NO128541B - - Google Patents

Description

Jernlegering.

Den foreliggende oppfinnelse angår jernlegeringer som omfatter karbon, krom og eventuelt molybden som vesentlig legerende elementer og egner seg spesielt til fremstilling av stopedeler som er utsatt for slipning og gjentatte slag i nærvær av et korroderende miljo. Det dreier seg således om legeringer som egner seg for maleelementer, som kuler og stenger, og for slitesterke konstruksjonsde-ler, som foringsplater til moller og knusere, knusekjever m.v. som skal utsettes for sterk slipevirkning og gjentatte slag i nærvær av et væskeformet fuktig miljo, eventuelt inneholdende varme gasser og korroderende agenser, og spesielt for maling i et fuktig miljo, her-under samtidig maling og torking.

I industrier med nedmaling på våt vei har man forsokt å bruke spesielle stopejern og stål som er kjent å ha ypperlige slite-egenskaper ved maling på torr vei. F.eks. har der vært foreslått

stopejern med 4$ nikkel og 1,5$ krom som råstop med eller uten anlop-ning, herdede stopestål med 12$ krom, stopejern med 5$ krom og 3$ molybden som råstop eller herdet, stopejern med 26$ krom som råstop eller herdet så vel som austenitisk stål med 2% > mangan. For det meste har disse legeringer ikke vist seg okonomiske, så meget mer som man for nærværende som maleeleraenter benytter de billigst mulige materia-ler, som vanlig stål, svaktlegerte hvite perlitiske stopejern og under tiden til og med malmstykker, kiselblokker og rullesten fra strand-bredd av elver og hav. Man foretrekker således å fylle mollene med disse billige maleelementer påny med regelmessige mellomrom, siden det ikke lar seg gjore å skaffe et materiale med tilstrekkelig slitestyrke til konkurransedyktig pris.

Legeringen ifolge oppfinnelsen utgjor spesial-stål og spesial-stopejern med hoyt innhold av legeringselementer, særlig krom.. Den er i forste rekke karakterisert ved at det totale innhold i vektprosent av karbon og krom i legeringen er fastsatt ved forholdet 11 ^ % Cr - '8x$C - 16, det totale innhold i vektprosen av molybden er fra 0 - 4$>°g den resterende vektprosent hovedsakelig er jern med unntagelse av urenheter slik som fosfor og svovel og lignende samt ingredienser slik som mangan og silisium, hvilke ingredienser er velg-bare tillegg som er kjent i fremstillingen av kommersielt stopejern, at jernlegeringen er utsatt for en herdende varme-behandling fra en temperatur mellom 1075 og 1175°C slik at legeringen får en metallografisk struktur som består av en i de vesentlige martensitisk fast opp-løsning uten ferrit og omfatter primære og eventuelle sekundære krom-karbider,

at den faste opplosning inneholder fra 0,30 - 0,45$ karbon og krom og molybden gitt ved forholdet: % > krom i den faste opplosning + $ molybden = 14 - l8$,

og at legeringen efter herding har en Rockwell "C" hårdhet lik eller over 50 Rc.

Takket være sin ypperlige slitestyrke, særlig under de ovenfor omtalte betingelser, kan legeringene ifolge oppfinnelsen konkurre-re okonomisk med de maleelementer som hittil har vært benyttet ved ar-beide under de samme betingelser.

Det er kjent at slitasje ved fuktig nedmaling avhenger=av to viktige faktorer, dels slipevirkningen og dels en viss form for korrosjon.

For å motstå slipevirkningen må der brukes stål eller stopejern med hoyt innhold av karbon og karbider, fortrinnsvis i herdet tilstand.

For å motstå korrosjon behoves hoye krominnhold.

Skjont disse to forhold er velkjente, har legeringer med hoyt karbon- og hoyt krominnhold hittil ikke vært mer brukt enn stopejern og stål med lavere krominnhold og/eller legert med andre elementer, som nikkel, mangan, nemlig fordi det ikke har vært mulig å kombinere et egnet valg av legeringenes sammensetning med egnede termiske behand-linger for å oppnå de beste resultater som er forenelige med lonnsomme produksjonsbetingelser.

