NO131301B - - Google Patents

Description

Varmebehandlede støpte jernlegeringer.

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.

Til grunn for den foreliggende oppfinnelse ligger den oppgave

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.

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.

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.

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.

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

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.

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.

I henhold til oppfinnelsen oppnås dette resultat ved at legeringene har følgende sammensetning i vektprosent:

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.

Man har iakttatt at legeringene innen dette sammensetningsområde har kromkarbider overveiende av typen (FejCr^^Cg med relativt liten

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

av malelegemer uten noen som helst fare for at disse skal knuses.

Ved vanlige innhold av forurensninger forstås svovelinnhold av størrelsesorden 0,01 til 0,15% og fosforinnhold av størrelsesorden 0,01 til 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.

Under austenitiseringen foregår der en utveksling av karbon

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.

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.

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.

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.

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.

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.

I tilfellet av at man utfører en kuldebehandling, kan spen-ningene selvsagt også fjernes ved en anløpningsbehandling i det oven-nevnte temperaturområde.

En særlig foretrukken sammensetning i henhold til oppfinnelsen innenfor det angitte område er karakterisert ved analysen:

C = 3%

Cr = 37%

Mn = 0,5%

Si = 0,4%

Mo = 0 til 2,5%

Nb = 0 til 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.

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%

Cr = 41%

Mn = 0,5%

Si = 0,4%

Mo = 0 til 2,5%

Nb = 0 til 2,5%

og

C = 4%

Cr = 4 5%

Mn = 0,5%

Si = 0,4%

Mo = 0 til 2,5%

Nb = 0 til 2,5%

rest i begge tilfeller vesentlig jern med små mengder forurensninger som fosfor og svovel.

Ved å velge sammensetninger enten med molybden i mengder mellom

0 og 2,5% eller med niob i mengder mellom 0 og 2,5% har således de følgende sammensetninger gitt ypperlige resultater:

C = 3%

Cr = 36%

Mn = 0,5%

Si = 0,4%

Mo = 1,5%

og

C = 3%

Cr = 35%

Mn = 0,5%

Si = 0,4%

Nb = 1%

rest i begge tilfeller igjen vesentlig jern med små mengder forurensninger som fosfor og svovel.

Den nedenstående tabell gjengir resultatene av nedslitnings-forsøk utført med vanlige kuler som er fremstilt med de ovenstående sammensetninger, i en kvartssandmølle:

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.

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.

Det bør nevnes at de prosentverdier som er angitt i denne be-skrivelse og i patentkravene, alltid betyr vektprosent.

Claims (5)

1. Varmebehandlede støpte jernlegeringer med stor slitestyrke, inneholdende karbon og krom som hovedlegeringsbestanddeler, idet disse er sammenknyttet ved relasjonen: 11 — %Cr - 8x%C — 16, karakterisert ved at legeringene har følgende sammensetning i vektprosent: 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.

2. Legeringer som angitt i krav 1, karakterisert ved at de hovedsakelig har følgende innhold: C = 3% Cr = 37% Mn = 0,5% Si = 0,4% Mo = 0 til 2,5% Nb = 0 til 2,5% rest jern med vanlig innhold av forurensninger.

3. Legeringer som angitt i et av kravene 1 eller 2, karakterisert ved at herdingsbehandlingen er etterfulgt av en kuldebehandling ved temperaturer som kan nå ned til -200°C.

4. Legeringer som angitt i krav 1, 2 eller 3,karakterisert ved at herdingsbehandlingen, resp. herdingsbehandlingen og kuldebehandlingen, er etterfulgt av en spenningsfjernende varmebehandling ved temperatur mellom 100 og 3 00°C .

5. Legeringer som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at de etter herdingsbehandlingen er utsatt for en varmebehandling ved en temperatur mellom 450 og 550°C.