SE504536C2 - Perlitiskt gråjärn samt bromskomponenter tillverkade av gråjärnet - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 504 536 2 vara mer intensiv med nuvarande friktionsbeläggnings- material.

Bromsvibrationer är en lågfrekvensvibration omkring 7 till 8 Hz och uppstår p.g.a. att bromstrumman eller bromsskivan blir orund, som ofta är en effekt orsakad genom inbyggda deformationer vid processen av hjulmontering och höga temperaturer som resulterar i termiska förslitningar, som i ändan kan resultera i ökad orundhet hos bromskomponenten.

Bromstemperaturutmattning är en reducerad bromseffekt som likhet till temperaturökning. Emellertid beror bromsutmattning på att orsakas av, i bromsvibrationer, diametern i trumman ökar i viss grad, exempelvis i bromstrummor, medan diametern hos bromsbackar inte ökar i samma grad. Kvalitén på bromsbeläggsmaterial har också en påverkan.

Flertal försök har gjorts av andra för att övervinna ett eller flera av ovan nämnda problem. Exempelvis US-A-4,948,437 och US-A-4,96l,79l beskriver särskilda sammansättningar av gråjärnslegeringar och särskilda efter- följande värmebehandlingar som har, som en kombinerad process, använts för att öka draghållfastheten i legering- en, som krävs efter att ha ökat kolinnehållet i materialet för att öka konduktiviteten och därigenom reducera bromsut- mattning och vibrationer. Det är uppenbart att vid an- vändning av efterföljande värmebehandlingar ökar kostnaderna och tiden vid tillverkning. Dessutom kräver den resulterande legeringen vidare förbättringar med hänsyn till tidigare nämnda bromsrelaterade problem.

En ytterligare uppsättning av möjliga legeringsmaterial för skivbromstillämpningar är känt från den offentliggjorda ansökan JP-90-138438 som beskriver en skivbromsrotor gjord av en legering utvecklad för att ha hög termisk resistens, 10 15 20 25 30 35 504 536 hög slitageresistens och minskad bromsskrik. Medan skivbromsrotorn i enlighet till denna ansökan har vissa nackdelar som beror på den precisa legeringssammansättningen som valts, där de givna omfången, som exempelvis omfånget i viktprocentenheter för kol (3,5 till 4,0 %), för vanadin (0,02 % till 0,35 %), för koppar (0,2 till 2 %) och för nwlybden (0,4 till 1,2 %), är väldigt stora och kan inte sägas att ge optimala resultat.

Ifall några särskilda värden inom dessa stora omfång skulle ge ett förbättrat resultat, är det inte visat vad sådana begränsade omfång eller värden kan vara. För egenskaper som uppnås genom legeringen varierar rentav till en väldigt stor omfattning mellan slutvärdena hos de beskrivna omfången.

Huvudsyftet med uppfinningen är följaktligen att till- handahålla en legering som är optimerad för tillämpningar där metallkomponenter är föremål för slitage genom kon- taktering med ytterligare en komponent som rör sig relativt därtill.

I synnerhet är detta syfte riktat till en bromstrumma eller till en bromsskiva för fordonstillämpningar son: kräver optimerad termisk resistens, skrikresistens och slitageres- istens som tar hänsyn till den anslutande bromsbelägget, med hänsyn till vad som är relativt rörligt (d.v.s. den relativa rörelsen som orsakas av att skivan eller trum- roteringen i jämförelse till de stationära friktionsbeläggen av dynorna eller backarna). Samtidigt måste komponenten inte vara för hård eftersom detta kommer att göra tillverkningen svårare, längre och följaktligen mer kostsam.

Ytterligare ett syfte med. uppfinningen är att undvika behovet av eventuell efterbehandlande värmeprocess. 10 15 20 25 30 35 504 536 Redogörelse av uppfinningen Syftet med uppfinningen uppnås genom en legering som har de särdrag som anges i det bifogade patentkravet 1. Föredragna särdrag av uppfinningen anges i de beroende kraven.

I enlighet med uppfinningen som anges i patentkrav 1 har en förbättrad och särskilt omfång av värden för elementen som inbegrips i legeringssammansättningen framkommit. I en föredragen utföringsform av uppfinningen har ett komplett omfång av alla värden på element med den legeringen som krävs för optimal prestanda definierats.

