Морфология поверхности, внутреннее строение и механизм зарождения графитных включений в высокопрочном чугуне

Исследованы морфология поверхности и внутреннее строение графитных включений в высокопрочном чугуне. На основании этого подтверждена теория зарождения графита на твердых включениях в расплаве. Показано, что морфология наружной поверхности шаровидных графитных включений может варьироваться от почти гладкой до состоящей из последовательно перекрывающихся чешуек графита. Высказано предположение, что в зависимости от теплофизических условий кристаллизации превалирует рост включения графита по одной из кристаллографических плоскостей: [1010] – при замедленном охлаждении (чешуйчатая морфология поверхности типа «капустный кочан») и [0001] – при более быстром охлаждении (гладкая поверхность).

Металлографические исследования внутреннего строения шаровидного графитного включения выявили его сегментарно‑слоистую структуру с характерными концентрическими волнистыми линиями. Внутри включения выделяются характерные зоны: центр, секторы с выделенными стыками, расходящимися из центра, иногда встречаются включения кремнистого феррита. Подтверждена поликристаллическая структура включения с отчетливыми границами между графитными пирамидами. Методом МРСА установлены аномалии в распределении концентраций углерода, магния, кремния, серы и кислорода внутри включения графита. В центре содержание магния, серы и кислорода существенно повышено. Это подтверждает теорию зарождения графита на сульфидах и оксидах. В некоторых случаях зафиксировано повышение содержания кислорода на наружной части включения, что может быть связано с оттеснением оксидов на периферию при росте графитного включения в расплаве. Полученные результаты вносят уточнения и дополнения в теорию гетерогенного зародышеобразования частиц сфероидального графита в высокопрочном чугуне, при котором центральной частью сфероида является комплекс сложных сульфидов и оксидов.

1. Total Casting Tons Dip in 2019 // Modern Casting. - 2021. - P. 28-30.

2. Total Casting Tons Hits 112 Million // Modern Casting. - 2019. - Р. 22.

3. Cast ferrous alloy: Patent US 2485760 / K. D. Millis [et al.]. - 25.10.1949.

4. Леушин, И. О. Современные тренды производства чугунного литья / И. О. Леушин, А. Г. Панов // Черные металлы. - 2021. - № 7.

5. Александров, Н. Н. Возможности высокопрочного чугуна с шаровидным графитом неисчерпаемы. Ч. 1. / Н. Н. Александров, Н. И. Бех, М. В. Зубков // Литейное производство. - 2013. - № 11. - С. 7-11.

6. Бунин, К. П. Основы металлографии чугуна / К. П. Бунин, Ю. Н. Малиночка, Ю. Н. Таран. - М.: Металлургия, 1969. - 416 с.

7. Callister, W. D. Fundamentals of materials science and engineering: an integrated approach / W. D. Callister, D. G. Rethwisch. - 4th ed. - New York: John Wiley, 2012. - 910 p.

8. Роготовский, А. Н. О современных теориях и гипотезах формирования шаровидного графита в литой структуре чугунов / А. Н. Роготовский, А. А. Шипельников // Литейное производство. - 2014. - № 4. - С. 5-7.

9. Иванов, В. Г. Исследование строения и формирования шаровидных включений в высокопрочном чугуне / В. Г. Иванов, В. П. Пирожкова, В. В. Лунев // Восточно‑европейский журнал передовых технологий. - 2016. - № 3/5. - С. 31-36.

10. Баранов, А. А. К теории образования в чугуне шаровидного графита / А. А. Баранов, Д. А. Баранов // Металл и литье Украины. - 2003. - № 9-10. - С. 42-45.

11. Верховлюк, А. М. Особенности роста шаровидных включений графита в чугуне / А. М. Верховлюк, В. С. Шумихин, А. В. Назаренко // Процессы литья. - 2007. - № 5. - С. 11-18.

12. Найдек, В. Л. Шаровидный графит в чугунах / В. Л. Найдек, И. Г. Неижко, В. П. Гаврилюк // Процессы литья. - 2012. - № 5. - С. 33-42.

