CH666908A5 - ABRASION RESISTANT ALLOY CAST IRON. - Google Patents
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C37/00—Cast-iron alloys
Description
DESCRIPTION DESCRIPTION
Cette invention concerne la fonte, et plus particulièrement l'amélioration de la solidité et de la résistance à l'abrasion d'une fonte alliée accompagnée d'une augmentation significative de la résistance à la traction. Plus particulièrement, la présente invention concerne une nouvelle composition de fonte alliée et un procédé pour produire une telle fonte ayant une solidité, une ductilité et une résistance à la traction améliorées, tout en conservant la résistance à l'abrasion souhaitée par une modification de la morphologie des carbures. This invention relates to cast iron, and more particularly to the improvement of the solidity and the abrasion resistance of an alloy cast iron accompanied by a significant increase in tensile strength. More particularly, the present invention relates to a new alloyed cast iron composition and a method for producing such cast iron having improved strength, ductility and tensile strength, while retaining the desired abrasion resistance by modifying the carbide morphology.
La fonte alliée blanche est bien connue pour être un matériau à haute résistance à l'usure qui est formée avec une teneur en carbone généralement reconnue pour être supérieure à 1 'A% et qui est apte à s'allier avec d'autres métaux, habituellement le chrome, qui se combine avec le carbone pour former des carbures de chrome tels que MjCy. Dans beaucoup de cas, la résistance à l'abrasion inhérente à la fonte non alliée est suffisante pour satisfaire aux usages auxquels elle est destinée, et ne pose pas de problème à l'utilisateur. Toutefois, lorsque la fonte formant un appareil industriel est soumise à des types d'usure particuliers, les propriétés mécaniques inhérentes de la fonte laissent beaucoup à désirer. White alloy cast iron is well known for being a material with high wear resistance which is formed with a carbon content generally recognized to be greater than 1% and which is capable of alloying with other metals, usually chromium, which combines with carbon to form chromium carbides such as MjCy. In many cases, the abrasion resistance inherent in unalloyed cast iron is sufficient to meet the uses for which it is intended, and poses no problem to the user. However, when the cast iron forming an industrial device is subjected to particular types of wear, the inherent mechanical properties of the cast iron leave much to be desired.
Il est bien connu qu'il y a plusieurs types d'usure auxquels le matériel en fonte peut être soumis. Dans le premier, qui est une usure accompagnée de la formation de stries ou de rainures, des particules grossières pénètrent dans la surface de travail en fonte pour causer un enlèvement du métal à vitesse élevée. Dans l'expérience industrielle typique de ce type d'usure, comme par exemple dans l'équipement de terrassement, les opérations utilisant des broyeurs à marteaux ou des concasseurs à mâchoires, on trouve, associées à l'enlèvement de métal, des charges par à-coups que l'on a trouvés avoir un effet défavorable sur la fonte. It is well known that there are several types of wear to which cast iron material can be subjected. In the first, which is wear accompanied by the formation of streaks or grooves, coarse particles penetrate into the cast iron work surface to cause removal of the metal at high speed. In typical industrial experience of this type of wear, such as in earthmoving equipment, operations using hammer mills or jaw crushers, we find, associated with the removal of metal, loads by jolts that have been found to have an adverse effect on cast iron.
Dans un autre type d'usure souvent dénommé abrasion sous contrainte élevée, des particules abrasives, telles que l'on peut par exemple les rencontrer dans les opérations minières, sont écrasées par l'effet du broyage de surfaces métalliques en mouvement. Les niveaux de contrainte que l'on trouve dans ce processus d'usure tel qu'on le rencontre avec les pièces en fonte utilisées pour les rouleaux des broyeurs, de concasseurs ou des blindages de moulins, excèdent souvent les capacités de contrainte de la fonte traditionnelle, ce qui aboutit à des défaillances des équipements. In another type of wear, often referred to as abrasion under high stress, abrasive particles, such as may be encountered in mining operations, are crushed by the effect of grinding moving metal surfaces. The stress levels found in this wear process as encountered with cast iron parts used for rollers in crushers, crushers or mill shields, often exceed the stress capabilities of cast iron traditional, which results in equipment failures.
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Dans la troisième catégorie d'usure due à l'abrasion sous faible contrainte ou érosion, l'opération d'abrasion à laquelle les surfaces de l'équipement en fonte sont soumises ne sont pas des conditions de contrainte sévères, mais une haute résistance à l'abrasion est néanmoins requise. In the third category of wear due to abrasion under low stress or erosion, the abrasion operation to which the surfaces of cast iron equipment are subjected are not severe stress conditions, but a high resistance to abrasion is nevertheless required.
