DE19512044A1

DE19512044A1 - Chilled cast iron with high corrosion and wear resistance

Info

Publication number: DE19512044A1
Application number: DE19512044A
Authority: DE
Inventors: Anja Dwars; Heinz Koeper; Wolfgang Prechtl; Joerg Dr Schroepfer; Hermann Dr Tischner
Original assignee: KSB AG; Klein Schanzlin and Becker AG
Current assignee: KSB AG; Klein Schanzlin and Becker AG
Priority date: 1994-05-17
Filing date: 1995-03-31
Publication date: 1995-11-23
Also published as: DE59501017D1

Abstract

A chilled casting is characterised by high corrosion resistance in aggressive media and by a wear resistance that approaches that of commercially available types of chilled casting. The disclosed chilled casting contains 36 to 46 % by weight Cr, 5 to 12 % by weight Ni, 2 to 6 % by weight Mo, up to 3 % by weight Cu, up to 0.2 % by weight N, up to 1.5 % by weight Si, up to 1.5 % by weight Mn and 1.4 to 1.9 % by weight C, the remainder being Fe and impurities due to the production process. The chilled casting further contains 20 to 40 % by volume austenite, 20 to 40 % by volume ferrite and 20 to 40 % by volume carbides having a lattice structure.

Description

Es ist bekannt, in Einsatzfällen mit hydroabrasiver Verschleißbeanspruchung C-haltigen Cr-Hartguß auf Fe-Basis zu verwenden. Ein Werkstoff dieser Sorte besitzt einen C-Gehalt von über 2,0 Gewichts-%. Beispiele hierfür sind die Werkstoffe Nr. 0.9630, Nr. 0.9635, Nr. 0.9645 und Nr. 0.9655. Da bei diesen Werkstoffen ein großer Anteil des Cr zur Carbidbildung verbraucht wird, besitzen sie lediglich eine Korrosions beständigkeit, die in etwa dem von unlegiertem Gußeisen entspricht.It is known in use cases with hydroabrasive Wear stress C-containing Cr chilled cast iron based on Fe use. A material of this variety has a C content of over 2.0% by weight. Examples are the materials No. 0.9630, No. 0.9635, No. 0.9645 and No. 0.9655. There at These materials account for a large proportion of Cr for carbide formation is consumed, they only have a corrosion resistance, which is roughly that of unalloyed cast iron equivalent.

Wird nun der C-Gehalt abgesenkt und der Cr-Gehalt erhöht, so läßt sich eine leichte Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit erreichen. Beispielhaft hierfür ist der Werkstoff G-X 170 CrMo 25 2. Die gesamte Gruppe, der der genannte Werkstoff angehört, besitzt den wesentlichen Nachteil, daß in chemisch aggressiven Medien, wie beispielsweise sauren, chloridhaltigen Wässern von Rauchgas-Entschwefelungsanlagen eine Korrosionsbeständigkeit erst bei sehr hohen Cr-Gehalten erreicht wird. Hohe Cr-Gehalte in ferritischen Fe-Basis-Legierungen, wie z. B. den Werkstoffen G-X 160 CrNiMoCu 42 2 2 2 oder G-X 140 CrMnNiMoCu 41 4 2 2 1, verschlechtern jedoch die mechanischen Eigenschaften entscheidend und beeinträchtigen die Gießbarkeit erheblich.Now, if the C content is lowered and the Cr content increased, so can be a slight increase in corrosion resistance to reach. An example of this is the material G-X 170 CrMo 25 2. The whole group to which the said material belongs has the significant disadvantage that in chemically aggressive Media, such as acidic, chloride-containing waters of Flue gas desulphurisation systems a corrosion resistance is achieved only at very high Cr contents. High Cr contents in ferritic Fe-base alloys, such. B. the materials G-X 160 CrNiMoCu 42 2 2 2 or G-X 140 CrMnNiMoCu 41 4 2 2 1, However, deteriorate the mechanical properties crucial and affect the castability considerably.

Es werden daher für aggressive Medien der genannten Art korrosionsbeständige Edelstähle verwendet, deren Verschleißbeständigkeit durch einen geringen Kohlenstoffgehalt (< 0,5%) und einen sich dadurch ergebenden geringen Volumenanteil an Carbiden leicht verbessert wird. Der Werkstoff 1.4464 ist hierfür beispielhaft. Durch die Bildung von Chromcarbiden sinkt der Chromgehalt des Grundgefüges, wodurch sich die Korrosionsbeständigkeit entsprechend verringert. Eine weitere Erhöhung des Kohlenstoffgehaltes ist somit nicht zweckmäßig.It is therefore for aggressive media of the type mentioned used corrosion-resistant stainless steels whose Wear resistance due to low carbon content (<0.5%) and a resulting low Volume fraction of carbides is slightly improved. The material 1.4464 is exemplary for this. Through the formation of Chromium carbides decrease the chromium content of the basic structure, causing the corrosion resistance decreases accordingly. A further increase of the carbon content is therefore not appropriate.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen metallischen Gußwerkstoff zu schaffen, dessen Verschleißbeständigkeit etwa der der handelsüblichen Hartgußsorten entspricht, der sich aber darüber hinaus durch eine hohe Korrosionsbeständigkeit in aggressiven Medien auszeichnet.The invention is based on the object, a metallic Casting material to create its wear resistance about which corresponds to the commercially available chilled castings, but which in addition, by a high corrosion resistance in characterized by aggressive media.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Hartguß mit den im Patentanspruch 1 genannten Bestandteilen.The stated object is achieved by a Chilled casting with the components mentioned in claim 1.

