ВЫСОКОПРОЧНЫЙ ЧУГУН
HIGH STRENGTH IRON

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к составам высокопрочных чугунов, которые могут быть использованы для изготовления литых нефтегазопроводных труб.
Известен чугун по патенту РФ №2098508, МПК С22С 37/10, предназначенный для изготовления нефтепроводных труб и характеризующийся наличием в его химическом составе углерода, кремния, никеля, магния, марганца, алюминия, кальция, РЗМ при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод
2,7-3,2
Кремний
1,0-2,5
Никель
0,3-0,8
Магний
0,005-0,05
РЗМ
0,008-0,09
Марганец
0,05-0,14
Алюминий
0,005-0,02
Кальций
0,001-0,004
Железо
остальное
К недостаткам указанного чугуна следует отнести низкие показатели ударной вязкости и невысокую коррозионную стойкость в агрессивных нефтепромысловых средах.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому изобретению является чугун по патенту РФ №2172793, МПК С22С 37/10, предназначенный для использования при производстве труб пластическим деформированием центробежно-литой заготовки. В состав данного чугуна входят углерод, кремний, марганец, магний, никель, медь, титан, хром, фосфор и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод
2,60-3,97
Кремний
1,0-4,8
Марганец
0,02-0,40
Магний
0,01-0,09
Никель
0,006-0,02
Медь
0,003-0,02
Титан
0,005-0,04
Хром
0,002-0,015
Фосфор
0,009-0,10
Железо
остальное
Данный чугун имеет хорошую пластичность и высокие показатели ударной вязкости при комнатной температуре, однако не обладает хладостойкостью, что приводит к хрупкому разрушению при отрицательных температурах и, следовательно, к невозможности использовать этот чугун для изготовления нефтегазопроводных труб.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка такого состава чугуна, который обеспечивал бы высокую коррозионную стойкость и хладостойкость центробежно-литых чугунных труб в совокупности с необходимыми прочностными характеристиками.
Поставленная задача решается за счет того, что высокопрочный чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, магний, железо и неизбежные примеси, согласно изобретению дополнительно содержит ванадий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод
3,0-4,0
Кремний
от более 3,0 до не более 3,5
Марганец
0,4-0,6
Магний
0,030-0,045
Ванадий
0,03-0,10
Железо и неизбежные примеси
остальное
Технический результат, обеспечиваемый при реализации предложенного технического решения, заключается, как показали проведенные исследования, в следующем.
Ограничение по сравнению с прототипом интервала содержания кремния в предложенном составе чугуна вызвано его влиянием на коррозионную стойкость: при содержании кремния в пределах 3,0-3,5 мас.% наблюдался эффект естественного силицирования, препятствующий коррозии металла, при содержании кремния в количестве менее 3,0 мас.% не обеспечивалась требуемая коррозионная стойкость, а при его содержании более 3,5 мас.% происходило охрупчивание чугуна. Увеличение по сравнению с прототипом содержания марганца, обеспечивающего десульфурацию чугуна и повышение его прочностных и вязкостных свойств, вызвано тем, что при содержании марганца в данном составе в количестве менее 0,4 мас.% резко снижались прочностные характеристики чугуна, а увеличение его количества свыше 0,6 мас.% способствовало образованию перлитной основы и отбеливанию чугуна. Микролегирование чугуна магнием совместно с ванадием в указанных количествах привело к неожиданному значительному повышению его вязкопластических свойств. Магний, раскисляющий и модифицирующий чугун, обеспечивает глобуляризацию графита. Однако, как показали проведенные эксперименты, содержание магния менее 0,03 мас.% недостаточно для образования графита компактной шаровидной формы и получения высоких вязкопластических свойств, а увеличение количества магния свыше 0,045 мас.% приводит к снижению пластичности чугуна. При производстве чугуна неизбежно наличие в расплаве растворенных газов: кислорода, водорода, азота. Атомарный водород поглощается графитом, кислород оседает на графитных включениях в виде оксидов, азот остается в твердом растворе. Поскольку ванадий является сильным нитридообразующим элементом, его введение в присутствии растворенного в расплаве чугуна азота приводит к образованию мелкодисперсных включений нитридов, что повышает прочность и, кроме того, способствует повышению хладостойкости. При этом ванадия менее 0,03 мас.% оказалось недостаточно для связывания азота в нитриды, а его содержание в количестве свыше 0,10 мас.% способствовало отбелу чугуна с образованием в структуре цементита ледебурита.
Таким образом, совокупность качественных и количественных харатеристик химического состава предложенного чугуна обеспечивает возможность его использования для изготовления высокопрочных центробежно-литых труб, обладающих наряду с достаточной коррозионной стойкостью в агрессивных средах также и высокой хладостойкостью.
Сущность предлагаемого изобретения и обеспечиваемый им технический результат поясняются данными проведенных экспериментов. Из чугунов, составы которых указаны в таблице 1, были изготовлены методом центробежного литья трубы диаметром 159 мм с толщиной стенки 10 мм. Результаты механических и коррозионных испытаний этих труб, приведенные в таблице 2, свидельствуют о том, что центробежно-литые трубы из высокопрочного чугуна предложенного состава обладают всем комплексом прочностных свойств, коррозионой стойкости и хладостойкости, который обеспечивает возможность их эксплуатации в качестве нефтегазопроводных труб в районах с различными климатическими условиями.
Таблица 1
№ п/п
Массовые доли элементов, %
С
Si
Mn
Mg
V
Fe и неизбеж. примеси
1
4,0
3,5
0,60
0,035
0,03
остальное
2
3,3
3,2
0,55
0,040
0,06
3
3,0
3,0
0,40
0,030
0,03
4
3,4
3,2
0,45
0,030
0,08
5
3,5
3,4
0,50
0,045
0,10