mot 950°C. Steaditten har en hårdhet som ligger godt over ferrit-tens eller sågar perlittens hårdhet. The phosphorus promotes the separation of graphite and the formation of a ternary eutectic, steadite, which has a Brinell hardness of approx. 440 HB. Its melting point is up to 950°C. Steadite has a hardness that is well above that of ferrite or even pearlite.

Således har ferritt i en Brinell-hårdhet på ca. 125 HB, mens perlitt har en Brinell-h<i>årdhet på ca. 220 HB. Thus, ferrite has a Brinell hardness of approx. 125 HB, while perlite has a Brinell hardness of approx. 220 HB.

Det er lett å forstå at en reduksjon av Brinell-hårdheten ikke kan oppnåes uten at man fremmer dannelsen av en ferrittisk struktur. It is easy to understand that a reduction of the Brinell hardness cannot be achieved without promoting the formation of a ferritic structure.

Når man vet at tilsetning av ca. 3 vekt% fosfor til et grått støpejern fra den andre smeltning som inneholder ca. 2 vekt% carbon, medfører dannelse av omtrent 30 vekt% steaditt, kan man således fastslå at den resulterende jern-legering vil måtte inneholde minst 20 vekt% ferritt for å kunne oppvise en Brinell-hårdhet mindre enn 225 HB, og som angitt i ovennevnte FR-A-1584012. When you know that the addition of approx. 3% by weight of phosphorus to a gray cast iron from the second smelting which contains approx. 2 wt% carbon, leads to the formation of approximately 30 wt% steadite, it can thus be determined that the resulting iron alloy will have to contain at least 20 wt% ferrite in order to exhibit a Brinell hardness of less than 225 HB, and as indicated in the above FR-A-1584012.

Imidlertid stiller de fleste av jernbaneselskapene i de europeiske land meget strenge krav til fremstillingen av bremseklosser. De mest markante krav går ut på at støpejernets Brinell-hårdhet ikke må overskride 270 HB for et ferrittinnhold som er lavere enn 8 vol%^However, most of the railway companies in the European countries set very strict requirements for the production of brake pads. The most significant requirements are that the Brinell hardness of the cast iron must not exceed 270 HB for a ferrite content that is lower than 8 vol%^

Kravene om en øvre grense for hårdheten og et innhold av ferritt som er lavere enn én på forhånd bestemt verdi kan synes uforlikelige og umulige å tilfredsstille samtidig. The requirements for an upper limit for the hardness and a content of ferrite that is lower than a predetermined value may seem irreconcilable and impossible to satisfy at the same time.

For et omsmeltet støpejern synes pr. i dag bare to løsninger å være aktuelle med ihenblikk på å redusere hårdheten. Disse løsninger er de følgende: 1. Økning av det omsmeltede støpejerns carboninnhold gjennom tilsetning av silisiumcarbid til kupolovnen, for derved å oppnå verdier for carboninneholdet på fra 3 til 3,3 vekt%. Silisiumet vil, ved å danne jernsilicid som er mer sta-bilt enn sementitt, forårsake utskillelse av carbonet. Grafittlamellene vil virke praktisk talt som soner med hårdhet null, hvilket medfører en nedsettelse av det behandlede støpe-jerns Brinell-hårdhet. 2. Innlemmelse av mangan i det omsmeltede støpejern med henblikk på å fremme dannelse av en perlittisk struktur. For a remelted cast iron, per today only two solutions are relevant with a view to reducing the hardness. These solutions are the following: 1. Increasing the carbon content of the remelted cast iron through the addition of silicon carbide to the cupola furnace, thereby achieving values for the carbon content of from 3 to 3.3% by weight. The silicon will, by forming iron silicide which is more stable than cementite, cause precipitation of the carbon. The graphite lamellae will act practically as zones with zero hardness, which entails a reduction in the treated cast iron's Brinell hardness. 2. Incorporation of manganese into the remelted cast iron with a view to promoting the formation of a pearlitic structure.

