CH661286A5

CH661286A5 - ABRASION RESISTANT ALLOY CAST IRON.

Info

Publication number: CH661286A5
Application number: CH144184A
Authority: CH
Inventors: Wallace Day
Original assignee: Giw Ind Inc
Priority date: 1982-07-19
Filing date: 1982-07-19
Publication date: 1987-07-15
Also published as: DE3390167T1; EP0113715A1; AU8824982A; GB8406512D0; CH660753A5; GB2134542B; EP0113715A4; GB2134542A; WO1984000385A1; NL8220290A; AU557815B2; JPS59501551A

Description

La présente invention concerne la fonte, et plus particulièrement une fonte blanche alliée ayant une robustesse et une résistance à 30 l'abrasion améliorées et une résistance à la traction nettement augmentée. Cette invention porte plus précisément sur une fonte blanche d'une composition nouvelle et sur un procédé permettant de produire cette fonte blanche nouvelle qui a une robustesse, une plasticité et une résistance à la traction améliorées, tout en conservant 35 les propriétés requises de résistance à l'abrasion. Cela a pu être réalisé par une modification de la morphologie du carbure. The present invention relates to cast iron, and more particularly to alloyed white cast iron having improved robustness and abrasion resistance and markedly increased tensile strength. This invention relates more specifically to a white cast iron of a new composition and to a process for producing this new white cast iron which has improved robustness, plasticity and tensile strength, while retaining the required properties of resistance to abrasion. This could be achieved by modifying the morphology of the carbide.

La fonte blanche alliée qui contient du carbone dans une proportion supérieure généralement à 1 lA % et habituellement du chrome — ce dernier se trouvant combiné au carbone dans un carbure de 40 fer-chrome MxCy — est bien connue pour sa bonne résistance à l'usure. Dans bien des cas, la résistance à l'abrasion inhérente à la fonte non alliée est suffisante pour ses utilisations habituelles et ne pose pas de problèmes à l'utilisateur. Cependant, lorsque la fonte sur des appareils industriels est sujette à des types d'usure particu-45 liers, les propriétés mécaniques inhérentes à la fonte laissent beaucoup à désirer. Alloyed white cast iron which contains carbon in a proportion generally greater than 1 lA% and usually chromium - the latter being combined with carbon in a carbide of 40 iron-chromium MxCy - is well known for its good wear resistance . In many cases, the abrasion resistance inherent in unalloyed cast iron is sufficient for its usual uses and poses no problems for the user. However, when cast iron on industrial devices is subject to particular types of wear, the mechanical properties inherent in cast iron leave much to be desired.

Comme cela est bien connu, différents types d'usure peuvent se manifester sur la fonte. Dans un de ces types d'usure, des cannelures ou rainures apparaisent sur la fonte; elles sont dues à la pénétration so dans la surface de pièces en fonte mobile de particules abrasives grossières, qui provoquent l'enlèvement d'une quantité importante de métal. Les équipements industriels tels que les équipements de terrassement, les broyeurs à marteaux, les concasseurs à mâchoires sont sujets à un enlèvement de métal de ce type. Ces équipements 55 sont soumis à des chocs importants qui provoquent ce type de détérioration de la fonte. As is well known, different types of wear can occur on the cast iron. In one of these types of wear, grooves or grooves appear on the cast iron; they are due to the penetration so into the surface of moving cast iron parts of coarse abrasive particles, which cause the removal of a significant amount of metal. Industrial equipment such as earthmoving equipment, hammer mills, jaw crushers are subject to metal removal of this type. These pieces of equipment 55 are subjected to significant shocks which cause this type of deterioration of the cast iron.

Dans un autre type d'usure, qui est l'abrasion sous haute contrainte, des particules abrasives du type de celles que l'on rencontre dans l'industrie minière sont écrasées par des surfaces métalliques en 60 mouvement. Le niveau des contraintes auxquelles sont soumis les composantes en fonte de broyeurs, les rouleaux de concasseurs ou les garnitures de moulins, est souvent supérieur à ce que peuvent supporter les fontes conventionnelles, ce qui aboutit à des défaillances de l'équipement. In another type of wear, which is high-stress abrasion, abrasive particles of the type encountered in the mining industry are crushed by moving metal surfaces. The level of stresses to which the cast iron components of grinders, the rollers of crushers or the linings of mills are subjected, is often higher than what can be supported by conventional cast irons, which leads to equipment failures.

65 Dans le troisième type d'usure qu'est l'abrasion sous faible contrainte, ou l'érosion, les surfaces en fonte ne sont pas soumises à des contraintes particulièrement élevées, mais ont néanmoins besoin d'avoir une haute résistance à l'abrasion. 65 In the third type of wear, abrasion under low stress, or erosion, cast iron surfaces are not subjected to particularly high stresses, but nevertheless need to have a high resistance to abrasion.