L'usure par stries ou par rainures qui est associée avec de sévères charges par à-coups requiert une solidité que la fonte typique ne possédait pas d'une manière caractéristique dans le passé. Un acier au manganèse d'une plasticité et d'une solidité élevées a pu satisfaire aux exigences de résistance aux chocs sévères des matériaux exposés à ce type d'usure. Cependant, la dureté et la résistance à l'abrasion sont généralement trouvées inadéquates pour empêcher une vitesse d'usure extrêmement élevée dans les opérations avec une abrasion sous contrainte élevée, qui sont typiques d'une large gamme de procédés de pulvérisation, comme ceux utilisant un moulin à billes rotatif. Dans ce type d'opération sous contrainte élevée, on peut utiliser aussi bien de l'acier au chrome et au molybdène que de la fonte blanche alliée pour les différents types d'appareils, suivant les exigences de solidité et la combinaison de résistances à l'abrasion requises. Dans la dernière catégorie d'usure impliquant des opérations sous une faible contrainte, on peut utiliser les fers alliés au chrome avec ou sans addition de molybdène ou de nickel avec une matrice qui est d'une manière souhaitable fortement martensitique et qui a un carbure en inclusions. Streak or groove wear which is associated with severe jolting loads requires strength that typical cast iron has not typically had in the past. Manganese steel with high plasticity and solidity was able to meet the severe impact resistance requirements of materials exposed to this type of wear. However, hardness and abrasion resistance are generally found to be inadequate to prevent an extremely high rate of wear in operations with high stress abrasion, which are typical of a wide range of spray processes, such as those using a rotary ball mill. In this type of operation under high stress, it is possible to use both chromium and molybdenum steel as well as alloyed white cast iron for the various types of apparatus, according to the requirements of solidity and the combination of resistance to abrasion required. In the last wear category involving operations under low stress, chromium alloyed irons can be used with or without the addition of molybdenum or nickel with a matrix which is desirably highly martensitic and which has a carbide in it. inclusions.
La prise en considération des catégories d'usure et la connaissance de l'industrie concernée avec les types de métaux disponibles pour satisfaire aux exigences de ces catégories mettent ceux versés dans l'art devant un dilemme. Pour le fonctionnement des appareils sujets au moins aux deux premières catégories d'usure, il est clairement nécessaire de combiner une résistance à l'usure optimale et une solidité suffisante pour résister aux conditions sévères d'impact et de contrainte caractérisant ces deux types d'usure. La dureté et la solidité sont généralement reconnues pour se situer typiquement aux extrémités opposées du spectre, si bien que des compositions possédant davantage de l'une des propriétés perdent un peu de l'autre, alors que la solidité et la dureté sont requises toutes les deux. Consideration of the categories of wear and knowledge of the industry concerned with the types of metals available to meet the requirements of these categories put those versed in the art before a dilemma. For the operation of devices subject to at least the first two categories of wear, it is clearly necessary to combine optimal wear resistance and sufficient strength to withstand the severe impact and stress conditions characterizing these two types of wear. Hardness and solidity are generally recognized to lie typically at opposite ends of the spectrum, so that compositions having more of one of the properties lose a little of the other, while solidity and hardness are required every of them.
L'industrie qui fournit les pièces en fonte résistantes à l'abrasion a cherché depuis longtemps à améliorer la durée de vie des appareils utilisant ces pièces dans les conditions décrites d'exposition à l'abrasion. The industry which supplies abrasion resistant cast iron parts has long sought to improve the life of the devices using these parts under the described conditions of exposure to abrasion.
Les diiférentes compositions de fer au carbone alliées et non alliées n'ont pas une grande solidité à l'état martensitique avec le carbone commençant aussi bas que 0,04%. Les aciers hypereutectoï-des et les fontes blanches montrent une solidité insuffisante à cause de la morphologie de la cémentite (F3C). L'alliage de composition fer-carbone produit des carbures (MxCy) avec une dureté augmentée, ce qui permet de satisfaire à quelques exigences pour une résistance à l'abrasion accrue. Toutefois, alors que la résistance à l'abrasion augmente, la solidité ou la résistance à la cassure dominent à mesure que la quantité de carbure augmente, à moins que, pour une quantité de carbure donnée, on ne diminue la taille du carbure. Les métallurgistes ont depuis longtemps reconnu la complexité de la fonte blanche qui est due à ce que les deux microcomposantes principales, le carbure et la matrice, se comportent pour l'essentiel d'une manière indépendante l'un par rapport à l'autre. Néanmoins, les caractéristiques du matériau résultent en dernier ressort de l'interdépendance entre les deux composantes lorsque la fonte blanche est soumise à des conditions d'abrasion et de choc. Lorsqu'un tel matériau reçoit un impact, les carbures éclatent, et si les carbures sont continus et ont une taille relativement large, les fissures se propageront dans toute la structure, ce qui conduit souvent à la défaillance du matériau, ou au moins à son usure accélérée. The different alloyed and unalloyed carbon iron compositions do not have great martensitic strength with the carbon starting as low as 0.04%. Hypereutectoid steels and white cast irons show insufficient solidity due to the morphology of cementite (F3C). The alloy of iron-carbon composition produces carbides (MxCy) with increased hardness, which makes it possible to meet some requirements for increased resistance to abrasion. However, as the abrasion resistance increases, the strength or the resistance to breakage dominate as the quantity of carbide increases, unless, for a given quantity of carbide, the size of the carbide is reduced. Metallurgists have long recognized the complexity of white cast iron which is due to the fact that the two main microcomponents, carbide and matrix, essentially behave independently of each other. However, the characteristics of the material ultimately result from the interdependence between the two components when the white cast iron is subjected to abrasion and shock conditions. When such a material receives an impact, the carbides burst, and if the carbides are continuous and have a relatively large size, the cracks will spread throughout the structure, which often leads to the failure of the material, or at least its accelerated wear.
