РОСТОУСТОЙЧИВЫЙ ЧУГУН Российский патент 2010 года по МПК C22C37/08 

Изобретение относится к области сплавов черных металлов, а именно составам специальных легированных чугунов, содержащих хром и никель, применяемых для изготовления деталей машин, работающих без изменения размеров в холодных климатических условиях.

В машиностроении широко применяются в качестве ростоустойчивых высоколегированные аустенитные чугуны. Эти чугуны разработаны и, как правило, применяются для изготовления деталей машин, работающих при повышенных температурах эксплуатации. Чаще всего в состав таких чугунов вводят большое количество основного легирующего элемента никеля (более 15%).

Известен, например, состав аустенитного чугуна:

С <3,0% Si 1,5…3,0% Mn 0,5…1,5% Ni 18,0…22,0% Cr 1,0…3,5% P <0,08%

(Вороненко Б.И., Роматовский Ю.И. "Свойства и применение аустенитных никелевых чугунов с шаровидным графитом" // МиТОМ, 1988, №4.)

Такой чугун обладает хорошей ростоустойчивостью при низких температурах до -80°С. Однако он обладает недостатком, а именно: высокой стоимостью из-за высокого содержания никеля, цена на который постоянно продолжает расти.

Известен состав аустенитного чугуна:

С 3,0…3,5% Si 2,6…3,0% Mn 7,0…9,0% Ni 6,0…7,0% Cr 0,2…0,35% V 0,2…0,4% S <0,1% P <0,3% Fe остальное

(Патент РФ №2205887, МПК С21С 37/10, публикация 2003.06.10.)

Такой чугун значительно дешевле и обладает достаточной ростоустойчивостью при температурах до -60°С, однако он имеет следующие недостатки. Высокое содержание марганца делает основную структурную составляющую чугуна (аустенит) склонной к наклепу, то есть к мартенситному превращению при механическом воздействии, что приводит к изменениям размеров чугуна.

Наиболее близким техническим решением является состав аустенитного чугуна:

Mn 0,5…2,0% Ni 13…20% Cr 1,0…5,0%

(Патент JP 60-138050 А, МПК С22С 37/08, публикация 1985.07.22.)

Аустенитный чугун такого состава обладает достаточной ростоустойчивостью при температурах до -60°С, однако имеет достаточно высокую стоимость из-за достаточно высокого содержания постоянно дорожающего никеля.

Технической задачей изобретения является создание конструкционного никелевого аустенитного чугуна для эксплуатации в условиях Крайнего Севера, не имеющего указанных выше недостатков при минимально необходимом содержании в нем никеля. Дополнительным требованием к разрабатываемому чугуну является его хорошая обрабатываемость резанием, необходимая при изготовлении деталей из литых заготовок.

Техническим результатом от реализации изобретения является получение экономно легированного никелевого аустенитного чугуна с высокими эксплуатационными свойствами при минимальных затратах (ресурсосберегающий материал).

Указанный технический результат обеспечивается тем, что высокие эксплуатационные свойства никелевого аустенитного чугуна формируются основным комплексом легирующих элементов:

Mn 2,1…5,0% Ni 10,0…12,9% Cr 0,1…2,7% С 2,9…3,6% Si 1,5…3,0% Cu 1,5…6,0% S <0,15% Р <0,3%

Кроме того, потребительские свойства чугуна могут быть увеличены с помощью сфероидизирующего модифицирования, например, магний-, ЩЗМ- и РЗМ-содержащими модификаторами, в результате которого в структуре чугуна графит получается в шаровидном или вермикулярном виде.

Чугун с содержанием марганца менее 2,1% в заявленных пределах других элементов имеет плохую ростоустойчивость при низких температурах.

Чугун с содержанием марганца более 5,0% имеет повышенную склонность к наклепу высокомарганцевого аустенита. Во время механической обработки часть такого аустенита превращается в очень твердую фазу мартенсит, что приводит к росту размеров чугуна, а также недопустимо из-за плохой последующей обрабатываемости чугуна. Кроме того, содержание марганца более 5,0% уменьшает его металлургическую технологичность, а именно - приводит к проблеме нестабильности получения в чугуне его заданного содержания и низкой стойкости кислой футеровки печей из-за его повышенного окисления при взаимодействии с футеровкой.

