Ростоустойчивый чугун
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.
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.
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.