Der erfindungsgemäße Werkstoff weist neben einer hohen Korrosions- und Verschleißbeständigkeit auch eine gute Gießbarkeit auf. Somit ist dessen Herstellung in konventionellen Edelstahlgießereien möglich. Überdies ist dieser Hartguß gut bearbeitbar.The material of the invention has in addition to a high Corrosion and wear resistance also a good one Castability on. Thus, its production is in conventional stainless steel foundries possible. Moreover, it is This chilled cast is well workable.

Ursächlich für die genannten positiven Eigenschaften sind vor allem ein Chromgehalt von 36 bis 42 Gewichts-% und ein Kohlenstoffgehalt von 1,4 bis 1,9 Gewichts-%, wodurch sich ein ausreichend hoher Volumenanteil an Carbiden ergibt. Durch die starke Erhöhung des Chromgehaltes wird die Chromverarmung der Matrix verringert.Cause of the mentioned positive properties are present all a chromium content of 36 to 42% by weight and a Carbon content of 1.4 to 1.9% by weight, resulting in a sufficiently high volume fraction of carbides. By the a large increase in chromium content will cause chromium depletion Matrix reduced.

Aufgrund der gezielten Zugabe des Austenitbildners Nickel im Konzentrationsbereich von 5 bis 12 MA-% ist es möglich, das Verhältnis der Phasenanteile Ferrit und Austenit in der Matrix definiert einzustellen. Die positiven Eigenschaften eines Duplex-Gefüges in rostfreien Stählen werden hier genutzt. Die normalerweise extrem hohe Sprödigkeit von Hartgußsorten mit hohen C-Gehalten und einem Carbid-Netz in ferritischer Matrix wird vermieden durch die überwiegende Einlagerung der Chrom- Carbide in der austenitischen Phase. Da die austenitische Phase, anders als die Ferrit-Phase, nicht durch Ausscheidung intermetallischer Phasen oder durch Entmischungsvorgänge versprödet, ist bei Spannungen zwischen Carbiden und Matrix die Rißgefahr nicht so groß wie bei einer rein ferritischen Matrix.Due to the targeted addition of the austenite nickel in the Concentration range of 5 to 12% MA, it is possible that Ratio of the phase components ferrite and austenite in the matrix to set defined. The positive qualities of a Duplex structures in stainless steels are used here. The usually extremely high brittleness of chilled castings with high C-contents and a carbide network in ferritic matrix is avoided by the predominant storage of chromium Carbides in the austenitic phase. Because the austenitic Phase, unlike the ferrite phase, not by excretion intermetallic phases or by segregation processes embrittled, is at stresses between carbides and matrix the Risk of cracking is not as great as with a purely ferritic matrix.

Zur Erreichung eines aus einer ferritisch-austenitischen Matrix mit eingelagerten Carbiden bestehenden Gefügeaufbaus ist eine Wärmebehandlung bei den üblichen Lösungsglühtemperaturen notwendig; hierdurch wird gleichzeitig eine bessere Bearbeitbarkeit erreicht.To achieve one from a ferritic-austenitic matrix with embedded carbides existing structure is a Heat treatment at the usual solution annealing temperatures necessary; This will at the same time be a better one Machinability achieved.

Intermetallische Phasen im Ferrit, die einen negativen Einfluß auf die Korrosionsbeständigkeit besitzen und die Sprödigkeit erhöhen, werden durch die in Patentanspruch 2 angegebene Zusammensetzung vermieden. Der Ni-Gehalt wird nach unten begrenzt durch die zur Bildung von (Sekundär-)Austenit notwendigen Mengen.Intermetallic phases in the ferrite, which have a negative influence to possess the corrosion resistance and the brittleness are increased by the specified in claim 2 Composition avoided. The Ni content will go down limited by the formation of (secondary) austenite necessary quantities.