Figurbeskrivning Uppfinningen kommer nu att beskrivas med hänvisningen till en föredragen utföringsform därav och med hänvisning till de bifogade ritningarna i vilka, bromstrumma som Fig.l visar en sidovy av en innehåller legeringen hos uppfinningen, och Fig.2 visar en perspektivvy i tvärsnitt av en skiv- broms som innehåller legeringen hos uppfinningen.

Föredragna utföringsformar I den följande beskrivningen är samtliga procentenheter av elementen hos legeringen givna i vikttermer. Exempelvis 4,0 till 4,2 % betyder 4,0 till 4,2 viktprocent.

Legeringen i uppfinningen är i huvudsak en gråjärnslegering med hög kolhalt som har en ekvivalent kolhalt på mellan 4,0 och 4,2 %. blivit reducerad till mellan 3,5 och 3,7 % i legeringen hos Den verkliga mängden av kol har emellertid uppfinningen. 10 15 20 25 30 35 504 536 5 Mängden kol som tillförts påverkar E-modulen (elasticitets- modulen) hos legeringen så att ju högre kolhalten är desto lägre erhålles E-modulen. Med en sänkt E-modul erhålles effekten av att de högtemperatur mekaniska egenskaperna hos materialet ökar. Dessutom dämpas vissa ljudfrekvenser.

Exempelvis ger en sänkt E-modul minskade kraftvariationer under bromsning för en godtycklig grad av orundhet och följaktligen risken för bromsvibrationer kan minska.

Värmekonduktiviteten hos järnet ökar med den högre kol- halten likaså värmekapaciteten hos materialet, som båda är klart önskvärda ur en termisk utmatningssynpunkt. Detta är fallet eftersom den ökade värmekonduktiviteten ger en snabbare temperaturspridningj.den roterande riktningen hos komponenten som minskar termiska orundheteffekter och följaktligen på samma sätt minskar vibrationer.

Dessutom kommer kol i grafitform att förekomma i friktions- samverkan mellan bromsbelägget och bromsskivan eller bistå med direkta värmeförlusten beroende på den höga värmekonduktiviteten bromstrumman som kommer att hos grafit som reducerar temperaturgradienten.

Grafiten i sig kommer i huvudsak ha en form av "grafit l A 3" som mäts enligt ASTM standardnormer.

Den termiska resistensens egenskaper' är också bättre i detta material p.g.a. att den låga modulen hos elasticite- ten resulterar i mindre förslitningar för en given tempe- raturförändring.

Emellertid behöver kolet inte förekomma i en större halt eftersom detta skulle vara skadligt till hållbarheten.

Uppsättningen bör vara så nära 100% perlitiskt som möjligt eftersom små procentenheter av ferrit (exempelvis i 504 536 10 15 20 25 30 35 6 storleksordningen 5%) kommer att minska förslitningsresis- tensen väsentligt och den mekaniska hållbarheten skulle bli försämrad. Eftersom bromskomponenten helt klart är en viktig säkerhetsaspekt hos ett fordon är det väldigt viktigt att åstadkomma en perlitisk struktur nära 100 %.

Vanadin förekommer i legeringen i en mängd av 0,05 -0,1 %.

Då halten vanadin når 0,1 % och över blir legeringen mer kostsam beroende på att vanadininnehållet är både mycket hårdare och följaktligen mycket dyrare att behandla (p.g.a. slitage på skärverktyg). Emellertid ifall mängden är för liten minskas slitresistensen i den slutliga legeringen beroende på ett ogynnsamt kroklinjigt förhållande. Därför måste mängden vanadin balanseras väldigt noggrant för att åstadkomma den önskade effekten men utan att ge fler nackdelar. Följaktligen har mängden vanadin funnits att ligga mest lämpligt inom området av 0,07 till 0,08% för att åstadkomma den bästa balansen med de egenskaper som krävs.

I avseende att åstadkomma de förväntade resultaten, förekommer molybden i en mängd av 0,20-0,30 % och de bästa resultaten erhålles vid en mängd på 0,25 %. Detta element har funktionen att stabilisera perliten och följaktligen ökar den mekaniska hållbarheten hos legeringen. Vid högre temperaturer fungerar även molybden för att stabilisera perliten och som följaktligen har effekten att öka den termiska utmattningsresistensens egenskaper.