Dette lykkes imidlertid i henhold til oppfinnelsen når man nettopp innen området av legeringer med hoyt krominnhold velger sammensetninger som tilfredsstiller de ovenfor angitte kriterier, og be-handler dem termisk som angitt, hvorved de får spesielle egenskaper som setter dem i stand til på tilfredsstillende måte å utholde på-kjenningene under fuktig nedmaling.

Forskjellige utforelsesformer som i samsvar med oppfinnelsen gjor det mulig å reaHsare de angitte kriterier, vil i det folgende bli beskrevet under henvisning til diagrammene på tegningen. Fig. I viser grensene for de foretrukne legeringssammenset-ninger som oppfyller oppfinnelsens betingelser. Fig. II viser variasjonen i nedslitningen av malekuler av et stopejern som inneholder primære karbider og en grunnmasse eller fast opplosning inneholdende 0,4$ karbon i martensitisk tilstand, som funksjon av krominnholdet i fast opplosning. Fig. III viser et snitt ved 2$ karbon i diagrammet ifolge Bungardt, Kunze & Horn, hvor der er angitt en spesiell foretrukken legering ifolge oppfinnelsen. Fig. IV viser områdene for molybdeninnhold som benyttes som tilsetningselement.

Området for inneholdene av karbon og krom i de foretrukne legeringer ifolge oppfinnelsen er angitt på fig. I som et diagram med karboninnholdet som abscisse og krominnholdet som ordinat.

Krominnholdet ligger innenfor firkanten ABCD med hjornekoor-dinatene A = 0,5C, 20 Cr: B = 2,4C, 35 Cr; C = 2,8 C, 33 Cr; D = 0,5C, 15 Cr. Selvsagt inneholder disse legeringer slike elementer som normalt forekommer i små mengder i legeringer av denne type, som mangan og silisium, eller forekommer som forurensninger, som svovel, fosfor m.v.

En forste utforelsesform for oppfinnelsen består i innenfor firkanten ABCD å velge en sammensetning begrenset av firkanten CDEF for underkaste den - herdende avkjøling i luftblest eller stille luft fra en temperatur mellom 1075 og 1150°C. Velger man f.eks. en legering med

2% C, 29% Cr, 0,4% Si, 0,4% Mn, 0, 06% S og 0,06% P, vil denne etter herdningen ha en hårdhet mellom 60 og 64 Rc og en struktur som utgjøres av primære og sekundære kromkarbider og en fast oppløsning som oppfyller de tre ovennevnte kriterier. Videre er relasjonen llé%Cr- 8%C £=16 godt overholdt.

En måte å skaffe enda bedre egenskaper på består i å gjennom-føre herdningen ved en behandling i kulde som kan gå ned til-l80°C, slik at en del av den resterende austeriit blir omdannet til martensit, og dermed realisere en større hårdhet og en større motstand mot deforma-sjon av strukturen under virkningen av slag. På denne måte blir de oksyder som uunngåelig danner seg på overflaten av stykkene, mindre lett fjernet under virkningen av slag, og dette gir stykkene en bedre slitestyrke.

Ved en slitasjeprøve i en kulemølle ga denne legering en nedslitning som bare var omtrent halvparten av den for en legering med 26% krom og 2, 7% karbon.

Det er her på sin plass å nevner at legeringene med 30% krom

i og for seg er velkjente, men at de for tiden fremstilles etter kriterier forskjellige fra de ovennevnte.

Disse legeringer er generelt av to typer, nemlig:

enten støpejern med ferritisk struktur, som anvendes på grunn av sin gode motstandsdyktighet mot korrosjon eller oksydasjon i varme (opptil 1050°C), eller støpejern med martensitisk eller austenitisk struktur eller også med blandet struktur, altså sammensatt av store mengder av både austenit og martensit.

Typiske analyser for støpejern av den førstnevnte type er f.eks.: enten 1 - 1, 5% C, 30% Cr, 0, 5% Si, 0, 5% Mn og fra 0 til 2-,5% Al,

eller 2% C, 30% Cr, 2,25% Si og 0,6% Mn.

De har i fast oppløsning fra 0,01 til 0,05% C og fra 12,5 til 17,5% Cr. Denne faste oppløsning er ferritisk. Total hårdhet av disse støpejern er fra 20 - 30 Rc.

