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Fontes spéciales.
La présente invention concerne des fontes spéciales blanches au manganèse-cuivre-molybdène et plus particulièrement des fontes spéciales blanches au manganèse-cuivre-molybdène ayant une grande dureté et une résistance élevée à l'abrasion et au choc.
De manière générale, suivant l'invention, le manganèse est un constituant essentiel dans les intervalles indiqués ci- après. Toutefois, la fonte a de meilleures propriétés lorsque le manganèse est présent en même temps que du cuivre ou du molybdène..
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La fonte blanche ordinaire, les fontes spéciales blanches contenant comme constituants spéciaux principaux du nickel et du chrome et l'acier ordinaire ou allié sont les matières utilisées jusqu'à présent pour les applications requé- rant de la résistance à l'usure et à l'abrasion. Toutefois, ces matières présentes divers inconvénients. En premier lieu, elle$ n'offrent fréquemment pas la combinaison satisfaisante de ré- sistance mécanique,de dureté, de ténacité et de résistance à l'abrasion que requièrent,par exemple.,des applications telles que les organes de broyage, les revêtements des broyeurs et des applications analogues,ou bien sont onéreuses à cause du prix élevé des constituants de l'alliage.
Il serait donc très intéressant de disposer d'un al- liage possédant des propriétés de ténacité, de résistance méca- nique, de dureté et de résistance à l'abrasion et dont la pro- duction soit plus économique de celle d'alliages analogues déjà connus.
La présente invention procure une fonte spéciale blanche qui présente une structure martensitique répartie de manière sensiblement uniforme, qui contient environ 1,5% à 16% de manganèse, environ 2 à 4% de carbone, 0 à environ 2% de si- licium,ainsi que 0 à 2,5% de cuivre et/ou 0 à 1% de molybdène, la quantité totale de cuivre et de molybdène n'étant pas infé- rieure à 0,1% et le reste étant formé essentiellement par du fer et par les impuretés habituelles de la fonte,et qui accuse une dureté élevée et uniforme supérieure à 500 Brinell et une résistance élevée à l'abrasion et au choc.
Ces impuretés com- portent le phosphore et le soufre,qui se trouvent ordinairement dans la fonte (la teneur en phosphore peut varier normalement de 0,01 à 0,2% et celle en soufre de 0,01 à 0,3%) et aussi des éléments accidentels introduits inévitablement avec la mitraille dans le four ou cubilot où la fonte est élaborée.
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La Fig. 1. représente la relation existant entre la dureté de la fonte et le pourcentage pondéral de manganèse, de cuivre et de molybdène, la dureté Brinell étant indiquée en or- données et le pourcentage pondéral en abscisses.
La Fig. 2 est une photomicrographie d'un alliage préféré au grossissement de 500.
La Demanderesse a découvert après des expériences détaillées sur de nombreux alliages que les fontes spéciales blanches contenant du manganèse, du cuivre et du molybdène pré- sentent une combinaison intéressante de résistance mécanique, de dureté, de ténacité et de résistance à l'abrasion lorsque leur composition est comprise entre les limites données et que ces fontes spéciales blanches peuvent être fondues facilement dans un cubilot. En outre, les nouvelles fontes spéciales blanches permettent de remplacer économiquement les matières résistant à l'abrasion utilisées jusqu'ici.
La microstructure des fontes obtenues suivant l'in- vention comporte une phase de carbure, une phase de perlite et une phase d'austénite-martensite en diverses proportions. Sauf la phase de carbure, toutes ces phases ne doivent pas être pré- sentes simultanément dans la microstructure des alliages de l'in- vention.. Les proportions de phase de carbure, de phase de per- lite et de phase d'austénite-martensite dans la microstructure varient suivant la dimension de la section de l'objet coulé, la vitesse de refroidissement après la coulée et la composition précise,comme il est évident pour le spécialiste.
Les effets combinés de ces phases confèrent à la microstructure et de ce fait à la font;4-- la combinaison désirable de propriétés déjà men- tionnées et permettent l'utilisation de la fonte pour des ap- plications requérant une grande résistance à l'abrasion et au choc,de même qu'une dureté élevée et uniforme de l'objet coulé.
