АУСТЕНИТНЫЙ ЧУГУН С ШАРОВИДНЫМ ГРАФИТОМ Российский патент 2008 года по МПК C22C37/04 

Изобретение относится к литейному производству, а именно к изысканию аустенитного чугуна с шаровидным графитом для производства деталей, предназначенных для работы в агрессивной среде при диапазоне температур от -60° до +90°С, в частности для изготовления рабочих органов погружных центробежных насосов для добычи нефти.

Известен аустенитный чугун с шаровидным графитом, описанный в авторском свидетельстве СССР №730856, МПК С22С 37/04, 1976 г., имеющий следующий химический состав, мас.%:

Углерод2,8-3,6Кремний1,8-2,4Марганец6,0-8,0Медь4,6-6,0Никель4,0-6,0Магний0,01-0,04Кальций0,01-0,10Редкоземельные металлы0,02-0,08Стронций0,02-0,10Алюминий0,02-0,12Олово0,001-0,08Железоостальное.

Данный аустенитный чугун является ударостойким при отрицательных температурах до минус 110°С и эрозиостойким материалом.

Однако, несмотря на ввод в состав чугуна таких дорогостоящих элементов, как стронций и олово, он имеет низкую коррозионную стойкость и износостойкость в условиях работы в агрессивных средах.

Известен аустенитный чугун с шаровидным графитом (см., например, описание к авторскому свидетельству №2039916, МПК⁴, С22С 37/10, 1971 г.), выбранный в качестве прототипа по содержанию входящих компонентов и имеющий следующий состав, мас.%:

Углерод3,0-3,5Кремний2,5-3,5Марганец4,5-5,0Медь4,5-5,0Никель5,0-6,0Магний0,015-0,03Кальций0,03-0,06Церий0,03-0,05Железоостальное.

Указанный аустенитный чугун с шаровидным графитом не обеспечивает необходимую износостойкость деталей и коррозионную стойкость материала для изготовления деталей, предназначенных для работы в агрессивной и абразивосодержащей среде в диапазоне температур от -60° до +90°С.

Задачей предложенного изобретения является создание аустенитного чугуна с шаровидным графитом с повышенной износо - и коррозионной стойкостью для работы в агрессивной среде при температурах в диапазоне от -60° до +90°С.

Технический результат, достигаемый при реализации предложенного технического решения, состоит в повышении прочности, твердости, коррозионной стойкости и износостойкости чугуна при снижении его себестоимости, предназначенного для изготовления отливок сложной конфигурации, например ступеней погружных центробежных насосов для добычи нефти.

Указанный технический результат обеспечивается тем, что в предложенном аустенитном чугуне с шаровидным графитом, содержащем: углерод, кремний, марганец, медь, никель, магний, кальций, церий, железо, дополнительно введены хром и ванадий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод2,2-3,0кремний2,4-3,2марганец3,0-4,0медь6,5-7,5никель9,4-11,0хром0,3-0,5ванадий0,1-0,4магний0,01-0,03кальций0,03-0,05церий0,01-0,03железоостальное.

Введение марганца в состав предложенного чугуна в количестве менее 3,0% не обеспечивает повышения достаточной концентрации марганца в аустените, что приводит к частичному распаду аустенитной основы чугуна при его охлаждении до температуры минус 60°С. Это влечет за собой резкое снижение ростоустойчивости деталей, изготовленных из аустенитного чугуна с шаровидным графитом, что снижает срок их службы, а в случае изготовления из этого чугуна ступеней погружных центробежных насосов для добычи нефти этот недостаток может привести к выходу из строя самих насосов. Увеличение содержания марганца свыше 4,5% вызывает выделение карбидов марганца типа (Mn₃С), что повышает хрупкость чугуна и ухудшает обработку отливок резанием.

Введение в состав чугуна хрома позволяет повысить его прочность, твердость, коррозионную стойкость и износостойкость.

Введение хрома менее 0,3% не обеспечивает достаточной концентрации хрома в аустените, что снижает прочность, твердость, коррозионную стойкость и износостойкость чугуна. Увеличение содержания хрома свыше 0,5% вызывает выделение карбидов цементитного типа (Fe, Cr)₃С, что снижает прочностные характеристики металла и ухудшает обрабатываемость отливок, изготовленных из него.

Добавка в состав предложенного чугуна ванадия способствует увеличению эффективных зародышей кристаллизующегося графита, что способствует снижению линейной усадки и склонности чугуна к образованию трещин.

Введение в состав чугуна ванадия менее 0,1% не обеспечивает образования достаточного количества эффективных зародышей кристаллизующегося графита, в результате чего остаются повышенными линейная усадка и склонность чугуна к образованию трещин. Увеличение количества ванадия свыше 0,4% способствует образованию карбидов ванадия, в результате чего снижается прочность чугуна и ухудшается его обрабатываемость резанием.

Увеличение содержания меди в чугуне позволяет повысить ее концентрацию в аустените.

Введение меди в количестве менее 6,5% не обеспечивает повышения достаточной концентрации меди в аустените, что способствует частичному распаду аустенитной основы чугуна при его охлаждении до температуры минус 60°С и соответственно резкому снижению ростоустойчивости рабочих органов центробежных насосов, выполненных из аустенитного чугуна с шаровидным графитом. Увеличение содержания меди свыше 7,5% способствует выделению по границам зерен аустенита металлической меди, в результате чего понижаются прочностные характеристики, коррозионная стойкость и износостойкость чугуна.

