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Bremsklotz, insbesondere zum Bremsen von Eisenbahnfahrzeugrädern Die
auf Eisenbahnwagenräder einwirkenden Bremsbacken werden im allgemeinen aus Guß hergestellt.
Dieser Baustoff hat den Nachteil, daß sein Reibungskoeffizient gegen Ende der Bremswirkung
zunimmt. Wird die Kurve der Bremswirkung in Abhängigkeit von der Relativgeschwindigkeit
aufgezeichnet, so steigt diese Kurve plötzlich gegen ihr Ende zu an; in diesem Augenblick
klemmen die Bremsbacken die Räder fest, die dann auf den Schienen schleifen, was
eine Abnutzung von Schienen und Rädern hervorruft, so daß auf letzteren Flächen
gebildet und dieselben unrund werden.
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Um diesem Übel abzuhelfen, verNvendet man aus Kohle ausgeführte Brems-
oder Gleitbacken, bei denen die Reibung eine gleichmäßigere ist. In diesem Falle
weist die Schaulinie des Reibungskoeffizienten die beim Guß sich ausbildende Spitze
nicht auf. Die Kohlebacken haben jedoch andererseits den Nachteil, daß sie sich
glätten und daß deren Reibungskoeffizient um so mehr abnimmt, als die Kohle glatter
wird. Außerdem sind diese Bremsbacken ziemlich zerbrechlich.
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Zwecks Vermeidung der Abnahme des keibungskoeffizienten ist bereits
vorgeschlagen worden, bei der Herstellung von Gleitbacken der Kohle Schleifmittel
oder Gußfeilspäne zuzusetzen. Auf diese Weise wird das Glattwerden der Kohleoberfläche
vermieden. Um jedoch die gewünschte Wirkung zu erzielen, müssen diese Späne ziemlich
grobkörnig sein. Die Feilspäne enthaltenden Gleitbacken aus Kohle nutzen sich schneller
ab, da die groben Feilspänekörner unter der Wirkung der Bremskräfte die benachbarten
Teile lockern. Endlich ist die Herstellung solcher Gleitbacken schwierig.
Die
Erfindung gestattet die Verwendung von Kohlebremsbacken, ohne daß der Kohle von
vornherein Schleifmittel oder metallische Feilspäne zugesetzt werden, wobei trotzdem
der Reibungskoeffizient konstant gehalten wird. Die Erfindung besteht im Wesen darin,
daß neben den eigentlichen Gleitbacken Hilfsgleitbacken aus Guß oder einem ähnlichen
Werkstoff angeordnet werden, die im Drehsinn des Rades in bezug auf die Kohlebacken
derart vorstehen, .daß die durch Berührung der Hilfsbacken mit dem Rade gebildeten
Abnutiungs-oder Verschleißspäne zwischen die Kohlebacken und das genannte Rad gelangen.
Diese äußerst kleinen Werkstoffteilchen, die von zwei aufeinander schleifenden Oberflächen
abgerissen werden, werden nämlich sehr hart, und zwar härter, als es die Werkstoffe
sind, aus denen die beiden Oberflächen bestehen. Diese Metallteilchen werden durch
das Rad mitgerissen und setzen sich auf der Oberfläche der Kohlebacke fest, deren
Glattwerden sie verhindern und die Unveränderlichkeit des Reibungskoeffizienten
sichern; sie vermeiden gleichzeitig den Verschleiß sowohl des Rades wie auch denjenigen
der Gleitbacke.
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Nun hat es sich aber herausgestellt, daß das ge wöhnliche geschmolzene
Gußeisen gewisse Nachteile aufweist. Wenn man es langsam abkühlen läßt, scheidet
sich der Graphit in Gestalt großer Lamellen aus, wodurch die mechanische Festigkeit
des Werkstoffes stark beeinträchtigt wird; die derart hergestellten Bremsbacken
laufen Gefahr, im Betrieb zu brechen. Wenn man im Gegenteil, um das soeben erwähnte
Übel zu vermeiden, die Gußstücke plötzlich abkühlt, erhält man einen Werk-Stoff
mit Zementitstruktur: das Metall wird hart und hat einen zu hohen Reibungskoeffizienten.
