РОСТОУСТОЙЧИВЫЙ ЧУГУН Российский патент 2012 года по МПК C22C37/08 

Изобретение относится к области сплавов черных металлов, а именно составам специальных легированных чугунов, содержащих хром и никель. Такие чугуны могут применяться 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°C. Он обладает также хорошей коррозионной стойкостью. 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 C21C 37/10, публикация 2003.06.10)

Такой чугун значительно дешевле и обладает достаточной ростоустойчивостью при температурах до -60°C, однако он имеет следующие недостатки. Высокое содержание марганца делает его основную структурную составляющую (аустенит) склонной к мартенситному превращению при механическом воздействии. Детали при мартенситном превращении изменяют размеры и становятся не пригодны к дальнейшей эксплуатации. Кроме того, при работе в некоторых агрессивных средах, например пластовой жидкости смеси нефти, воды и попутного нефтяного газа, рассматриваемый чугун обладает низкой коррозионной стойкостью.

Наиболее близким техническим решением является состав чугуна:

С <3,0% Si 2,0…3,0% Mn 6,0…7,0% Ni 12,0…14,0% Cr - P <0,08%

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

Состав обеспечивает необходимую ростоустойчивость, имеет удовлетворительную стоимость. Причиной, ограничивающей применение таких чугунов для изготовления деталей машин, работающих при низких температурах в условиях Крайнего Севера, является относительно низкая и нестабильная коррозионная стойкость.

Технической задачей изобретения является создание конструкционного никелевого аустенитного чугуна для эксплуатации в холодных условиях при температурах до -60°C 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 деталей с высокими эксплуатационными свойствами при минимальных затратах.

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

Ni 10,0…12,9% Mn 1,5…5,0% Cr 2,8…5,0%

при этом чугун может содержать элементы в следующих пределах концентраций:

С 2,5…3,5% Si 1,5…3,0% Cu 1,5…6,0% S <0,1% P <0,3%

Кроме того, потребительские свойства чугуна, особенно коррозионная стойкость, 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.

Кроме того, потребительские свойства, особенно износостойкость, могут быть улучшены путем введения в состав чугуна небольших количеств тугоплавких металлов, таких как ванадий, молибден, ниобий, титан, вольфрам, являющихся одновременно сильными карбидообразующими элементами.

Содержание никеля менее 10,0% для обеспечения необходимой коррозионной стойкости требует содержания в составе чугуна хрома более 5,0%. Такое содержание хрома приводит к образованию повышенного количества карбидов, образующих сплошной каркас в структуре чугуна, и недопустимо высокой твердости и плохой обрабатываемости чугуна.

Чугун с содержанием марганца более 5,0% имеет повышенную склонность к наклепу высокомарганцевого аустенита. Во время механической обработки чугуна резанием часть такого аустенита превращается в очень твердую фазу мартенсит. Мартенситное превращение приводит к недопустимо плохой обрабатываемости чугуна и резкому износу инструмента. Во время эксплуатации деталей при ударных нагрузках также часть такого аустенита превращается в мартенсит. Мартенситное превращение сопровождается изменением линейных размеров детали и разрушением оборудования.

Чугун с содержанием марганца менее 1,5% имеет плохую ростоустойчивость при низких температурах.

Чугун с содержанием хрома менее 2,8% имеет плохую коррозионную стойкость.

Содержание никеля более 12,9% экономически нецелесообразно.

Пример. Опытные образцы 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°C. Температура заливки форм 1390-1420°C.

Примеры химических составов чугунов опытных плавок и результаты испытания коррозионной стойкости представлены в таблице.

Элемент Состав чугунов опытных плавок №1 (известный) №2 №4 №8 Ni 18,1 10,1 11,0 12,9 Mn 1,4 4,9 3,2 1,6 Cr 3,1 5,0 3,4 2,8 С 2,9 2,9 2,9 3,2 Si 2,2 2,3 2,2 2,2 S 0,025 0,023 0,025 0,023 Р 0,07 0,07 0,07 0,07 Скорость коррозии, г/м²·ч 1,655 1,518 1,633 1,620

Изучение ростоустойчивости проводили на 5 образцах каждой опытной плавки. В качестве низкотемпературной среды (-60°C) использовали смесь этилового спирта и двуокиси углерода, помещенную в термос. После погружения образцов в смесь термос закрывали. Образцы выдерживали в таком состоянии в течение одного часа. Затем образцы вынимали из смеси и оставляли греться. Измерение длины образцов с точностью 0,01 мм производили при температуре (20±2)°C. 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 аустенитных легированных чугунов, содержащих хром и никель. Может использоваться для изготовления деталей машин, работающих без изменения размеров в агрессивных средах при температурах до -60°C. Аустенитный ростоустойчивый чугун содержит, мас.%: Ni 10,0-12,9; Mn 1,5-5,0; Cr 2,8-5,0; С 2,5-3,5; Si 1,5-3,0; Cu 1,5-6,0; S<0,1; Р<0,3; Fe 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 для эксплуатации при низких температурах, содержащий хром и никель, отличающийся тем, что для обеспечения высоких потребительских свойств в условиях эксплуатации при низких температурах он содержит, мас.%:
Ni 10,0-12,9 Mn 1,5-5,0 Cr 2,8-5,0 С 2,5-3,5 Si 1,5-3,0 Cu 1,5-6,0 S <0,1 Р <0,3 Fe остальное

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