SE1051276A1 - Gråjärnslegering samt bromsskiva innefattande gråjärnslegering - Google Patents

Description

15 20 25 30 SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Enligt uppfinningen uppnås detta syfte av en gråjärnslegering som innefattar (i vikt%): C: 5 4,2 % Si: <1,30 % Mn: 0,4 - 0,8 % Nb: 0,05 - 0,4 % Cr: 5 0,4 % Cu: 5 0,7 % V + Ti + Mo: 50,4 % P: <0,05 % S: <0,1 % resterande mängd utgörs av Fe samt naturligt förekommande föroreningar, varvid mättnadsgraden Sc, uttryckt som: %c/(4,26 - o, 317*(%si) + o,o27(%|v|n) - o,3(%P)) är större ärr 1.

Genom de noggrant avvägda halterna av Iegeringsämnen erhålles en gråjärnslegering som har mycket goda högtemperaturegenskaper samt nötningsmotstånd. Detta gör gråjärnslegeringen mycket lämplig som material i bromsskivor, särskilt som material i bromsskivor för tunga fordon såsom lastbilar.

En bromsskiva som innefattar den uppfinningsenliga gråjärnslegeringen har bra motstånd mot termomekanisk utmattning samt gott nötningsmotstånd. tillverkas till låg kostnad består av huvudsakligen Iegeringsämnen som är tillgängliga till jämförelsevis låg kostnad.

Dessutom kan bromsskivan eftersom gråjärnslegeringen som skivan innefattar Företrädesvis är kolhalten 3,9 - 4,1 % i gråjärnslegeringen. 10 15 20 25 30 Företrädesvis är kiselhalten 1 - 1,25 % i gråjärnslegeringen.

Företrädesvis är manganhalten 0,5 - 0,7% i gråjärnslegeringen.

Företrädesvis är niobhalten 0,1 - 0,4% i gråjärnslegeringen.

Mera föredraget är niobhalten 0,15 - 0,35 % i gråjärnslegeringen.

Företrädesvis är kromhalten högst 0,2 % i gråjärnslegeringen.

Företrädesvis är kopparhalten 0,4 - 0,6% i gråjärnslegeringen.

Enligt ett alternativ innehåller gråjärnslegeringen vanadin i en halt 5 0,2 %.

Enligt ett alternativ innehåller gråjärnslegeringen titan i en halt 5 0,05 %.

Enligt ett alternativ innehåller gråjärnslegeringen molybden i en halt 5 0,3 % Företrädesvis är svavelhalten lägre än 0,08 %.

Företrädesvis är fosforhalten lägre än 0,025 %.

Uppfinningen avser även en bromsskiva som innefattar den gråjärnslegering som angivits ovan BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN En gjuten produkt, t ex en bromsskiva av den uppfinningsenliga gråjärnslegeringen har en huvudsaklig struktur av lamellär grafit i en perlitisk grundmassa. Den lamellära grafitstrukturen åstadkommer god värmeledning i den gjutna produkten emedan den perlitiska grundmassan säkerställer god hållfasthet och nötningsmotstånd. 10 15 20 25 30 I den uppfinningsenliga gråjärnslegeringen ingårföljande Iegeringsämnen: Kol (C) Gråjärnslegeringens kolhalt påverkar hur stor andel lamellär grafit som fälls ut när Iegeringen stelnar. I den uppfinningsenliga gråjärnslegeringen är det därför viktigt att kolhalten är hög eftersom en bromsskiva som tillverkas av den uppfinningsenliga Iegeringen då erhåller en stor andel lamellär grafit vilket ger hög värmeledningsförmåga vilket i sin tur minskar de termiskt inducerade spänningarna. För hög kolhalt medför dock primärutskiljning av grafit och därigenom flotation vilket leder till inhomogen struktur i gråjärnet samt försämrade egenskaper. Kolhalten i den uppfinningsenliga Iegeringen skall därför högst uppgå till 4,2 vikts%. Företrädesvis skall kolhalten vara i intervallet mellan 3,9 - 4,1 vikts% för att säkerställa hög och jämn värmeledningsförmåga.

Kisel (Si) Kisel ingår i gråjärnslegeringen för att förbättra gjutbarheten samt för att förhindra vitt stelnande. För att säkerställa detta bör kiselhalten inte understiga 1 vikts%. Dock gynnar kisel sönderfallet av legeringens perlitiska grundmassa och höga halter kisel sänker därför legeringens stabilitet, speciellt vid höga temperaturer. Därför skall kiselhalten begränsas till under 1,30 vikts%. Företrädesvis skall kiselhalten vara 1 - 1,25 vikts% i syfte att säkerställa en perlitisk grundmassa i gråjärnslegeringen.