Содержание никеля менее 10,0%, углерода менее 2,9%, кремния более 3,0% и меди менее 1,5% для обеспечения стабильной аустенитной структуры требует наличия в составе чугуна содержания марганца более 5,0%.

Содержание никеля более 12,9%, меди более 6,0% и углерода более 3,6% экономически нецелесообразно.

Чугун с содержанием хрома менее 0,1% имеет недопустимо плохую коррозионную стойкость.

Чугун с содержанием хрома более 2,7% и кремния менее 1,5% имеет повышенную твердость и связанную с ней пониженную обрабатываемость.

Содержание серы 0,15% и более и фосфора 0,3% и более приводит к низким механическим свойствам.

Пример. Опытные образцы различных составов никелевых чугунов выплавляли в индукционной печи ИСТ-0,06 с кислой футеровкой. В качестве шихты использовали чугунный лом СЧ20, стальной лом Ст.3, графит в виде стружки графитированных электродов, никель H1, медь M1, ферромарганец ФМн80, ферросилиций ФС75, феррохром углеродистый ФХ800.

Разливку производили без модифицирования расплава. Формы отливок образцов для испытаний и образец для количественного химического анализа заливали расплавом из одного ковша. Температура на выпуске из печи 1490-1500°С. Температура заливки форм - 1390-1420°С.

Примеры химических составов чугунов опытных плавок и параметры сравнения представлены в таблице.

Таблица Элемент, параметры Состав чугунов опытных плавок №1 (известный) №2 №10 №11 Ni 18,1 10,1 11,0 12,9 Mn 1,4 4,9 3,2 2,1 Cr 1,1 2,7 2,7 0,1 Cu - 6,0 1,5 5,5 С 2,9 2,9 2,9 3,6 Si 2,2 2,3 3,0 1,5 S 0,025 0,023 0,025 0,015 Р 0,07 0,07 0,07 0,07 Относительная стоимость чугуна, % 100 75 76 79 Скорость коррозии, г/м²·ч 1,785 1,618 1,620 1,772

Изучение ростоустойчивости проводили на 5 образцах каждой опытной плавки. В качестве низкотемпературной среды (-60°С) использовали смесь этилового спирта и двуокиси углерода, помещенную в термос. После погружения образцов в смесь термос закрывали и образцы выдерживали в таком состоянии в течение одного часа, после чего образцы вынимали из смеси и оставляли греться. Измерение длины образцов с точностью 0,01 мм производили после того, как они принимали температуру (20±2)°С в тех же самых местах, что и до погружения в смесь. Все варианты опытных чугунов показали отсутствие изменений линейных размеров. Все варианты опытных чугунов не проявили склонность к наклепу во время механической обработки.

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к составам специальных легированных чугунов, содержащих хром и никель. Может применяться для изготовления деталей машин, работающих без изменения размеров в агрессивных средах при температурах до -60°С. Аустенитный ростоустойчивый чугун содержит, мас.%: никель 10,0-12,9; марганец 2,1-5,0; хром 0,1-2,7; углерод 2,9-3,6; кремний 1,5-3,0; медь 1,5-6,0; сера < 0,15; фосфор < 0,3; железо - остальное. Чугун обладает высокими эксплуатационными свойствами при низких температурах, в частности ростоустойчивостью, коррозионной стойкостью. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Аустенитный ростоустойчивый чугун, содержащий никель, марганец, хром, углерод, кремний, медь, серу, фосфор и железо, отличающийся тем, что для обеспечения высоких потребительских свойств в условиях эксплуатации при низких температурах он содержит компоненты в следующих количествах, мас.%:
никель 10,0-12,9 марганец 2,1-5,0 хром 0,1-2,7 углерод 2,9-3,6 кремний 1,5-3,0 медь 1,5-6,0 сера < 0,15 фосфор < 0,3 железо остальное

2. Чугун по п.1, отличающийся тем, что графит в структуре чугуна имеет шаровидную или вермикулярную форму.