Коррозионно-стойкий чугун с шаровидным графитом
Владельцы патента RU 2387729:
Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения" (ОАО НПО "ЦНИИТМАШ") (RU)
Изобретение относится к литейному производству, в частности к составам коррозионностойких чугунов с шаровидным графитом. Может использоваться для производства рабочих органов грунтовых и песковых насосов и гидромашин, перекачивающих абразивные пульпы, смеси и суспензии. Коррозионностойкий чугун с шаровидным графитом содержит, мас.%: углерод 3,2-4,0; кремний 1,5-3,0; марганец 0,8-3,5; хром 7,0-10,0; никель 2,0-4,0; бор 0,2-0,4; ванадий 0,4-1,0; молибден 0,1-0,5; титан 0,1-0,4; алюминий 0,05-0,2; церий 0,03-0,2; магний 0,02-0,1; кальций 0,05-0,2; железо - остальное. Чугун обладает повышенной устойчивостью к воздействию коррозионно-абразивных сред. 2 табл.
Изобретение относится к литейному производству, а именно к изысканию коррозионностойкого чугуна с шаровидным графитом для производства деталей, предназначенных для работы в условиях гидроабразивного износа, в частности для изготовления рабочих органов грунтовых и песковых насосов и гидромашин, перекачивающих абразивные пульпы, суспензии и смеси.
Известен износостойкий чугун, содержащий, мас.%: углерод 3,0-3,7; кремний 0,5-3,0; марганец 0,2-1,5; хром 4,0-15,0; никель 4,0-8,0; фосфор до 0,4; сера до 0,15; железо остальное (см. патент США №2662011, кл.75-128, 1953). Недостатком этого чугуна является низкая концентрация растворенного хрома (до 6%) в его металлической основе. В связи с этим на поверхности изделий из него не образуется коррозионностойкая пассивирующая пленка. В результате чего он имеет низкую устойчивость к воздействию коррозионно-абразивных сред.
Известен хромоникелевый чугун с шаровидным графитом (см., например, описание к патенту РФ №2234553, С1, 7 С22С 37110, 2004 г), выбранный в качестве прототипа по содержанию входящих компонентов и имеющих следующий состав, мас.%: углерод 3,2-4,0; кремний 1,4-2,5; марганец 0,4-1,2; хром 7,0-10,0; никель 2,5-5,5; бор 0,2-0,4; ванадий 0,6-1,0; алюминий 0,05-0,15; церий 0,05-0,20; магний 0,3-0,12; кальций 0,05-0,20; железо остальное.
В металлической основе указанного хромоникелевого чугуна с шаровидным графитом концентрация растворенного хрома достигает 11,8%. Благодаря этому он приобретает первую границу устойчивого пассивного состояния. Однако максимальная коррозионная стойкость у Fe-C сплавов обеспечивается, когда их основа содержит более 12% хрома [1].
Задачей предложенного изобретения является увеличение концентрации растворенного хрома (более 12%) в металлической основе хромоникелевого чугуна с шаровидным графитом с целью повышения устойчивости изделий из него к воздействию коррозионно-абразивных сред.
Технический результат, достигаемый при реализации предложенного технического решения, состоит в повышении коррозионной стойкости чугуна при снижении его себестоимости, предназначенного для изготовления отливок сложной конфигурации, например колес рабочих насосов для перекачки абразивных смесей, пульп и суспензий.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в предложенном хромоникелевом чугуне с шаровидным графитом, содержащем: углерод, кремний, марганец, хром, никель, бор, ванадий, алюминий, церий, магний, кальций, железо, дополнительно введен молибден и титан при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 3,2-4,0; кремний 1,5-3,0; марганец 0,8-3,5; хром 7,0-10,0; никель 2,0-4,0; бор 0,2-0,4; ванадий 0,4-1,0; молибден 0,1-0,5; титан 0,1-0,4; алюминий 0,05-0,2; церий 0,03-0,2; магний 0,02-0,1; кальций 0,05-0,2; железо остальное.
Введение в состав предложенного чугуна молибдена позволяет увеличить концентрацию растворенного хрома в его металлической основе за счет частичного замещения молибденом атомов хрома в карбидной фазе.
Введение молибдена менее 0,1% не обеспечивает повышение концентрации растворенного хрома в металлической основе; увеличение содержания молибдена свыше 0,4% вызывает выделение карбидов молибдена типа Мо2С, что не обеспечивает повышение концентрации хрома в металлической основе чугуна и, соответственно, его коррозионной стойкости.
Добавка в состав предложенного чугуна титана способствует увеличению концентрации растворенного хрома в его металлической основе за счет частичного замещения титаном атомов хрома в карбидной фазе.
Введение титана менее 0,1% не обеспечивает повышения концентрации растворенного хрома в металлической основе; увеличение содержания титана свыше 0,4% вызывает выделение карбидов титана TiC, что не обеспечивает повышение концентрации хрома металлической основе чугуна и, соответственно, его коррозионной стойкости.
Увеличение содержания марганца в чугуне позволяет повысить его концентрацию в аустените.
Введение марганца в количестве менее 0,8% не обеспечивает повышения достаточной концентрации марганца в аустените, что способствует частичному распаду аустенита при охлаждении в троостит, обладающему низкой коррозионной стойкостью. Это влечет за собой резкое снижение устойчивости хромоникелевого чугуна с шаровидным графитом к воздействию коррозионно-абразивных сред, вследствие чего срок службы изделий из него сокращается. Увеличение содержания марганца свыше 3,5% вызывает выделение карбидов марганца типа Мn3С, что повышает хрупкость чугуна и ухудшает обработку отливок резанием.
