NO131301B

NO131301B -

Info

Publication number: NO131301B
Application number: NO2152/72A
Authority: NO
Inventors: Michel Feltz
Original assignee: Michel Feltz
Priority date: 1971-06-29
Filing date: 1972-06-16
Publication date: 1975-01-27
Also published as: JPS527406B1; LU63431A1; SE408806C; FI60241B; IT959133B; ZA723826B; BE785431A; CA990105A; DE2230864A1; DE2230864C3; NO131301C; US3834950A; GB1390011A; FI60241C; BR7204244D0; DE2230864B2; AU470081B2; AU4316372A; OA04125A; SE408806B

Description

Varmebehandlede støpte jernlegeringer. Heat treated cast iron alloys.

Den foreliggende oppfinnelse angår varmebehandlede støpte jernlegeringer med stor slitestyrke, inneholdende karbon og krom som hovedlegeringsbestanddeler, idet disse er sammenknyttet ved relasjonen: 11 ^ %Cr - 8x%C 2s 16. The present invention relates to heat-treated cast iron alloys with high wear resistance, containing carbon and chromium as main alloy constituents, these being linked by the relation: 11 ^ %Cr - 8x%C 2s 16.

Til grunn for den foreliggende oppfinnelse ligger den oppgave The present invention is based on that task

å gi anvisning på jernlegeringer av ovenstående art som har ypperlige egenskaper når det gjelder å motstå både slitasje, korrosjon, oksyda- - sjon i varme og gjentatte støt. to give instructions on iron alloys of the above kind which have excellent properties when it comes to resisting wear, corrosion, oxidation in heat and repeated shocks.

Spesielt er der tatt sikte på å fremskaffe legeringer som egner seg godt for fremstilling av knuse- og nedmalingslegemer (malekuler, sylindriske pebs...); panserplater, diverse slitestykker, slitebelegg, turbindeler, pumper, deler av sorterapparater, staver til stekerister osv. In particular, the aim has been to obtain alloys that are well suited for the production of crushing and grinding bodies (grinding balls, cylindrical pebs...); armor plates, various wear parts, wear coatings, turbine parts, pumps, parts of sorting devices, rods for grills, etc.

Det er velkjent at stykkene, enten det dreier seg om panserplater eller spesielt om malekuler, ved nedmaling i tørt eller fuktig miljø blir underkastet et kompleks av ytterst krevende betingelser. Oppfinnelsen vil derfor bli beskrevet i forbindelse med male-legemer, som legeringene ifølge oppfinnelsen har vist seg særlig gunstige for. Imidlertid må det forstås at jernlegeringene ifølge oppfinnelsen på ingen måte er begrenset til denne spesielle anvendelse, men tvertimot kan finne et stort antall anvendelser på forskjellige felter, som dem der er omtalt ovenfor. It is well known that the pieces, whether it concerns armor plates or especially paintballs, are subjected to a complex of extremely demanding conditions when painting in a dry or moist environment. The invention will therefore be described in connection with paint bodies, for which the alloys according to the invention have proven particularly favorable. However, it must be understood that the iron alloys according to the invention are in no way limited to this particular application, but on the contrary can find a large number of applications in different fields, such as those mentioned above.

Mange industrielle produkter, som mineraler, kull, koks, sand, fosfater m.v. nedmales med kulemøller. Disse møllers arbeide med kuler av kjente former for støpejern og stål medfører imidlertid ved slitasje et stort forbruk av kulene, fra noen gram til flere kilogram kuler pr. tonn knust gods. Many industrial products, such as minerals, coal, coke, sand, phosphates, etc. ground down with ball mills. However, these millers' work with balls of known forms of cast iron and steel results in a large consumption of the balls due to wear, from a few grams to several kilograms of balls per tons of crushed goods.