On exemple de la présente invention est décrit avec
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référence à la Fig. 1 des dessins annexés qui montre la relation existant entre la dureté de l'alliacé et le pourcentage pondéral de manganèse, de cuivre et de molybdène.
On coule en coquilles des corps de broyage d'un dia- mètre de 3,81 cm à diverses teneurs en éléments d'alliage, tels qu'ils sont normalement utilisés pour le broyage des minerais.
On mesure la dureté des pièces,ce qui permet d'établir le dia- gramme de la variation de la dureté de ces pièces lorsqu'on mo- difie indépendamment les teneurs en manganèse, en cuivre et en molybdène tout en maintenant la teneur des autres constituants de la fonte constante dans les limites de Inexpérience. On détermine la dureté Rockwell des pièces. Il en ressort que la fonte spé- ciale blanche peut présenter une dureté Brinell équivalente supérieure à 500 dans un intervalle de compositions dont beau- coup seraient sensiblement plus économiques que celles d'allia- ges actuels courants pour des applications exigeant une ré- sistance supérieure à l'abrasion et à l'usure.
Avant la réalisation de la forme préférée de la pré- sente invention, on a exécuté des expériences à l'échelle pilote sur des fontes spéciales contenant jusqu'à 4% de cuivre, jusqu'à 16% de manganèse, jusqu'à 0,5% de nickel, jusqu'à 1% de molybdène et jusqu'à 0,1% de bore. Chaque fonte spéciale est à base d'une fonte contenant environ 3% de carbone, 0,5% de silicium et pour le reste du fer, tous les pourcentages étant donnés sur base p ondérale. Toutes les fontes essayées ont une dureté élevée et une bonne résistance à l'abrasion.
Toutefois, une fonte spéciale et préférée ayant une dureté optimale peut être obtenue dans l'intervalle de compositions étendu envisagé suivant l'invention décrit ci-dessus. La fonte préférée contient environ 3,2% de manganèse, 0,0% de cuivre et 0,20% de molybdène ainsi que 2 à 4% de carbone et 0 à 2% de si- licium, le reste étant essentiellement du fer contenant de faibles
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quantités d'impuretés, par exemple des quantités habituelles de la -fonte que sont le phosphore et le soufre. Il convient de noter que la quantité cumulée de cuivre et de molybdène ne peut être in- férieure à 0,1%. La fonte préférée offre une très haute ré- sistance à l'abrasion et à l'usure pour des applications telles que le broyage des minerais.
La microstructure de la fonte préférée est illustrée par la Fig. 2 qui est une photomicrographie au grossissement de 500. Cette photomicrographie montre la répartition du carbure, de la perlite, de la martensite et de l'austénite subsistant dans le métal.
En outre, la fonte préférée a une résistance mécanique et une ténacité supérieures à celles dés fontes blanches conte- nant du nickel et du chrome utilisées ordinairement et qui sont vendues sous le nom de Ni-Hard. Par exemple, la fonte préférée se révèle significativement plus tenace que les fontes conte- nant du chrome et du nickel appelées couramment Ni-Hard lorsque des pièces de 3,81 cm coulées en coquilles et dont les contrain- tes ont été éliminées, sont soumises à un essai de résistance au choc provoqué par des chutes répétées d'un poids de 45,4kg tombant d'une hauteur de 2,44 m.
Des.essais de coulée à l'échelle industrielle ont montré que les fontes de la présente invention peuvent être cou- . lées dans des coquilles ou dans des moules en sable par les pro- cédés courants de coulée au moyen d'un cubilot,normal. Le seul équipement de fusion utilisé jusqu'à présent dans ces essais à l'échelle industrielle est un cubilot,qui est le four peu onéreux , courant pour la ,fusion de la fonte. Toutefois, il est évident que d'autres équipements de fusion connus, tels qu'un four électrique, pourraient être utilisés aussi.
Des essais appropriés ont été effectués sur des pièces moulées en coquilles ainsi que sur des fontes au manganèse-cuivre-molybdène coulées dans des moules en
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@ sable.afin de déterminer le comportement du point de vue du fondeur. De bons résultats ont été obtenus au cours de ces essais.'