Verdien for støpejernets største hårdhet er blitt fastlagt for å ta hensyn til dén vanlige hårdhet av det rullende materiells bremseskiver. The value for the greatest hardness of the cast iron has been determined to take into account the usual hardness of the rolling stock's brake discs.

I fransk patentskrift nr. 2.145.607 er det beskrevet støpejernslegeringer med en karakteristisk mikrostruktur, inneholdende fosfor som er tilstede i form av et i det vesent-lige sammenhengende nettverk av et degenerert fosforeutektikum mellom voluminøse krystaller av primære dendritter. Det dege-nererte eutektikum omfatter en hovedsakelig sammenhengende jernmatriks som overveiende foreligger i form av ferritt eller perlitt. Disse støpejernslegeringer fremstilles ved at man smelter sammen jernskrap og ferro-fosfor i en induksjonsovn og deretter foretar en utgløding i en elektrisk oppvarmet støpe-form. In French patent document no. 2,145,607, cast iron alloys with a characteristic microstructure are described, containing phosphorus which is present in the form of an essentially continuous network of a degenerate phosphoreutectic between voluminous crystals of primary dendrites. The degenerate eutectic comprises an essentially coherent iron matrix which is predominantly in the form of ferrite or pearlite. These cast iron alloys are produced by fusing iron scrap and ferro-phosphorus in an induction furnace and then annealing in an electrically heated mold.

Ved denne fremgangsmåte fås et ferrittisk støpejern med relativt liten hårdhet. For å gjøre delene hårdere er det således nødvendig å foreta en utgløding, hvilket oppnåes gjennom en forlenget oppvarmning av varighet 1-6 timer av de støpte deler ved en temperatur mellom 850 og 1500°C, fortrinnsvis mellom 910 og 920°C. With this method, a ferritic cast iron with relatively low hardness is obtained. In order to make the parts harder, it is thus necessary to carry out an annealing, which is achieved through an extended heating lasting 1-6 hours of the cast parts at a temperature between 850 and 1500°C, preferably between 910 and 920°C.

Begrensningen av ferrittinnholdet er forbundet med et fenomen med mikrosveising mellom bremseklossens ferritt-struktur og hjulbremseskivens ferrittstruktur, hvilket medfører en overdreven slitasje på hjulets bremseskive. The limitation of the ferrite content is associated with a phenomenon of microwelding between the brake pad's ferrite structure and the wheel brake disc's ferrite structure, which results in excessive wear on the wheel's brake disc.

I US patentskrift nr. 3.767.386 beskrives et støpe-jern med høyt fosforinnhold for anvendelse i bremsesko. Dette støpejern inneholder grafitt med en meget findelt, blandet nodulær og vermikulær struktur. Støpejernet oppviser en spredt steadittstruktur som bare for en dels vedkommende er perlittisk, slik at det kan inneholde en hvilken som helst pro-sentandel ferritt. US Patent No. 3,767,386 describes a cast iron with a high phosphorus content for use in brake shoes. This cast iron contains graphite with a very finely divided, mixed nodular and vermicular structure. The cast iron exhibits a scattered steadite structure which is only partly pearlitic, so that it can contain any percentage of ferrite.

Støpejernet ifølge nevnte US patentskrift nr. 3.767.386 har en Brinell-hårdhet som er større enn for et konvensjonelt støpejern men er mindre enn 270 HB. Denne hårdhet bibringer bremser lengre brukstid enn den som oppnås med van-lig grått støpejern, men den svake forlengelse av brukstiden synes å være utilstrekkelig til å være rentabel. The cast iron according to said US patent document no. 3,767,386 has a Brinell hardness that is greater than that of a conventional cast iron but is less than 270 HB. This hardness gives the brakes a longer service life than that obtained with ordinary gray cast iron, but the slight extension of the service life seems to be insufficient to be profitable.

