ростоустойчивый чугун

Формула изобретения

1. Аустенитный ростоустойчивый чугун, содержащий никель, марганец, хром, углерод, кремний, медь, серу, фосфор и железо, отличающийся тем, что для обеспечения высоких потребительских свойств в условиях эксплуатации при низких температурах он содержит компоненты в следующих количествах, мас.%:

никель	10,0-12,9
марганец	2,1-5,0
хром	0,1-2,7
углерод	2,9-3,6
кремний	1,5-3,0
медь	1,5-6,0
сера	< 0,15
фосфор	< 0,3
железо	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, 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 2·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.