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Les fontes disponibles dans le passé n'avaient pas les qualités requises leur permettant d'éviter l'usure en forme de rainures ou cannelures résultant de chocs importants. Un acier au manganèse d'une haute plasticité et d'une grande robustesse a été mis au point qui peut supporter ce type d'usure. Toutefois, la dureté et la résistance à l'abrasion de ce matériau sont inadéquats pour empêcher son usure rapide dans des conditions de haute contrainte du type de celles rencontrés dans un grand nombre d'appareils de pulvérisation, par exemple les moulins rotatifs à boulets. Dans les opérations sous haute contrainte de ce type, et selon la robustesse et la résistance à l'abrasion requises par l'appareillage considéré, on peut utiliser divers aciers au chrome et au molybdène et diverses fontes alliées. Pour éviter le troisième type d'usure dont il a été question plus haut et qui est une usure sous une faible contrainte, on peut utiliser des fers contenant un alliage du chrome additionné ou non de nickel ou de molybdène, et qui ont une matrice fortement martensitique dans laquelle se trouve réparti le carbure. The fonts available in the past did not have the requisite qualities enabling them to avoid wear in the form of grooves or grooves resulting from major impacts. Manganese steel of high plasticity and great robustness has been developed which can withstand this type of wear. However, the hardness and abrasion resistance of this material are inadequate to prevent its rapid wear under conditions of high stress of the type of those encountered in a large number of spraying devices, for example rotary ball mills. In high-stress operations of this type, and depending on the robustness and the abrasion resistance required by the apparatus considered, various chromium and molybdenum steels and various alloy cast irons can be used. To avoid the third type of wear which was discussed above and which is wear under low stress, it is possible to use irons containing a chromium alloy with or without added nickel or molybdenum, and which have a strongly matrix martensitic in which the carbide is distributed.

L'analyse des différents types d'usure et les informations existantes concernant l'aptitude des métaux disponibles à supporter les différents types d'usure placent l'homme de l'art devant un dilemme. Lorsqu'un équipement est soumis au moins aux deux premiers types d'usure, il faut qu'il ait une grande résistance à l'usure et une robustesse suffisante pour résister aux chocs et aux contraintes élevées qui caractérisent ces types d'usure. La dureté et la robustesse sont des qualités qui sont généralement considérées comme incompatibles : lorsqu'une composition possède une de ces deux qualités, c'est au détriment de l'autre. Pourtant, la dureté et la robustesse sont toutes deux nécessaires. The analysis of the different types of wear and the existing information concerning the aptitude of the metals available to withstand the different types of wear put the man in the art before a dilemma. When an item of equipment is subjected to at least the first two types of wear, it must have a high resistance to wear and a robustness sufficient to withstand the shocks and high stresses which characterize these types of wear. Hardness and robustness are qualities that are generally considered to be incompatible: when a composition has one of these two qualities, it is to the detriment of the other. However, both hardness and robustness are necessary.

L'industrie qui fournit les pièces en fonte résistant à l'abrasion a longtemps cherché à améliorer la durée de vie de ces pièces. The industry supplying abrasion resistant cast iron parts has long sought to improve the life of these parts.

Les composés carbone-fer, qu'ils soient alliés ou non, n'ont pas une très grande robustesse lorsqu'ils ont une structure martensitique, et cela même lorsque la teneur en carbone n'est que de 0,04%. Les aciers hypereutectoïdes et les fontes blanches ont une robustesse insuffisante à cause de la morphologie de la cémentite (Fe3C). En alliant les composés carbone-fer, on produit des carbures (MxCy) d'une plus grande dureté, ce qui améliore certains aspects de leur résistance à l'abrasion. Cependant, à mesure que la teneur en carbure augmente et que la résistance à l'abrasion augmente, la fragilité augmente aussi, si la taille des particules de carbure n'est pas diminuée. Les métallurgistes ont longtemps reconnu le caractère complexe de la fonte blanche: en effet, les deux structures microscopiques principales que sont le carbure et la matrice se comportent comme deux entités indépendantes. Néanmoins, le comportement de la fonte blanche, laquelle est soumise à une abrasion et à des chocs, dépend en dernier ressort des interactions existant entre ses deux composantes. Lorsqu'un tel matériau est exposé à des chocs, les carbures se brisent. Lorsque ces carbures sont continus et d'une taille relativement importante, des fissures apparaissent et se propagent dans la structure, conduisant souvent sinon à des ruptures, du moins à une usure accélérée du matériau. Carbon-iron compounds, whether alloyed or not, do not have a very high robustness when they have a martensitic structure, and this even when the carbon content is only 0.04%. Hypereutectoid steels and white cast irons have insufficient robustness due to the morphology of cementite (Fe3C). By combining carbon-iron compounds, carbides (MxCy) of greater hardness are produced, which improves certain aspects of their resistance to abrasion. However, as the carbide content increases and the abrasion resistance increases, the brittleness also increases, if the size of the carbide particles is not reduced. Metallurgists have long recognized the complex nature of white cast iron: in fact, the two main microscopic structures that are carbide and the matrix behave like two independent entities. However, the behavior of white cast iron, which is subject to abrasion and impact, ultimately depends on the interactions between its two components. When such a material is exposed to impact, the carbides break. When these carbides are continuous and of relatively large size, cracks appear and propagate in the structure, often leading if not to ruptures, at least to accelerated wear of the material.

Il n'existe pas actuellement d'alliage fer-carbone dont la teneur en carbone soit supérieure à 1,7% en poids et qui présente des qualités suffisantes de haute résistance à l'abrasion alliées à une haute capacité pour absorber les chocs. There is currently no iron-carbon alloy whose carbon content is greater than 1.7% by weight and which has sufficient qualities of high abrasion resistance combined with a high capacity for absorbing shocks.