Det er videre kjent fra US patentskrift nr. 4 352 416 en bremsekloss fremstilt av en svovelholdig støpejernslege-ring. Denne legering har den følgende sammensetning: It is further known from US patent document no. 4 352 416 a brake pad produced from a sulphur-containing cast iron alloy ring. This alloy has the following composition:

carbon 2,5 - 3,5 vekt%, carbon 2.5 - 3.5% by weight,

silisium: 1,6 - 2,2 vekt%, silicon: 1.6 - 2.2% by weight,

fosfor: mer enn 2 vekt% og høyst 10 vekt%, phosphorus: more than 2% by weight and not more than 10% by weight,

svovel og mangan: begge er tilstede, i et vektforhold S: (Mn/1,8) > 1. sulfur and manganese: both are present, in a weight ratio S: (Mn/1.8) > 1.

Tilstedeværelse av syovel i en støpejernslegering er ufordelaktig i den forstand at den gjør delene sprø og porøse. Svovelet reagerer nemlig med spor av slagg under dannelse av blærer i legeringen. Svovelet elimineres vanligvis gjennom tilsetning av mangan, i vel avgrensede mengdeforhold som vil være velkjente for fagmannen. Presence of syovel in a cast iron alloy is disadvantageous in the sense that it makes the parts brittle and porous. The sulfur reacts with traces of slag during the formation of blisters in the alloy. The sulfur is usually eliminated through the addition of manganese, in well-defined quantities that will be well known to the person skilled in the art.

For å tilfredsstille kravene med hensyn til største hårdhet og med hensyn til ferrittinnhold - som skal være høyere enn en gitt verdi - som foreskrives for fremstilling av bremse-klosser, tilveiebringes det nu i henhold til oppfinnelsen et støpejern med høyt innhold av fosfor, som spesielt er beregnet for fremstilling av friksjonsbremseanordninger, og som oppviser god slitestyrke og! er sammensatt av de følgende bestanddeler: In order to satisfy the requirements with regard to maximum hardness and with regard to ferrite content - which must be higher than a given value - prescribed for the production of brake pads, a cast iron with a high content of phosphorus is now provided according to the invention, which in particular is intended for the production of friction brake devices, and which exhibits good wear resistance and! is composed of the following components:

85 - 95 vekt% jern, 85 - 95% iron by weight,

1-6%, av totalvekten, carbon og silisium, 1-6%, of the total weight, carbon and silicon,

1-5%, av totalvekten, av følgende metaller: mangan, 1-5%, of the total weight, of the following metals: manganese,

kobolt, nikkel, vanadium, krom, wolfram og molybden, og som oppviser en Brinell-hårdhet som er mindre enn 270 HB. Støpejernet ifølge oppfinnelsen utmerker seg ved at det har en perlittisk struktur og inneholder 2,3-5 vekt% carbon i form av lamellær grafitt, 1-5 vol% ferritt og 2,25-4 vekt% fosfor og har et innhold av mangan som minst er lik det innhold som er gitt ved formelen Mn = 1,72 S + 0,30, hvor S er svovelinnholdet i sulfid bundet til manganet. cobalt, nickel, vanadium, chromium, tungsten and molybdenum, and exhibiting a Brinell hardness of less than 270 HB. The cast iron according to the invention is distinguished by having a pearlitic structure and containing 2.3-5 wt% carbon in the form of lamellar graphite, 1-5 vol% ferrite and 2.25-4 wt% phosphorus and has a manganese content which is at least equal to the content given by the formula Mn = 1.72 S + 0.30, where S is the sulfur content in sulphide bound to the manganese.

Med oppfinnelsen tilveiebringes det likeledes en fremgangsmåte for fremstilling av det nye støpejern, hvilken fremgangsmåte er karakteristisk ved at man fremmer dannelse av en perlittisk struktur ved at dét tilsettes ferro-fosfor til det flytende støpejern tatt ut i en støpeøse eller en blander, således at fosforinnholdet innstilles på mellom 2,25 og 4 vekt%. The invention also provides a method for the production of the new cast iron, which method is characterized by promoting the formation of a pearlitic structure by adding ferro-phosphorus to the liquid cast iron taken out in a ladle or a mixer, so that the phosphorus content is set to between 2.25 and 4% by weight.

