ВЫСОКОПРОЧНЫЙ ЧУГУН С ШАРОВИДНЫМ ГРАФИТОМ
HIGH-STRENGTH CAST IRON WITH SPHERICAL GRAPHITE

Изобретение относится к металлургии, а именно к разработке высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, используемого для изготовления отливок корпусов контейнеров, предназначенных для хранения и транспортировки отработавшего ядерного топлива.
Известна кованая легированная сталь марки Х18Н10Т [1], используемая для изготовления корпусов ТУК.
Недостатками этой стали являются высокая себестоимость изготовления из нее корпусов контейнеров и высокий остаточный уровень излучения изделий после окончания их срока эксплуатации. В связи с этим невозможно вторично использовать эту сталь после окончания срока эксплуатации в металлургическом переплаве.
В большинстве индустриально развитых стран наиболее перспективным материалом по безопасности и технико-экономическим показателям для корпусов ТУК признан высокопрочный чугун с шаровидным графитом и ферритной металлической основой (ВЧШГ). Наличие в высокопрочном чугуне графита обеспечивает дополнительную защиту от радиоактивных излучений.
В настоящее время наиболее перспективной конструкцией ТУК, предназначенных для перевозки и хранения отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) атомных электростанций (АЭС) и других объектов, использующих ядерное топливо, в мире признаны контейнеры типа "CASTOR" немецкой фирмы GNS с корпусом контейнера, изготовленным из чугуна марки GGG40 (DIN 1693). Российский аналог такого чугуна ВЧ40 ГОСТ 7293-85 [2].
Известен высокопрочный чугун с шаровидным графитом (ТУ 41 1130 6-025-00212179-2006) [3], выбранный в качестве прототипа и имеющий следующий химический состав (мас.%): углерод 3,3…3,8; кремний 1,8…2,6; марганец менее 0,35; никель 0,5…1,4; медь менее 0,15; хром менее 0,15; кобальт менее 0,12; фосфор менее 0,04; сера менее 0,015; магний 0,04…0,09; железо - остальное.
Аттестационные испытания ВЧШГ в отливке корпуса контейнера массой 40 т, проведенные в ОАО НПО «ЦНИИТМАШ» и ЗАО «Петрозаводскмаш», показали высокое качество чугуна марки ВЧ40 и его полное соответствие по структуре и свойствам чугуну GGG40.
Недостатком указанного высокопрочного чугуна является то, что он не обеспечивает необходимый уровень механических свойств и однородной структуры в отливках с толщиной стенки более 400 мм.
Задачей предложенного изобретения является создание марки высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, обеспечивающего в отливках с толщиной стенки более 400 мм требуемый уровень прочностных характеристик за счет стабильного получения правильной шаровидной формы графита в толстых сечениях отливки, измельчения литого зерна и повышения однородности микроструктуры.
Технический результат, достигаемый при реализации предлагаемого изобретения, состоит в повышении структурной однородности и механических характеристик высокопрочного чугуна с шаровидным графитом в крупнотоннажных и толстостенных отливках (до 150 т) за счет стабильности получения более 90% правильной шаровидной формы графита.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в предложенном высокопрочном чугуне с шаровидным графитом, содержащем углерод, кремний, марганец, никель, медь, хром, фосфор, серу, магний и железо, дополнительно введены ванадий, бор, редкоземельные металлы (РЗМ), кальций и барий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
углерод,
3,3-3,8
кремний
1,4-2,4
марганец
0,1-0,4
никель
0,6-1,4
медь
0,05-0,15
хром
0,005-0,15
сера
0,005-0,01
фосфор
0,005-0,04
магний
0,04-0,08
ванадий
0,02-0,08
бор
0,006-0,15
РЗМ
0,006-0,02
кальций
0,002-0,06
барий
0,01-0,15
железо
остальное
Введение в состав высокопрочного чугуна бора в количестве 0,006…0,15% способствует упрочнению матрицы дисперсными карбонитроборидами, которые являются активными поглотителями радиационного излучения. В результате резко возрастают защитные свойства чугуна от вредного влияния отработавшего ядерного топлива, снижается остаточное излучение корпуса контейнера до уровня, который позволяет отправлять использованные корпуса на металлургический переплав без дезактивации.
Добавка бора менее 0,006% бора не влияет на повышение защитных свойств чугуна от излучения. При содержании бора свыше 0,15% образуются стабильные карбиды, существенно ухудшающие пластические характеристики высокопрочного чугуна.
Введение в состав высокопрочного чугуна 0,02…0,08% ванадия способствует измельчению литого зерна и повышению структурной однородности литого металла. Добавка ванадия менее 0,02% не обеспечивает повышение механических свойств литого металла, содержание ванадия более 0,08% вызывает образование самостоятельных карбидов ванадия, что снижает пластические свойства чугуна.
Введение в состав высокопрочного чугуна 0,006…0,02% РЗМ способствует образованию более правильной шаровидной формы графита за счет нейтрализации вредного влияния неконтролируемых поступающих из шихты примесных цветных металлов, как свинец, сурьма, олово, связывая их в устойчивые интерметаллические соединения. Добавка РЗМ менее 0,006% не достаточна для повышения доли правильных шаровидных включений графита. Концентрация РЗМ более 0,02% способствует перемодифицированию чугуна с ухудшением формы графита и образованием включений цементита, что влияет отрицательно на пластические характеристики чугуна.
