Легированный чугун для отливок со специальными свойствами

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ЛЕГИРОВАННЫЙ ЧУГУН ДЛЯ ОТЛИВОК СО СПЕЦИАЛЬНЫМИ СВОЙСТВАМИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт технологии металлов Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Карпенко Михаил Иванович Бевза Владимир Федорович Марукович Евгений Игнатьевич Груша Владимир Петрович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт технологии металлов Национальной академии наук Беларуси(56) ГОСТ 7769-82. Чугун легированный для отливок со специальными свойствами.54130427 , 1979.5870 1, 2004.02298233 , 1990.2356987 1, 2009.07018368 , 1995.1014961 , 1983.(57) 1. Легированный чугун для отливок со специальными свойствами, содержащий углерод, кремний, марганец, никель, медь, хром, фосфор, серу и железо, отличающийся тем,что дополнительно содержит кобальт, алюминий и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.углерод 2,2-3,0 кремний 1,2-2,7 марганец 0,5-3,6 никель 14,0-17,0 медь 3,1-8,0 хром 1,5-3,0 фосфор 0,05-0,25 сера 0,01-0,03 кобальт 0,12-2,50 алюминий 0,02-0,30 кальций 0,02-0,08 железо остальное. 2. Легированный чугун для отливок со специальными свойствами по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно содержит редкоземельные металлы в количестве 0,030,08 мас.и магний в количестве 0,02-0,07 мас. . Изобретение относится к металлургии, в частности к изысканию легированных износостойких аустенитных высокопрочных чугунов для отливок со специальными свойствами, используемых для изготовления деталей нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности. 17236 1 2013.06.30 Известен износостойкий легированный чугун для отливок со специальными свойствами 1, содержащий, мас.углерод 2,0-4,0 кремний 0-1,0 марганец 0-0,7 никель 0-12,0 хром 0-5,0 медь 0-6,0 алюминий 1,0-3,0 молибден 0-2,0 сера 0-0,5 фосфор 0-0,1 железо остальное. Недостатками известного чугуна являются высокое содержание цементита в структуре, повышенная склонность к отбелу, низкие упруго-пластические и нестабильные эксплуатационные свойства, особенно по эксплуатационной стойкости при низких температурах и ростоустойчивости. Известен также ростоустойчивый легированный чугун 2, содержащий, мас.углерод 2,9-3,6 кремний 1,5-3,0 марганец 2,1-5,0 никель 10-12,9 хром 0,1-2,7 медь 1,5-6,0 фосфор до 0,3 сера до 0,5 железо остальное. Высокое содержание углерода, кремния и серы и недостаточная концентрация никеля в известном чугуне снижают стабильность аустенитной структуры, механических и служебных свойств в отливках. По технической сущности и достигаемому эффекту наиболее близким к предложенному является легированный чугун ЧН 15 Д 7 для отливок со специальными свойствами 3 следующего химического состава, мас.углерод 2,2-3,0 кремний 2,0-2,7 марганец 0,5-1,6 хром 1,5-3,0 никель 14,0-16,0 медь 5,0-8,0 фосфор до 0,3 сера до 0,1 железо остальное. Этот чугун обладает следующими механическими и эксплуатационными свойствами временное сопротивление при растяжении, МПа 150-210 твердость, НВ 120-297 скорость ударно-абразивного износа, мг/гс 280-350 магнитная проницаемость, Гн/м 22-40 коррозионная стойкость, г/м 2 ч 1,7-2,1. В литых изделиях из известного чугуна из-за недостаточной стабильности аустенитной структуры отмечается снижение износостойкости, ударной вязкости, ростоустойчивости и эксплуатационных свойств. Анализ работы литых деталей насосов из известного 2 17236 1 2013.06.30 чугуна показывает, что срок их службы существенно снижается по причине ударноабразивного и коррозионного износа, особенно в средах с высокой концентрацией сероводорода, температурой от -50 до -70 С и массовой концентрацией твердых частиц более 1 г/л и микротвердостью 5-7 баллов по Моосу. Задача изобретения - повышение стабильности аустенитной структуры при низких температурах, ударной вязкости, износостойкости и эксплуатационных свойств. Поставленная задача решается тем, что 1. Легированный чугун для отливок со специальными свойствами, содержащий углерод, кремний, марганец, никель, медь, хром, фосфор, серу и железо, дополнительно содержит кобальт, алюминий и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.