RU2337170C2

RU2337170C2 - Austenite iron with globular graphite

Info

Publication number: RU2337170C2
Application number: RU2006127138/02A
Authority: RU
Inventors: Александр Владимирович Филимонов (RU); Александр Владимирович Филимонов; Николай Никитьевич Александров (RU); Николай Никитьевич Александров; Николай Сафонович Гущин (RU); Николай Сафонович Гущин; Евгений Владимирович Ковалевич (RU); Евгений Владимирович Ковалевич; Евгений Степанович Пестов (RU); Евгений Степанович Пестов; Лев Александрович Петров (RU); Лев Александрович Петров; Евгений Иванович Харламов (RU); Евгений Иванович Харламов; Юрий Николаевич Цветков (RU); Юрий Николаевич Цветков
Original assignee: "Центр Разработки Нефтедобывающего Оборудования" ("Црно")
Priority date: 2006-07-27
Filing date: 2006-07-27
Publication date: 2008-10-27
Also published as: RU2006127138A

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: austenite iron contains, wt %: carbon 2.2-3.0; silicon 2.4-3.2; manganese 3.0-4.0; copper 6.5-7.5; nickel 9.4-11.0; chromium 0.3-0.5; vanadium 0.01-0.03, magnesium 0.03-0.05; calcium 0.03-0.05; cerium 0.01-0.03; iron - the rest.

EFFECT: iron possesses high wear and corrosion resistance at operation in corrosive mediums.

2 tbl

Description

Изобретение относится к литейному производству, а именно к изысканию аустенитного чугуна с шаровидным графитом для производства деталей, предназначенных для работы в агрессивной среде при диапазоне температур от -60° до +90°С, в частности для изготовления рабочих органов погружных центробежных насосов для добычи нефти.The invention relates to foundry, in particular to the search for austenitic nodular cast iron for the production of parts intended for operation in an aggressive environment at a temperature range from -60 ° to + 90 ° C, in particular for the manufacture of working bodies of submersible centrifugal pumps for oil production .

Известен аустенитный чугун с шаровидным графитом, описанный в авторском свидетельстве СССР №730856, МПК С22С 37/04, 1976 г., имеющий следующий химический состав, мас.%:Known austenitic cast iron with spherical graphite, described in the USSR author's certificate No. 730856, IPC C22C 37/04, 1976, having the following chemical composition, wt.%:

УглеродCarbon 2,8-3,62.8-3.6 КремнийSilicon 1,8-2,41.8-2.4 МарганецManganese 6,0-8,06.0-8.0 МедьCopper 4,6-6,04.6-6.0 НикельNickel 4,0-6,04.0-6.0 МагнийMagnesium 0,01-0,040.01-0.04 КальцийCalcium 0,01-0,100.01-0.10 Редкоземельные металлыRare earth metals 0,02-0,080.02-0.08 СтронцийStrontium 0,02-0,100.02-0.10 АлюминийAluminum 0,02-0,120.02-0.12 ОловоTin 0,001-0,080.001-0.08 ЖелезоIron остальное.rest.

Данный аустенитный чугун является ударостойким при отрицательных температурах до минус 110°С и эрозиостойким материалом.This austenitic cast iron is impact-resistant at negative temperatures up to minus 110 ° С and erosion-resistant material.

Однако, несмотря на ввод в состав чугуна таких дорогостоящих элементов, как стронций и олово, он имеет низкую коррозионную стойкость и износостойкость в условиях работы в агрессивных средах.However, despite the introduction of such expensive elements as strontium and tin into the composition of cast iron, it has low corrosion resistance and wear resistance under conditions of operation in aggressive environments.

Известен аустенитный чугун с шаровидным графитом (см., например, описание к авторскому свидетельству №2039916, МПК⁴, С22С 37/10, 1971 г.), выбранный в качестве прототипа по содержанию входящих компонентов и имеющий следующий состав, мас.%:Known austenitic cast iron with spherical graphite (see, for example, the description of copyright certificate No. 2039916, IPC ⁴ , C22C 37/10, 1971), selected as a prototype for the content of incoming components and having the following composition, wt.%:

УглеродCarbon 3,0-3,53.0-3.5 КремнийSilicon 2,5-3,52.5-3.5 МарганецManganese 4,5-5,04,5-5,0 МедьCopper 4,5-5,04,5-5,0 НикельNickel 5,0-6,05.0-6.0 МагнийMagnesium 0,015-0,030.015-0.03 КальцийCalcium 0,03-0,060.03-0.06 ЦерийCerium 0,03-0,050.03-0.05 ЖелезоIron остальное.rest.