Fosfor (P) Fosfor är en förorening i gråjärnet som kan orsaka sköra fosforinneslutningar i den stelnade Iegeringen. Fosfor skall därför begränsas till under 0,05 vikts%, företrädesvis under 0,025 vikt%.

Svavel (S) Svavel är en förorening i gråjärnet som kan orsaka sulfider. Svavel skall därför begränsas till under 0,1 vikts%, företrädesvis under 0,08 vikts%. 10 15 20 25 30 Mangan (Mn) Mangan tillsätts för att binda svavel och därmed förbättra gråjärnets berarbetbarhet. Dessutom stabiliserar mangan perlitfasen. För hög manganhalt ökar dock risken för att karbider bildas vilka försvårar bearbetning av den färdiga produkten. Vidare påverkar manganhalten och förhållandet mellan mangan och svavel bland annat kärnbildning och tillväxt av grafit varför ett snävt intervall eftersträvas för att erhålla stabila egenskaper. Av dessa orsaker skall manganhalten i den uppfinningsenliga legeringen vara mellan 0,4 - 0,8. Företrädesvis skall manganhalten vara mellan 0,5 - 0,7 vikts%.

Niob (Nb) Niob är ett legeringsämne som är tillgängligt till relativt låg kostnad och som helt eller delvis kan ersätta det konventionellt använda legeringsämnet molybden i gråjärnslegeringar. Niob gynnar utskiljningen av grafit vilket har positiv påverkan på legeringens värmeledningsförmåga och därmed de termomekaniska egenskaperna. Niob minskar vidare det interlamellära avståndet i den perlitiska fasen som omger legeringens grafitlameller vilket har en gynnsam inverkan på legeringens hållfasthet. Niob stabiliserar även legeringen på så sätt att sönderfall av den perlitiska fasen motverkas. Vidare bildar niob hårda niobkarbider som ökar nötningsbeständigheten. För hög niobhalt medför dock att bearbetbarheten av den gjutna detaljen försämras.

Mängden niob skall därför vara i intervallet 0,05 - 0,4 vikts%, företrädesvis 0,1 - 0,4 vikts%, mera föredraget 0,15 - 0,35 vikts%.

Krom (Cr) Krom är ett legeringsämne som ofta förekommer i det utgångsmaterial som används för att tillverka gråjärnslegeringen. Krom har en positiv effekt på gråjärnslegeringen så tillvida att krom är perlitstabiliserande. Dock medför höga kromhalter vitt stelnande och därför skall kromhalten som högst uppgå till 0,4 vikts%. Företrädesvis skall kromhalten ligga i intervallet 0 - 0,2 vikts%. 10 15 20 25 30 Koppar (Cu) Koppar är ett Iegeringsämne som kan ingå i utgångsmaterialet till gråjärnslegeringen. Koppar har en stabiliserande effekt på gråjärnets perlitfas. Dock avtar denna effekt när matrisen blivit perlitisk och koppar bör därför begränsas till högst 0,7 vikts%, företrädesvis 0,4 - 0,6 vikts%.

Vanadin (V) Vanadin bildar hård vanadinkarbid vilket förbättrar gråjärnslegeringens nötningsbeständighet. Höga halter vanadin ökar dock risken för vitt stelnande samt försvårar bearbetning av det gjutna materialet. Mängden vanadin i materialet skall därför inte överskrida 0,2 vikts%.

Titan (Ti) Titan kan ingå i utgängsmaterialet till gråjärnslegeringen och bildar titankarbider vilket är positivt för nötningsegenskaperna. Dock försvårar titan bearbetning av det gjutna materialet. Titanhalten skall därför som högst uppgå till 0,05 vikts%.

Molybden (Mo) Molybden inverkar positivt på gråjärnslegeringens utmattningsegenskaper vid högre temperaturer. Därför kan det i vissa tillämpningar vara lämpligt att gråjärnslegeringen innefattar molybden i halter upp till 0,3 vikts%. Molybden är dock ett dyrt Iegeringsämne och låga halter av detta ämne eftersträvas därför i molybdenhalten i gråjärnslegeringen ligga i intervallet 0 - 0,3 vikts%. I många kan molybden helt uppfinningsenliga gråjärnslegeringen kan alltså molybdeninnehållet vara 0 vikts%. den uppfinningsenliga gråjärnslegeringen. Följaktligen skall tillämpningar utgå ur gråjärnslegeringen. I den Vanadin (V) + Titan (Ti) + Molybden (Mo) 10 15 20 25 30 För att nötningsbeständighet och utmattning vid höga temperaturer med kostnad balansera gräjärnslegeringens egenskaper avseende och bearbetbarhet skall den sammanlagda mängden vanadin, titan och molybden inte överskrida 0,4 vikts% i gråjärnslegeringen.