Støpejernene av den annen type har f.eks. som analyse 2,7 ■-3% C, 27 - 30% Cr, 0,5% Si og 0,5% Mn. De har i fast oppløsning enten 0,7 - 0,9% C og 16 - 18% Cr når de har austenitisk struktur, eller 0,4 - 0,5% C og 12 - 13%' Cr når de har martensitisk struktur.

Det ses at ingen av disse to typer av legeringer tilfredsstiller de fire ovenfor anførte kriterier samtidig.

På fig. II er det vist hvorledes nedslitningen av malekuler varierer ved støpejern som har primære kromkarbider og en fast opp-løsning inneholdende 0,4% C i martensitisk tilstand, som funksjon av krominnholdet i fast oppløsning. Man ser at nedslitningen er minimal for et krominnhold mellom 14 og 18% og avtar når krominnholdet stiger videre fra 14 til 18%. Fra og med 18% begynner ferriten å vise seg i strukturen med en sterkt øker nedslitning som følge. Nedslitningen er maksimal for en fullstendig ferritisk struktur. Øker man krominnholdet ytterligere, minker nedslitningen svakt påny, da kromet har en økende virkning på ferritens hårdhet.

En annen utførelsesform, som gjør det mulig under visse betingelser å oppnå gunstigere resultater,består i innenfor firkanten BACD å velge en sammensetning innenfor firkanten ABGH og underkaste den herdende avkjøling i beveget eller stille luft fra en temperatur mellom 1075 og 1175°C. F.eks. kan man velge en legering med følgende sammensetning: 2% C, 31,25% Cr, 0,4% Si, 0,4% Mn, 0,06% P og 0,06% S.

Denne legering er angitt med en stiplet linje på fig. III,

som er et snitt ved 2% C i diagrammet ifølge Bungardt, Kunze & Horn.

I en slik legering er den første fase som stivner,ferriten. Man får dermed en struktur som inneholder primære kromkarbider og en grunnmasse som ikke inneholder sekundære karbider. På denne måte unngår man galvaniske elementer mellom sekundære karbider og grunnmasse under bruk av disse legeringer i vandig miljø. Under den etterfølgende herdnings-behandling opptrer de sekundære karbider ikke. I herdet tilstand er strukturen idst vesentlige martensitisk og fri for f errit. Total hårdhet av denne legering er 60 - 64 Rc.

Også i dette tilfelle kan herdningen fordelaktig oppnås ved en behandling i kulde, som kan gå ned til -l80°C, for å omdanne en del av den resterende austenit til martensit av de ovenfor angitte grunner.

Under et forsøk i kulemølle viste denne legering en nedslitning omtrent 2,5 ganger mindre enn en støpelegering med 26% Cr og 2,7% C.

Legeringer hvis sammensetning ligger innenfor firkanten EFOH, kan ha eller ikke ha sekundære karbider, alt etter innholdet av Mn, Si, S og P som stadig er tilstede i legeringene, og alt etter innholdet av Ni, Cu, Mo, W, V, Si m.v. som kan være tilfeldig tilstede.

; En tredj.e utførelsesform, som gjør 'det mulig å oppnå ypperlige resultater, består i å erstatte en del av krominnholdet i fast oppløsning med molybden i samsvar med ligningen

% Cr i grunnmassen + % Mo = 14 - 18%,

samtidig som andelen av krom i fast oppløsning skal være 14%, d.v.s.

at molybdeninnholdet ligger mellom 0 og 4%.

De tre øvrige ovennevnte kriterier må selvsagt også overholdes.

Fig. IV viser innenfor firkanten ABCD fire soner som er be-tegnet med I - IV, og for hver av disse er der angitt de molybdeninnhold som tilsvarer de ovennevnte betingelser.

Et første eksempel på denne tredje utførelsesform for oppfinnelsen består i innenfor firkanten ABCD å velge en sammensetning innenfor firkanten MCDN (sone I) og underkaste den en herdende av-kjøling i beveget eller stille luft fra en temperatur mellom 1075 og 1125°C. Velger man f.eks. en legering med 2% C, 27% Cr, 3% Mo, 0,4% Si, 0,4% Mn,' 0,06% P og 0,06% S, så har denne etter herdning omtrent 0,40%C, 14% Cr og 3% Mo i fast oppløsning om man antar at molybdenet fordeler seg jevnt mellom de primære karbider og grunnmassen resp. den faste oppløsning. Strukturen er sammensatt av primære og sekundære kromkarbider og en fast oppløsning som hovedsakelig er martensitisk og fri for ferrit. Total hårdhet av en slik legering etter herdning er 63 - 67 Rc.