Il n'y a donc actuellement aucun alliage fer-carbone avec une teneur en carbone excédant 1,7% en poids qui soit capable de satisfaire aux exigences de haute résistance à l'abrasion et de bonne absorption des contraintes résultant de chocs. There is therefore currently no iron-carbon alloy with a carbon content exceeding 1.7% by weight which is capable of satisfying the requirements of high abrasion resistance and good absorption of stresses resulting from impacts.
Le but principal de la présente invention est de fournir une fonte alliée ayant des caractéristiques de haute dureté ou résistance à l'abrasion et une solidité améliorée. The main object of the present invention is to provide an alloyed cast iron having characteristics of high hardness or abrasion resistance and improved solidity.
Un autre but de la présente invention est de fournir une fonte alliée possédant non seulement les caractéristiques souhaitées de résistance à l'abrasion et de solidité, mais aussi ayant une résistance à la traction améliorée. Another object of the present invention is to provide an alloyed cast iron having not only the desired characteristics of abrasion resistance and solidity, but also having improved tensile strength.
Un autre but encore de la présente invention est de fournir une composition de fonte alliée ayant une haute résistance à l'abrasion et une haute solidité dans laquelle les carbures sous forme de globules approchent la forme sphérique. Yet another object of the present invention is to provide an alloyed cast iron composition having high abrasion resistance and high strength in which carbides in the form of globules approach the spherical shape.
Cette invention a encore pour but de fournir une fonte alliée qui est solide et résistante à l'usure, et dans laquelle les carbures sont d'une taille plus petite que traditionnellement et distribués dans tçute la matrice d'une manière substantiellement homogène. Another object of this invention is to provide an alloyed cast iron which is solid and resistant to wear, and in which the carbides are of a smaller size than traditionally and distributed in the top of the matrix in a substantially homogeneous manner.
La présente invention est une découverte unique d'une composition de fonte alliée comprenant comme base l'élément fer avec 0,001% à 30% en poids des éléments suivants pris séparément ou cumulativement: vanadium, titane, niobium, molybdène, nickel, cuivre, tantale ou chrome, 1,8 à 4,5% en poids de carbone, formant ainsi une composition alliée contenant en outre de 0,001 à 4,0% en poids de bore et présentant une résistance à l'usure, une solidité et une résistance à la traction améliorées. L'alliage a un point de solidification entre 1204 et 1315° C et généralement dans la gamme allant de 1237 à 1260° C. Ce point de solidification est à moins de 8,34° C de la température eutectique de la fonte alliée avec les éléments d'alliage choisis. Les carbures sont présents sous forme de globules approchant la forme sphérique et ils sont d'une taille qui est en moyenne inférieure à 4 microns, ce qui est considérablement moindre que la taille moyenne des particules de carbure dans les fontes traditionnelles. The present invention is a unique discovery of an alloyed cast iron composition comprising as its base the iron element with 0.001% to 30% by weight of the following elements taken separately or cumulatively: vanadium, titanium, niobium, molybdenum, nickel, copper, tantalum or chromium, 1.8 to 4.5% by weight of carbon, thus forming an alloy composition further containing from 0.001 to 4.0% by weight of boron and having a wear resistance, a solidity and a resistance to improved traction. The alloy has a solidification point between 1204 and 1315 ° C and generally in the range from 1237 to 1260 ° C. This solidification point is less than 8.34 ° C from the eutectic temperature of the alloyed iron with the selected alloying elements. The carbides are present in the form of globules approaching the spherical shape and they are of a size which is on average less than 4 microns, which is considerably less than the average size of the particles of carbide in traditional fonts.