Указанный аустенитный чугун с шаровидным графитом не обеспечивает необходимую износостойкость деталей и коррозионную стойкость материала для изготовления деталей, предназначенных для работы в агрессивной и абразивосодержащей среде в диапазоне температур от -60° до +90°С.The specified austenitic nodular cast iron does not provide the necessary wear resistance of the parts and the corrosion resistance of the material for the manufacture of parts designed to operate in an aggressive and abrasive-containing environment in the temperature range from -60 ° to + 90 ° C.

Задачей предложенного изобретения является создание аустенитного чугуна с шаровидным графитом с повышенной износо - и коррозионной стойкостью для работы в агрессивной среде при температурах в диапазоне от -60° до +90°С.The objective of the invention is the creation of austenitic nodular cast iron with increased wear and corrosion resistance for operation in an aggressive environment at temperatures ranging from -60 ° to + 90 ° C.

Технический результат, достигаемый при реализации предложенного технического решения, состоит в повышении прочности, твердости, коррозионной стойкости и износостойкости чугуна при снижении его себестоимости, предназначенного для изготовления отливок сложной конфигурации, например ступеней погружных центробежных насосов для добычи нефти.The technical result achieved by the implementation of the proposed technical solution consists in increasing the strength, hardness, corrosion resistance and wear resistance of cast iron while reducing its cost, intended for the manufacture of castings of complex configuration, for example, stages of submersible centrifugal pumps for oil production.

Указанный технический результат обеспечивается тем, что в предложенном аустенитном чугуне с шаровидным графитом, содержащем: углерод, кремний, марганец, медь, никель, магний, кальций, церий, железо, дополнительно введены хром и ванадий при следующем соотношении компонентов, мас.%:The specified technical result is ensured by the fact that in the proposed austenitic cast iron with spherical graphite containing: carbon, silicon, manganese, copper, nickel, magnesium, calcium, cerium, iron, chromium and vanadium are additionally introduced in the following ratio of components, wt.%:

углеродcarbon 2,2-3,02.2-3.0 кремнийsilicon 2,4-3,22.4-3.2 марганецmanganese 3,0-4,03.0-4.0 медьcopper 6,5-7,56.5-7.5 никельnickel 9,4-11,09.4-11.0 хромchromium 0,3-0,50.3-0.5 ванадийvanadium 0,1-0,40.1-0.4 магнийmagnesium 0,01-0,030.01-0.03 кальцийcalcium 0,03-0,050.03-0.05 церийcerium 0,01-0,030.01-0.03 железоiron остальное.rest.

Введение марганца в состав предложенного чугуна в количестве менее 3,0% не обеспечивает повышения достаточной концентрации марганца в аустените, что приводит к частичному распаду аустенитной основы чугуна при его охлаждении до температуры минус 60°С. Это влечет за собой резкое снижение ростоустойчивости деталей, изготовленных из аустенитного чугуна с шаровидным графитом, что снижает срок их службы, а в случае изготовления из этого чугуна ступеней погружных центробежных насосов для добычи нефти этот недостаток может привести к выходу из строя самих насосов. Увеличение содержания марганца свыше 4,5% вызывает выделение карбидов марганца типа (Mn₃С), что повышает хрупкость чугуна и ухудшает обработку отливок резанием.The introduction of manganese in the composition of the proposed cast iron in an amount of less than 3.0% does not provide an increase in a sufficient concentration of manganese in austenite, which leads to a partial decomposition of the austenitic base of cast iron when it is cooled to a temperature of minus 60 ° C. This entails a sharp decrease in the growth resistance of parts made of austenitic cast iron with spherical graphite, which reduces their service life, and if the steps of submersible centrifugal pumps for oil production are made from this cast iron, this drawback can lead to failure of the pumps themselves. An increase in the manganese content over 4.5% causes the precipitation of manganese carbides of the type (Mn ₃ C), which increases the brittleness of cast iron and worsens the processing of castings by cutting.