Des essais de broyage de minerai effectués à l'échelle industrielle ont montré que les pièces faites de la fonte préférée moulée en coquilles et dont les contraintes ont été éliminées par un recuit à 316 C ont une excellente résistance à l'abrasion et au choc et sont à cet égard comparables aux fontes blanches au chrome et au nickel utilisées normalement,qui sont plus onéreuses.
Des essais ont été effectués aussi sur des pièces de broyeur à boulets d'environ 10,ce cm x 15,2 cm x 71,1 cm obtenues par coulée d'une fonte de la composition préférée comme indiqué ci-dessus* Ces pièces présentent une résistance au choc élevée ainsi que le montre la chute-libre d'un poids de 1226 kg tombant d'une hauteur de 30,5 cm et ont également une dureté remarquable.
En raison de la combinaison exceptionnelle de ses pro- priétés, la fonte spéciale blanche de l'invention neut trouver des applications dans de nombreux domaines où les valeurs élevées de sa dureté et de sa résistance à l'usure et à l'abrasion peu- vent être avantageuses. Par exemple, des boulets de broyeur, des plateaux de broyeur à friction, des cylindres, des pièces de pompe, des pièces de machine pour l'exploitation minière, dès anneaux de broyeur, des ajutages, etc., peuvent être fa- briqués en fonte blanche suivant l'invention.
Le progrès et les avantages qu'apporte l'invention sont donc évidents.
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Special castings.
The present invention relates to special white manganese-copper-molybdenum cast irons and more particularly to white special manganese-copper-molybdenum cast irons having high hardness and high resistance to abrasion and impact.
In general, according to the invention, manganese is an essential constituent within the ranges indicated below. However, cast iron has better properties when manganese is present along with copper or molybdenum.
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Ordinary white cast iron, white special cast irons containing nickel and chromium as special main constituents and ordinary or alloy steel are the materials used heretofore for applications requiring resistance to wear and tear. 'abrasion. However, these materials have various drawbacks. In the first place, they frequently do not provide the satisfactory combination of mechanical strength, hardness, toughness and abrasion resistance required, for example, by applications such as grinders, coatings. mills and the like, or are expensive because of the high cost of alloy components.
It would therefore be very advantageous to have an alloy having properties of toughness, mechanical resistance, hardness and abrasion resistance and the production of which is more economical than that of similar alloys already. known.
The present invention provides a special white cast iron which exhibits a substantially uniformly distributed martensitic structure, which contains about 1.5% to 16% manganese, about 2 to 4% carbon, 0 to about 2% silicon, as well as 0 to 2.5% copper and / or 0 to 1% molybdenum, the total amount of copper and molybdenum not being less than 0.1% and the remainder being formed essentially by iron and by the usual impurities of cast iron, and which exhibits a high and uniform hardness greater than 500 Brinell and a high resistance to abrasion and impact.
These impurities include phosphorus and sulfur, which are commonly found in pig iron (phosphorus content can normally vary from 0.01 to 0.2% and sulfur from 0.01 to 0.3%) and also accidental elements inevitably introduced with the scrap metal in the furnace or cupola where the cast iron is produced.
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Fig. 1. represents the relation existing between the hardness of the cast iron and the weight percent of manganese, copper and molybdenum, the Brinell hardness being given in ordinates and the weight percent in abscissa.
Fig. 2 is a photomicrograph of a preferred alloy at magnification of 500.
The Applicant has discovered after detailed experiments on numerous alloys that special white cast irons containing manganese, copper and molybdenum present an interesting combination of mechanical strength, hardness, toughness and abrasion resistance when their. composition is within the given limits and that these special white cast irons can be easily melted in a cupola. In addition, the new white special cast irons make it possible to economically replace the abrasion-resistant materials previously used.
The microstructure of the cast irons obtained according to the invention comprises a carbide phase, a perlite phase and an austenite-martensite phase in various proportions. With the exception of the carbide phase, all these phases must not be present simultaneously in the microstructure of the alloys of the invention. The proportions of carbide phase, pearlite phase and austenite phase. Martensite in the microstructure will vary depending on the size of the cross-section of the cast article, the rate of cooling after casting and the precise composition, as is evident to those skilled in the art.