Dans le procédé de la présente invention, une fonte blanche alliée contenant de 0,001 à 30% de vanadium, titane, niobium, molybdène, nickel, cuivre, tantale ou chrome ou leurs mélanges et 1,8 à 4,5% de carbone formant une composition de fonte fondue est additionnée d'un additif augmentant l'entropie, par exemple 0,001 à 4,0% de bore, puis on refroidit la composition de fonte fondue à au moins 2,7° C en dessous de la température de solidification à l'équilibre située entre 1204 et 1315° C à une température de surfusion, et ensuite on solidifie la composition de fonte fondue pour produire des carbures de forme globulaire ayant une taille moyenne inférieure aux particules moyennes de carbure des fontes traditionnelles, en l'occurrence inférieure à 4 microns. In the process of the present invention, an alloyed white cast iron containing from 0.001 to 30% of vanadium, titanium, niobium, molybdenum, nickel, copper, tantalum or chromium or their mixtures and 1.8 to 4.5% of carbon forming a a melt composition is added with an additive increasing entropy, for example 0.001 to 4.0% boron, then the melt composition is cooled to at least 2.7 ° C below the solidification temperature at the equilibrium between 1204 and 1315 ° C at a supercooling temperature, and then the melted composition is solidified to produce globular carbides having an average size smaller than the average carbide particles of traditional cast iron, in this case less than 4 microns.
Il est reconnu depuis longtemps que la fonte blanche possède des caractéristiques inhérentes de résistance à l'usure qui sont souhaitables pour pouvoir résister aux différentes conditions d'usure auxquelles l'appareil composé de fonte est soumis. Il a été maintenant découvert que la morphologie des carbures de la fonte alliée peut être modifiée pour conserver les caractéristiques de résistance à l'usure non seulement tout en augmentant la résistance à la traction, mais encore, ce qui est plus important, en permettant une déformation plastique mesurable et en améliorant d'une manière significative la solidité. Il est bien connu que dans les fontes de l'art antérieur, le carbone libre (c'est-à-dire en excès par rapport à celui qui se trouve dans la matrice d'austénite, de péarlite ou de martensite) se trouve présent sous la forme de graphite qui prend une forme spatiale quelque peu similaire à des flocons de maïs, ou sous forme de carbure qui se présente comme des plaques ou des tiges. Sous ces deux formes, les particules sont de tailles microscopiques, mais habituellement leur taille moyenne est supérieure à 10 microns, en admettant que l'extraction de chaleur du moule de sable ait été normale, et que la section du métal soit supérieure à 10 mm. It has long been recognized that white cast iron has inherent wear resistance characteristics which are desirable in order to be able to withstand the various wear conditions to which the cast iron apparatus is subjected. It has now been discovered that the morphology of the carbides of the alloyed cast iron can be modified to maintain the characteristics of wear resistance not only while increasing the tensile strength, but more importantly, allowing a measurable plastic deformation and significantly improving the strength. It is well known that in the melts of the prior art, free carbon (that is to say in excess relative to that which is in the matrix of austenite, of perlite or of martensite) is present in the form of graphite which takes a spatial form somewhat similar to corn flakes, or in the form of carbide which appears as plates or rods. In these two forms, the particles are microscopic in size, but usually their average size is greater than 10 microns, assuming that the heat extraction from the sand mold was normal, and that the section of the metal is greater than 10 mm .
Il est connu que ces flocons de graphite sont à l'origine de cassures qui se font suivant le plan des flocons. Une fonte de bonne qualité aura typiquement une résistance à la traction d'environ 3445 Pa avec 0% d'allongement, et constitue un matériau très cassant ou peu solide n'ayant aucune capacité de déformation. Lorsque l'alliage est correct, le carbone libre se sépare en un carbure de métal intermé- It is known that these graphite flakes are the source of breaks which occur along the plane of the flakes. A good quality cast iron will typically have a tensile strength of approximately 3445 Pa with 0% elongation, and constitutes a very brittle or not very solid material having no deformation capacity. When the alloy is correct, the free carbon separates into an intermediate metal carbide
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diaire, habituellement en carbure de chrome qui forme généralement des plaques ou des tiges, et qui peut être continu ou discontinu dans la matrice, mais, ici encore, la taille moyenne est supérieure à 10 microns. Les particules de carbure peuvent aussi prendre la forme d'aiguilles, mais, quel que soit leur aspect au microscope, leur dimension la plus longue demeure en moyenne d'au moins 10 microns, ce qui augmente la propension à initier les fissures sous contrainte, et aboutit souvent, en fin de compte, à la défaillance de l'appareil. diary, usually of chromium carbide which generally forms plates or rods, and which can be continuous or discontinuous in the matrix, but, here again, the average size is greater than 10 microns. Carbide particles can also take the form of needles, but, whatever their appearance under the microscope, their longest dimension remains on average at least 10 microns, which increases the propensity to initiate cracks under stress, and often results, ultimately, in device failure.