Введение в состав чугуна хрома позволяет повысить его прочность, твердость, коррозионную стойкость и износостойкость.The introduction of chromium in the composition of cast iron improves its strength, hardness, corrosion resistance and wear resistance.

Введение хрома менее 0,3% не обеспечивает достаточной концентрации хрома в аустените, что снижает прочность, твердость, коррозионную стойкость и износостойкость чугуна. Увеличение содержания хрома свыше 0,5% вызывает выделение карбидов цементитного типа (Fe, Cr)₃С, что снижает прочностные характеристики металла и ухудшает обрабатываемость отливок, изготовленных из него.The introduction of chromium of less than 0.3% does not provide a sufficient concentration of chromium in austenite, which reduces the strength, hardness, corrosion resistance and wear resistance of cast iron. An increase in the chromium content over 0.5% causes the precipitation of cementite type carbides (Fe, Cr) ₃ C, which reduces the strength characteristics of the metal and affects the machinability of castings made from it.

Добавка в состав предложенного чугуна ванадия способствует увеличению эффективных зародышей кристаллизующегося графита, что способствует снижению линейной усадки и склонности чугуна к образованию трещин.The addition of vanadium to the composition of the proposed cast iron increases the effective nuclei of crystallizing graphite, which helps to reduce the linear shrinkage and the tendency of cast iron to crack.

Введение в состав чугуна ванадия менее 0,1% не обеспечивает образования достаточного количества эффективных зародышей кристаллизующегося графита, в результате чего остаются повышенными линейная усадка и склонность чугуна к образованию трещин. Увеличение количества ванадия свыше 0,4% способствует образованию карбидов ванадия, в результате чего снижается прочность чугуна и ухудшается его обрабатываемость резанием.The introduction of vanadium in the composition of cast iron of less than 0.1% does not ensure the formation of a sufficient amount of effective nuclei of crystallizing graphite, as a result of which the linear shrinkage and tendency of cast iron to crack formation remain increased. An increase in the amount of vanadium over 0.4% promotes the formation of vanadium carbides, as a result of which the strength of cast iron is reduced and its machinability is reduced.

Увеличение содержания меди в чугуне позволяет повысить ее концентрацию в аустените.An increase in the copper content in cast iron makes it possible to increase its concentration in austenite.

Введение меди в количестве менее 6,5% не обеспечивает повышения достаточной концентрации меди в аустените, что способствует частичному распаду аустенитной основы чугуна при его охлаждении до температуры минус 60°С и соответственно резкому снижению ростоустойчивости рабочих органов центробежных насосов, выполненных из аустенитного чугуна с шаровидным графитом. Увеличение содержания меди свыше 7,5% способствует выделению по границам зерен аустенита металлической меди, в результате чего понижаются прочностные характеристики, коррозионная стойкость и износостойкость чугуна.The introduction of copper in an amount of less than 6.5% does not increase the sufficient concentration of copper in austenite, which contributes to the partial decomposition of the austenitic base of cast iron when it is cooled to a temperature of minus 60 ° C and, accordingly, a sharp decrease in the growth resistance of the working bodies of centrifugal pumps made of austenitic nodular cast iron graphite. An increase in copper content of more than 7.5% promotes the release of metallic copper at the grain boundaries of austenite, resulting in lower strength characteristics, corrosion resistance and wear resistance of cast iron.

Повышенное содержание никеля в чугуне позволяет повысить его концентрацию в аустените.The increased nickel content in cast iron makes it possible to increase its concentration in austenite.