Es erscheint daher von Vorteil, den Metallteil des Bremsklotzes statt durch Schmelzen
im Wege des Sinterns herzustellen. Zu diesem Zwecke werden die massiven Kohleklötze
in entsprechend zu-_bereitete Gemische von Eisen- und Kohle- bzw. Graphitpulver
#eingebettet und gepreßt, derart, daß 1>remsklotzähn ic-he Formstücke entstehen.
Der metallische Teil dieser Verbundkörper wird dann dadurch fest und widerstandsfähig
gemacht, daß man das Ganze der Einwirkung einer entsprechenden Hitze aussetzt, z.
B. indem man dieselben in einem reduzierenden oder neutralen Medium auf eine Temperatur
von 95o bis io5o° C bringt. Nach Abkühlung des VVer c ces genügt eine leichte Oberflächenbearbeitung.
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Bei der Herstellung von synthetischem Gußeisen im Wege des Sinterverfahrens
kann man die Hitze auf eine Höhe bringen, die nach Belieben ober-oder unterhalb
des eutectoiden Punktes liegt; demzufolge kann man entweder den Kohlenstoff im Eisen
auflösen oder umgekehrt den Graphit mehr oder minder unverändert belassen.
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Im ersteren Falle, wenn der Graphit aufgelöst wird, nimmt diese Auflösung
immer viel Zeit in .\nspruch und bleibt immer unvollständig; es verbleiben immer
Graphitkristallreste, die während der Abkühlung das Ausscheiden von Graphit hervorrufen.
Folgerichtig wäre es falsch, durch Anwendung solcher Verfahren zu Weißguß mit allen
seinen schlechten Reibungseigenschaften zu gelangen.
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Vorteilhafterweise wird man Kunstgraphite oder Abarten von amorphem
Kohlenstoff verwenden, bei denen die Tendenz, in den Lamellarzustand überzugehen,
weniger ausgeprägt ist und die demzufolge zu einem Gußeisen mit einem Höchstausmaß
an Festigkeit führen. Man kann beispielsweise dem Gemisch Kohlenpulver zusetzen,
deren Tendenz, in Graphit überzugehen, nicht so sehr betont ist; es sind dies beispielsweise
alle Arten von gebranntem Ruß oder von Holzkohle oder auch Gemische von zwei oder
mehreren technischen Kohleabarten; schließlich ist auch amorpher technischer Kohlenstoff
zu verwenden nach seiner besonderen Graphitierung durch Ausbrennen bei ungefähr
2000° C: betragenden Hitzen.
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Wie immer auch die Ausführungsart des Erfindungsgegenstandes sein
möge, man erhält schließlich immer viel festere Werkstücke als auf dein Wege der
Verwendung von geschmolzenem Gußeisen, ohne dabei die Lebensdauer der Bremsklötze
zu vermindern. Wenn man nun dieselben mit solchen aus gewöhnlichem Gußeisen vergleicht,
so findet man, daß die Reibungseigenschaften nahezu genau dieselben sind.
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Erfindungsgemäß können dem Gemisch, das dem Sintern zu unterziehen
ist, andere Elemente zugesetzt werden, die sich mit Eisen legieren lassen, um dem
Ergebnis besondere Eigenschaften zu verleihen. Man kann auch die Festigkeit durch
Legierung des Eisens mit einem oder mehreren graphitisierenden Metallen, beispielsweise
mit Nickel oder 1\Iangan erhöhen. Ein Gußeisen mit ungefähr .4% Gehalt an Graphit
und mit o,5 bis 3% Nickel, dein man nach Belieben eventuell noch etwa o,i bis zu
i % Mangan zusetzen könnte, zeitigt ungefähr die gleichen Eigenschaften beim Sintern,
wobei sein mechanisches Verhalten wie auch seine Abnutzungswiderstandsfähigkeit
merklich verbessert erscheinen.
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Diese im Sinterverfahren hergestellten Metallteile der Bremsklötze
lassen sich durch Verwendung von mit Kohlenstoff übersättigtem gesintertem Gußmaterial
weiter vervollkommnen; der Gesamtgehalt an Kohlenstoff übersteigt dann stark denjenigen
im Wege der Verwendung bekannten Schmelzverfahren erzeugten Gußstücke, d. h. derselbe
übersteigt im ganzen 5%. Vorteilliafterweise verwendet man erfindungsgemäß Gußmaterial,
das einen zwischen 6 und 8% Gewichtsteilen liegenden Gehalt an Kohlenstoff aufweist.