The combined effects of these phases impart to the microstructure and hence to the font; 4-- the desirable combination of properties already mentioned and allow the use of cast iron for applications requiring high resistance to corrosion. abrasion and impact, as well as high and uniform hardness of the cast object.
An example of the present invention is described with
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reference to FIG. 1 of the accompanying drawings which shows the relationship between the hardness of the alloy and the weight percentage of manganese, copper and molybdenum.
3.81 cm diameter grinding bodies of various alloying element contents are cast into shells as are normally used for crushing ores.
The hardness of the parts is measured, which makes it possible to establish the diagram of the variation in the hardness of these parts when the contents of manganese, copper and molybdenum are modified independently while maintaining the content of the others. constituents of constant melting within the limits of experience. The Rockwell hardness of the parts is determined. This shows that white special cast iron can exhibit an equivalent Brinell hardness greater than 500 in a range of compositions many of which would be significantly more economical than current alloys common for applications requiring higher strength. abrasion and wear.
Prior to the realization of the preferred form of the present invention, pilot scale experiments were carried out on specialty cast irons containing up to 4% copper, up to 16% manganese, down to 0. 5% nickel, up to 1% molybdenum and up to 0.1% boron. Each special cast iron is based on a cast iron containing approximately 3% carbon, 0.5% silicon and the rest of iron, all percentages being given on a weight basis. All of the castings tested had high hardness and good abrasion resistance.
However, a special and preferred cast iron having optimum hardness can be obtained within the wide range of compositions contemplated by the invention described above. The preferred cast iron contains about 3.2% manganese, 0.0% copper and 0.20% molybdenum as well as 2-4% carbon and 0-2% silicon, the remainder being essentially iron containing. weak
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amounts of impurities, for example the usual amounts of iron, which are phosphorus and sulfur. It should be noted that the cumulative amount of copper and molybdenum cannot be less than 0.1%. The preferred cast iron offers very high abrasion and wear resistance for applications such as ore grinding.
The preferred cast iron microstructure is illustrated in FIG. 2 which is a photomicrograph at the magnification of 500. This photomicrograph shows the distribution of the carbide, perlite, martensite and austenite remaining in the metal.
Further, the preferred cast iron has superior strength and toughness than those commonly used nickel and chromium-containing white castings which are sold under the name Ni-Hard. For example, the preferred cast iron is found to be significantly more tenacious than the castings containing chromium and nickel commonly referred to as Ni-Hard when 3.81 cm pieces cast in shells and whose stresses have been removed are subjected. to a test of resistance to impact caused by repeated falls of a weight of 45.4 kg falling from a height of 2.44 m.
Industrial scale casting tests have shown that the cast irons of the present invention can be cast. Castings into shells or sand molds by conventional casting processes using a normal cupola. The only smelting equipment used so far in these industrial scale tests is a cupola, which is the inexpensive furnace common for smelting pig iron. However, it is obvious that other known melting equipment, such as an electric furnace, could be used as well.
Appropriate tests have been carried out on shell castings as well as on manganese-copper-molybdenum irons cast in molds.
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@ sable. in order to determine the behavior from the founder's point of view. Good results have been obtained during these tests. '
Industrial scale ore grinding tests have shown that parts made of the preferred cast iron shell cast and which have been removed by annealing at 316 C have excellent abrasion and impact resistance and are in this respect comparable to white chrome and nickel cast irons normally used, which are more expensive.
Tests were also carried out on ball mill parts of approximately 10 cm x 15.2 cm x 71.1 cm obtained by casting a cast iron of the preferred composition as indicated above * These parts show high impact resistance as shown by the free fall of a weight of 1226 kg falling from a height of 30.5 cm and also have remarkable hardness.
Due to the exceptional combination of its properties, the special white cast iron of the invention can find applications in many fields where the high values of its hardness and of its resistance to wear and abrasion can be found. wind be advantageous. For example, grinder balls, friction grinder plates, cylinders, pump parts, mining machine parts, grinder rings, nozzles, etc., can be made in. white cast iron according to the invention.
The progress and the advantages which the invention brings are therefore obvious.