Et annet eksempel på denne tredje utførelsesform for oppfinnelsen består i innenfor firkanten ABCD å velge en sammensetning i firkanten KMNL (sone II) og underkaste den en herdende avkjøling fra en temperatur mellom 1075 og ll40°C. Velger man f.eks. en legering med 2% C, 28,6% Cr, 2% Mo, 0,4% Si, 0,4% Mn, 0,06% P og 0,06% S, så har' denne etter herdning 0,32% C, 15,2% Cr og 2% Mo i fast oppløsning om man antar at molybdenet fordeler seg jevnt mellom karbidene og grunnmassen. Strukturen er sammensatt av primære og sekundære kromkarbider og en hovedsakelig martensitisk og ferritfri fast oppløsning. Total hårdhet av en slik støpelegering etter herdning er 62 - 66 Rc.

Et tredje eksempel på denne tredje utførelsesform for oppfinnelsen består i innenfor firkanten ABCD å velge en sammensetning innenfor firkanten IKLJ (sone III) og underkaste den en herdende avkjøl-ing fra en temperatur mellom 1075 og 1175°C. Velger man f.eks. en legering med 2% C,, 29,8% Cr, 1,25% Mo, 0,4% Si, 0,4% Mn, 0,06% p.o<g>'0i,06% S, så har denne etter herdning omtrent 0,35% C, 16,2% Cr og 1,25% Mo i fast oppløsning om man a'ntar at molybdenet fordeler seg jevnt mellom karbidene og grunnmassen. Strukturen er sammensatt av primære og eventuelt

sekundære kromkarbider og en martensitisk og ferritfri fast oppløsning.

Total hårdhet av en slik støpelegering ligger mellom 6l og 65 Rc.

De legeringer hvis sammensetninger ligger innenfor firkanten 'IKLJ, kan-ha eller ikke ha sekundære karbider alt etter innholdet av Mn, Si, S og P, som alltid er tilstede i legeringene, og etter inn-holdende av Ni, Cu, W, V, Si m.v. som kan være tilfeldig tilstede.

Et fjerde eksempel på denne tredje utførelsesform for oppfinnelsen består i innenfor firkanten ABCD å velge en sammensetning innenfor firkanten BUA ('sone IV) og å underkaste den en herdende avkjøling fra en temperatur mellom 1075 og 1175°C. Velger man f.eks. en legering med 2% C, 31,2% Cr, 0,75% Mo, 0,4% Si, 0,4% Mn, 0,06% P

og 0,06% S, så har denne etter herdning omtrent 0,32% C, 17% Cr og 0,75% Mo i fast oppløsning om .man antar at molybdenet fordeler seg jevnt mellom karbidene og grunnmassen. Strukturen er sammensatt av primære kromkarbider og en martensitisk og ferritfri fast oppløsning. Total hårdhet av en slik støpelegering ligger mellom 60 og 64 Rc.

Por de fire eksempler på denne tredje utførelsesform for oppfinnelsen kan man også oppnå enda bedre resultater-*ved å utføre herdningen ved en behandling i kulde, som kan gå ned til -180°C.

Skjønt der i den foreliggende fremstilling i samsvar med vanlig språkbruk tildels er benyttet betegnelsen støpejern for legeringene med høyt krominnhold i henhold til oppfinnelsen, er det ikke meningen ved bruken av denne betegnelse å begrense seg til noen bestemt legering eller noen bestemt sammensetning eller i det hele tatt å inn-føre noen begrensning som ikke fremgår av patentkravene.