Dans le cadre de la présente invention, il a été trouvé que cette géométrie normale de plaques ou de tiges du carbure peut être changée pour donner des particules globulaires qui ont une forme approximativement sphérique, ce qui procure non seulement la solidité souhaitée, mais encore une augmentation significative de la résistance à la traction. Ce changement de morphologie des carbures des fontes a changé les fontes non ductiles, cassantes et non défor-mables du passé en des matériaux qui sont capables d'une déformation plastique et qui ont une plus haute résistance à la traction, tout en conservant des caractéristiques supérieures de résistance à l'usure. In the context of the present invention, it has been found that this normal geometry of carbide plates or rods can be changed to give globular particles which have an approximately spherical shape, which provides not only the desired strength, but also a significant increase in tensile strength. This change in the morphology of cast carbides has changed the non-ductile, brittle and non-deformable cast irons of the past into materials which are capable of plastic deformation and which have a higher tensile strength, while retaining characteristics higher wear resistance.
Il a été trouvé par exemple que la fonte de la présente invention plie avant de casser et que la contrainte à laquelle elle peut être soumise sans casser est nettement plus importante qu'avec les fontes connues antérieures. La fonte de la présente invention est de préférence alliée avec du chrome; mais, selon les différentes additions de vanadium, titane, niobium, tantale, nickel, molybdène ou cuivre de 0,001 à 30% en remplacement du chrome, les propriétés de la fonte résultante changent. It has been found, for example, that the cast iron of the present invention bends before breaking and that the stress to which it can be subjected without breaking is much greater than with the known prior cast iron. The cast iron of the present invention is preferably alloyed with chromium; but, according to the different additions of vanadium, titanium, niobium, tantalum, nickel, molybdenum or copper from 0.001 to 30% in replacement of chromium, the properties of the resulting cast change.
Il a été trouvé que la fonte de la présente invention a en général une résistance à la traction allant jusqu'à 10 403 Pa comparée aux 3445 à 4134 Pa pour la résistance à la traction habituelle des fontes connues antérieures. Les fontes typiques ont une caractéristique d'allongement de 0%, alors que la présente fonte est capable d'un allongement de 3%. Ceux versés dans l'art reconnaîtraient immédiatement l'avantage significatif d'une augmentation de l'allongement ou de la déformation plastique pour conférer une qualité de solidité qui est si importante dans les appareils soumis à une usure importante et à des charges par à-coups, tels que par exemple les broyeurs et les pulvérisateurs pour l'industrie minière, ainsi que les pompes pour le transport de fluides contenant des solides abrasifs. Le fait de modifier uniquement la forme des carbures dans la fonte est souhaitable, mais ne serait pas du tout aussi efficace que de changer la forme des carbures en globules et de réduire la taille des particules d'une manière substantielle en dessous de la taille typique moyenne de 10 à 14 microns des particules de fonte de l'art antérieur à une taille inférieure à 4 microns. En réduisant dans ce rapport la taille des particules de carbure, il est possible de minimaliser la distance moyenne libre entre les particules de forme globulaire distinctes plus petites, ce qui contribue à une solidité plus grande, une meilleure résistance à l'usure et une plus grande capacité de déformation. Ainsi, et conformément à la présente invention, non seulement les carbures sont changés en forme pour constituer des globules sphériques ou presque sphériques, mais encore les particules globulaires ont été réduites à une taille moyenne inférieure à 4 microns. It has been found that the cast iron of the present invention generally has a tensile strength of up to 10,403 Pa compared to 3,445 to 4,134 Pa for the usual tensile strength of prior known cast irons. Typical cast irons have an elongation characteristic of 0%, while the present cast iron is capable of elongation of 3%. Those versed in the art would immediately recognize the significant advantage of an increase in elongation or plastic deformation to impart a quality of solidity which is so important in apparatuses subjected to significant wear and loads. blows, such as for example crushers and pulverizers for the mining industry, as well as pumps for the transport of fluids containing abrasive solids. Changing only the shape of the carbides in the cast iron is desirable, but would not be at all as effective as changing the shape of the carbides into globules and reducing the particle size substantially below the typical size average of 10 to 14 microns of the particles of cast iron of the prior art at a size less than 4 microns. By reducing the size of the carbide particles in this ratio, it is possible to minimize the average free distance between the smaller distinct globular particles, which contributes to greater strength, better wear resistance and more great deformation capacity. Thus, and in accordance with the present invention, not only are the carbides changed in shape to form spherical or almost spherical globules, but also the globular particles have been reduced to an average size of less than 4 microns.