углерод 2,2-3,0 кремний 1,2-2,7 марганец 0,5-3,6 нНикель 14,0-17,0 медь 3,1-8,0 хром 1,5-3,0 фосфор 0,05-0,25 сера 0,01-0,03 кобальт 0,12-2,50 алюминий 0,02-0,30 кальций 0,02-0,08 железо остальное. 2. Легированный чугун для отливок со специальными свойствами по п. 1, дополнительно содержит редкоземельные металлы в количестве 0,03-0,08 мас.и магний в количестве 0,02-0,07 мас. . Проведенный анализ предложенного технического решения показал, что на данный момент не известны технические решения, в которых были бы отражены указанные отличия. Кроме того, указанные признаки являются необходимыми и достаточными для достижения положительного эффекта, указанного в цели изобретения. Это позволяет сделать вывод о том, что данные отличия являются существенными. Дополнительное введение кобальта обусловлено тем, что он является эффективной легирующей добавкой, повышающей стабильность аустенита и снижающей температуру образования мартенситной структуры, что снижает ростоустойчивость, износ в абразивных средах с сероводородом и повышает ударную вязкость и коррозионную стойкость. При увеличении концентрации кобальта более 2,50 повышаются потери на гистерезис в области сильных полей и снижаются характеристики электросопротивления, других специальных свойств и стабильность магнитных свойств. При содержании кобальта до 0,12 стабильность аустенита и эксплуатационных свойств недостаточна, особенно в средах с содержанием сероводорода от 0,1 до 0,15(1,0-1,5 г/л). Алюминий (0,02-0,30 ) и кальций (0,02-0,08 ) являются эффективными раскисляющими и модифицирующими добавками, повышающими износостойкость и снижающими дисперсность структуры, магнитную проницаемость и ростоустойчивость. При концентрации кальция до 0,02 и алюминия до 0,02 их раскисляющий и модифицирующий эффект недостаточен. При увеличении содержания алюминия более 0,30 снижаются характеристики упруго-пластических и коррозионных свойств чугуна, а верхний предел концентрации кальция (0,08 ) ограничен предельной растворимостью кальция в чугуне. Никель (14-17 ), медь (3,1-8,0 ) и хром (1,5-3,0 ) являются основными легирующими добавками, повышающими стабильность аустенитной структуры при низких температурах, износостойкость при ударно-абразивном износе и коррозионную стойкость и уменьшающими магнитную проницаемость, магнитную индукцию и остаточный магне 3 17236 1 2013.06.30 тизм. При их содержании менее нижних пределов механические и эксплуатационные свойства чугуна при низких температурах недостаточны. При увеличении их концентрации выше верхних пределов снижаются характеристики ударной вязкости и ударноусталостной долговечности при низких температурах. Марганец в количестве 0,5-3,6 наиболее существенно повышает стабильность аустенита, износостойкость чугуна, ударно-усталостную долговечность и другие механические свойства и препятствует повышению магнитной проницаемости и ростоустойчивости. Чугун с содержанием марганца до 0,5 имеет низкие характеристики ударноусталостной долговечности, коррозионной стойкости и ростоустойчивости. Чугун с содержанием марганца более 3,6 имеет повышенную склонность к наклепу, поэтому литые детали плохо подвергаются механической обработке, имеют низкие технологические и пластические свойства и ударно-усталостную долговечность при низких температурах. Содержание фосфора более 0,25 и серы более 0,03 снижает механические и эксплуатационные свойства при низких температурах, поэтому оно ограничено этими пределами. Кроме того, стабильность аустенитной структуры и потребительские свойства чугуна могут быть увеличены с помощью сфероидизирующего модифицирования, например,магний- и РЗМ-содержащими модификаторами, в результате которого в структуре чугуна графит получается шаровидной или компактной формы. Редкоземельные металлы (0,03-0,08 ) и магний (0,02-0,07 ) являются наиболее эффективными сфероидизирующими модификаторами, повышающими ударно-усталостную долговечность, ударную вязкость и другие упруго-пластические