Skjønt tallrike undersøkelser har vist at det for å få male-legemer med ypperlig slitestyrke var nødvendig å gjøre bruk av legeringer med høyt karboninnhold og inneholdende mest mulig av karbider, har det hittil ikke vært mulig å øke karbidinnholdet i de legeringer som normalt benyttes til fremstilling av malelegemene, på grunn av et opptredende eutektikum i tilstandsdiagrammet for Fe-C eller Fe-C-Cr. Således er lavlegerte lyse støpestål, f.eks. med krominnhold fra Although numerous investigations have shown that in order to obtain grinding bodies with excellent wear resistance it was necessary to use alloys with a high carbon content and containing as much carbide as possible, it has not been possible up to now to increase the carbide content in the alloys that are normally used for production of the grinding bodies, due to an appearing eutectic in the phase diagram for Fe-C or Fe-C-Cr. Thus, low-alloy light cast steels, e.g. with chromium content from

0 til 10%, begrenset til et innhold av karbider Fe3C litt over 50%. Vil man overstige dette karbidinnhold ved å støpe en overeutektisk legering, får man malelegemer som er så sprøde at de brister straks de tas i bruk, idet deres mekaniske egenskaper og elastisitet ikke lenger er tilstrekkelige til å utholde de gjentatte støt som malelegemene blir utsatt for. Støpestål svakt legert med krom, dvs. fra 10 til 30%, som blir benyttet mere og mere på grunn av sin store hardhet i martensitisk tilstand, er med hensyn til sitt innhold av krom-karbider av typen (FejCr^C^ begrenset til omtrent 35%. Disse støpestål har karbider som er hardere enn cementitten (Fe3C) i de lavere legerte støpestål, men den karbidmengde som maksimalt kan tillates uten å gjøre legeringen for sprø, er påtagelig mindre. Forsøker man å øke karbidinnholdet i disse høylegerte støpestål ved å støpe en overeutektisk legering, får man likeledes malelegemer som er så skjøre at de brister så snart de tas i bruk, av de samme grunner som omtalt ovenfor. 0 to 10%, limited to a content of carbides Fe3C slightly above 50%. If you want to exceed this carbide content by casting an overeutectic alloy, you get grinding bodies that are so brittle that they burst as soon as they are put into use, as their mechanical properties and elasticity are no longer sufficient to withstand the repeated impacts to which the grinding bodies are exposed. Cast steel lightly alloyed with chromium, i.e. from 10 to 30%, which is used more and more due to its great hardness in the martensitic state, is limited to approx. 35%. These cast steels have carbides that are harder than the cementite (Fe3C) in the lower alloy cast steels, but the maximum amount of carbide that can be allowed without making the alloy too brittle is considerably less. Attempts are made to increase the carbide content in these high alloy cast steels by casting an overeutectic alloy, one also obtains grinding bodies which are so fragile that they break as soon as they are put into use, for the same reasons as discussed above.

Hensikten med oppfinnelsen er å gi anvisning på jernlegeringer av den innledningsvis angitte art som gjør det mulig å oppnå meget høye innhold av harde primære kromkarbider i en martensitisk grunnmasse, og som dermed har en sterkt forbedret slitestyrke i forhold til de kjente legeringer, og det under bibehold av så gode mekaniske egenskaper og så stor elastisitet at de utholder gjentatte støt som dem de blir utsatt for i malelegemer i kulemøller. The purpose of the invention is to provide guidance on iron alloys of the kind indicated at the outset which make it possible to achieve very high contents of hard primary chromium carbides in a martensitic base mass, and which thus have a greatly improved wear resistance compared to the known alloys, and that under retention of such good mechanical properties and such great elasticity that they withstand repeated shocks such as those to which they are subjected in grinding bodies in ball mills.