Die obere Grenze wird festgelegt durch das Erfordernis, auch nach einer Luftabkühlung großer Bauteile ein Gefüge zu erhalten, das aus ausscheidungsfreiem Ferrit, Austenit und Carbiden besteht, da die Bildung von Austenit eine Chrom anreicherung der Ferritphase bewirkt und dadurch die Ausscheidung von f-Phase fördert. Eine gleiche unerwünschte Wirkung hätte ein zu hoher Si-Gehalt, der daher auf max. 1 Gewichts-% begrenzt wird. Mit der im Patentanspruch 2 vorgeschlagenen Zusammensetzung wird eine optimale Kombination aus Korrosions- und Verschleißbeständigkeit erreicht.The upper limit is determined by the requirement, too after an air cooling of large components a structure too obtained from precipitation free ferrite, austenite and Carbides exist because the formation of austenite is a chromium Enrichment of the ferrite phase causes and thereby the Excretion of f-phase promotes. An equal unwanted Effect would have a too high Si content, which is therefore limited to max. 1 Weight% is limited. With the in claim 2 proposed composition will be an optimal combination achieved from corrosion and wear resistance.

Überdies ergibt sich die Möglichkeit, durch weitere gezielte Wärmebehandlungen in Entsprechung zu den ZTU-Schaubildern von hochlegierten Stählen die Neigung des Ferrits zur Bildung von Ausscheidungen (intermetallische Phasen) zu einer Härte steigerung zu nutzen und somit die Verschleißbeständigkeit zusätzlich zu erhöhen.Moreover, the opportunity arises through more targeted Heat treatments in accordance with the ZTU charts of high alloyed steels the tendency of ferrite to form Precipitates (intermetallic phases) to a hardness increase and thus wear resistance in addition to increase.

Die Ausscheidungsgeschwindigkeit dieser Phasen wird durch die in Patentanspruch 3 vorgegebene Zusammensetzung erheblich erhöht, so daß eine maximale Verschleißbeständigkeit auch ohne zusätzliche Wärmebehandlung erreicht werden kann.The rate of precipitation of these phases is determined by the in claim 3 given composition considerably increased, so that maximum wear resistance even without additional heat treatment can be achieved.

Der innerhalb der in den Patentansprüchen 1 bis 3 angegebenen Grenzen liegende Molybdän-Gehalt ist wesentlich für die Korrosionsbeständigkeit, vor allem in chloridhaltigen, sauren Medien.The within specified in the claims 1 to 3 Limiting molybdenum content is essential for the Corrosion resistance, especially in chloride-containing, acidic Media.

Um die Rißgefahr beim Abguß von dickwandigen Teilen zu verringern, wird der Cu-Gehalt auf 3 MA-% beschränkt. Ein geringer Kupfergehalt bewirkt eine bessere Korrosionsbeständigkeit in oxidierenden Medien; deshalb ist er Bestandteil von handelsüblichen hochlegierten Duplex-Stählen. Es ist im übrigen ein Vorteil des im erfindungsgemäßen Werkstoff zulässigen Cu-Gehaltes, daß beim Erschmelzen Recyclingmaterial von handelsüblichem, hochlegiertem Stahlguß verwendet werden kann.To the risk of cracking during casting of thick-walled parts reduce the Cu content is limited to 3 MA%. On low copper content causes a better Corrosion resistance in oxidizing media; that's why he is Component of commercially available high-alloy duplex steels. It is, moreover, an advantage of the invention Material permissible Cu content that during melting Recycled material of commercially available, high-alloy cast steel can be used.

Durch Variation der Legierungsbestandteile Kohlenstoff und Chrom innerhalb der im Patentanspruch 1 angegebenen Grenzen kann der erfindungsgemäße Werkstoffin seiner Korrosions- und Verschleißbeständigkeit einem vorgegebenen Anforderungsprofil entsprechend eingestellt werden.By variation of the alloy components carbon and Chromium within the limits specified in claim 1 can the material of the invention in its corrosion and Wear resistance to a specified requirement profile be adjusted accordingly.

Ein inhomogenes Gefüge mit Grobkornbildung wird bei hohen Gießmodulen durch die Zugabe von Vanadium gemäß Patentanspruch 4 vermieden. Die Eigenschaft des Vanadiums zur Kornfeinung wird hier erst bei höheren als bisher bekannten Gehalten ausreichend wirksam, ohne die sonstigen Eigenschaften negativ zu beeinflussen.An inhomogeneous structure with coarse grain formation is at high Casting modules by the addition of vanadium according to claim 4 avoided. The property of vanadium for Grain refining is only at higher than previously known Held sufficiently effective without the other properties to influence negatively.

In bezug auf die Verbindung von Korrosions- und Verschleißbeständigkeit besitzt der erfindungsgemäße Werkstoff eine deutliche Überlegenheit gegenüber den bisher bekannten, bei einer Beanspruchung durch hydroabrasiven Verschleiß eingesetzten Hartgußsorten.With regard to the connection of corrosion and Wear resistance of the material according to the invention possesses a clear superiority over the previously known, when subjected to hydroabrasive wear used hard castings.

