DE3930340A1

DE3930340A1 - Chromium-carbide-iron alloy - contains spheroidal vanadium and/or niobium carbide to improve high temp. stress resistance

Info

Publication number: DE3930340A1
Application number: DE19893930340
Authority: DE
Inventors: Hubert Dr Ing Drzeniek
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1989-09-12
Filing date: 1989-09-12
Publication date: 1991-03-14

Abstract

Cr-C-Fe alloy contains 3-20% Cr; 3-20 Mn; 2-30 V and/or Nb; balance C and Fe. The C-content is at least equivalent to that required to produce the V and/or Nb carbide. The matrix contains 5-15% Cr and/or Mn. The alloy contains also one or more of max. 1% Ti; max. 10% W; max. 10 Mo; max. 1.5 Cu; max. 1.8 B and max. 6% Si. The Mn can be replaced by Ni on a 1:1 basis. The volume % of V and/or Nb carbide is 10-80 and the carbide is in spheroidal shape with the carbide of chromium being dendritic. The matrix is austenitic to ferritic in structure. USE/ADVANTAGE - As cast or worked components such as machine parts and tools. As build-up weld coatings. Alloy is crack-resistant, weldable and has high stress resistance under dynamic or static loading at high temperatures.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Sonderkarbide enthal tende Chrom-Kohlenstoff-Eisenhartlegierung mit hoher Ver schleißfestigkeit und Härte.The invention relates to a special carbide chrome-carbon iron hard alloy with high ver wear resistance and hardness.

Eisenhartlegierungen sind in großer Zahl bekannt und haben sich insbesondere in Form von Chrom-Kohlenstoff-Eisenhartle gierungen mit Zusätzen von Niob, Titan, Bor und Mangan als verschleißfester Werkstoff für Maschinenteile und Werkzeuge bewährt, die einer mineralischen Beanspruchung, bspw. bei der Erz- und Kohlegewinnung und -aufbereitung unterliegen; sie bestehen aus einer perlitischen, austenitischen oder martensitischen Matrix mit eingebetteten Hartphasen, insbe sondere primären oder eutektischen Chromkarbiden als Träger der Verschleißfestigkeit und lassen sich je nach Zusammen setzung als Guß- oder Auftragwerkstoff verwenden.Iron hard alloys are known in large numbers and have in particular in the form of chrome-carbon-iron hardle alloys with additions of niobium, titanium, boron and manganese as wear-resistant material for machine parts and tools proven that a mineral stress, for example subject to ore and coal extraction and processing; they consist of a pearlitic, austenitic or martensitic matrix with embedded hard phases, esp special primary or eutectic chromium carbides as carriers the wear resistance and can be depending on the combination Use settlement as cast or custom material.

Zwischen den einzelnen Hartlegierungen bestehen jedoch er hebliche Unterschiede hinsichtlich des Grundgefüges, der Verschleißfestigkeit und der Härte. Diese Unterschiede sind dadurch bedingt, daß die Werkstoffeigenschaften entschei dend von der Art, der Menge, der Größe, der Verteilung, der Orientierung und der Härte der Hartphasen sowie der Matrix beschaffenheit abhängen. So kommt es bspw. im Falle grober oder langgestreckter Ausscheidungsphasen, deren Teilchenlän gen 500 um erreichen, leicht zu einem Auf- oder Ausbrechen der spröden Karbide.However, he exists between the individual hard alloys significant differences in the basic structure, the Wear resistance and hardness. These differences are due to the fact that the material properties decide depending on the type, the quantity, the size, the distribution, the Orientation and hardness of the hard phases as well as the matrix depend on texture. This is the case, for example, in the case of gross or elongated elimination phases, the particle length reach 500 µm, easy to break open or break out the brittle carbide.

Andererseits ist der Verschleißwiderstand aber auch von dem Mengenverhältnis Kohlenstoff zu Chrom abhängig, das ent scheidend nicht nur die Menge und die Art der ausgeschie denen Chromkarbide, sondern auch deren Härte bestimmt. On the other hand, the wear resistance is also from that Quantity ratio of carbon to chromium depends on the ent not only the quantity and the type of imposed chromium carbides, but also their hardness.