I henhold til oppfinnelsen oppnås dette resultat ved at legeringene har følgende sammensetning i vektprosent: According to the invention, this result is achieved by the alloys having the following composition in percentage by weight:

rest jern med vanlige innhold av forurensninger, vesentlig bestående av svovel og fosfor opp til 0,15%, at legeringene har vært herdet fra en temperatur mellom 1025 og 1150°C slik at de får en metallografisk struktur inneholdende eutektiske og overeutektiske kromkarbider og en matriks som er fri for sekundære karbider og utgjør en hovedsakelig martensitisk fast oppløsning uten ferrit, og at de varmebehandlede legeringer har en hardhet av minst 60 Rc i Rockwell "C"-skala. residual iron with a normal content of impurities, mainly consisting of sulfur and phosphorus up to 0.15%, that the alloys have been hardened from a temperature between 1025 and 1150°C so that they obtain a metallographic structure containing eutectic and overeutectic chromium carbides and a matrix which is free of secondary carbides and constitutes a predominantly martensitic solid solution without ferrite, and that the heat-treated alloys have a hardness of at least 60 Rc on the Rockwell "C" scale.

Man har iakttatt at legeringene innen dette sammensetningsområde har kromkarbider overveiende av typen (FejCr^^Cg med relativt liten It has been observed that the alloys within this composition range have chromium carbides predominantly of the type (FejCr^^Cg with relatively small

dimensjon og dermed intimt forbundet med grunnmassen. Oppfinnelsen gjør det således mulig ved støpning å realisere kromstøpestål med innhold av kromkarbider fra 35 og opp til 85% og med en overeutektisk struktur som opptas fullkomment i grunnmassen, og ypperlig egnet for fremstilling dimension and thus intimately connected with the ground mass. The invention thus makes it possible by casting to realize chrome cast steel with a content of chrome carbides from 35 and up to 85% and with an overeutectic structure that is completely absorbed in the base mass, and perfectly suitable for manufacturing

av malelegemer uten noen som helst fare for at disse skal knuses. of grinding bodies without any danger of them being crushed.

Ved vanlige innhold av forurensninger forstås svovelinnhold av størrelsesorden 0,01 til 0,15% og fosforinnhold av størrelsesorden 0,01 til 0,15%. By normal content of pollutants is understood a sulfur content of the order of 0.01 to 0.15% and a phosphorus content of the order of 0.01 to 0.15%.

I rå tilstand fra støpet har disse legeringer en stort sett ferritisk grunnmasse og en hardhet som kan variere mellom 30 og 4 5 Rc i Rockwell "C"-skala, alt etter innholdet av primære karbider. Takket være denne struktur lar legeringene seg lett bearbeide. Til tross for sin ferritiske struktur i rå tilstand kan legeringene utmerket godt undergå den etterfølgende herdende varmebehandling for omdannelse av ferriten til hard martensit, takket være en austenitisering i temperaturområdet mellom 1,025 og 1,150°C. Varigheten av austenitiserings-behandlingen kan hensiktsmessig utgjøre mellom 1 og 5 timer alt etter størrelsen av stykkene som behandles, og avkjølingen kan skje med beveget eller stille luft. Etter herdingen er hardheten av legeringene i Rockwell "C"-skala lik eller i regelen høyere enn 60 Rc og kan i gunstigste tilfelle gå opp i 63 til 66 Rc. In the as-cast state, these alloys have a largely ferritic groundmass and a hardness that can vary between 30 and 45 Rc on the Rockwell "C" scale, depending on the content of primary carbides. Thanks to this structure, the alloys are easy to process. Despite their ferritic structure in the raw state, the alloys can very well undergo the subsequent hardening heat treatment to transform the ferrite into hard martensite, thanks to austenitization in the temperature range between 1,025 and 1,150°C. The duration of the austenitising treatment can conveniently be between 1 and 5 hours, depending on the size of the pieces being treated, and the cooling can be done with moving or still air. After hardening, the hardness of the alloys in the Rockwell "C" scale is equal to or usually higher than 60 Rc and in the most favorable case can go up to 63 to 66 Rc.