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Die Verwendung von mit Kohlenstoff übersättigtem Gußmaterial ist insbesondere
in bezug auf die Beeinflussung des Reibungskoeffizienten von Vorteil, wobei dadurch
gleichzeitig ein besseres Festhalten der von einem der sich reibenden Teile abgelösten
Teile auf dem anderen dieser Teile gesichert erscheint. Die Erfahrung zeigt jedenfalls,
daß es nicht von Vorteil ist, den Kohlenstoffgesamtgehalt ungefähr io% im Sintermaterial
übersteigen
zu lassen, da sonst der Reibungskoeffizient an Stetigkeit
einbüßt und die Festigkeit des Werkstückes fühlbar zurückgeht.
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Das mit Kohlenstoff übersättigte Gußmaterial wird durch Sintern eines
innigen Gemisches von Eisen-, Stahl- oder Gußeisenpulver mit der entsprechend berechneten
Menge an feinst zerkleinertem Graphit erhalten. Zum Sintern kann man allerart, sogar
unreines Graphit verwenden; doch der Stetigkeit des Reibungskoeffizienten willen
empiielilt es sich, Graphite zu verwenden, die nicht mehr als i bis 2% an Mineralstoffen
enthalten. .andererseits beeinträchtigen Naturgraphite mit Lamellenstruktur im allgemeinen
die mechanische Widerstandsfähigkeit der Bremsklötze. Für laufende Verwendungsarten
wählt man daher entweder sogeiiannte amorphe Naturgraphite oder Kunstgraphite, die
im Wege einer geeigneten Wärmebehandlung von Kohlenstoff bei Temperaturen, die etwas
oberhalb von iooo ° C liegen, erzeugt werden. 1)as Sintern kann dadurch erleichtert
werden, daß genügend feine Metallpulver gewählt werden, vorzugsweise solche, die
zur Gänze durch ein Sieb von 160o Maschen/cm2 oder noch besser durch ein solches
von einer Dichte von 4ooo Maschen/cm2 4indurchgehen.
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Es erscheint vorteilhaft, das Graphitpulver noch feiner als (las -Metallpulver
zu wählen, wobei man beispielsweise auf ein solches, das ein Sieb mit 6400 Alasclien/em2
durchläßt, greifen kann.
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In der Zeichnung sind einige Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes
veranschaulicht, und zwar bedeutet die Abb. i einen schematischen Querschnitt durch
einen erfindungsgemäßen Bremsklotz in vereinfachter Form, die Abb. 2 und 3 solche,
die tatsächlichen Ausführungsformen entsprechen, während die Abb.4 eine Vorderansicht
der Bremsfläche darstellt.
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Wie in der Abb. i gezeigt, können die beiden ini vorstehenden beschriebenen
Bremsbacken unmittelbar nebeneinander oder mit einem gewissen kleinen Abstand voneinander
angeordnet werden; die Hauptgleitbacke P ist aus Kohle und eine Hilfsbacke p aus
Gußeisen. Beide Backen können von der gleichen Halterung 111 getragen werden. Bei
der praktischen Ausführung ist es von Vorteil, die Kohlegleitbacken innerhalb der
Gußbacken anzuordnen, wie die nbb. 2 zeigt, insbesondere wenn das Rad beide Drehsinne
annehmen kann. In diesem Falle werden jene Hilfsbremsbacken von der Halterung :l1
gebildet, deren Vorderwände in genügen-(lein Maße verstärkt sein können.
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In (lein einen wie in dem anderen Falle ist die erzielte Wirkung die
gleiche. Werden die Bremsbacken an das Rad R gelegt, reißt dieses beim Drehen Werkstoffteilchen
von den Gußbacken ab. 1)a der Guß Kohlenstoff enthält, entstehen in diesen Teilchen
Eisenkarbide, die eine große Härte aufweisen. Die Radoberfläche nimmt diese Teilchen
finit und führt sie unter die Kohlebacke P, deren Reibungskoeffizienten sie verbessern.
