Концепция создания экономнолегированных аусферритных (бейнитных) высокопрочных чугунов

Рассмотрена материальная структура производства отливок в мире, общие объемы выпуска которых превысили 112 млн. т. Показана ведущая доля чугунов и, в частности, рост выпуска высококачественных и высокопрочных чугунов с шаровидным графитом. Описана устойчивая тенденция замены для ответственных машиностроительных изделий легированного стального проката на Austempered Ductile Iron (ADI) – высокопрочный чугун с шаровидным графитом, изотермически закаленный на аусферритную (бейнитную) структуру. Рассмотрена динамика цен на основные легирующие элементы ADI‑чугунов (молибден, никель и медь, суммарное количество которых в сплаве достигает 5 %) и показано, что ее рост устойчиво положительный.

Цель работы – разработка концепции экономного легирования ADI‑чугунов (суммарное содержание молибдена, никеля и меди – не более 2 %), при котором сохранялась бы удовлетворительная прокаливаемость и одновременно снижалась себестоимость. Указанная цель реализовывалась путем снижения до минимума содержания наиболее дорогого элемента – молибдена.

Пониженное содержание основной «триады» легирующих элементов компенсировали микродобавками стронция (бария), ванадия, бора, ниобия, добавками мишметалла. Предложено несколько групп экономнолегированных чугунов:

1) низконикелевый и низкомолибденовый с повышенным содержанием меди (до 1,8 %) и добавками ванадия; 2) безмолибденовый с микродобавками бора; 3) безмолибденовый с микродобавками ниобия и бора; 4) полностью безмолибденовый с минимальным легированием никеля и меди.

Показано, что обработка давлением наряду с приданием изделию необходимой формы оказывает влияние на кинетику структурно‑фазовых превращений и действует аналогично легированию Mo и Ni, сдвигая С‑образную кривую вправо. Следовательно, аусферритную структуру можно получить при меньшей скорости охлаждения.

Механические свойства при таком легировании и использовании пластической деформации составляют: предел прочности 1100–1500 МПа, относительное удлинение – 2–4 % (нижний бейнит), предел прочности 800–1100 МПа, относительное удлинение – 4–7 % (верхний бейнит).

1. Total Casting Tons Hits 112 Million // Modern Casting. December 2019. Р. 22.

2. Modern Casting. December 2016. P. 25–29.

3. Patent US2485760. Cast ferrous alloy. Oct. 25, 1949. K. D. Millis et al. (заявлен 21.11.1947).

4. Global Casting Production Growth Stalls // Modern Casting. December 2017. Р. 24–28.

5. Горев, К. В. Положение перитектического четырехугольника в системе Fe–C–Si / К. В. Горев, Л. А. Шевчук, Л. Р. Дудецкая, В. И. Гуринович // Весці АН БССР. Сер. фіз.‑тэхн. навук. 1971. № 1. С. 21–27.

6. Горев, К. В. Особенности насыщения γ–фазы в магниевом чугуне / К. В. Горев, Л. А. Шевчук // Докл. АН БССР. 1958. Т. 2. № 10. С. 450–452.

7. Гораў, К. В. Уплыў крэмнію і зыходнай структуры на працэс аустэнізацыі магніевага чыгуну / К. В. Гораў, Л. А. Шаўчук // Весці АН БССР. Сер. фіз.‑тэхн. навук. 1959. № 2. С. 44–48.

8. Дудецкая, Л. Р. Особенности бейнитного превращения в ковком чугуне / Л. Р. Дудецкая, В. А. Ткачева, А. И. Покровский // Материалы, технологии, инструменты. Гомель: Изд‑во ИММС НАН Беларуси. 1998. Т. 3. № 2. С. 41.

9. Дудецкая, Л. Р. Бейнитный чугун: опыт получения и применения / Л. Р. Дудецкая, А. И. Покровский, И. С. Гаухштейн, М. И. Демин, П. С. Гурченко // Автомобильная промышленность. 2001. № 11. С. 33–35.