L'objet de la présente invention est une fonte alliée ayant une grande dureté, une grande résistance à l'usure alliée à une robustesse améliorée, ainsi qu'une résistance à la traction améliorée. The object of the present invention is an alloy cast iron having a high hardness, a high resistance to wear combined with improved robustness, as well as an improved tensile strength.

La fonte selon l'invention est une fonte ayant une grande résistance à l'abrasion et une grande robustesse, où les carbures sont présents sous la forme de gobules quasi sphériques. The cast iron according to the invention is a cast iron with high abrasion resistance and great robustness, where the carbides are present in the form of almost spherical cups.

C'est en outre une fonte qui est robuste et résistante à l'usure, et où les carbures ont une taille inférieure à la taille moyenne habituelle et sont distribués d'une manière homogène dans la matrice. It is furthermore a cast iron which is robust and resistant to wear, and where the carbides have a size smaller than the usual average size and are distributed in a homogeneous manner in the matrix.

La présente invention porte sur la découverte importante d'une fonte alliée comprenant dans sa composition l'élément fer comme base avec ou sans 0,001% à 30% en poids de vanadium, titane, niobium, molybdène, nickel, cuivre, tantale ou chrome ou un mélange de ces éléments, 2,0% à 4,5% en poids de carbone, et où l'on ajoute à cet alliage 0,001 % à 4,0% en poids de bore pour en améliorer la résistance à l'usure, la robustesse et la résistance à la traction. L'alliage a un point de solidification situé entre 1204,4 et 5 1315,6e C (2200e F et 2400° F), et de préférence entre 1237,8 et 1260°C (2260° F et 2300° F). Ce point de solidification est situé à moins de 8,34° C (15° F) de la température eutectique du mélange contenant les éléments choisis. Les carbures présents ont la forme de globules quasi sphériques et ont une taille moyenne inférieure à 10 4 microns, ce qui est nettement plus bas que la taille moyenne des particules de carbure des fontes habituelles. The present invention relates to the important discovery of an alloyed cast iron comprising in its composition the element iron as a base with or without 0.001% to 30% by weight of vanadium, titanium, niobium, molybdenum, nickel, copper, tantalum or chromium or a mixture of these elements, 2.0% to 4.5% by weight of carbon, and where 0.001% to 4.0% by weight of boron is added to this alloy in order to improve the wear resistance, robustness and tensile strength. The alloy has a solidification point between 1204.4 and 5 1315.6th C (2200th F and 2400 ° F), and preferably between 1237.8 and 1260 ° C (2260 ° F and 2300 ° F). This solidification point is located at less than 8.34 ° C (15 ° F) from the eutectic temperature of the mixture containing the selected elements. The carbides present have the form of quasi-spherical globules and have an average size less than 10 4 microns, which is significantly lower than the average size of the carbide particles of the usual fonts.

Dans le procédé de la présente invention, on ajoute à une fonte blanche alliée liquide contenant 0,001% à 30% de vanadium, titane, niobium, molybdène, nickel, cuivre, tantale ou chrome ou d'un 15 mélange de ces éléments, et 2,0% et 4,5% de carbone, un additif capable d'augmenter l'entropie du système tel que le bore dans une proportion allant de 0,001% à 4,0%, puis on refroidit la fonte liquide à 2,78° C (5° F) au moins au-dessous de sa température de solidification à l'équilibre (située entre 1204,4 et 1315,6 C) en mainte-20 nant la fonte en surfusion, et enfin on solidifie la fonte pour obtenir des carbures de forme globulaire dont la taille moyenne est inférieure à 4 microns, ce qui est inférieur à la taille moyenne des particules de carbure présentes dans les fontes habituelles. In the process of the present invention, liquid alloyed white cast iron containing 0.001% to 30% of vanadium, titanium, niobium, molybdenum, nickel, copper, tantalum or chromium or a mixture of these elements is added to 2 , 0% and 4.5% carbon, an additive capable of increasing the entropy of the system such as boron in a proportion ranging from 0.001% to 4.0%, then the liquid iron is cooled to 2.78 ° C (5 ° F) at least below its equilibrium solidification temperature (between 1204.4 and 1315.6 C) while maintaining the supercooled cast iron, and finally the cast iron is solidified to obtain carbides of globular shape whose average size is less than 4 microns, which is less than the average size of the carbide particles present in the usual cast irons.