Il est bien connu que la fonte qui est une composition fer-carbone peut être alliée. Il est généralement admis dans l'art que la ligne de division entre la fonte et l'acier est définie par la solubilité du carbone dans le fer à l'état solide. A des niveaux plus élevés de carbone, le carbone serait présent sous forme de graphite libre s'il n'était pas allié. L'élément d'alliage utilisé typiquement pour former des carbures dans la fonte et pour améliorer différentes propriétés est le chrome. Toutefois, les molybdène, vanadium, titane, cuivre, nickel, niobium et tantale en une combinaison quelconque peuvent être ajoutés, lorsque cela est souhaité, en plus du chrome ou à la place du chrome. Lorsqu'ils sont utilisés en association avec le chrome, ces éléments métalliques sont habituellement présents en une quantité allant jusqu'à environ 7%, bien que le vanadium et le niobium puissent varier de préférence dans la gamme de 0,001 à 5%, It is well known that cast iron, which is an iron-carbon composition, can be alloyed. It is generally accepted in the art that the dividing line between cast iron and steel is defined by the solubility of carbon in iron in the solid state. At higher levels of carbon, carbon would be present as free graphite if it were not alloyed. The alloying element typically used to form carbides in cast iron and to improve various properties is chromium. However, molybdenum, vanadium, titanium, copper, nickel, niobium and tantalum in any combination can be added, when desired, in addition to chromium or in place of chromium. When used in combination with chromium, these metallic elements are usually present in an amount of up to about 7%, although vanadium and niobium may preferably vary in the range of 0.001 to 5%,
le molybdène et le cuivre de 0,001 à 4%, le nickel de 0,01 à 7% et le titane et le tantale dans la gamme de 0,001 à 4%, le total en combinaison avec le chrome ou le chrome seul devant se situer dans la gamme de 0,001 à 30%. De préférence, le chrome est dans la gamme 5 de 7 à 29%, et encore mieux dans la gamme de 25 à 28% ou de 14 à 22% ou de 7 à 12%, lesquelles gammes de chrome correspondent aux trois groupes majeurs de fontes blanches alliées. De préférence, la teneur en carbone n'est pas inférieure à 1,8% et n'excède pas environ 4,5%, et de préférence elle est située dans la gamme de 1,8 à io 3% pour la fonte ayant une teneur en chrome de 25 à 28%, et de 14 à 22% dans la gamme de 2 à 3,5% pour une teneur en chrome de 7 à 12%. molybdenum and copper from 0.001 to 4%, nickel from 0.01 to 7% and titanium and tantalum in the range from 0.001 to 4%, the total in combination with chromium or chromium alone must be within the range of 0.001 to 30%. Preferably, the chromium is in the range 5 from 7 to 29%, and even better in the range from 25 to 28% or from 14 to 22% or from 7 to 12%, which ranges of chromium correspond to the three major groups of Allied white fonts. Preferably, the carbon content is not less than 1.8% and does not exceed about 4.5%, and preferably it is in the range of 1.8 to 3% for pig iron having a chromium content from 25 to 28%, and from 14 to 22% in the range from 2 to 3.5% for a chromium content from 7 to 12%.
Les compositions de fonte typiques esquissées ci-dessus subissent un changement de morphologie du carbure par l'addition de bore dans la gamme de 0,001 à 4%, de préférence de 0,01 à 1% et encore mieux de 0,01 à 0,4%. Il a été trouvé que cette addition de bore produit des particules de carbure globulaires, mais que cela est plus prononcé lorsque la composition de fer-carbone alliée choisie est en ^ rapport avec la température eutectique. The typical cast iron compositions sketched above undergo a change in carbide morphology by the addition of boron in the range from 0.001 to 4%, preferably from 0.01 to 1% and even better from 0.01 to 0, 4%. It has been found that this addition of boron produces globular carbide particles, but that it is more pronounced when the alloyed iron-carbon composition chosen is in relation to the eutectic temperature.
Le point de solidification du fer pur est d'environ 982° C, et quand on ajoute du carbone, le point de solidification diminue. Le fer allié additionné ou non du bore a une température de solidification qui varie entre 1204 et 1315° C, cette variation étant liée surtout 25 à la quantité de chrome présent, mais aussi au choix des éléments d'alliage particuliers. Il a été trouvé qu'il est davantage souhaitable que la température de solidification du système fer-carbone allié soit dans la gamme de 1237 à 1260° C, ou approximativement plus ou moins 1249° C. Une composition de fonte particulière quelconque 30 contenant les éléments d'alliage choisis dans les proportions conformes à cette invention se solidifiera à moins de 8,37° C de la température eutectique du système de fonte formé avec ces éléments d'alliage particuliers. The solidification point of pure iron is around 982 ° C, and when carbon is added, the solidification point decreases. The alloyed iron with or without boron added has a solidification temperature which varies between 1204 and 1315 ° C., this variation being linked above all to the quantity of chromium present, but also to the choice of the particular alloying elements. It has been found that it is more desirable that the solidification temperature of the alloyed iron-carbon system be in the range of 1237 to 1260 ° C, or approximately plus or minus 1249 ° C. Any particular melting composition containing the alloying elements chosen in the proportions in accordance with this invention will solidify at less than 8.37 ° C. of the eutectic temperature of the melting system formed with these particular alloying elements.