Claims (9)

1. Jernlegering som egner seg spe-sielt til fremstilling av stopedeler som er utsatt for slipning og gjentatte slag i nærvær av et korroderende miljo, omfattende karbon, krom og eventuelt molybden som vesentlige legerende elementer, karakterisert ved at det totale innhold i vektprosent av karbon og krom i legeringen er fastsatt ved forholdet 11 % Cr - 8x$C - 16, det totale innhold i vektprosent av molybden er fra 0 - /[.%, og den resterende vektprosent hovedsakelig er jern med unntagelse av urenheter slik som fosfor og svovel og lignende samt ingredienser slik som mangan og silisium,hvilke ingredienser er valgbare tillegg som er kjent i fremstillingen av kommersielt stopejern, at jernlegeringen er utsatt for en herdende varme-behandling fra en temperatur mellom 1075 og 1175° C slik at legeringen får en metallografisk struktur som består av en i det vesentlige martensitisk fast opplosning uten ferrit og omfatter primære og eventuelle sekundære kromkarbider, at den faste opplosning inneholder fra 0,39 ■ 0,45$ karbon og krom og molybden gitt ved forholdet: % krom i den faste opplosning + % molybden = 14 - l8#, og at legeringen efter herding har en Rockwell WC" hårdhet lik eller over 60 Rc.

2. Jernlegering som angitt i krav 1, karakterisert ved at innholdet i vektprosent av krom og karbon i legeringen er begrenset til verdier som ligger innenfor en firkant i et krom - karbon-koordinatdiagram hvis hjornekoordinater er gitt ved:

3. Jernlegering som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at den herdende varmebehandling er efterfulgt av en kuldebehandling ved en temperatur som kan velges så lav som -l8o° C.

4» Jernlegering som angitt i et av kravene 1-3, karakterisert ved at det totale innhold i vektprosent av krom og karbon i legeringen er begrenset til verdier som ligger innenfor en firkant i et krom-karbon-koordinatdiagram hvis hjornekoordinater er : og at legeringen er underkastet en herdende varmebehandling i beveget eller stille luft fra en temperatur mellom 1075° C og 1150° C for å oppnå en metallografisk struktur omfattende primære og sekundære kromkarbider.

5. Jernlegering som angitt i et av kravene 1-3, karakterisert ved at det totale innhold i vektprosent av krom og karbon i legeringen er begrenset til verdier innenfor en firkant i et krom-karbon-koordinatdiagram hvis hjorneverdier er: og legeringen er underkastet en herdende varmebehandling i beveget eller stille luft fra en temperatur mellom 1075° C og 1175° C for å oppnå en metallografisk struktur omfattende primære,men ikke sekundære kromkarbider.

6. Jernlegering som angitt i et av kravene 1-3, karakterisert ved at det totale innhold i vektprosent av krom og karboni i legeringen er begrenset til verdier innenfor en firkant i et krom-karbon-koordinatdiagram hvis hjorneverdier er : og at legeringen er underkastet en herdende varmebehandling i beveget eller stille luft fra en temperatur mellom 1075° C og 1125° C for å oppnå en metallografisk struktur omfattende primære og sekundære krom-karbider.

7. Jernlegering som angitt i et av kravene 1 - 3, karakterisert ved at det totale innhold i vektprosent av krom og karboni i legeringen er begrenset til verdier innenfor en firkant i et krom-karbon-koordinatdiagram hvis hjorneverdier er : at det totale innhold av molybden er mellom 0 og 3%, og at legeringen er underkastet en herdende varmebehandling i beveget eller stille luft fra en temperatur mellom 1075° C og 114-0° C for å oppnå en metallografisk struktur omfattende primære og sekundære kromkarbider.

8. Jernlegering som angitt i et av kravene 1- 3>karakterisert ved at det totale innhold i vektprosert av krom og karbon i legeringen er begrenset til verdier innenfor en firkant i et krom-karbon-koordinatdiagram hvis hjornekoordinater er: at det totale innhold av molybden er mellom 0 og 2%,og at legeringen er underkastet en herdende varmebehandling i beveget eller stille luft fra en temperatur mellom 1075° 0 og 1155° 0 for å oppnå en metallografisk struktur omfattende primære og eventuelt sekundære krom-karbider.

9. Jernlegering som angitt i et av kravene 1-3)karakterisert ved at det totale innhold i vektprosent av krom og karbon i legeringen er begrenset til verdier innenfor en firkant i et krom-karbon-koordinatdiagram hvis hjorneverdier er : at det totale innhold av molybden er mellom 0 og lf0, og at legeringen er underkastet en herdende varmebehandling i beveget eller stille luft fra en temperatur mellom 1075° C og 1175° C for å oppnå en metallografisk struktur omfattende primære, men ikke sekundære krom-karbider.