Fremstillingen av støpejernet foretas således ved at man tilsetter ferro-fosfor til det flytende støpejern i en støpeøse eller blander og ikke ii smelteanlegget. Den direkte innlemmelse av ferro-fosfor i støpeøsen gjør det også mulig å oppnå et mer nøyaktig fosforinnhpld. Fortrinnsvis blir ferro-fosfor inneholdende 23-27 vekt% fosfor tilsatt i en mengde av ca. 10 vekt% av det flytende støpejern. The production of the cast iron is thus carried out by adding ferro-phosphorus to the liquid cast iron in a ladle or mixer and not in the smelting plant. The direct incorporation of ferro-phosphorus in the ladle also makes it possible to achieve a more accurate phosphorus content. Preferably, ferro-phosphorus containing 23-27% by weight of phosphorus is added in an amount of approx. 10% by weight of the liquid cast iron.

Den eksperimentelle formel ifølge Lévi: The experimental formula according to Lévi:

som bestemmer likevekten mellom carbon, fosfor og silisium i støpejernet i et smelteanlegg, viser at et økende innhold av fosfor nedsetter i tilsvarende grad innholdet av carbon ved konstant silisiuminnhold. which determines the equilibrium between carbon, phosphorus and silicon in the cast iron in a smelting plant, shows that an increasing content of phosphorus reduces the content of carbon to a corresponding degree at a constant silicon content.

Støpejern ifølge oppfinnelsen som har et fosforinnhold på mellom 2,25 og 4 vekt% og et carboninnhold på minst 3 vekt%, tilfredsstiller kravene til hårdhet og til ferrittinnhold- Cast iron according to the invention, which has a phosphorus content of between 2.25 and 4% by weight and a carbon content of at least 3% by weight, satisfies the requirements for hardness and ferrite content

Det medfører dessuten den fordel at det reduserer støyen som oppstår under bremsingen. Denne egenskap skyldes at grafittlamellene, som er tilstede i et større antall og er av større størrelse, er utmerkede vibrasjonsdempere. It also has the advantage that it reduces the noise that occurs during braking. This property is due to the fact that the graphite lamellae, which are present in greater numbers and are of a larger size, are excellent vibration dampers.

Nærmere enkeltheter ved oppfinnelsen vil fremgå av den nedenstående mer detaljerte beskrivelse av en utførelse av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen. Further details of the invention will be apparent from the following more detailed description of an embodiment of the method according to the invention.

Støpejern har vanligvis følgende typiske sammensetning: Cast iron usually has the following typical composition:

carbon: 3-4 vekt%, carbon: 3-4% by weight,

silisium: 1-3 vekt%, silicon: 1-3% by weight,

mangan: 0,4 - 1,0 vekt%, manganese: 0.4 - 1.0% by weight,

fosfor: 0,1 - 1,0 vekt%, phosphorus: 0.1 - 1.0% by weight,

svovel: 0,08 - 0,15 vekt%. sulphur: 0.08 - 0.15% by weight.

I henhold til de kjente metoder ledsages smeltingen i kupolovnen av innlemmelse av ferro-fosfor når det ønskes fremstilt en slitesterk jernlegering. I henhold til oppfinnelsen foreslås det å underkaste støpejernet en annen behandling. According to the known methods, the melting in the cupola furnace is accompanied by the incorporation of ferro-phosphorus when it is desired to produce a durable iron alloy. According to the invention, it is proposed to subject the cast iron to a different treatment.