Введение никеля в количестве менее 9,4% не обеспечивает повышения достаточной концентрации никеля в аустените, что способствует частичному распаду аустенитной основы чугуна при его охлаждении до температуры минус 60°С. Увеличение содержания никеля свыше 11,0% не способствует дальнейшему повышению стабильности аустенитной основы чугуна при его охлаждении до температуры минус 60°С. При этом себестоимость литья из аустенитного чугуна с шаровидным графитом увеличивается.The introduction of Nickel in an amount of less than 9.4% does not provide an increase in a sufficient concentration of nickel in austenite, which contributes to the partial decomposition of the austenitic base of cast iron when it is cooled to a temperature of minus 60 ° C. An increase in the nickel content over 11.0% does not contribute to a further increase in the stability of the austenitic base of cast iron when it is cooled to a temperature of minus 60 ° C. At the same time, the cost of casting from austenitic nodular cast iron is increasing.

Выплавка аустенитного чугуна с шаровидным графитом предложенного состава осуществляется следующим образом.Smelting austenitic iron with spherical graphite of the proposed composition is as follows.

Плавку чугуна проводят в индукционных или дуговых электропечах с использованием стандартных шихтовых материалов. Легирующие элементы - никель, хром и медь вводят в металлозавалку. После расплавления шихты и перегрева чугуна до температуры 1450-1500°С на зеркало расплава вводят марганец в виде 60%-ного ферромарганца, кремний в виде 75%-ного ферросилиция и ванадий в виде феррованадия. С целью повышения жидкотекучести чугуна вводят фосфор в количестве 0,15-0,25% в виде 20%-ного феррофосфора. На дно разливочного ковша перед выпуском жидкого металла из печи вводят магний и кальций в составе сфероидизирующей присадки, а также церий в виде ферроцерия.Iron is smelted in induction or electric arc furnaces using standard charge materials. Alloying elements - nickel, chromium and copper are introduced into the metal plant. After the charge is melted and the cast iron is overheated to a temperature of 1450-1500 ° C, manganese in the form of 60% ferromanganese, silicon in the form of 75% ferrosilicon and vanadium in the form of ferrovanadium are introduced into the melt mirror. In order to increase the fluidity of cast iron, phosphorus is introduced in an amount of 0.15-0.25% in the form of 20% ferrophosphorus. Before the liquid metal is discharged from the furnace, magnesium and calcium are added to the bottom of the casting ladder as part of a spheroidizing additive, as well as cerium in the form of ferrocerium.

В табл.1 приведен химический состав известного и предложенного чугунов. В табл.2 приведены значения их литейных и механических свойств, а также стойкость в агрессивных средах при различных температурах.Table 1 shows the chemical composition of the known and proposed cast irons. Table 2 shows the values of their casting and mechanical properties, as well as resistance in aggressive environments at various temperatures.

Техническим результатом является, как видно из данных таблицы 2, более высокая прочность (450-470 МПа), твердость (120-140 НВ) и соответственно более высокая коррозионная стойкость и износостойкость предлагаемого чугуна в сравнении с прототипом.The technical result is, as can be seen from the data of table 2, higher strength (450-470 MPa), hardness (120-140 HB) and, accordingly, higher corrosion resistance and wear resistance of the proposed cast iron in comparison with the prototype.

Временное сопротивление при растяжении определяли по ГОСТ 27208-87.Tensile strength was determined according to GOST 27208-87.

Твердость по Бринеллю определяли в соответствии с ГОСТ 9012-59.Brinell hardness was determined in accordance with GOST 9012-59.

Коррозионную стойкость в водном растворе хлоридов определяли по потере массы образцов после испытания продолжительностью 14 суток при температуре 70-80°С.Corrosion resistance in an aqueous solution of chlorides was determined by the weight loss of the samples after testing for 14 days at a temperature of 70-80 ° C.

Коррозионную стойкость в сероводороде определяли по потере массы образцов после испытаний в автоклаве продолжительностью 10 суток при температуре 90°±1°С. Концентрация сероводорода составляла 6 г/л.Corrosion resistance in hydrogen sulfide was determined by the weight loss of the samples after testing in an autoclave for 10 days at a temperature of 90 ° ± 1 ° C. The hydrogen sulfide concentration was 6 g / l.