Il est reconnu depuis longtemps que la fonte blanche possède une 25 bonne résistance à l'usure et qu'elle convient donc bien à la construction d'appareillages exposés à diverses conditions d'usure. Il a maintenant été découvert que l'on pouvait modifier la morphologie du carbure de la fonte alliée de manière à augmenter sa résistance à la traction et — plus important encore — à augmenter sa robustesse 30 et lui conférer une plasticité mesurable, tout en conservant ses propriétés de résistance à l'usure. Il est bien connu que le carbone libre (en excès par rapport à celui trouvé dans la matrice d'austénite, de péarlite ou de martensite) est présent comme graphite sous une forme assez similaire à celle de flocons de céréales, ou comme 35 carbure sous la forme de lamelles ou de bâtonnets. Ces deux types de particules sont microscopiques au point de vue taille: celle-ci dépasse en moyenne 10 microns lorsque le refroidissement dans le moule de sable se fait dans des conditions normales et que l'épaisseur de l'objet est supérieure à 10 mm. It has long been recognized that white cast iron has good wear resistance and is therefore well suited to the construction of equipment exposed to various wear conditions. It has now been discovered that one could modify the morphology of the carbide of the alloyed cast iron so as to increase its tensile strength and - more importantly - to increase its robustness and to give it a measurable plasticity, while preserving its wear resistance properties. It is well known that free carbon (in excess of that found in the matrix of austenite, pearlite or martensite) is present as graphite in a form quite similar to that of cereal flakes, or as carbide under the shape of strips or sticks. These two types of particles are microscopic from the point of view of size: this exceeds on average 10 microns when the cooling in the sand mold is done under normal conditions and that the thickness of the object is more than 10 mm.

40 II est bien connu que les «flocons» de graphite sont à l'origine de fractures qui apparaissent dans le plan de ces «flocons». Habituellement, une bonne fonte aura une résistance à la traction d'environ 50 000 pouces par centimètre carré et un allongement à la rupture de 0%. On a un produit très cassant et peu robuste, incapable de toute 45 déformation. Lorsque la fonte est correctement alliée, le carbone libre est présent sous forme de carbure métallique, habituellement en combinaison avec le chrome. Il constitue alors des plaquettes ou des bâtonnets distribués d'une manière homogène ou non dans la matrice, mais dont la taille moyenne est supérieure à 10 microns. Les so particules de carbure peuvent aussi prendre la forme d'aiguilles. Néanmoins, quelle que soit la forme de ces particules, leur taille est en moyenne supérieure à 10 microns. Sous contrainte, ces particules ont tendance à initier des fissures, ce qui conduit souvent à la rupture des pièces en fonte. 40 It is well known that graphite "flakes" are the source of fractures which appear in the plane of these "flakes". Usually, a good cast iron will have a tensile strength of about 50,000 inches per square centimeter and an elongation at break of 0%. We have a very brittle and not very robust product, incapable of any deformation. When cast iron is properly alloyed, free carbon is present as metallic carbide, usually in combination with chromium. It then constitutes platelets or rods distributed in a homogeneous manner or not in the matrix, but whose average size is greater than 10 microns. The carbide particles can also take the form of needles. However, whatever the shape of these particles, their size is on average greater than 10 microns. Under stress, these particles tend to initiate cracks, which often leads to rupture of the cast iron parts.

55 II a été trouvé dans la présente invention que cette structure géométrique usuelle en plaquettes ou en bâtonnets des carbures pouvait être modifiée pour obtenir des particules globulaires à peu près sphériques. On obtient ainsi des fontes ayant non seulement la robustesse recherchée, mais encore ayant une résistance à la traction augmentée 60 d'une manière significative. Ce changement de morphologie des carbures de la fonte transforme la fonte non ductile, cassante et non dé-formable du passé en un produit capable de déformation plastique et pourvu d'une résistance à la traction améliorée, mais conservant les bonnes propriétés de résistance à l'usure caractéristiques des 65 fontes. It has been found in the present invention that this usual geometric structure in platelets or sticks of carbides could be modified to obtain globular particles which are roughly spherical. Fonts are thus obtained which not only have the desired robustness, but also have a significantly increased tensile strength 60. This change in the morphology of the cast carbides transforms the non-ductile, brittle and non-deformable cast iron from the past into a product capable of plastic deformation and provided with improved tensile strength, but retaining the good resistance properties to 'wear characteristics of the 65 fonts.

Il a été par exemple trouvé que la fonte de la présente invention se plie avant de se casser et qu'elle peut être soumise à des contraintes bien plus importantes que la fonte de l'art antérieur sans se It has for example been found that the cast iron of the present invention bends before breaking and that it can be subjected to much greater stresses than the cast iron of the prior art without

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casser. De préférence, la fonte de la présente invention sera alliée avec du chrome. On peut aussi remplacer du chrome, dans une proportion de 0,001% à 30%, par divers additifs tels que le vanadium, le titane, le niobium, le tantale, le nickel, le molybdène ou le cuivre, ce qui modifie les propriétés de la fonte obtenue. break. Preferably, the cast iron of the present invention will be alloyed with chromium. Chromium can also be replaced, in a proportion of 0.001% to 30%, by various additives such as vanadium, titanium, niobium, tantalum, nickel, molybdenum or copper, which modifies the properties of the cast iron obtained.