Повышенное содержание никеля в чугуне позволяет повысить его концентрацию в аустените.

Введение никеля в количестве менее 9,4% не обеспечивает повышения достаточной концентрации никеля в аустените, что способствует частичному распаду аустенитной основы чугуна при его охлаждении до температуры минус 60°С. Увеличение содержания никеля свыше 11,0% не способствует дальнейшему повышению стабильности аустенитной основы чугуна при его охлаждении до температуры минус 60°С. При этом себестоимость литья из аустенитного чугуна с шаровидным графитом увеличивается.

Выплавка аустенитного чугуна с шаровидным графитом предложенного состава осуществляется следующим образом.

Плавку чугуна проводят в индукционных или дуговых электропечах с использованием стандартных шихтовых материалов. Легирующие элементы - никель, хром и медь вводят в металлозавалку. После расплавления шихты и перегрева чугуна до температуры 1450-1500°С на зеркало расплава вводят марганец в виде 60%-ного ферромарганца, кремний в виде 75%-ного ферросилиция и ванадий в виде феррованадия. С целью повышения жидкотекучести чугуна вводят фосфор в количестве 0,15-0,25% в виде 20%-ного феррофосфора. На дно разливочного ковша перед выпуском жидкого металла из печи вводят магний и кальций в составе сфероидизирующей присадки, а также церий в виде ферроцерия.

В табл.1 приведен химический состав известного и предложенного чугунов. В табл.2 приведены значения их литейных и механических свойств, а также стойкость в агрессивных средах при различных температурах.

Техническим результатом является, как видно из данных таблицы 2, более высокая прочность (450-470 МПа), твердость (120-140 НВ) и соответственно более высокая коррозионная стойкость и износостойкость предлагаемого чугуна в сравнении с прототипом.

Временное сопротивление при растяжении определяли по ГОСТ 27208-87.

Твердость по Бринеллю определяли в соответствии с ГОСТ 9012-59.

Коррозионную стойкость в водном растворе хлоридов определяли по потере массы образцов после испытания продолжительностью 14 суток при температуре 70-80°С.

Коррозионную стойкость в сероводороде определяли по потере массы образцов после испытаний в автоклаве продолжительностью 10 суток при температуре 90°±1°С. Концентрация сероводорода составляла 6 г/л.

Ростоустойчивость в охлаждающей среде определяли по изменению линейных размеров образцов после испытания продолжительностью 1 час при температуре минус 60°С. Охлаждающая среда состояла из двуокиси углерода (3 кг), этилового спирта (500 мл) и ацетона (200 мл).

Испытания на износостойкость проводили при нагрузке 6,5 кг/см² и продолжительности испытаний 6 часов. Износостойкость определяли по изменению размеров образца после проведения испытаний. Абразивная среда состояла из 30% смазочно-охлаждающей жидкости и 70% воды с добавлением 10 г/л Al₂О₃.

Применение предлагаемого аустенитного чугуна с шаровидным графитом для отливок, имеющих сложную конфигурацию, например ступеней погружных центробежных насосов для добычи нефти, позволяет существенно (на 50-60%) увеличить срок службы деталей в эксплуатации на 20-30% при снижении себестоимости их изготовления.

Таблица 1Чугун№ плавкиСодержание химических элементов, мас.%СSiMnCuNiCrVMgCaСеFeПредлагаемый112,22,43,06,59,40,30,10,010,030,01Ост.122,62,83,57,010,20,40,250,020,040,02Ост.133,03,24,07,511,00,50,40,030,050,03Ост.Прототип13,23,04,74,75,5--0,020,040,04Ост.

Таблица 2№ плавкиЖидкотекучесть при температуре 1400°С, ммПрочность, МПаТвердость, НВСкорость коррозии, мм/годИнтенсивность солеотложения, г/часРостоустойчивость при температуре минус 60°С, %Суммарный износ пары трения из чугуна, ммв водном растворе хлоридовв сероводороде115504501200,0503,750,05600,12125804701400,0493,600,05500,10136004601300,04953,700,05500,1114604301100,0523,990,05600,15

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к составам аустенитных чугунов с шаровидным графитом. Может использоваться для изготовления рабочих органов погружных центробежных насосов для добычи нефти. Аустенитный чугун содержит, мас.%: углерод 2,2-3,0; кремний 2,4-3,2; марганец 3,0-4,0; медь 6,5-7,5; никель 9,4-11,0; хром 0,3-0,5; ванадий 0,01-0,03; магний 0,03-0,05; кальций 0,03-0,05; церий 0,01-0,03; железо - остальное. Чугун обладает высокой износо- и коррозионной стойкостью при работе в агрессивных средах при температурах от -60 до 90°С. 2 табл.

Аустенитный чугун с шаровидным графитом, содержащий углерод, кремний, марганец, медь, никель, магний, кальций, церий и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит хром и ванадий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод2,2-3,0кремний2,4-3,2марганец3,0-4,0медь6,5-7,5никель9,4-11,0хром0,3-0,5ванадий0,01-0,03магний0,03-0,05кальций0,03-0,05церий0,01-0,03железоостальное