Уменьшение содержания никеля в чугуне позволяет понизить себестоимость изготовления литья.
Введение никеля в количестве менее 2,0% не обеспечивает достижения достаточной концентрации никеля в аустените, что способствует частичному распаду аустенита при охлаждении в коррозионно-неустойчивый троостит. Увеличение содержания никеля свыше 4,0% способствует повышению доли остаточного аустенита в металлической основе чугуна, в результате чего понижается его твердость.
Плавку чугуна проводят в индукционных или дуговых электропечах с использованием стандартных шихтовых материалов. Легирующие элементы - никель, молибден, хром и ванадий вводят в металлозавалку. После расплавления шихты и перегрева чугуна до 1450-1500°С на зеркало расплава вводят кремний и марганец в виде 75%-ного ферросилиция и 60%-ного ферромарганца. Затем присаживают алюминий и кальций (в виде 20%-ного силикокальция). Магний в составе сфероидизирующей присадки, а также церий, бор и титан в виде ферроцерия, ферробора и ферротитана вводят на дно разливочного ковша перед выпуском жидкого металла из печи.
В таблице 1 приведен химический состав известного и предложенного чугунов. В таблице 2 приведены их механические свойства и стойкость в агрессивно-абразивных средах.
Техническим результатом является, как видно из данных таблицы 2, более высокая концентрация хрома в металлической основе и, соответственно, более высокая коррозионная стойкость и износостойкость предлагаемого чугуна в сравнении с прототипом.
Временное сопротивление чугуна при изгибе (σизг) определяли на цилиндрических образцах (⌀30×340 мм) при расстоянии между центрами опор 300 мм (ГОСТ 27208-87).
Твердость по Роквеллу определяли на приборе ТК-2М по ГОСТ 9013-59.
Микрораспределение хрома в металлической основе чугуна изучали на микроанализаторе MS-46 «Cameca».
Коррозионную стойкость в сернокислотной среде определяли по потере массы образцов после испытания продолжительностью 75 часов по ГОСТ 5272-50.
Концентрация серной кислоты составляла 0,02%, а рН среды 4,5.
Износостойкость в условиях гидроабразивного изнашивания определяли методом чашечного шлифования на стенде конструкции ЦНИИТМАШ. В процессе испытания образцы (⌀10×110 мм) перемещаются в гидроабразивной пульпе, состоящей из абразива и воды при соотношении 2:1,3 (по объему). В качестве абразива использовали электрокорунд зернистостью 0,6-1,5 мм. Длительность испытания - 1,5 часа. Частота вращения диска составляла 500 об/мин-1 и контролировалась стробоскопическим тахометром, линейная скорость перемещения образца составляла 4,7 м/сек-1.
Применение предлагаемого хромоникелевого чугуна с шаровидным графитом для отливок, имеющих сложную конфигурацию, например колес рабочих насосов для перекачки абразивных смесей, пульп и суспензий, позволяет существенно (на 30-40%) увеличить срок службы деталей в эксплуатации при снижении себестоимости их изготовления на 20-30%.
| Таблица 1 | ||||||||||||||
| Чугун | № плавки | Содержание химических элементов, мас.% | ||||||||||||
| С | Si | Mn | Cr | Ni | V | Mo | Ti | В | Се | Mg | Ca | Al | ||
| Пред-лага-емый | 11 | 3,2 | 0,5 | 0,8 | 3,0 | 2,0 | 0,4 | 0,1 | 0,1 | 0,2 | 0,03 | 0,02 | 0,05 | 0,05 |
| 12 | 2,7 | 1,8 | 2,2 | 8,5 | 33,0 | 0,7 | 0,8 | 0,35 | 0,3 | 0,12 | 0,06 | 0,13 | 0,13 | |
| 13 | 4,0 | 3,0 | 3,5 | 10,0 | 4,0 | 1,0 | 0,5 | 0,4 | 0,4 | 0,2 | 0,1 | 0,2 | 0,2 | |
| Прототип | 1 | 3,6 | 1,9 | 0,8 | 8,5 | 4,0 | 0,8 | - | - | 0,3 | 0,12 | 0,8 | 0,1 | 0,3 |
| Таблица 2 | |||||
| № плавки | Содержание хрома в металлической основе, % | Прочность, МПа | Твердость, HRC | Скорость коррозии в сернокислой среде, г/м2·н | Коэффициент относительной износостойкости в условиях гидроабразивногоизноса |
| 11 | 12,2 | 905 | 62 | 0,44 | 6,8 |
| 12 | 12,8 | 910 | 63 | 0,41 | 7,0 |
| 13 | 13,4 | 902 | 64 | 0,38 | 7.2 |
| 1 | 11,8 | 900 | 62 | 0,55 | 6,4 |
Источники информации
1. Томашев Н.Ф., Чернова Г.Л. Коррозия и коррозионностойкие сплавы. М.: Металлургия, 1973. - 232.
Коррозионно-стойкий чугун с шаровидным графитом, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, никель, бор, ванадий, алюминий, церий, магний, кальций и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит молибден и титан при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| углерод | 3,2-4,0 |
| кремний | 1,5-3,0 |
| марганец | 0,8-3,5 |
| хром | 7,0-10,0 |
| никель | 2,0-4,0 |
| бор | 0,2-0,4 |
| ванадий | 0,4-1,0 |
| молибден | 0,1-0,5 |
| титан | 0,1-0,4 |
| алюминий | 0,05-0,2 |
| церий | 0,03-0,2 |
| магний | 0,02-0,1 |
| кальций | 0,05-0,2 |
| железо | остальное |