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Wiewohl der Kohleklotz in die Halterung mechanisch eingesetzt werden
kann, ist es für die praktische Ausführung bequemer, das Gußeisen um die Kohle herum
zu vergießen. Dann kann dem Kohlekörper eine Form gegeben werden, die ihn in der
Gußhalterung unbedingt festhält. Abb. 3 zeigt eine der zahlreichen Ausführungsformen
dieser Art, die verwirklicht werden können.
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Ein und dieselbe Halterung kann mehrere Kohlehacken i, 2, 3
... einschließen, wie die Abb. 4 zeigt. Wenn das Gußeisen um die Kohle herum
vergossen wird, ist es zweckmäßig, die Oberfläche der hohle zwecks Vermeidung irgendwelcher
Beschädigung derselben zu schützen. Hierzu kann die Oberfläche der Kohlebacken verkupfert
oder mit einem anderen Metall plattiert werden.
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Diese Verfahrensart hat außerdem den Vorteil, daß beide Materialien
inniger untereinander vereinigt werden.
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Die Kohlemasse der Backen P kann mit Hilfe irgendwelcher in dieser
Technik angewandten Mittel zusammengefügt werden, insbesondere dadurch, (laß die
Backen aus einem Gemisch von Kohlepulver mit unvollständig polymerisiertem Kunstharz
gebildet werden, das .dazu beiträgt, die Feilspäne festzuhalten. Der Klotz aus Kohle
kann auch mit einem solchen Harz und durch Anwendung eines bekannten Lösungsmittels
imprägniert werden. Die Kohle und das Gußeisen können ganz allgemein durch irgendwelche
andere Werkstoffe mit gleichen Eigenschaften ersetzt werden.
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Außerdem können sämtliche Einzelheiten in der Ausführung in jedem
Falle geändert werden, ohne daß man das Gebiet der Erfindung verließe.
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In fernerer Vervollkommnung des Erfindungsgegenstandes kann der beispielsweise
auf die in Abb. 4 dargestellte Art erzeugte Bremsklotz Kohlestücke enthalten, die
durch Wände aus gesintertem Gußmaterial zusammengehalten werden, wobei auch die
Außenwände des Werkstückes aus gleichem Werkstoff ausgeführt sind. Die Kohlestücke
werden in eine Form eingelegt, deren Gestalt derjenigen des Bremsklotzes entspricht;
die Bremsoberfläche kommt dabei nach unten, um die Kohlestücke so legen zu können,
wie sie später im Klotz angeordnet sein sollen. Die Zwischenräume zwischen denselben
werden mit einem Pulvergemisch aufgefüllt, das beispielsweise 96,5% technischen
entoxydierten Eisenpulvers und 3,5% an Kunstgraphit in einer Körnung enthält, die
durchwegs durch ein Sieb Nr. 230, io ooo Maschen im cm2, durchgegangen ist.
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Das Ganze wird nun gepreßt; nach Herausnehinen aus der Form wird der
Preßling während zwei Stunden bei iooo° C gesintert und nachher im Ofen abgekühlt,
bis der Graphitisierungspunkt erreicht ist; das nachfolgende Abkühlen kann dann
finit beliebiger Geschwindigkeit erfolgen, ohne daß man die Eigenschaften des Erzeugnisses
dadurch beeinträchtigen würde. Durch Abkühlung schrumpft das Gußmaterial zusammen,
so daß die Kohlestücke fest im Innern des Klotzes gefaßt werden. Eine leichte Oberflächenbearbeitung
zum Schluß erlaubt es, die Reiboberfläche den Gebrauchsbedürfnissen
anzulassen
und gegebenenfalls auch andere Abmessungen des Stückes auf die gewünschten Maße
zu bringen.
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Es ist naheliegend, Verbundkörper herzustellen, bei denen nicht nur
die Reibfläche, sondern auch die anliegenden Oberflächenteile, die während des Betriebes
einer Abnutzung unterworfen sein könnten, aus gesintertem Gußmaterial hergestellt
sind; derjenige Teil dann, der nur als einfache Halterung zu dienen hat und dessen
Festigkeit demzufolge hoch sein muß, kann dann aus weniger Kohlenstoff enthaltendem
Metall bestehen, wobei man stetig voll einem gesinterten Gußmaterial zu einem gesinterten
wirklichen Stahl von außerordentlich hoher Festigkeit überzugehen vermag. Zu diesem
Zwecke führt man in die Form Gemische von Eisen- und Kohlenstoffpulvern ein, die,
dem Bedarf entsprechend, an letzterem mehr oder weniger reich sind, wobei die weniger
Kohlenstoff enthaltenden an Stellen, die gegenüber den künftigen Reibflächen liegen,
eingebracht werden; das Ganze wird dann einheitlich zusammengesintert.