Es ist bekannt, daß die Erstarrungsbedingungen entscheidend den Verschleißwiderstand beeinflussen, weil die Primärkar bide des Typs M₇C₃, wie sie sich bei Chrom-Kohlenstoff- Eisenhartlegierungen mit höheren Chrom- und Kohlenstoffge halten primär aus der Schmelze abscheiden und vornehmlich als grobkörnige bzw. dendritische oder stengelige Primärkar bide anfallen im Vergleich zu feindispers verteilten Karbi den eine geringere Verschleißfestigkeit mit sich bringen. Das Bestreben geht daher dahin, die Ausscheidungsphasen in eine homogene feindisperse Verteilung zu bringen. Um das zu erreichen, ist die Praxis bereits den Weg gegangen, in eine Schmelze aus einer Basislegierung unlösliche Fremdkarbide und - nitride, beispielsweise Vanadiumkarbid, als Keimbild ner für die normalerweise grobkörnig bis stengelig erstar renden Primärkarbide einzubringen. Dabei ist es jedoch schwierig, die Fremdkarbide homogen in der Schmelze zu verteilen und die Erstarrungsbedingungen so einzustellen, daß sich bei dieser heterogenen Keimbildung eine feindisper se Verteilung der Ausscheidungsphasen ergibt.It is known that the solidification conditions have a decisive influence on the wear resistance, because the primary carbides of the type M ₇ C ₃ , such as those found in chromium-carbon-iron hard alloys with higher chromium and carbon content, primarily separate from the melt and primarily as coarse-grained or Dendritic or stalked primary carbides occur compared to finely dispersed carbides which result in less wear resistance. The aim is therefore to bring the elimination phases into a homogeneous, finely dispersed distribution. In order to achieve this, practice has already taken the path of introducing insoluble foreign carbides and nitrides, for example vanadium carbide, into a melt from a base alloy as a nucleating agent for the primary coarse-grained to stalked primary carbides. However, it is difficult to distribute the foreign carbides homogeneously in the melt and to set the solidification conditions so that this heterogeneous nucleation results in a finely dispersed distribution of the precipitation phases.

Allen Hartlegierungen ist der Nachteil gemeinsam, daß ihre Matrix in Abhängigkeit von der Art, der Beschaffenheit und der Menge ihrer Hartphasen und als Folge eines Aufhärtens durch Kohlenstoff mehr oder minder rißanfällig ist. Das macht sich bei Auftragschweißungen weniger bemerkbar, da der wesentlich zähere Grundwerkstoff eine gewisse Rißbil dung erlaubt; dies gilt jedoch nur für niedrige statische, jedoch nicht für eine hohe statische und eine dynamische Beanspruchung, selbst wenn das Auftragschweißen unter beson deren, die Morphologie der Ausscheidungsphasen günstig be einflussenden Bedingungen stattfindet.The disadvantage of all hard alloys is that their Matrix depending on the type, nature and the amount of their hard phases and as a result of hardening more or less susceptible to cracking due to carbon. The is less noticeable in build-up welding because the much tougher base material a certain crack manure allowed; however, this only applies to low static, but not for high static and dynamic Stress even if the build-up welding is under special their, the morphology of the elimination phases favorable influencing conditions takes place.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine riß beständige Chrom-Kohlenstoff-Eisenhartlegierung mit Sonder karbiden zu schaffen, die schweißbar ist, und - auch bei höheren Temperaturen - eine hohe Beständigkeit unter dynami scher oder hoher statischer Belastung, eine hohe Härte sowie eine hohe Verschleißfestigkeit besitzt und sich als Guß- oder Knetwerkstoff ebenso wie für Auftragsschweißungen bzw. als Zusatzwerkstoff für Panzerungen eignet.The invention is therefore based on the object, a crack resistant chrome-carbon-iron hard alloy with special to create carbides that are weldable, and - also with higher temperatures - a high resistance under dynami shear or high static load, high hardness as well as high wear resistance and as Casting or kneading material as well as for surfacing or as a filler for armor.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht aus einer Chrom-Kohlen stoff-Eisenhartlegierung mit 3 bis 20% Chrom, 3 bis 20% Mangan sowie 2 bis 30% Vanadium und/oder Niob, Rest Kohlenstoff und Eisen, deren Kohlenstoffgehalt dem durch Vanadium und/oder Niob karbidisch abgebundenen Kohlenstoff entspricht und deren Matrix zu 5 bis 15% aus Chrom- und/oder Mangan besteht.The solution to this problem consists of a chromium-carbon hard iron alloy with 3 to 20% chromium, 3 to 20% manganese and 2 to 30% vanadium and / or niobium, the rest being carbon and iron, the carbon content of which is that of vanadium and / or niobium corresponds to carbidically set carbon and whose matrix consists of 5 to 15% chromium and / or manganese.

