РОСТОУСТОЙЧИВЫЙ ЧУГУН
GROWTH-RESISTANT CAST IRON

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/м<sup>2</sup>·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.