свойства, износостойкость, удельное электросопротивление, ростоустойчивость и надежность работы при отрицательных температурах. Повышение эксплуатационных свойств чугуна отмечается при концентрации 0,03 редкоземельных металлов и 0,02 магния, когда в структуре отсутствует пластинчатый графит, а наблюдается графит двух типов (шаровидной и вермикулярной формы). При увеличении концентрации редкоземельных металлов более 0,08 и магния более 0,07 в аустенитной структуре возникает более 10 цементита,что ухудшает обрабатываемость литых изделий, пластические и технологические свойства чугуна, стабильность механических свойств и эксплуатационной стойкости чугуна при отрицательных температурах. Пример. Опытные плавки легированных чугунов проводили в индукционных тигельных печах с использованием рафинированных чушковых чугунов, стального лома, малоуглеродистого феррохрома, полуфабрикатного никеля, содержащего кобальт, ферромарганца марки ФМн 75, силикокальция марки СК 30 и других ферросплавов. Легирование чугуна никелем,содержащим кобальт, ферромарганцем и медью производили после рафинирования расплава в печи, а модифицирование силикокальцием и алюминием - при выпуске расплава из печи. Модифицирование чугуна никель-магниевой лигатурой и редкоземельными металлами производят в раздаточных литейных ковшах. Для определения свойств чугуна модифицированные расплавы заливали в многоместные литейные формы для получения стандартных образцов для механических испытаний,решетчатых технологических проб и литых заготовок для изготовления деталей погружных насосов. Полые цилиндрические заготовки получали без применения стержня направленным затвердеванием (намораживанием). В табл. 1 приведены химические составы известного (состав 1) и предложенного (составы3-5 и 8-10) чугунов опытных плавок, выполненные в соответствии с ГОСТ 24805.(Изв.) Углерод 2,8 2 2,2 2,7 3 3,4 2 2,2 2,7 3 3,2 Кремний 2,5 1 1,2 2,1 2,7 3 1,1 1,2 2,1 2,7 2,9 Марганец 1,1 0,3 0,5 3 3,6 4 0,3 0,5 2,2 3,6 3,8 Никель 15 12 14 16 17 18 12 14 15,1 17 19 Медь 7 2,6 3,1 5,2 8 8,6 2,8 3,1 5 8 8,7 Хром 2 1,2 1,5 2,1 3 3,7 1,3 1,5 2,3 3 3,6 Фосфор 0,2 0,03 0,05 0,2 0,25 0,4 0,03 0,05 0,2 0,25 0,3 Сера 0,07 0,005 0,01 0,02 0,03 0,06 0,005 0,01 0,02 0,03 0,05 Кобальт 0,1 0,12 2 2,5 3,1 0,1 0,12 2 2,50 3,4 Алюминий 0,01 0,02 0,2 0,3 0,5 0,01 0,02 0,2 0,30 0,5 Кальций 0,01 0,02 0,05 0,08 0,1 0,01 0,02 0,05 0,08 0,1 РЗМ 0,01 0,03 0,05 0,08 0,1 Магний 0,01 0,02 0,04 0,07 0,1 Механические испытания на растяжение проводили на образцах диаметром 14 мм и расчетной длиной 70 мм в соответствии с ГОСТ 1497, а определение твердости - в соответствии с ГОСТ 24805. Ударную вязкость определяли на образцах с размерами 101055 мм при температуре - 60 С, а усталостные испытания - на машине УРМ 2000 при частоте нагружения образцов 40 Гц. В табл. 2 приведены механические и эксплуатационные свойства чугунов опытных плавок в отливках. Таблица 2 Свойства чугунов Наименование 1 показателей 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11(изв.) Временное сопротив 205 210 229 241 237 221 215 245 260 254 215 ление, МПа Твердость, НВ 128 170 161 146 140 132 165 141 135 129 121 Ударная вязкость,7,1 6,8 8,2 9,5 10,3 7,8 7,4 8,8 10,6 9,8 7,6 Дж/см 2 Ударно-абразивная износостойкость,310 283 212 236 245 290 272 205 227 236 280 мг/гс Магнитная 25 21 17 12 13 18 22 16 12 13 20 проницаемость, Гн/м Содержание 7 13 8 5 4 3 12 7 5 4 2 цементита,Коррозионная 1,8 1,7 1,5 1,2 1,3 1,6 1,7 1,4 1,1 1,2 1,6 стойкость, г/м 2 ч Усталостная долго 6,8 7 8,2 8,6 8,8 7,9 7,3 8,5 9,1 8,7 8 вечность, тыс. циклов Предельная температура стабильности аустенита, С 17236 1 2013.06.30 Как видно из табл. 2, предложенный чугун обладает более стабильной аустенитной структурой и обеспечивает отливкам более высокие и стабильные характеристики износостойкости, ударной вязкости и коррозионной стойкости. Источники информации 1. Патент ФРГ 1906008, МПК 40 37/10, 1973. 2. Патент 2404278, МПК 22 37/10, 2010. 3. ГОСТ 7769-82, прототип. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6