Il a été trouvé qu'en général la fonte de la présente invention a une résistance à la traction aussi élevée que 120 000 livres par pouce carré, ce qui est nettement supérieur aux valeurs observées avec les fontes de l'art antérieur (50 000-60 000 livres par pouce carré). Les fontes typiques ont un allongement à la rupture de 0%, tandis que la fonte de la présente invention a un allongement à la rupture de 3%. L'homme de l'art reconnaîtra immédiatement l'intérêt d'augmenter les propriétés de plasticité de la fonte pour améliorer la robustesse d'équipements soumis à une forte usure et à de forts chocs comme c'est par exemple le cas des broyeurs et des pulvérisateurs utilisés dans l'industrie minière et des pompes utilisées pour le transport de fluides contenant des solides abrasifs. Changer la forme des carbures présents dans la fonte est un progrès, mais cela est nettement moins efficace que de changer la forme des carbures pour leur donner une forme globulaire et de diminuer en même temps la taille des particules de 10-14 microns (c'est la taille moyenne habituelle des particules de carbure dans les fontes de l'art antérieur) à moins de 4 microns. En réduisant la taille des particules de carbure dans de telles proportions, on réduit la distance moyenne séparant les particules globulaires, ce qui augmente la résistance à la traction, la résistance à l'usure et confère une plus grande capacité de déformation. Ainsi, dans la présente invention, non seulement la forme des particules de carbure est changée pour leur conférer une structure de globules sphériques ou quasi sphériques, mais encore la taille des particules globulaires est réduite à une valeur moyenne inférieure à 4 microns. It has been found that in general the cast iron of the present invention has a tensile strength as high as 120,000 pounds per square inch, which is significantly higher than the values observed with prior art cast iron (50,000- 60,000 pounds per square inch). Typical cast irons have an elongation at break of 0%, while the cast iron of the present invention has an elongation at break of 3%. Those skilled in the art will immediately recognize the advantage of increasing the plasticity properties of cast iron in order to improve the robustness of equipment subjected to high wear and to strong shocks, such as, for example, shredders and sprayers used in the mining industry and pumps used to transport fluids containing abrasive solids. Changing the shape of the carbides present in the cast iron is progress, but this is much less effective than changing the shape of the carbides to give them a globular shape and at the same time reducing the particle size by 10-14 microns (it is the usual average size of carbide particles in cast irons of the prior art) to less than 4 microns. By reducing the size of the carbide particles in such proportions, the average distance separating the globular particles is reduced, which increases the tensile strength, the wear resistance and gives greater deformation capacity. Thus, in the present invention, not only is the shape of the carbide particles changed to give them a structure of spherical or quasi-spherical globules, but also the size of the globular particles is reduced to an average value of less than 4 microns.

Le matériau à base de fer et de carbone qu'est la fonte est bien connu pour son aptitude à être allié. Il est généralement admis en métallurgie que la ligne de séparation entre l'acier et la fonte est déterminée par la solubilité du carbone dans le fer à l'état solide. Lorsque le carbone est présent à des concentrations élevées, il est présent sous forme de graphite libre si la fonte n'est pas alliée. Normalement, on utilise pour allier la fonte le chrome qui, combiné au carbone, forme des carbures, ce qui améliore les propriétés de cette fonte. Cependant, on peut ajouter au chrome ou remplacer le chrome par du molybdène, du vanadium, du titane, du cuivre, du nickel, du niobium, du tantale ou une combinaison de ces métaux. Lorsque ces métaux sont utilisés en association avec le chrome, ils sont habituellement présents en des quantités allant jusqu'à 7% ; cependant, il est préférable que le vanadium et le niobium soient utilisés à 0,001%-5%, le molybdène et le cuivre à 0,001%-4%, le nickel de 0,001 % à 7%, le titane et le tantale de 0,001 % à 4%. La quantité totale de ces métaux et de chrome ou la quantité totale du chrome lorsqu'il est utilisé seul doit se situer dans l'intervalle allant de 0,001% à 30%. The iron and carbon material of cast iron is well known for its ability to be alloyed. It is generally accepted in metallurgy that the line of separation between steel and cast iron is determined by the solubility of carbon in iron in the solid state. When carbon is present in high concentrations, it is present in the form of free graphite if the cast iron is not alloyed. Normally, chromium is used to alloy cast iron which, combined with carbon, forms carbides, which improves the properties of this cast iron. However, one can add to the chromium or replace the chromium with molybdenum, vanadium, titanium, copper, nickel, niobium, tantalum or a combination of these metals. When these metals are used in combination with chromium, they are usually present in amounts of up to 7%; however, it is preferable that vanadium and niobium be used at 0.001% -5%, molybdenum and copper at 0.001% -4%, nickel from 0.001% to 7%, titanium and tantalum from 0.001% to 4%. The total amount of these metals and chromium or the total amount of chromium when used alone should be in the range of 0.001% to 30%.

La proportion de chrome est comprise de préférence entre 7% et 29%, et encore mieux entre 25% et 28% ou 14% et 22% ou 7% et 12%, ce qui correspond aux quantités de chrome présentes dans les trois grandes catégories commerciales de fonte blanche alliée. La teneur en carbone est de préférence supérieure à 2,0% et inférieure à environ 4,5%. Il est encore mieux qu'elle soit comprise entre 2,0 et 3% dans le cas de la fonte à 25%-28% de chrome ou 14%-22% de chrome, et qu'elle soit comprise entre 2% et 3,5% dans le cas de la fonte à 7%-12% de chrome. The proportion of chromium is preferably between 7% and 29%, and even better between 25% and 28% or 14% and 22% or 7% and 12%, which corresponds to the amounts of chromium present in the three main categories allied white cast iron. The carbon content is preferably greater than 2.0% and less than about 4.5%. It is even better that it is between 2.0 and 3% in the case of cast iron with 25% -28% chromium or 14% -22% chromium, and that it is between 2% and 3 , 5% in the case of cast iron with 7% -12% chromium.