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Bei den Ausführungsformen, die die mit Kohlenstoff übersättigten Gußmaterialien
verwenden, mischt man Graphit und Metall im berechneten Verhältnis, nachher bildet
man aus dem Gemisch Preßlinge, die die in die Formen eingelegten Kohlebremsl>acken
vollständig umgeben, wie es wieder aus der Abb. 4 hervorgeht. Zu diesem Zwecke legt
man die Kohlestücke auf den Boden der Form. Die Zwischenräume zwischen den Kohlestücken
sowie die den Außenwänden entsprechenden Hohlräume in der Preßform* werden mit dem
Eisen-Graphitpulver-Gemisch angefüllt, worauf man noch eine solche Menge dieses
Gemisches zuschüttet, die erforderlich ist, damit nach erfolgter Pressung ein guter
metallischer Sitz auf der Höhe der Kohlestückerücken sich ergibt. Es erfolgt darauf
die Pressung und das Ausbrennen in nichtoxydierender Atmosphäre, bei einer Temperatur,
die unterhalb des Lösungspunktes von Graphit im Eisen liegt.
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Im allgemeinen erfolgt das Sintern bei einer Temperatur zwischen ungefähr
85o bis 112o° C, wobei die Dauer des Ausbrennens sich zwischen 30 Minuten
und 3 Stunden bewegen kann. Nach Abkühlung in nichtoxydierender Atmosphäre werden
die erhaltenen Verbundstücke nach Bedarf noch bearbeitet, um deren Außenmaße zu
berichtigen und Grate zu entfernen.
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Einer anderen Ausführungsart zufolge kann man vorerst das Graphit-Metall-Gemisch
sintern, nachher die enthaltenen Blöcke zerschneiden und bearbeiten, um derart Bremsklötze
herzustellen, in denen man mehrere Höhlungen vorsehen kann, in die man die Kohlebremsstücke
einfügt.
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Dem mit Kohlenstoff übersättigten gesinterten Gußmaterial kann man
auch gewisse Metalle zusetzen, die mit Eisen Legierungen bilden und keinerlei gar
zu harte oder 'abschleifende Karbide ergeben; es sind dies beispielsweise Nickel,
Kobalt, Kupfer, Zinn usw., und zwar einzeln oder gemeinschaftlich. Diese Zusätze
können entweder in Gestalt von in feinem Pulver verteilten Metallen erfolgen, die
dem zum Sintern bestimmten Gemisch zugesetzt werden, oder, indem man vorher Legierungen
dieser Metalle mit Eisen herstellt, dieselben dann pulverisiert und das Pulver dem
Gemisch zusetzt. Man kann in das Gemisch gleichzeitig eines oder mehrere dieser
legierten Metalle in praktisch re'iiem Zustande zugeben, während andere Hilfsmetalle
in Gestalt von Legierungen mit Eisen mit zumindest einem von den besagten Metallen
in Pulverform zugesetzt werden können.
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Um einige Beispiele von @letall-Graphit-MischungUli dieser Art anzuführen,
wird im nachfolgenden auf einige Zusammenstellungen hingewiesen, die sich insbesondere
vom Standpunkte des Reibungskoeffizienten sowie von jenem des Anliaftvermögens der
Abnutzungsspäne an den Bremsflächen als günstig erweisen.
| I 1I 111 |
| Eisen . . . . . . 93 93,1 92,5 |
| Graphit . . . . . 6 6,4 |
| Nickel . . . . . 1 - 0,5 |
| Kupfer . . . . . - 0,5 - |
Das obenerwähnte Eisen kann entweder rein sein c)d gr die üblichen Anteile an Mangan,
Silicium, SeRwefel, Phosphor usw. enthalten.