Concept for development of economically alloyed ausferritic (bainitic) ductile cast irons

The distribution of the castings production in the world, whose total output is more than 112 million tons, is considered. A steady trend to the replacement of rolled alloy steel, which is used for critical engineering products, by Austempered Ductile Iron (ADI) is outlined. The latter is ductile cast iron with globular graphite, which is austempered (isothermally quenched) to produce ausferritic (bainitic) structure. The dynamics of prices for main alloying elements in ADI (molybdenum, nickel and copper, whose total amount in the alloy reaches 5 %) is considered and their steady growth is outlined.

The research goal is to develop a concept of economical alloying of ADI (the total content of Mo, Ni and Cu should not exceed 2 %) retaining sufficient hardenability and substantially decreasing the cost price. The goal is attained by decreasing the content of the most expensive alloying element, molybdenum, to a minimal level along with the use of microalloying and applying one of the methods of hot plastic deformation to the casting.

The reduced content of the main ‘triad’ of alloying elements is compensated by microadditives of strontium or barium, vanadium, boron, niobium and the addition of misch metal. Several groups of economically alloyed cast irons are proposed: (1) low‑nickel and low‑molybdenum with increased content of copper (up to 1.8 %) and the addition of vanadium, (2) molybdenum‑free with microadditive of boron, (3) molybdenum‑free with microadditives of niobium and boron, and (4) molybdenum‑free minimally alloyed with nickel and copper.

It is shown that plastic deformation, along with giving the product the required shape, affects the kinetics of structural‑phase transformations. and acts similarly to alloying with Mo and Ni, shifting the TTT‑curve to the right. Therefore, the ausferritic structure can be obtained at a lower cooling rate.

The mechanical properties with such alloying and the use of plastic deformation are the following: ultimate tensile strength 1100–1500 MPa and elongation to failure 2–4 % for lower bainite; ultimate tensile strength 800–1100 MPa and elongation to failure is 4–7 % for upper bainite.

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.