La morphologie des fontes du type classique dont il est question ci-dessus peut être modifiée en ajoutant du bore. La quantité de bore à ajouter se situe généralement dans l'intervalle allant de 0,001% à 4% et de préférence de 0,01% à 1%, ou mieux de 0,01% à0,4%. Cette addition de bore produit des particules de carbure globulaires. Cette formation est plus nette lorsque la composition de la fonte alliée est choisie en fonction de la température eutectique. The morphology of the cast iron of the conventional type discussed above can be modified by adding boron. The amount of boron to be added is generally in the range from 0.001% to 4% and preferably from 0.01% to 1%, or better still from 0.01% to 0.4%. This addition of boron produces globular carbide particles. This formation is clearer when the composition of the alloyed cast iron is chosen as a function of the eutectic temperature.

Le point de solidification du fer pur est environ 1537,8° C (2800° F). A mesure que la teneur en carbone augmente, le point de solidification diminue. La fonte alliée contenant ou non du bore a une température de solidification située entre 1204,4 et 1315,6°C (2200° F et 2400° F). Cette température de solidification dépend surtout de la quantité de chrome présente, mais aussi des autres métaux de l'alliage. Il est souhaitable que la température de solidification d'un système fer-carbone allié se situe dans l'intervalle allant de 1237,8 à 1260°C (2260°F à 2300°F), soit 1248,9°C (2280°F) environ. Toute fonte particulière contenant des éléments choisis parmi ceux cités dans la présente invention dans les proportions définies se solidifiera à moins de 8,34°C (15°F) de la température eutectique du système comportant ces éléments particuliers. The solidification point for pure iron is approximately 1537.8 ° C (2800 ° F). As the carbon content increases, the solidification point decreases. Alloyed cast iron, whether or not containing boron, has a solidification temperature between 1204.4 and 1315.6 ° C (2200 ° F and 2400 ° F). This solidification temperature depends mainly on the amount of chromium present, but also on the other metals of the alloy. It is desirable that the solidification temperature of an alloyed iron-carbon system is in the range from 1237.8 to 1260 ° C (2260 ° F to 2300 ° F), or 1248.9 ° C (2280 ° F) approx. Any particular cast iron containing elements selected from those cited in the present invention in the defined proportions will solidify within 8.34 ° C (15 ° F) of the eutectic temperature of the system comprising these particular elements.

L'utilisation de fontes alliées dont la composition est celle de la présente invention et l'adjonction de bore permettent de modifier la morphologie du carbure et de produire des particules de carbure globulaires ayant une forme quasi sphérique. The use of alloyed cast irons the composition of which is that of the present invention and the addition of boron make it possible to modify the morphology of the carbide and to produce globular carbide particles having an almost spherical shape.

Il a été trouvé qu'en refroidissant la fonte avant qu'elle ne se solidifie à 2,78°C (5°F) ou plus, et de préférence à 4,45-5,56°C (8°F à 10° F) ou davantage au-dessous de sa température de solidification à l'équilibre, on obtenait une réduction substantielle de la taille des particules globulaires du carbure, qui passe d'une valeur moyenne de 10 microns à une valeur moyenne de moins de 4 microns, et une répartition uniforme de ces particules. Cette surfusion est difficile à obtenir. Il a été trouvé en procédant à une analyse thermodynamique du problème qu'en augmentant l'entropie de la fonte en fusion, on augmentait le désordre dans le système, ce qui permet de le maintenir en surfusion. Lorsque l'entropie d'un système liquide-liquide augmente, son énergie libre de Gibbs diminue et la phase ayant l'énergie libre la plus basse sera la plus stable. La relation est où G est l'énergie libre de Gibbs, T la température absolue et S l'entropie. En outre, la relation thermodynamique 8H = T5S+V5P réduite à 8H = T8S parce que V8P = 0 dans le cas des solides indique que It has been found that by cooling the cast iron before it solidifies to 2.78 ° C (5 ° F) or more, and preferably to 4.45-5.56 ° C (8 ° F to 10 ° F) or more below its equilibrium solidification temperature, a substantial reduction in the size of the globular particles of carbide was obtained, which goes from an average value of 10 microns to an average value of less than 4 microns, and a uniform distribution of these particles. This supercooling is difficult to obtain. It has been found by carrying out a thermodynamic analysis of the problem that by increasing the entropy of the molten iron, the disorder in the system is increased, which allows it to be maintained in supercooling. As the entropy of a liquid-liquid system increases, its Gibbs free energy decreases and the phase with the lowest free energy will be the most stable. The relation is where G is the Gibbs free energy, T the absolute temperature and S the entropy. Furthermore, the thermodynamic relation 8H = T5S + V5P reduced to 8H = T8S because V8P = 0 in the case of solids indicates that

5S-f 5S-f

T T

où S est l'entropie, H la chaleur de fusion et T la température absolue de solidificaiton. Une augmentation de l'entropie produit une diminution du point de solidification du système qui garde une chaleur de fusion constante. where S is the entropy, H the heat of fusion and T the absolute solidification temperature. An increase in entropy produces a decrease in the solidification point of the system which keeps a constant heat of fusion.