13. Найдек, В. Л. Некоторые размышления о механизме образования шаровидного графита в чугуне / В. Л. Найдек, А. М. Верховлюк // Процессы литья. - 2014. - № 1. - С. 49-54.

14. Баженов, В. Е. О механизме возникновения графита при кристаллизации чугунов / В. Е. Баженов, М. В. Пикунов // Известия ВУЗов. Черная металлургия. - 2012. - № 5. - С. 50-56.

15. Skaland, T. A model for the graphite formation in ductile cast iron. Part I. Inoculation mechanisms // Metallurgical Transactions A. - 1993. - Vol. 24. - P. 2321-2345.

16. Stefanescu, D. M. Solidification and modeling of cast iron - a short history of the defining moments / D. M. Stefanescu // Materials Science and Engineering A. - 2005. - Vol. 413-414. - P. 322-333.

17. Revisiting the graphite nodule in ductile iron / E. Ghassemali [et al.] // Scripta Materialia. - 2019. - Vol. 161. - P. 66-69.

18. Kinetics of nucleation and growth of graphite at diff rent stages of solidifi ation for spheroidal graphite iron / G. Alonso [et al.] // International Journal of Metalcasting. - 2017. - Vol. 11. - P. 14-26.

19. Stefanescu, D. M. The meritocratic ascendance of cast iron: from magic to virtual cast iron / D. M. Stefanescu // International Journal of Metalcasting. - 2019. - Vol. 13, iss. 4. - P. 726-752.

20. Graphite nucleation in compacted graphite cast iron / G. Alonso [et al.] // International Journal of Metalcasting. - 2020. -Vol. 14. - P. 1162-1171.

21. Morrogh, H. Graphite formation in cast irons and in nickel‑carbon and cobalt‑carbon alloys / H. Morrogh, W. J. Williams // Journal of Iron and Steel Inst. - 1947. - Vol. 155, no. 3. - P. 321-371.

22. Шаровидный графит - уникальное морфологическое образование углерода / А. А. Аникин [и др.] // Известия Саратовского университета. Новая серия. Сер. Физика. - 2012. - Т. 12, вып. 2. - С. 18-20.

23. Morphological changes of graphite spheroids during heat treatment of ductile cast irons / J. P. Monchoux [et al.] // Acta Mater. - 2001. - Vol. 49, № 20. - P. 4355-4362.

24. Lux, B. Branching of graphite crystals growing from metallic solution / B. Lux, I. Minkoff, F. Mollard, E. Thury // The Metallurgy of Cast Iron. Edited by B. Lux, I. Minkoff, F. Mollard. - Georgi Publishing Co., St. Saphorin, Switzerland, 1974, pp. 495-508.

25. Покровский, А. И. Особенности структурообразования графитных включений в высокопрочном чугуне при литье и горячей пластической деформации / А. И. Покровский // Черные металлы. - 2023. - № 4. - С. 8-15.

26. Устройство для выявления формы графитных включений в структуре чугуна: патент (полезная модель) 10652 Респ. Беларусь / А. И. Покровский; № u20140426; заявл. 20.11.2014; опубл. 30.04.2015 // Афiц. бюлл. / НЦIУ. - 2015. - № 2. - C. 124-125.

27. Способ контроля формы графитных включений в структуре чугуна: патент (изобретение) 21186 Респ. Беларусь / А. И. Покровский; № а20140348, заявл. 20.06.2014, опубл. 30.08.2017 // Афiц. бюлл. / НЦIУ. - 2017. - № 4. - С. 102.

28. Способ контроля формы графитных включений в структуре чугуна: патент (изобретение) 21187 Респ. Беларусь. А. И. Покровский; № а 20140352, заявл. 25.06.2014, опубл. 30.08.2017 // Афiц. бюлл. / НЦIУ. - 2017. - № 4. - С. 102.

29. Покровский, А. И. Механизм пластической деформации графитных включений в высокопрочном чугуне при обработке давлением / А. И. Покровский // Черные металлы. - 2023. - № 6. - С. 52-60.