Det foreslås således å overføre støpejernet til en støpeøse eller en blander for der å tilsette ca. 10 vekt% ferro-fosfor. Det har vist seg at når ferro-fosfor tilsettes støpeøsen, vil hele mengden av fosfor som stammer fra spalt-ningen av ferro-fosforet gjenfinnes i det flytende støpejern, mens en vesentlig andel av jernet som var tilstede i ferro-fosforet, vil flyte på toppen av støpeøsen, i form av slagg. It is therefore suggested to transfer the cast iron to a ladle or a mixer to add approx. 10% by weight of ferro-phosphorus. It has been shown that when ferro-phosphorus is added to the ladle, the entire amount of phosphorus originating from the splitting of the ferro-phosphorus will be found in the liquid cast iron, while a significant proportion of the iron that was present in the ferro-phosphorus will float on the top of the ladle, in the form of slag.

Det ikke oppløste jern deltar således ikke i fortyn-ningen av carbonet, slik at carboninnholdet avtar mindre enn man teoretisk skulle forventej og forblir høyere enn 3%. The undissolved iron thus does not participate in the dilution of the carbon, so that the carbon content decreases less than one would theoretically expect and remains higher than 3%.

Tilsetningen av feri-o-fosfor reguleres slik at fosforinnholdet bringes til en verdi på mellom 2,25 og 4,00 vekt%. The addition of ferri-o-phosphorus is regulated so that the phosphorus content is brought to a value of between 2.25 and 4.00% by weight.

Legeringen har en sammensetning som er typisk for et grått støpejern, unntatt hva angår det høye fosforinnhold på 2,25-4 vekt% og et ferrittinnhold som er på fra 1 til 5 vol%. The alloy has a composition typical of a gray cast iron, except for the high phosphorus content of 2.25-4% by weight and a ferrite content of from 1 to 5% by volume.

Støpejernet ifølge oppfinnelsen egner seg utmerket for fremstilling av bremseklosser for rullende jernbanemateriell. Det oppviser utmerket slitestyrke, slik det er angitt i FR-A-1584012, og reduserer i betydelig grad dannelsen av gnister. Det gjør det likeledes mulig å redusere støyen, da grafittlamellene bidrar til å dempe forplantningen av vibra-sjonene i bremseklossene. The cast iron according to the invention is excellently suited for the production of brake pads for rolling stock. It exhibits excellent wear resistance, as stated in FR-A-1584012, and significantly reduces the formation of sparks. It also makes it possible to reduce noise, as the graphite lamellae help to dampen the propagation of vibrations in the brake pads.

Støpejernet ifølge oppfinnelsen oppviser god støpbar-het, som følge av tilstedeværelsen av fosfor. Det muliggjør derved nøyaktig fremstilling av relativt kompliserte deler. The cast iron according to the invention exhibits good castability, as a result of the presence of phosphorus. It thereby enables accurate production of relatively complicated parts.

Claims

1. Cast iron with a high content of phosphorus, which is especially intended for the production of friction brake devices, and which exhibits good wear resistance and is composed of the following components: 85 - 95% iron by weight, 1-6%, of the total weight, carbon and silicon, 1-5%, by total weight, of the following metals: manganese, cobalt, nickel, vanadium, chromium, tungsten and molybdenum, and exhibiting a Brinell hardness of less than 270 HB, characterized in that it has a pearlitic structure and contains 2.3-5 wt% carbon in the form of lamellar graphite, 1-5 vol% ferrite and 2in 25-4 wt% phosphorus and has a manganese content that is at least equal to the content given by the formula Mn = 1.72 S + 0.30, where S is the sulfur content of sulphide bound to the manganese.

2. Method for producing a cast iron according to claim 1, characterized by promoting the formation of a pearlitic structure by adding ferro-phosphorus to the liquid cast iron taken out of a ladle or a mixer, so that the phosphorus content is set at between 2.25 and 4% by weight.

3. Method according to claim 2, characterized in that ferro-phosphorus containing 23-27% by weight of phosphorus is added in an amount of approx. 10% by weight of the liquid cast iron.