35 II a été trouvé qu'avec cette composition de fonte alliée et l'addition de bore, il est possible de modifier la morphologie du carbure pour produire des particules de carbure globulaires qui ont une forme approximativement sphérique. It has been found that with this alloyed cast iron composition and the addition of boron, it is possible to modify the morphology of the carbide to produce globular carbide particles which have an approximately spherical shape.
Pour arriver à cette modification importante de la taille des par-40 ticules et pour assurer une distribution substantiellement uniforme des particules globulaires de carbure, il a été trouvé que si la composition de fonte est refroidie en dessous de la température de solidification à l'équilibre par au moins 2,7° C, et on pense de préférence par 4,45 à 5,56° C ou davantage, avant la solidification, la taille des 45 particules de carbure est réduite d'une manière énorme des To achieve this important modification of the size of the particles and to ensure a substantially uniform distribution of the globular particles of carbide, it has been found that if the melting composition is cooled below the equilibrium solidification temperature by at least 2.7 ° C, and it is preferably thought by 4.45 to 5.56 ° C or more, before solidification, the size of the carbide particles is reduced enormously
10 microns de taille moyenne ou davantage à une taille moyenne inférieure à 4 microns. Cette surfusion est difficile à obtenir, et ce n'est que par une approche thermodynamique du problème qu'il a pu être découvert qu'en augmentant l'entropie de la fonte liquide on aug-50 mentait le désordre du système, ce qui permet d'amener le liquide en surfusion. Une valeur d'entropie plus élevée diminue la valeur de l'énergie libre de Gibbs d'un système liquide-solide, et la phase avec l'énergie libre la plus basse sera la plus stable. La relation est ÔG 10 microns of average size or more at an average size of less than 4 microns. This supercooling is difficult to obtain, and it was only by a thermodynamic approach to the problem that it could be discovered that by increasing the entropy of liquid iron we increased the disorder of the system, which allows to bring the liquid in supercooling. A higher entropy value decreases the Gibbs free energy value of a liquid-solid system, and the phase with the lowest free energy will be the most stable. The relationship is ÔG
55 -^ = — S, où G est l'énergie libre de Gibbs, T la température ol absolue et S l'entropie. Par ailleurs, la relation thermodynamique 8H = T5S + V8P se réduit à SH = T8S puisque VSP = 0 pour les 5H 55 - ^ = - S, where G is the Gibbs free energy, T the absolute temperature ol and S the entropy. Furthermore, the thermodynamic relation 8H = T5S + V8P is reduced to SH = T8S since VSP = 0 for 5H
solides indique que 5S = où S est l'entropie, H la chaleur de solids indicates that 5S = where S is the entropy, H the heat of
60 fusion et T le point absolu de solidification. Une augmentation de l'entropie produit une diminution du point de solidification avec une chaleur de fusion constante pour le système. 60 fusion and T the absolute point of solidification. An increase in entropy produces a decrease in the solidification point with constant heat of fusion for the system.
Il a été trouvé que le bore, lorsqu'il est ajouté à la composition 65 de fonte, augmente l'entropie qui produit un plus grand désordre dans le système et permet d'obtenir la surfusion requise. Les changements exacts qui ont lieu ne sont pas complètement compris, et l'explication fournie ci-dessus doit être considérée comme théorique. It has been found that boron, when added to composition 65, increases entropy which produces greater disorder in the system and provides the required supercooling. The exact changes that are taking place are not completely understood, and the explanation provided above should be considered theoretical.
5 5
A mesure que la composition de fonte de cette invention est refroidie au-dessous de la température de solidification à l'équilibre à un niveau de surfusion de 2,7° C au moins en dessous de la température de solidification à l'équilibre, lorsque la solidification a effectivement lieu, elle est plus instantanée qu'en absence de surfusion. 5 Ainsi, la surfusion évite la longue période habituelle de croissance des cristaux ou des particules qui a traditionnellement lieu. La solidification a plutôt lieu avant que les particules n'aient pu croître. As the melt composition of this invention is cooled below the equilibrium solidification temperature to a supercooling level of at least 2.7 ° C below the equilibrium solidification temperature, when solidification does take place, it is more instantaneous than in the absence of supercooling. 5 Supercooling thus avoids the usual long period of crystal or particle growth which has traditionally taken place. Rather, solidification takes place before the particles can grow.
