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.