Under austenitiseringen foregår der en utveksling av karbon During austenitization, an exchange of carbon takes place

og krom mellom de primære karbider og grunnmassen ved at karbon fra karbidene går til grunnmassen og krom fra grunnmassen går til karbidene. Man har iakttatt at strukturen av de i legeringen forekommende overeutektiske karbider under denne utveksling omdanner seg i det minste ved overflaten, noe som vil kunne forklare den gode vedheftning til grunnmassen. and chromium between the primary carbides and the base mass in that carbon from the carbides goes to the base mass and chromium from the base mass goes to the carbides. It has been observed that the structure of the overeutectic carbides present in the alloy changes during this exchange at least at the surface, which could explain the good adhesion to the base material.

Fra norsk patentskrift nr. 128 541 er der kjent legeringer hvor også innholdet av krom og karbon er sammenknyttet ved relasjonen 11 ^ %cr - 8x%C ^16. Imidlertid gir det nevnte patentskrift ikke anvisning på karboninnhold og krominnhold som tillater nærvær av overeutektiske karbider. Videre gir heller ikke det norske patentskrift noen anvisning på at herdingen skal utføres på en slik måte at den metallografiske struktur inneholder eutektiske og overeutektiske kromkarbider innleiret i en rnatriks som utgjør en hovedsakelig martensitisk fast oppløsning uten ferrit. From Norwegian patent document no. 128 541 alloys are known where the content of chromium and carbon is also linked by the relation 11 ^%cr - 8x%C ^16. However, the said patent document does not give an indication of carbon content and chromium content which allows the presence of overeutectic carbides. Furthermore, the Norwegian patent does not give any instructions that the hardening should be carried out in such a way that the metallographic structure contains eutectic and overeutectic chromium carbides embedded in a matrix which constitutes a mainly martensitic solid solution without ferrite.

Ved legeringene ifølge oppfinnelsen er den metallografiske struktur fri for sekundære krom-karbider, og nærværet av overeutektiske karbider i den metallografiske struktur, hvor de er tett bundet til matriksen, øker i vesentlig grad karboninnholdet i legeringen og derved legeringens slitestyrke. Det skal i denne forbindelse nevnes at det har vært en almen oppfatning at nærvær av overeutektiske karbider ville gi en altfor sprø legering, slik det faktisk også er tilfellet dersom man går frem ifølge den kjente teknikk. In the alloys according to the invention, the metallographic structure is free of secondary chromium carbides, and the presence of overeutectic carbides in the metallographic structure, where they are tightly bound to the matrix, significantly increases the carbon content in the alloy and thereby the alloy's wear resistance. It should be mentioned in this connection that it has been a general opinion that the presence of overeutectic carbides would give an excessively brittle alloy, as is actually also the case if one proceeds according to the known technique.

Mikrostrukturen av en slik legering etter herding er vist på fig. 1 i forstørrelse 200 og på fig. 2 i forstørrelse 500. Denne mikro-struktur viser de overeutektiske og eutektiske primære karbider såvel som den martensitiske grunnmasse eller faste oppløsning, som også inneholder en viss mengde resterende austenit, men ikke inneholder ferrit. The microstructure of such an alloy after hardening is shown in fig. 1 in magnification 200 and in fig. 2 at magnification 500. This micro-structure shows the overeutectic and eutectic primary carbides as well as the martensitic groundmass or solid solution, which also contains a certain amount of residual austenite, but does not contain ferrite.

Ved at disse legeringer ikke inneholder sekundære karbider, får de bedre korrosjonsmotstand, f.eks. under nedmaling i fuktig miljø. I den forbindelse skal det påpekes at ikke noe hittil kjent martensitisk støpestål er fritt for sekundære karbider. As these alloys do not contain secondary carbides, they have better corrosion resistance, e.g. during painting in a humid environment. In this connection, it should be pointed out that no martensitic cast steel known to date is free of secondary carbides.