Ростоустойчивость в охлаждающей среде определяли по изменению линейных размеров образцов после испытания продолжительностью 1 час при температуре минус 60°С. Охлаждающая среда состояла из двуокиси углерода (3 кг), этилового спирта (500 мл) и ацетона (200 мл).Growth resistance in a cooling medium was determined by a change in the linear dimensions of the samples after testing for 1 hour at a temperature of minus 60 ° C. The cooling medium consisted of carbon dioxide (3 kg), ethyl alcohol (500 ml) and acetone (200 ml).

Испытания на износостойкость проводили при нагрузке 6,5 кг/см² и продолжительности испытаний 6 часов. Износостойкость определяли по изменению размеров образца после проведения испытаний. Абразивная среда состояла из 30% смазочно-охлаждающей жидкости и 70% воды с добавлением 10 г/л Al₂О₃.Tests for wear resistance were carried out at a load of 6.5 kg / cm ² and a test duration of 6 hours. Wear resistance was determined by changing the size of the sample after testing. The abrasive medium consisted of 30% cutting fluid and 70% water with the addition of 10 g / l Al ₂ About ₃ .

Применение предлагаемого аустенитного чугуна с шаровидным графитом для отливок, имеющих сложную конфигурацию, например ступеней погружных центробежных насосов для добычи нефти, позволяет существенно (на 50-60%) увеличить срок службы деталей в эксплуатации на 20-30% при снижении себестоимости их изготовления.The use of the proposed austenitic nodular cast iron for castings having a complex configuration, for example, the steps of submersible centrifugal pumps for oil production, can significantly (50-60%) increase the service life of parts in operation by 20-30% while reducing the cost of their manufacture.

Таблица 1Table 1 ЧугунCast iron № плавкиNo. of swimming trunks Содержание химических элементов, мас.%The content of chemical elements, wt.% СFROM SiSi MnMn CuCu NiNi CrCr VV MgMg CaCa СеXie FeFe ПредлагаемыйProposed 11eleven 2,22.2 2,42,4 3,03.0 6,56.5 9,49,4 0,30.3 0,10.1 0,010.01 0,030,03 0,010.01 Ост.Ost. 1212 2,62.6 2,82,8 3,53,5 7,07.0 10,210,2 0,40.4 0,250.25 0,020.02 0,040.04 0,020.02 Ост.Ost. 1313 3,03.0 3,23.2 4,04.0 7,57.5 11,011.0 0,50.5 0,40.4 0,030,03 0,050.05 0,030,03 Ост.Ost. ПрототипPrototype 1one 3,23.2 3,03.0 4,74.7 4,74.7 5,55.5 -- -- 0,020.02 0,040.04 0,040.04 Ост.Ost.

Таблица 2table 2 № плавкиNo. of swimming trunks Жидкотекучесть при температуре 1400°С, ммLiquid flow at a temperature of 1400 ° C, mm Прочность, МПаStrength, MPa Твердость, НВHardness, HB Скорость коррозии, мм/годCorrosion rate, mm / year Интенсивность солеотложения, г/часScale intensity, g / hour Ростоустойчивость при температуре минус 60°С, %Growth resistance at a temperature of minus 60 ° С,% Суммарный износ пары трения из чугуна, ммThe total wear of a friction pair of cast iron, mm в водном растворе хлоридовin an aqueous solution of chlorides в сероводородеin hydrogen sulfide 11eleven 550550 450450 120120 0,0500,050 3,753.75 0,0560.056 00 0,120.12 1212 580580 470470 140140 0,0490,049 3,603.60 0,0550,055 00 0,100.10 1313 600600 460460 130130 0,04950,0495 3,703.70 0,0550,055 00 0,110.11 1one 460460 430430 110110 0,0520,052 3,993.99 0,0560.056 00 0,150.15

Claims

Nodular austenitic iron, containing carbon, silicon, manganese, copper, nickel, magnesium, calcium, cerium and iron, characterized in that it additionally contains chromium and vanadium in the following ratio, wt.%:

carbon 2.2-3.0 silicon 2.4-3.2 manganese 3.0-4.0 copper 6.5-7.5 nickel 9.4-11.0 chromium 0.3-0.5 vanadium 0.01-0.03 magnesium 0.03-0.05 calcium 0.03-0.05 cerium 0.01-0.03 iron rest