Die primären Monokarbide des Vanadiums und des Niobs werden in feindisperser Verteilung im wesentlichen sphärolithisch, zumindest aber im Gegensatz zu den dendritischen Karbiden des Chroms eingeformt, d.h. näherungsweise äquiaxial aus der Schmelze abgeschieden. Dabei läßt sich die Menge des Vanadium- und/oder des Niobkarbids über den Kohlenstoffge halt der Schmelze steuern, deren Viskosität ein wesentli ches Karbidwachstum verhindert.The primary monocarbides of vanadium and niobium are essentially spherulitic in finely disperse distribution, at least in contrast to the dendritic carbides of chrome, i.e. approximately equiaxial the melt deposited. The amount of Vanadium and / or niobium carbide over the carbon ge stop the melt control, the viscosity of which is essential prevents carbide growth.

Die in der Zeichnung abgebildete Gefügeaufnahme betrifft eine Legierung mit 2,4% Kohlenstoff, 6% Chrom, 6% Mangan und 11,5% Vanadium und zeigt ein austenitisches Grundgefü ge mit gut ausgebildeten quasispärolithischen Vanadiumkarbi den. The micrograph shown in the drawing concerns an alloy with 2.4% carbon, 6% chromium, 6% manganese and 11.5% vanadium and shows an austenitic basic structure with well-trained quasi-parolithic vanadium carbons the.

Der Kohlenstoffgehalt der Legierung richtet sich im Einzel fall nach dem angestrebten Anteil der Karbidphasen und der angestrebten Zusammensetzung der Matrix, die Kohlenstoff allenfalls in Lösung enthalten kann.The carbon content of the alloy is determined individually fall according to the desired proportion of the carbide phases and the desired composition of the matrix, the carbon can possibly contain in solution.

Des weiteren kann die Legierung geringe Mengen Kupfer, Bor und Silizium einzeln oder nebeneinander enthalten, bspw. bis 1,5% Kupfer, bis 1,8% Bor und bis 6% Silizium.Furthermore, the alloy can contain small amounts of copper, boron and silicon individually or next to each other, for example. up to 1.5% copper, up to 1.8% boron and up to 6% silicon.

Je nach dem Mangan- und/oder Chromgehalt ist das Grundge füge austenitisch bis ferritisch; es kann Kohlenstoff bis zur Grenze der Löslichkeit bei etwa 1,7% enthalten, um die Festigkeit und Härte des Grundgefüges gezielt einzustellen, ohne daß unerwünschte Chromkarbide und Mangankarbide ent stehen, die sich an den Korngrenzen abscheiden und somit zu einer Versprödung führen. Der Kohlenstoffgehalt übersteigt demgemäß insgesamt nicht die Menge des an Vanadium und/oder Niob gebundenen und des in der Matrix gelösten Kohlen stoffs.Depending on the manganese and / or chromium content, the basic ge add austenitic to ferritic; it can carbon up included to the limit of solubility at about 1.7% Selectively adjust the strength and hardness of the basic structure, without unwanted chromium carbides and manganese carbides stand that separate at the grain boundaries and thus to lead to embrittlement. The carbon content exceeds accordingly overall not the amount of vanadium and / or Niobium bound and the coal dissolved in the matrix fabric.