Ainsi, de minuscules particules de carbure, au lieu de s'agglomérer en tiges ou en plaques comme c'est le cas dans la fonte tradition- I0 nelle, n'ont pas la possibilité de s'agglomérer avec la solidification rapide de la composition de fonte de la présente invention, et il n'y a pas de migration de ces particules pour s'agglomérer en formant des plaques ou des tiges aboutissant à une distribution non uniforme des carbures. 15 Thus, tiny particles of carbide, instead of agglomerating into rods or plates as is the case in traditional cast iron, do not have the possibility of agglomerating with the rapid solidification of the composition. of the present invention, and there is no migration of these particles to agglomerate by forming plates or rods resulting in a non-uniform distribution of the carbides. 15
En fait, l'uniformité dans la distribution du carbure est inhérente à la phase liquide, même au cours de la phase de surfusion de la composition de fonte alliée, si bien que l'uniformité de la distribution du carbure est conservée pendant la solidification. Le résultat de la solidification du liquide en surfusion en dessous de la tempéra- 2o ture de solidification à l'équilibre est une réduction substantielle de la taille des particules et une distribution plus uniforme des carbures dans l'ensemble de la matrice de la fonte, ce qui constitue la base de la résistance à la contrainte, de la solidité et de la résistance à l'abrasion de la composition de fonte de la présente invention. 25 In fact, the uniformity in the distribution of the carbide is inherent in the liquid phase, even during the supercooling phase of the alloyed cast iron composition, so that the uniformity of the distribution of the carbide is maintained during solidification. The result of the solidification of the supercooled liquid below the equilibrium solidification temperature is a substantial reduction in the size of the particles and a more uniform distribution of the carbides throughout the matrix of the cast iron, which forms the basis of the stress resistance, strength and abrasion resistance of the cast composition of the present invention. 25
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Exemples spécifiques Specific examples
Une composition typique de fonte contenant 27,2% de chrome, 2,04% de carbone est une composition alliée se solidifiant dans le voisinage de 1249° C, ce qui est supérieur à la température eutectique d'environ 1239° C. En ajoutant 0,17% de bore, l'alliage peut être amené en surfusion à une température inférieure de 2,7° C à la température de solidification à l'équilibre, ce qui correspond à légèrement en dessous de 1246° C. Entre ce point de température et la température de solidification à l'équilibre, le liquide est en surfusion et reste liquide. En continuant de refroidir, on produit des carbures ayant une forme globulaire qui est presque sphérique et des particules ayant une taille moyenne inférieure à 4 microns. La résistance à la traction de la fonte obtenue est dans le voisinage de 151000 psi avec un allongement maximal d'environ 3%. Une telle fonte blanche est tout à fait résistante à l'abrasion, et ses caractéristiques de résistance à la traction et de solidité sont améliorées, ce qui la rend particulièrement bien adaptée à des opérations impliquant une usure et des contraintes importantes. A typical composition of cast iron containing 27.2% chromium, 2.04% carbon is an alloy composition solidifying in the vicinity of 1249 ° C, which is higher than the eutectic temperature of approximately 1239 ° C. By adding 0.17% boron, the alloy can be brought by supercooling to a temperature 2.7 ° C below the equilibrium solidification temperature, which corresponds to slightly below 1246 ° C. Between this point of temperature and the solidification temperature at equilibrium, the liquid is supercooled and remains liquid. Continuing to cool, carbides are produced having a globular shape which is almost spherical and particles having an average size of less than 4 microns. The tensile strength of the cast iron obtained is in the neighborhood of 151,000 psi with a maximum elongation of approximately 3%. Such white cast iron is quite resistant to abrasion, and its characteristics of tensile strength and solidity are improved, which makes it particularly well suited to operations involving significant wear and stresses.
Des résultats similaires sont obtenus avec une composition à 3,23% de carbone, 9,12% de chrome, 5,18% de nickel et 0,17% de bore et possédant une température de solidification à l'équilibre au voisinage de la température eutectique qui est de 1253° C. Le surrefroidissement intervient donc en dessous de 1249° C, c'est-à-dire avant que n'intervienne la solidification. Similar results are obtained with a composition with 3.23% carbon, 9.12% chromium, 5.18% nickel and 0.17% boron and having a solidification temperature at equilibrium in the vicinity of eutectic temperature which is 1253 ° C. The supercooling therefore occurs below 1249 ° C, that is to say before solidification occurs.
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