Кальций в составе высокопрочного чугуна в количестве 0,002…0,06% очищает границы зерен от таких вредных примесей, как сера и фосфор, которые приводят к ослаблению межатомных сил сцепления между литыми зернами металлической основы, и тем самым повышает прочностные и особенно пластические свойства чугуна. Добавка кальция менее 0,002% не достаточна для полного удаления с границ зерен вредных примесей, а концентрация кальция свыше 0,06% приводит к ухудшению формы графита из-за эффекта перемодифицирования и проявления его свойств как поверхностно-активного элемента, что снижает прочностные и особенно пластические характеристики высокопрочного чугуна.
Введение в состав высокопрочного чугуна 0,01…0,15% бария способствует значительному увеличению продолжительности эффекта графитизирующего модифицирования и формированию более мелких включений шаровидного графита правильной формы, что повышает пластические свойства литого металла. Добавка бария менее 0,01% не обеспечивает увеличения эффекта графитизирующего модифицирования и устранения отбела чугуна. Содержание бария более 0,15% экономически нецелесообразно.
Получение заявленного чугуна произведено следующим образом.
Плавку чугуна проводят в индукционных или дуговых электропечах с использованием стандартных шихтовых материалов. После расплавления шихты перегревают чугун до 1450-1470°С и на зеркало расплава вводят ванадий и бор. Никель-магниевую (14…17% Mg) лигатуру кладут на дно разливочного ковша перед выпуском жидкого металла из печи. После сфероидизирующей обработки магнием и скачивания образовавшегося шлака проводят графитизирующее модифицирование жидкого чугуна ферросиликобарием марки ФС65Ба22 в количестве 0,1% от массы обрабатываемого расплава.
После выбивки отливок производилось удаление литниковой системы и зачистка мест подвода металла к отливке, удаление стержня и возможных мест пригара на внутренней поверхности отливки.
Термообработку (низкотемпературный отжиг для снятия напряжений) отливки корпуса контейнера проводили по следующему режиму:
- нагрев отливок в печи до температуры 540…560°С, выдержка при этой температуре 8…12 часов;
- охлаждение отливок с печью до температуры окружающей среды.
В таблице 1 приведен химический состав известного (прототип) и предложенного чугунов.
Согласно ТУ 41 1130 6-025-00212179-2006 [3] механические свойства высокопрочного чугуна в отливке с толщиной стенки 300 мм должны соответствовать требованиям, приведенным в таблице 2.
Механические свойства известного и предложенного чугунов в отливках с толщиной стенки 500 мм приведены в таблице 3.
Таблица 2
Температура испытания, °С
Механические свойства
временное сопротивление разрыву при растяжении - σ<sub>в</sub>, Н/мм<sup>2</sup>
условный предел текучести - σ<sub>0,2</sub>, Н/мм<sup>2</sup>
относительное удлинение, σ,%
ударная вязкость, KCV, Дж/см<sup>2</sup>
не менее
20
270
210
6
12
Минус 40
290
220
5
4
Таблица 3
Температура испытания, °С
Номер образца, №
Механические свойства
К*<sub>ф</sub>
σ<sub>в</sub>, Н/мм<sup>2</sup>
σ<sub>0,2</sub>, Н/мм<sup>2</sup>
δ, %
KCV, Дж/см<sup>2</sup>
не менее
Плюс 20
1
270
212
6,0
12,5
0,90
2
272
215
6,2
13
0,94
3
275
218
6,5
13
0,96
4 (прототип)
255
200
5
10
0,75
Минус 40
1
292
222
5,0
4,3
-
2
295
228
5,2
4,8
-
3
299
230
5,5
5
-
4
280
205
4
9
-
- К<sub>ф</sub> - коэффициент формы графита является усредненным значением формы многочисленных включений графита и определяется как двухмерный фактор по формуле: Ф<sub>г</sub>=3,545F<sup>1/2</sup>P, где F - площадь отдельного включения графита; Р - периметр условного круга с равновеликой площадью включений графита
ф
Техническим результатом, как видно из данных таблицы 3, являются механические свойства предлагаемого высокопрочного чугуна в отливке с толщиной стенки 500 мм, уровень которых соответствует требованиям технических условий. Коэффициент формы (К) заявленного чугуна выше, чем у прототипа, а количество включений графита правильной шаровидной формы составляет во всех случаях не менее 90% от их общего числа.
Применение предлагаемого ферритного чугуна с шаровидным графитом позволит производить отливки корпусов контейнеров массой до 150 т с толщиной стенки до 500 мм.
Источники информации
1. Марочник стали и сплавов. «ЦНИИТМАШ», издание третье, М. - 1977, с. 516.
2. ГОСТ 7293-85 «Чугун с шаровидным графитом для отливок» (марки). - М.: Госстандарт, 1985.
3. «Отливки корпусов контейнеров из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом для транспортных упаковочных комплектов ТУК-128, ТУК 128/1 для перевозки ОТВС исследовательских реакторов», ТУ 41 1130 6-025-00212179-2006, ОАО НПО «ЦНИИТМАШ», М., 2006.