Ifall mängden av molybden är större än 0,30 % (t.ex. runt 0,40 % eller mer) blir materialet väldigt svårt att behandla och följaktligen blir priset per komponent oönskvärt högt.

I dess mest föredragna utföringsform, och i avseende att tillhandahålla en lösning för samtliga tidigare nämnda problem, under det att en enkel behandlingsbar komponent 10 15 20 25 30 35 504 536 7 tillhandahålles har legeringen vissa ytterligare element som beskrivs nedan.

I avseende att kolhalten bör motsvara 4,0 till 4,2 (för att erhålla ett. eutetiskt, utskiljning av' grafit respektive austenit) tillförs fosfor och kol. Kisel tillförs i en mängd mellan 1,9 till 2,1 % för att åstadkomma en kisel förbättrar följaktligen den mekaniska hållbarheten i gråsolidifiering. Vidare formar ferriten och gjutformen, även om mängden kisel bör begränsas eftersom detta kommer att minska värmekonduktiviteten i legeringen.

Emellertid eftersom mängden fosfor också borde hållas så lågt som möjligt för att undvika oönskade utskiljningar av fosfider, är tillförandet av kisel i den förskrivna mängden viktig till slutresultatet.

Mangan förekommer i legeringen i storleksordning mellan 0,55 och 0,70% och har en stabiliseringseffekt på perliten och följaktligen förbättrar den mekaniska hållbarheten.

Fosfor förekommer i en mängd på högst 0,1 % och fungerar som en grafitstabiliserare. Emellertid bör halten hållas så lågt som möjligt i avseende att minska andelen av fosfideutektik.

Svavel bör förekomma in en mängd mellan 0,08 till 0,12 %.

Krom förekommer i storleksordning mellan 0,2 och 0,3 % i avseende att öka hållbarheten och slitningsresistensen hos legeringen, inte enbart genom att stabilisera perliten utan bygga upp cellkanterna. Dessa karbider utskiljs under solidifiering även genom att sekundära karbider vid p.g.a. att krom segregeras i gjutformen. Mängden krom som inte utgör karbider kommer att vara upplöst i perlitens ferrit. 504 556 10 15 20 25 30 35 8 I avseende att undvika en oönskad mängd karbid behöver mängden krom "avpassas" med den mängd av vanadin som förekommer i legeringen, eftersom för hög mängd kommer att ge upphov till risken för första karbidutskiljning eller till utskiljning hos större sekundära karbider.

Koppar förekommer eftersom det är stor bidragsgivare till formningen av perlit och är också en perlitstabiliserare (som ökar den mekaniska hållfastheten). Koppar reducerar också formningstemperaturen i den fasta fasen när perliten formas, som följaktligen åstadkommer en finare struktur vilket är viktigt för hårdheten och brytstyrka. Koppar verkar vidare till att ställa in perlitens ferrit och balansera mängden krom medan den också motsätter sig från formningen av primära solidifieringskarbider. Återstoden av legeringsmaterialet utgörs av gråjärn och eventuellt några mindre orenheter.

Medan legeringen kan tillverkas för att ge det önskade resultatet inom de smala gränser eller mängder som definie- rats ovan för olika element, har lyckade försök utförts på prototyper av bromstrummor som är försedda med en legering som har en vikthalt av kol på 3,65-3,70 %, kisel 2,0 %, koppar 0,25 %, krom 0,25 %, molybden 0,25 % och vanadin 0,07-0,08 %, återstående material är det som tidigare framlagts. En sådan legering som används i en bromstrumma resulterar i en legering som har en hårdhet på minst 170 i jämförelse till HB (5/750) test, d.v.s. en Brinell hårdhet som använder en 5 mm stålkula och 750 kg last.

Tester på en bromstrumma gjorda av det legeringsmaterial enligt uppfinningen som beskrivits i det föregående stycket har visat att det tidigare nämnda precisa kombinationen av elementj_legeringen åstadkommer signifikanta förbättringar i alla avseenden omedelbart. 10 15 20 25 30 35 9 Metoden för att tillverka komponenterna kräver att ymp- ningen och gjuttemperatur är avpassade till legeringen.

