ростоустойчивый чугун

Формула изобретения

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.

Описание изобретения к патенту

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.