Il a été trouvé que le bore, lorsqu'il est ajouté à la fonte, augmente l'entropie du système et son désordre, ce qui permet d'obtenir la surfusion recherchée. Les changements exacts qui ont lieu ne sont pas complètement compris, et l'explication donnée ci-dessus ne doit être considérée que comme théorique. It has been found that boron, when added to cast iron, increases the entropy of the system and its disorder, which allows to obtain the desired supercooling. The exact changes that take place are not completely understood, and the explanation given above should only be considered theoretical.

Lorsque la fonte alliée de la présente invention est refroidie à 2,78° C (5° F) au moins au-dessous de sa température de solidification à l'équilibre, la solidification du liquide en surfusion est beaucoup plus rapide qu'en l'absence de surfusion. La surfusion évite donc que la solidification ne se prolonge, ce qui favoriserait la croissance de cristaux et de particules. La solidification de la fonte liquide a lieu avant que les particules n'aient eu le temps de se développer. Les particules minuscules de carbure ne peuvent pas migrer et s'agglomérer en formant des bâtonnets ou des plaquettes de carbure distribués d'une manière non homogène dans le produit. Elles restent au contraire dispersées. Les carbures conservent, lorsque l'alliage est en surfusion, la distribution homogène qu'ils avaient dans l'alliage liquide avant qu'il ne soit en état de surfusion. Cette distribution uniforme du carbure est conservée pendant la solidification. La conséquence de la solidification du liquide en surfusion à une température inférieure à la température de solidification à l'équilibre est une réduction substantielle de la taille des particules et une distribution plus homogène des carbures dans la matrice de fonte, ce qui est la base de la solidité, de la robustesse et de la résistance à l'abrasion des fontes de la présente invention. When the alloyed iron of the present invention is cooled to at least 2.78 ° C (5 ° F) below its equilibrium solidification temperature, the solidification of the supercooled liquid is much faster than in l absence of supercooling. Supercooling therefore prevents solidification from continuing, which would encourage the growth of crystals and particles. Solidification of the liquid iron takes place before the particles have had time to develop. The tiny particles of carbide cannot migrate and agglomerate, forming sticks or plates of carbide distributed in a non-homogeneous way in the product. On the contrary, they remain dispersed. Carbides retain, when the alloy is supercooled, the homogeneous distribution they had in the liquid alloy before it was in the supercooled state. This uniform distribution of carbide is retained during solidification. The consequence of the solidification of the supercooled liquid at a temperature below the equilibrium solidification temperature is a substantial reduction in the size of the particles and a more homogeneous distribution of the carbides in the pig iron matrix, which is the basis of the solidity, robustness and abrasion resistance of the fonts of the present invention.

Exemple particulier: Specific example:

Une fonte typique contenant 27,2% de chrome et 2,04% de A typical cast iron containing 27.2% chromium and 2.04% chromium

5 5

10 10

15 15

20 20

25 25

30 30

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

5 5

661 286 661,286

carbone est un alliage dont la température de solidification est située au voisinage de 1248,9° C (2280° F), ce qui est plus haut que la température eutectique, qui est voisine de 1239,4°C (2263°F). L'adjonction de 0,17% de bore à l'alliage permet de maintenir cet alliage en surfusion jusqu'à 2,78°C (5°F) au-dessous de la température de soli- 5 dification à l'équilibre, c'est-à-dire jusqu'à un peu moins de 1246,1°C (2275°F). Entre la température de solidification à l'équilibre et cette température légèrement inférieure à 1246,1°C (2275°F), l'alliage reste en surfusion et reste liquide. En continuant de refroidir, on obtient des carbures ayant une forme globulaire presque 10 sphérique et des particules dont la taille moyenne est inférieure à 4 microns. La fonte obtenue dans ces conditions a une résistance à la traction située dans le voisinage de 120000 livres par pouce carré et un allongement à la rupture d'environ 3%. Une telle fonte blanche est très résistance à l'usure. En outre, elle a une résistance à la traction et une robustesse améliorées. Cela la rend particulièrement bien adaptée à des utilisations caractérisées par des conditions d'usure et de contraintes importantes. carbon is an alloy whose solidification temperature is around 1248.9 ° C (2280 ° F), which is higher than the eutectic temperature, which is around 1239.4 ° C (2263 ° F). The addition of 0.17% boron to the alloy keeps this alloy in supercooling up to 2.78 ° C (5 ° F) below the equilibrium solidification temperature, that is, up to just under 1246.1 ° C (2275 ° F). Between the solidification temperature at equilibrium and this temperature slightly below 1246.1 ° C (2275 ° F), the alloy remains in supercooling and remains liquid. Continuing to cool, carbides having an almost spherical globular shape and particles having an average size of less than 4 microns are obtained. The cast iron obtained under these conditions has a tensile strength located in the vicinity of 120,000 pounds per square inch and an elongation at break of about 3%. Such white cast iron is very wear resistant. In addition, it has improved tensile strength and toughness. This makes it particularly well suited to uses characterized by conditions of wear and significant constraints.