Etter herding i beveget eller rolig luft kan legeringene under-kastes en anløpning i temperaturområdet 100 til 300°C for fjernelse av gjenværende spenninger. For å minske restinnholdet av austenit er det undertiden å anbefale å la herdingen følges av en anløpning i området 450 til 500°C eller av en kuldebehandling som kan gå ned til -200°C. After hardening in moving or still air, the alloys can be subjected to annealing in the temperature range 100 to 300°C to remove residual stresses. In order to reduce the residual content of austenite, it is sometimes recommended to let the hardening be followed by a tempering in the range of 450 to 500°C or by a cold treatment which can go down to -200°C.

I tilfellet av at man utfører en kuldebehandling, kan spen-ningene selvsagt også fjernes ved en anløpningsbehandling i det oven-nevnte temperaturområde. In the case of carrying out a cold treatment, the stresses can of course also be removed by a tempering treatment in the above-mentioned temperature range.

En særlig foretrukken sammensetning i henhold til oppfinnelsen innenfor det angitte område er karakterisert ved analysen: A particularly preferred composition according to the invention within the specified range is characterized by the analysis:

C = 3% C = 3%

Cr = 37% Cr = 37%

Mn = 0,5% Mn = 0.5%

Si = 0,4% Si = 0.4%

Mo = 0 til 2,5% Mo = 0 to 2.5%

Nb = 0 til 2,5% Nb = 0 to 2.5%

rest vesentlig jern med små mengder forurensninger som fosfor og svovel. Denne legerings mekaniske egenskaper og slagstyrke er langt overlegne sammenholdt med dem hos lyse perlitiske støpestål og i det minste jevn-gode med eller til og med litt bedre enn dem hos lyse martensitiske nikkel-krom-støpestål som er kjent under navnet Ni-Hard. Legeringens slitestyrke er samtidig klart forbedret i forhold til hittil kjente legeringer. Forsøk med kuler laget med denne foretrukne legeringssammensetning og roterende tomt (uten gods) i en laboratoriemølle viste ingen nedbrytning ved knusing eller avskalling selv under prøvetider på flere tusen timer. residual substantial iron with small amounts of impurities such as phosphorus and sulphur. The mechanical properties and impact strength of this alloy are far superior to those of bright pearlitic cast steels and at least equal to or even slightly better than those of bright martensitic nickel-chromium cast steels known as Ni-Hard. At the same time, the wear resistance of the alloy is clearly improved compared to previously known alloys. Tests with balls made with this preferred alloy composition and rotating blank (without stock) in a laboratory mill showed no degradation by crushing or spalling even under test times of several thousand hours.

Andre sammensetninger av jernlegeringer i henhold til oppfinnelsen med enda bedre slitestyrke, om enn ikke fullt så gode når det gjelder mekaniske egenskaper og slagstyrke, i forhold til den angitte foretrukne legeringssammensetning er kjennetegnet ved analysene: C = 3,5% Other compositions of iron alloys according to the invention with even better wear resistance, although not quite as good in terms of mechanical properties and impact strength, in relation to the specified preferred alloy composition are characterized by the analyses: C = 3.5%

Cr = 41% Cr = 41%

Mn = 0,5% Mn = 0.5%

Si = 0,4% Si = 0.4%

Mo = 0 til 2,5% Mo = 0 to 2.5%

Nb = 0 til 2,5% Nb = 0 to 2.5%

og and

C = 4% C = 4%

Cr = 4 5% Cr = 4 5%

Mn = 0,5% Mn = 0.5%

Si = 0,4% Si = 0.4%

Mo = 0 til 2,5% Mo = 0 to 2.5%

Nb = 0 til 2,5% Nb = 0 to 2.5%

rest i begge tilfeller vesentlig jern med små mengder forurensninger som fosfor og svovel. In both cases, the remainder is essentially iron with small amounts of impurities such as phosphorus and sulphur.