Följaktligen bör ympningen vara relativt hög så att primära kardbider undviks. Följaktligen, som ett exempel, kan en användas som mängd på uppskattningsvis 0,20% FeSi ympningstillsats. På motsvarande sätt kan både smälttemperaturen sänkas något (lämpligtvis på ca. 20 till 30°C i jämförelse med standardjärn) i avseende att åstad- komma en lämplig övre temperatur i smältan.

Smältprocessen är i huvudsak samma som för de flesta järnlegeringar och behöver följaktligen inte beskrivas i större detalj eftersom detta kommer att vara uppenbart för fackmannen. Basen i den smältna järnkomponenten, som innehåller kisel, mangan, fosfor och svavel tillverkas i en kupolugn som därefter överförs till en buffertugn. När det smältna järnet är i denna form tillförs tillsatserna till smältan i en transport skänk. Kolet tillförs i form av grafitpulver och det resterande av legeringstillsatserna tillförs i form av FeCr, FeMo och FeV. Ympningsmaterialet kan tillföras vid detta steg och kiselhalten kan också justeras för att ge den korrekt motsvarande kolhalten.

Koppar tillförs i något passande form av metallpartiklar (t.ex. filspån) och en slutlig justering av den kemiska sammansättningen som krävs görs i smältugnen innan gjutningen. Vidare tillförs ympningsmaterial (t.ex. FeSi) till strömmen av smältmetall under transporten från smältugnen till gjutformen.

Efter att ha bearbetat gjutningen till de exakta dimensio- ner hos trumman eller skivan krävs ingen värmebehandling.

Figur 1 visar en sidovy i en föredragen design hos brom- strumman 1 hos denna uppfinning för ett tungt fordon (t.ex. ett fordon som är försett med fyra axlar eller åtta axlar med två eller fyra hjul per axel). Trumman kommer att vara 10 15 20 25 30 35 504 536 10 i huvudsak symmetrisk runt centrumlinjen X-X och följakt- ligen visas endast ena halvan av trumman. Referensnummer 2 betecknar bromsbelägg hos en bromsback som är applicerad till trummans insida för att åstadkomma bromsning. En del av smutsskyddet 3 visas också i tvärsnitt.

Bromstrumman hos ett sådant tungt fordon är i synnerhet passande för tillämpningen av den legering som denna uppfinning avser eftersom tunga fordon av denna typ normalt kräver att gå ett högt miltal under deras livstid, varvid befintliga bromstrummor eller skivor fortfarande kan vara passande för lättare mobil användning (exempelvis, bilar, skåpbilar eller motorcyklar) där motsvarande miltal är väsentligt lägre. Emellertid kan legeringen i denna uppfinning också tillämpas i dessa fordon.

Bromstrummor för moderna stora eller tunga fordon är rätt djupa och kan ha en inre diameter på 300 mm eller mer.

Typiskt brukar den inre diametern hos trummorna vara någonstans mellan 340 mm till 430 mm, med vikt som varierar normalt mellan 35 kg och 85 kg. Eftersom slitningsresisten- sen kommer att öka signifikant kan emellertid uppfinningens legering reducera djupet eller diametern hos trumman (och följaktligen även dynor eller backar) medan en tillräcklig slitningslivslängd från trumman fortfarande kan åstadkommas. Detta är en klart väsentlig fördel för fordonsindustrin och slutanvändaren eftersom inte bara kostnader sparas, utan även vikten (som är en ofjädrad vikt) reduceras med samtliga efterföljande fördelar med högre prestanda, minskad bränsleförbrukning och lättare styregenskaper, etc.

Uppfinningens legering' kan också finna tillämpningar i bilar eller mindre fordon där trummans inre diameter eller skivdiameter är mycket mindre än i tyngre fordon. 10 15 20 25 30 35 504 536 ll Fig. 2 visar ett exempel på en skivbroms 4 som kan till- verkas av legeringen i denna uppfinning. Liknande minsk- ningar och besparingar med det som beskrevs ovan avseende bromstrummor kan också göras.

Den exakta formen eller typen av bromstrumma eller skiva kan naturligtvis variera brett inom det beskrivna beroende på den särskilda tillämpningen.

