РОСТОУСТОЙЧИВЫЙ ЧУГУН
GROWTH-RESISTANT CAST IRON

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/м<sup>2</sup>·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.