Ved å velge sammensetninger enten med molybden i mengder mellom By choosing compositions either with molybdenum in amounts between

0 og 2,5% eller med niob i mengder mellom 0 og 2,5% har således de følgende sammensetninger gitt ypperlige resultater: 0 and 2.5% or with niobium in amounts between 0 and 2.5%, the following compositions have thus produced excellent results:

C = 3% C = 3%

Cr = 36% Cr = 36%

Mn = 0,5% Mn = 0.5%

Si = 0,4% Si = 0.4%

Mo = 1,5% Mo = 1.5%

og and

C = 3% C = 3%

Cr = 35% Cr = 35%

Mn = 0,5% Mn = 0.5%

Si = 0,4% Si = 0.4%

Nb = 1% Nb = 1%

rest i begge tilfeller igjen vesentlig jern med små mengder forurensninger som fosfor og svovel. In both cases, substantial iron remains with small amounts of impurities such as phosphorus and sulphur.

Den nedenstående tabell gjengir resultatene av nedslitnings-forsøk utført med vanlige kuler som er fremstilt med de ovenstående sammensetninger, i en kvartssandmølle: The table below reproduces the results of wear tests carried out with ordinary balls made with the above compositions, in a quartz sand mill:

Som tabellen viser," har legerings-sammensetningene en slitestyrke som er langt bedre enn ved tidligere kjente legeringer. Videre har de ypperlig slitestyrke under slike korroderende betingelser som f.eks. foreligger ved våt nedmaling av malmer, og også under slike betingelser for oksydasjon i varme som foreligger ved nedmaling av visse slagger. As the table shows, the alloy compositions have a wear resistance that is far better than previously known alloys. Furthermore, they have excellent wear resistance under such corrosive conditions as, for example, exist in wet grinding of ores, and also under such conditions for oxidation in heat present when grinding down certain slags.

Legeringene ifølge oppfinnelsen er således klart fordelaktige når man sammenligner dem med de legeringer som for tiden brukes i berg-verksindustrien for fremstilling av malekuler, og utgjør dermed et betydelig fremskritt. The alloys according to the invention are thus clearly advantageous when compared with the alloys currently used in the mining industry for the production of grinding balls, and thus constitute a significant advance.

Det bør nevnes at de prosentverdier som er angitt i denne be-skrivelse og i patentkravene, alltid betyr vektprosent. It should be mentioned that the percentage values stated in this description and in the patent claims always mean percentage by weight.

Claims

1. Heat-treated cast iron alloys with high wear resistance, containing carbon and chromium as main alloy constituents, these being linked by the relation: 11 — %Cr - 8x%C — 16, characterized in that the alloys have the following composition in percentage by weight: residual iron with a normal content of impurities, mainly consisting of sulfur and phosphorus up to 0.15%, that the alloys have been hardened from a temperature between 1025 and 1150°C so that they obtain a metallographic structure containing eutectic and overeutectic chromium carbides and a matrix which is free of secondary carbides and constitutes a predominantly martensitic solid solution without ferrite, and that the heat-treated alloys have a hardness of at least 60 Rc on the Rockwell "C" scale.

2. Alloys as stated in claim 1, characterized in that they mainly have the following content: C = 3% Cr = 37% Mn = 0.5% Si = 0.4% Mo = 0 to 2.5% Nb = 0 to 2.5% residual iron with a normal content of impurities.

3. Alloys as stated in one of claims 1 or 2, characterized in that the hardening treatment is followed by a cold treatment at temperatures which can reach down to -200°C.

4. Alloys as stated in claim 1, 2 or 3, characterized in that the hardening treatment, resp. the hardening treatment and the cold treatment, is followed by a stress-relieving heat treatment at a temperature between 100 and 300°C.

5. Alloys as specified in claim 1 or 2, characterized in that, after the hardening treatment, they are exposed to a heat treatment at a temperature between 450 and 550°C.