Genom att använda legeringen enligt uppfinningen krävs ingen efterföljande värmebehandling av den behandlade trumman eller skivan för att uppnå de önskade resultaten.

Självklart ger detta upphov till en väsentlig kostnads- och tidsreducerande faktor jämfört med många tidigare kända lösningar. Emellertid ifall av någon annan anledning en efterföljande värmebehandling appliceras bibehållas de förbättrade bromsegenskaperna hos materialet.

Genom att använda legeringen i denna uppfinning med föreliggande asbestfria friktionsbeläggningsmaterial (exempelvis ABEX 929 eller Mintexdon 7115 friktionsmateri- al) kan förbättringarna i slitageresistens erhållas i storleksordningen 200 % eller mer, vilket är en väsentligen enorm förbättring. Även då trumman används under extrema kör/broms förhållanden kan en ökning mellan 50 och 100% åstadkommas. Även denna ökning är fortfarande en enorm ökning i trumlivslängden. Följaktligen kan det inses att genom den noggranna studien och det intrikata urvalet av de legeringselement som krävs har uppfinnarna av den föreliggande legeringen nått fram till ett optimerat bromskroppsmaterial som har distinkta och signifikanta mekaniska och termiska fördelar jämfört med de tidigare kända material som har använts.

Försök har också visat att genom att använda en trumma eller skiva i enlighet med uppfinningen i kombination med 10 504 536 12 nuvarande bromsdynor eller -backar kan en ökning också åstadkommas hos livslängden.i friktionsbeläggning på.mellan 5 och 10 %. Denna fördel kan användas exempelvis för att öka intervallen mellan servicebyten och följaktligen generellt sänka kostnaden.

Uppfinningen är inte begränsad till de utföringsformer som beskrivs ovan utan kan varieras brett inom ramen hos de bifogade kraven. Exempelvis medan legeringen har beskrivits med hänsyn till roterande trumkomponenter för vilka den har varit speciellt designad kan legeringen också användas i andra områden exempelvis kopplingar av olika typer eller andra applikationer där friktionskontakt mellan legeringen och ytterligare beläggningsytor förekommer.

Claims (7)

10 l5 20 25 30 35 40 504 536 13 PATENTKRAV

1. l. Ett järnlegeringsmaterial som innefattar i. huvudsak perlitiskt gråjärn legerat med följande element: kol som förekommer i en mängd av 3,50-3,70 viktprocent, vanadin som förekommer i en mängd av 0,05-0,1 viktprocent, molybden som förekommer i en mängd av 0,20-0,30 viktpro- cent, kisel som förekommer i en mängd av 1,90-2,0 viktprocent, mangan som förekommer i en mängd av 0,55-0,70 viktprocent, fosfor som förekommer i en maximal mängd av 0,10 viktpro- cent, svavel som förekommer i en mängd av 0,08-0,12 viktprocent, krom som förekommer i en mängd av 0,20-0,30 viktprocent och koppar som förekommer i en mängd av 0,20-0,30 viktprocent, medan återstoden utgöres av järn. och andra eventuella orenheter.

2. Ett legeringsmaterial enligt patentkrav l, k ä n n e - t e c k n a t a v att vanadin förekommer i en mängd av 0,07 - 0,08 viktprocent.

3. Ett legeringsmaterial enligt patentkrav 2, k ä n n e - t e c k n a t a v att kol förekommer i en mängd av 3,65 - 3,7 viktprocent, koppar i en mängd av 0,25 viktprocent, krom i en mängd av 0,25 viktprocent, molybden i en mängd av 0,25 viktprocent och kisel i en mängd av 2,0 viktprocent.

4. Ett legeringsmaterial enligt något av föregående krav k ä n n e t e c k n a t a v att vanadin förekommer i en mängd av 0,075 viktprocent och molybden i en mängd av 0,25 viktprocent.

5. En bromstrumma, företrädesvis en bromstrumma för mobila applikationer, tillverkad av ett legeringsmaterial enligt något av föregående krav. 504 536 14

6. En bromstrumma (1) enligt patentkrav 5 k ä n n e - t e c k n a d a v att nämnda bromstrumma har en inre diameter av 300 mm eller mer.

7. En bromsskiva (4) tillverkad av ett legeringsmaterial enligt ett av kraven 1 till 4.