Anhand eines in einem Ausführungsbeispiel vorgenommenen Vergleichs wird dies verdeutlicht. Der erfindungsgemäße Werkstoff wird hierbei vier bekannten Hartgußsorten gegenübergestellt.Based on a made in one embodiment Comparison this is clarified. The inventive Material here is four known types of chilled cast iron compared.

Es zeigt dieIt shows the

Fig. 1 ein Diagramm der Abtragsraten der Werkstoffe bei hydroabrasivem Verschleiß, und die Fig. 1 is a graph of the removal rates of the materials in hydroabrasive wear, and the

Fig. 2 ein Diagramm der Korrosionsraten in starksaurem, chloridhaltigem Medium (pH 0,5; 10 g/l Cl-; 60°C). Figure 2 is a graph of corrosion rates in a strong acid, chloride-containing medium (pH 0.5; 10 g / l Cl-, 60 ° C)..

Für die Ermittlung der Abtragsraten gemäß Fig. 1 wurde eine Modellverschleiß-Apparatur verwendet, in welcher als Angriffsmittel Quarzsand-Wasser in einem Mischungsverhältnis von 1 : 1 mit einer Korngröße von 0,9 bis 1,2 mm eingesetzt wurde. Die Versuchsdauer betrug jeweils zwei Stunden. Es wurde eine Drehzahl von 3000 l/min gefahren. Jede Werkstoffprobe hatte einen Durchmesser von 55 mm und eine Dicke von 5 mm.For the determination of the removal rates according to FIG. 1, a model wear apparatus was used in which quartz sand water in a mixing ratio of 1: 1 with a grain size of 0.9 to 1.2 mm was used as the attacking agent. The test duration was two hours each. It was driven a speed of 3000 l / min. Each sample of material had a diameter of 55 mm and a thickness of 5 mm.

Die Ordinaten der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Diagramme zeigen jeweils den Abtrag in mm/a. Auf den Abszissen sind mit den Buchstaben A bis D bekannte, in einer nachfolgenden ersten Tafel näher bezeichnete Werkstoffe belegt, während sich die Kennzeichnung E auf den erfindungsgemäßen Werkstoff bezieht, dessen Zusammensetzung in einer zweiten Tafel dargestellt ist.The ordinates of the diagrams shown in FIGS. 1 and 2 each show the removal in mm / a. On the abscissa are known with the letters A to D known, in a subsequent first panel specified materials, while the label E refers to the material according to the invention, whose composition is shown in a second panel.

Tafel 1Table 1 Für die Versuche herangezogene bekannte WerkstoffeFor the tests used known materials Kennzeichnungidentification Kurznameshort name AA G-X 250 CrMo 15 3G-X 250 CrMo 15 3 BB G-X 170 CrMo 25 2G-X 170 CrMo 25 2 CC G-X 3 CrNiMoCu 24 6G-X 3 CrNiMoCu 24 6 DD G-X 40 CrNiMo 27 5G-X 40 CrNiMo 27 5

Tafel 2 Board 2

Legierungszusammensetzung des für die Versuche benutzten erfindungsgemäßen Werkstoffes Alloy composition of the material according to the invention used for the experiments

Claims

1. Corrosion and wear resistant chilled cast iron, characterized by

a) the following composition in weight%: Cr = 36 to 46
Ni = 5 to 12
Mo = 2 to 6
Cu 3
N 0.2
Si 1.5
Mn 1.5
C = 1.4 to 1.9
Residual Fe and impurities caused by melting;
b) the following composition in% by volume: austenite = 20 to 40
Ferrite = 20 to 40
Carbide = 20 to 40, wherein the carbides have a net-like structure.

2. corrosion and wear resistant chilled casting according to claim 1, characterized by the following composition in weight%: Cr = 38.5 to 41.5
Ni = 5 to 7
Mo = 2 to 3
Cu 3
N = 0.1 to 0.2
Si 1
Mn 1.5
C = 1.4 to 1.6.

3. corrosion and wear resistant chilled casting according to claim 1, characterized by the following composition in weight%: Cr = 42 to 44th
Ni = 8 to 10
Mo = 2 to 4
Cu 3
N 0.1
Si = 1 to 2
Mn 1.5
C = 1.4 to 1.6, the ferritic portion being characterized by the precipitation of intermetallic phases.

4. Corrosion and wear resistant chilled cast iron after one of claims 1 to 3, characterized by 0.5 to 2.5 Weight% V as an additional alloying ingredient.

5. Use of a chilled casting according to one of claims 1 to 4 for components containing flowing solids, corrosive media come into contact.

6. Use of a chilled cast iron according to one of claims 1 to 4 for pumps and fittings containing solids, corrosive media come into contact.