Mättnadsgraden (Sc) Gråjärnslegeringens mättnadsgrad Sc uttryckt som: Sc = %C/(4,26 -0,317(%Si)+0,027(%Mn)-0,3(%P)) skall vara större än 1.

Mättnadsgraden är kvoten mellan total mängd kol som är inlöst l gräjärnsmältan och smältans eutektiska kolhalt, vilken kan beräknas utifrån halterna Si, Mn och P enligt ovan. En kvot < 1 innebär att mängden kol i smältan ligger under eutektikum, en kvot = 1 innebär att mängden inlöst kol i smältan ligger på eutektikum och en kvot >1 innebär att mängden inlöst kol i smältan ligger över eutektikum. Kvoten mellan inlöst kol och eutektisk kolhalt har stor betydelse för den stelnade gräjärnslegeringens slutliga struktur. I det fall smältan har en undereutektisk sammansättning så kommer den stelnade smältan erhålla höga halter av austenit vilket har negativ inverkan på gräjärnslegeringens värmeledningsförmåga. I det fall smältan är övereutektisk kommer det kol som finns löst i smältan att skiljas ut som grafitlameller under stelning av smältan vilket ger gråjärnslegeringen en struktur som är gynnsam för bromsskivor. Om smältan har för högt Sc värde finns det dock risk för primärutskiljning av grafit och därmed grafitflotation.

Eftersom den uppfinningsenliga gråjärnslegeringen skall vara lämplig för bromsskivor är det viktigt att en stor mängd lamellär grafit skiljs under stelning av smältan, eftersom grafitlamellerna, d v s grafitfjällen, gynnar värmeledning i bromsskivan. Därför skall halterna C, Si, Mn och P anpassas så att mättnadsgraden är större än 1. Den maximala övre Sc-gränsen beror av den aktuella komponenten som legeringen skall användas till. I den uppfinningsenliga gråjärnslegeringen som skall vara lämplig för bromsskivor bör Sc ligga under 1,07. 10 15 20 25 30 Resterande mängd av den uppfinningsenliga gråjärnslegeringen utgörs av järn samt eventuella oundvikliga föroreningar. Dessa föroreningar, även benämnda naturligt förekommande föroreningar, kan t ex härstamma från det metallskrot som används som utgångsmaterial för gråjärnslegeringen eller ifrån de tillverkningsmetoder som används.

FIGURBESKRIVNING Figur 1: Tabell över sammansättning av uppfinningsenliga legeringar samt jämförande legeringar.

EXEMPEL I det följande skall den uppfinningsenliga legeringen beskrivas med hjälp ett av konkret exempel.

I ett första steg framställdes två uppfinningsenliga legeringar som benämndes ”Legering 1” och ”Legering 2”. I jämförande syfte framställdes även två legeringar som i dag finns tillgängliga på marknaden som material i bromsskivor, dessa legeringar benämndes ”Jmf legering 3” och ”Jmf legering 4”. Tabell 1 visar sammansättningarna av respektive legering 1 - 4. Ur tabell 1 framgår att de uppfinningsenliga legeringarna innehåller små mängder av den oundvikliga föroreningen tenn.

Av de jämförande legeringarna är ”Jmf legering 3” en legering som används i bromsskivor som av fordonstillverkare bedöms ha mycket lång livslängd.

Jämförande legering ”Jmf legering 4” är en legering som används i bromsskivor som har en livslängd som bedöms som god av fordonstillverkare.

Legeringarna framställdes på konventionellt industriellt sätt med metoder som är anpassade för serieproduktion. 10 15 20 25 Av Iegeringarna tillverkades bromsskivor på konventionellt sätt. Prover togs ut från bromsskivornas friktionsytor.