Des résultats similaires sont obtenus avec un alliage renfermant 3,32% de carbone, 9,12% de chrome, 5,18% de nickel et 0,17% de bore. Cet alliage a une température de solidification à l'équilibre qui est très voisine de la température eutectique de 1252,8° C (2287nF). On peut maintenir l'alliage en surfusion jusqu'à 1248,9° C (2280e F) sans qu'il se solidifie. Similar results are obtained with an alloy containing 3.32% carbon, 9.12% chromium, 5.18% nickel and 0.17% boron. This alloy has an equilibrium solidification temperature which is very close to the eutectic temperature of 1252.8 ° C (2287nF). The alloy can be supercooled up to 1248.9 ° C (2280th F) without it solidifying.

R R

Claims

661286

2

1. Alloy cast iron resistant to wear and tension, characterized in that it comprises in its composition the element iron as base, 0.001% to 30% of vanadium, titanium, niobium, tantalum, molybdenum, nickel, copper or chromium or a mixture of these elements, and 2.0% to 4.5% of carbon, this alloyed cast iron having a solidification point located at less than 8.34 ° C of the eutectic temperature of the mixture of the chosen metals and further containing from 0.001% to 4.0% boron.

2. Cast iron according to claim 1, having a solidification point between 12 / 04.4 and 1315.6 ° C.

3. The cast iron according to claim 1, containing the vanadium,

titanium, niobium or tantalum mentioned above in a proportion of up to 7%.

4. Cast iron according to claim 1, containing the above-mentioned chromium in a proportion between 0.1% and 30%.

5. Cast iron according to claim 1, containing up to 7% of nickel, up to 4% of molybdenum, up to 4% of copper, either singly or in combination.

6. Cast iron according to one of claims 1 to 5, wherein the mentioned carbon is at least partially present in the form of globular carbides.

7. Cast iron according to claim 2, having a solidification point between 1237.8 and 1260 ° C.

8. Cast iron according to claim 7, wherein the aforementioned alloy cast iron has a solidification point located around 1220 ° C.

9. The cast iron according to claim 1, in which the abovementioned carbon is at least partly present in the form of globular carbides, in which the abovementioned vanadium, titanium, niobium, nickel, copper, molybdenum or tantalum are present in a proportion ranging up to 7%, and where the solidification point of the above-mentioned alloyed iron is between 1237.8 and 1260 ° C.

10. Cast iron according to claim 1, wherein the above-mentioned carbon is at least partly present in the form of globular carbides, where the above-mentioned alloyed cast iron has a solidification point between 1204.4 and 1315.6 ° C, and where the vanadium, titanium, niobium,

nickel, copper, molybdenum or tantalum mentioned above are present in a proportion of up to 7%.

11. The cast iron according to claim 1, in which the abovementioned carbon is at least partly present in the form of globular carbides, in which the abovementioned chromium is present in a proportion of between 0.1% and 30%, and the solidification point of the cast iron is located between 1237.8 and 1260 ° C.

12. The cast iron according to claim 1, wherein the above-mentioned chromium content is between 20% and 29%, or 14% and 22% or 7% and 12%, that of the above-mentioned carbon between 2.0% and 3.5% , that of the abovementioned boron between 0.01% and 1%.

13. The cast iron according to claim 1, wherein the aforementioned chromium content is between 25% and 28%, that of the aforementioned carbon between 2.0% and 3.0% and that of the aforementioned boron between 0.1% and 0, 4%.

14. The cast iron according to claim 1 or 6, wherein the aforementioned carbon is at least partly present in the form of globular carbides whose particles have an average size less than

4 microns.

15. The method of manufacturing alloy cast iron according to claim 1, comprising adding 0.001% to 4.0% of boron to an alloyed cast iron containing from 0.001% to 30% of vanadium, titanium, niobium, molybdenum, nickel, copper, tantalum or chromium or a mixture of these elements and from 2.0% to 4.5% of carbon, then cooling the liquid mixture below its equilibrium solidification temperature so as to have a liquid in supercool, and to solidify this liquid.

16. The method of claim 15, wherein the above-mentioned cast iron has a solidification point between 1204.4 and 1315.6 ° C.

17. The method of claim 15, wherein the vanadium, titanium, niobium, tantalum, molybdenum, copper or nickel mentioned above are present in a proportion of up to 7%.

18. The method of claim 15, wherein the above chromium is present in an amount ranging from 0.1% to 30%.

19. The method of claim 15, wherein up to 7% of nickel, up to 4% of molybdenum, up to 4% of copper is used, ie iso-

5 elements, either as a mixture.

20. The method of claim 15, wherein the aforementioned liquid iron is cooled to at least 2.78 ° C below its equilibrium solidification temperature while maintaining it in supercooling.

21. The method of claim 15, wherein the above-mentioned liquid pig iron is cooled until it is in a supercooled state to form carbides of globular shape having an average size less than about 4 microns.

22. The method of claim 15, wherein the above-mentioned liquid pig iron is cooled to at least 2.78 ° C below its temperature.

15 solidification equilibrium by maintaining it in supercooling, then solidifying this liquid under supercooling while continuing to cool it to produce carbides of globular shape having an average size of less than about 4 microns.

23. The method of claims 20, 21 and 22, wherein the aforementioned solidification point is between 1204.4 and 1315.6 ° C.

24. The method of claims 20,21 and 22, wherein the aforementioned solidification point is between 1237.8 and 1260 ° C.