10. Дудецкая, Л. Р. Термообработка на бейнитную структуру деталей из чугуна / Л. Р. Дудецкая, А. И. Покровский, И. С. Гаухштейн, М. И. Демин, П. С. Гурченко // Литье и металлургия. 2002. № 1. С. 45–49.

11. Покровский, А. И. Использование высокопрочного бейнитного чугуна для изготовления зубчатых колес / А. И. Покровский, Л. Р. Дудецкая // Литье и металлургия. 2015. № 2 (79). С. 126–134.

12. Покровский, А. И. Бейнитный чугун или стальной прокат: границы возможностей при изготовлении ответственных изделий / А. И. Покровский, А. П. Ласковнев, Л. Р. Дудецкая // Инженер‑механик. 2016. № 1 (70) январь‑март. С. 9–21.

13. Покровский, А. И. Перспективы использования аустенито‑бейнитного чугуна (ADI) в Беларуси / А. И. Покровский // Инженер‑механик. 2016. № 4 (73). С. 16–29.

14. Pokrovskii, Artur Development and Application of Austempered Ductile Iron (ADI) in Belarus. Saarbrücken: Lambert Academic Publishing GmbH, 2018. 63 р.

15. Pokrovskii, A. I. Effect of the shape of graphite inclusions on acoustic characteristics of articles from cast and deformed iron A. I. Pokrovskii, A. S. Chaus, E. B. Kunovskii // Metal Science and Heat Treatment (Springer). 2011. Vol. 53. № 7–8. P. 311–317.

16. Чугун: патент 4427 Респ. Беларусь, С1 ВY МПК7 C22C37/00 / Л. Р. Дудецкая, А. И. Покровский, И. К. Данильчик; заявит. ФТИ НАН Беларуси. – № 970656; заявл. 27.11.1997; опубл. 30.06.2002 // Афiц. бюлл. / НЦIУ. 2002. № 2. С. 48.

17. Бейнитный чугун: патент (изобретение) 22823 Респ. Беларусь, МПК (2006.01) С 22С 37/10 / А. И. Покровский; – № а 20180359; заявл. 24.07.2018; опубл. 30.12.2019. // Афiц. бюлл. / НЦIУ. 2019. № 6. С. 98.

18. Бейнитный чугун: патент (изобретение) 23331 Респ. Беларусь, МПК (2006.01) С 22С 37/10 / А. И. Покровский – № а 20190368; заявл. 24.07.2018, опубл. 28.02.2021 // Афiц. бюлл. / НЦIУ. 2021. № 1. С. 57.

19. Аусферритный чугун: патент (изобретение) 23389 Респ. Беларусь, МПК (2006.01) С 22С 37/10 / А. И. Покровский – № а 20200022; заявл. 27.01.2020, опубл. 30.04.2021 // Афiц. бюлл. / НЦIУ. 2021. № 2. С. 50.

20. Аусферритный чугун: патент (изобретение) 23393 Респ. Беларусь, МПК (2006.01) С 22С 37/10 / А. И. Покровский; – № а 20200023; заявл. 27.01.2020, опубл. 30.04.2021 // Афiц. бюлл. / НЦIУ. 2021. № 2. С. 50.

21. Горев, К. В. Влияние ультразвука на структуру магниевого чугуна / К. В. Горев, Л. А. Шевчук // Докл. АН БССР. 1959. Т. 3, № 7. С. 298–299.

22. Северденко В. П., Клубович В. В., Степаненко А. В. Прокатка и волочение с ультразвуком. Минск: Наука и техника, 1970. 288 с.

23. Способ изготовления зубчатых колес из деформированного чугуна: патент (изобретение) 6552 Респ. Беларусь, С1 ВY МПК7 В21К1/30, С21D9/32 / Л. Р. Дудецкая, А. И. Покровский, И. С. Гаухштейн; заявит. ФТИ НАН Беларуси. № а 20000905; заявл. 03.10.2000; опубл. 30.09.2004 // Афiц. бюлл. / НЦIУ. – 2004. – № 3. – С. 120.