Hårdheten mättes vid rumstemperatur i HBW10/3000 på prover som tagits från bromsskivor som tillverkats av de uppfinningsenliga gråjärnslegeringarna. Legering 1 uppvisade en hårdhet om 155 HBW10/3000 och legering 2 en hårdhet om 169 HBW10/3000. Baserat på tidigare erfarenheter visar de uppmätta hårdheterna att de uppfinningsenliga Iegeringarna har ett tillräckligt gott motstånd mot nötning för att vara lämpliga som material i bromsskivor.

Prover som tagits från de bromsskivor som tillverkats av de uppfinningsenliga Iegeringarna och de bromsskivor som tillverkats av jämförande legeringar undersöktes sedan med avseende värmeledningsförmåga.

Gråjärnslegeringarnas värmeledningsförmåga är ett viktigt mått på hur väl en bromsskiva som tillverkats av legeringen motstår termomekanisk utmattning i drift. Detta beror på att ju högre värmeledningen är i bromsskivan desto fortare och jämnare kommer den termiska energin som uppstår i bromsskivan vid inbromsning att ledas bort. Därmed uppstår lägre spänningar i bromsskivan vid inbromsning vilket i sin tur minskar risken för sprickbildning i skivan.

Värmeledningsförmågan i respektive legering mättes i W/mk med ”Laser- Flash” metoden vid ett flertal temperaturer för att kartlägga legeringarnas värmeledningsförmåga under en bromscykel. Respektive legerings värmeledningsförmåga redovisas i tabell 2. 10 10 Temp Legering 1 Legering 2 Jmf legering 3 Jmf legering 4 °C 35 60,9 60,8 61,5 52,8 100 57,4 57,6 58,7 50,6 200 52 52,6 54,2 46,7 300 46,3 47,1 49,1 42,5 400 43,2 44,3 46,4 40,4 500 41,5 42,5 44,6 39,3 600 38,4 39,2 41,2 36,6 700 29,9 30,7 32,6 28,7 Tabell 2: Värmeledningsförmäga [W/mK] Ur tabell 2 värmeledningsförmäga vid varje uppmätt temperatur är betydligt högre än framgår att de uppfinningsenliga Iegeringarnas värmeledningsförmägan i jämförande legering 4 samt även är i paritet med värmeledningsförmägan ijämförande legering 3. Det vill säga, den uppmätta värmeledningsförmägan i de uppfinningsenliga Iegeringarna ijämförelse med värmeledningsförmägan i de jämförande Iegeringarna visar alltsä att de uppfinningsenliga Iegeringarna är mycket lämpliga för användning i bromsskivor.

Claims (1)

1. 1 PATENTKRAV 1. Gråjärnslegering innefattande (i vikt%): 10 15 20 25 30 C: 5 4,2 % Si: <1 ,30 % Mn: 0,4 - 0,8 % Nb: 0,05 - 0,4 % Cr: 5 0,4 % Cu: 5 0,7 % V + Ti + Mo: 50,4 % P: <0,05 % S: <0,1 % resterande mängd utgörs av Fe samt eventuella föroreningar, varvid mättnadsgraden Sc, uttryckt som: %o/(4,26 - o, 317*(%si) + o,o27(%|v|n) - o,3(%P)) > 1. _ Gråjärnslegeringen enligt krav 1, varvid halten C är 3,9 - 4,1 %_ _ Gråjärnslegeringen enligt krav 1 eller 2, varvid halten Si är1 - 1,25 %_ _ Gråjärnslegeringen enligt något av ovanstående krav, varvid halten Mn är 0,5 - 0,7 %_ _ Gråjärnslegeringen enligt något av ovanstående krav, varvid halten Nb är 0,1 - 0,4 %_ _ Gråjärnslegeringen enligt något av ovanstående krav, varvid halten Nb är 0,15 - 0,35 %_ _ Gråjärnslegeringen enligt något av ovanstående krav, varvid halten Cr är 0-0,2 %_ 10 15 8. 9. 12 Gråjårnslegeringen enligt något av ovanstående krav, varvid halten Cu är 0,4 - 0,6 %. Gråjårnslegeringen enligt något av ovanstående krav, varvid halten V är 5 0,2 %. 10. Gråjårnslegeringen enligt något av ovanstående krav, varvid halten Ti är 11. 12. 13. 14. 5 0,05 % Gråjårnslegeringen enligt något av ovanstående krav, varvid halten Mo är 5 0,3 % Gråjårnslegeringen enlig något av ovanstående krav, varvid halten S är < 0,08 %. Gråjårnslegeringen enlig något av ovanstående krav, varvid halten P är < 0,025 %. Bromsskiva innefattande en gråjärnslegering enligt något av kraven 1-11.