Die Legierung kann statt Mangan im Verhältnis 1:1 Nickel sowie bis 1% Titan, bis 10% Molybdän und bis 10% Wolfram einzeln oder nebeneinander enthalten. Das Titan wirkt in Form seines Nitrids, Karbids und Oxyds als Keimbildner, während Wolfram und Molybdän die Matrixhärte bzw. die Warm härte verbessern.Instead of manganese, the alloy can contain 1: 1 nickel as well as up to 1% titanium, up to 10% molybdenum and up to 10% tungsten contained individually or side by side. The titanium works in Form of its nitride, carbide and oxide as nucleating agents, while tungsten and molybdenum the matrix hardness and the warm improve hardness.

Obgleich die Legierung somit geringe Mengen Titankarbid ent halten kann, ist Molybdänkarbid, das als eutektisches Kar bid vorliegt, äußerst unerwünscht. Although the alloy thus contains small amounts of titanium carbide can hold is molybdenum carbide, which as eutectic Kar bid is present, extremely undesirable.

Die hohe Verschleißfestigkeit der Legierung basiert auf ihrer aus Vanadium- und/oder Niobkarbid bestehenden Aus scheidungsphase, da diese beiden Karbide eine wesentlich höhere Härte besitzen als Chromkarbid.The high wear resistance of the alloy is based on their consisting of vanadium and / or niobium carbide divorce phase, since these two carbides are an essential have a higher hardness than chrome carbide.

Infolge ihrer hohen Bildungsenergie werden die Karbide des Vanadiums und des Niobs als Primärkarbide vor allen anderen Karbiden aus der Schmelze ausgeschieden, so daß angesichts des erfindungsgemäß begrenzten Kohlenstoffangebots nicht die Gefahr besteht, daß sich die unerwünschten Karbide des Chroms, Mangans und des Molybdäns bilden.Due to their high educational energy, the carbides of the Vanadium and niobium as primary carbides before all others Carbides excreted from the melt, so that given of the limited supply of carbon according to the invention there is a risk that the unwanted carbides of Form chromium, manganese and molybdenum.

Die Legierung besitzt eine hohe Härte und Verschleißfestig keit, sie erstarrt rißfrei, läßt sich rißfrei verarbeiten und bleibt auch bei einer hohen statischen oder einer dynamischen Belastung rißfrei; ihre Druckbeständigkeit und mechanische Wechselbeanspruchung ist ausgezeichnet. Die Le gierung ist zudem koagulationsbeständig, wie ein sechsund neunzigstündiges Glühen bei 600°C erwiesen hat. Außerdem eignet sich die Legierung zum Auftragschweissen ohne Vorwär men; sie erlaubt - im Gegensatz zu herkömmlichen Hartlegie rungen - das Auftragen von mehr als drei Lagen.The alloy is extremely hard and wear-resistant speed, it solidifies without cracks, can be processed without cracks and stays with a high static or one dynamic load without cracks; their pressure resistance and alternating mechanical stress is excellent. The Le Alloy is also resistant to coagulation, like a six has proven ninety hours of annealing at 600 ° C. Furthermore the alloy is suitable for surfacing without preheating men; it allows - in contrast to conventional hard alloy stakes - the application of more than three layers.

Claims

1. Chromium-carbon-iron alloy with
3 to 20% chromium,
3 to 20% manganese,
2 to 30% vanadium and / or niobium,
Remainder carbon and iron,
whose carbon content corresponds at least to the carbidically bound carbon and whose matrix contains 5 to 15% chromium and / or manganese.

2. Alloy according to claim 1, but up to 1% titanium, up to 10% tungsten, up to 10% molybdenum, up to 1.5% copper, up to 1.8% boron and up to 6% silicon individually or in addition contains each other.

3. Alloy according to claim 1 or 2, but instead Manganese contains nickel in a ratio of 1: 1.

4. Alloy according to one of claims 1 to 3, characterized characterized in that the volume fraction of the vanadium and / or the niobium carbide is 10 to 80%.

5. Use of an alloy according to one of claims 1 to 4 as a material for objects with at least wear-resistant surface.

6. Use of an alloy according to claim 1 or 2 as Additional material for welded layers.