Аусферритные высокопрочные чугуны (adi): анализ современных схем легирования

Создана база данных химических составов аусферритных высокопрочных чугунов (ADI) по материалам публикаций в авторитетных научных журналах (Materials and Design, Materials Science and Engineering A, Journal of Materials Engineering and Performance, Journal of Materials Research and Technology (Elsevier), Metallurgical and Materials Transactions A, International Journal of Metalcasting (Springer), Materials, Metals (MDPI), Materials Transactions JIM, ISIJ International и др.). Глубина поиска составила 35 лет (1990–2025 гг.), наибольшее внимание уделено публикациям 2020–2025 гг. Проведен статистический анализ химических составов ADI из базы данных, который позволил выявить ряд закономерностей. Установлены значения средних концентраций, стандартных отклонений от средних, границы доверительных интервалов для средних значений концентраций химических элементов с использованием распределения Стьюдента при уровне значимости 0,05. Установлены граничные диапазоны легирования ADI основными элементами: углерод от 2,78 до 3,87 %, кремний от 0,28 до 4,69 %, марганец от 0,07 до 1,01 %, медь от 0,01 до 1,4 %, никель от 0,001 до 2,0 %, молибден от 0,001 до 0,5 %. Построены графики зависимостей частоты распределения исследуемых сплавов ADI от содержания углерода, марганца, меди, никеля, молибдена и магния. Обнаружены характерные максимумы частоты распределения сплавов, приходящиеся на интервалы концентраций следующих элементов: углерод 3,40–3,55 % (42 % сплавов), кремний 2,03–2,91 % (90 % сплавов), марганец 0,22–0,41 % (41 % сплавов). Для меди, никеля и молибдена в ADI не выявлено статистически значимых максимумов концентраций. Проведен анализ частоты распределения сплавов ADI в зависимости от сочетаний концентраций следующих пар химических элементов: С–Si, Si–Mn, Cu–Ni, Mo–Ni, P–S, Mg–C. Выявлены характерные для большинства сплавов комбинации концентраций С–Si и Si–Mn, которые отображаются на диаграммах в виде локальных, четко выраженных зон. Несколько менее выраженные области устойчивых сочетаний концентраций обнаружены для пар Mg–C и P–S. Установлен ряд групп устойчивых сочетаний концентраций Cu–Ni, Mo–Cu, Mo–Ni, отображающихся на диаграммах в виде нескольких соответствующих зон. Выявлены группы ADI: безмолибденовый, низкомедистый, низконикелевый; наиболее широко представлена группа комплексно легированных ADI: 0,6–1,4 % Cu, 0,5–2,0 % Ni, 0,15–0,3 % Mo. Статистический анализ позволил выявить наиболее часто используемые интервалы легирования ADI: углерод 3,50–3,59 %, кремний 2,44–2,66 %, марганец 0,29–0,38 %, медь 0,39–0,62 %, никель 0,46–0,81 %, молибден 0,13–0,24 %, магний 0,042–0,051 %, фосфор 0,024–0,035 %, сера 0,011–0,015 %. В результате статистической обработки всего массива данных определен средневзвешенный химический состав, который рекомендуется в качестве оптимального: 3,54 % C, 2,55 % Si, 0,33 % Mn, 0,51 % Cu, 0,64 % Ni, 0,18 % Mo, 0,046 % Mg, до 0,03 % P, до 0,01 % S. Проведены анализ и сравнение химических составов ряда патентов на составы ADI авторов с выявленным среднестатистическим составом. Предложены направления создания групп экономнолегированных ADI на основе концепции экономного легирования.

1. Ductile Iron Data for Design Engineers / Rio Tinto Iron & Titanium Inc., Canada. – 1990. – 219 p.

2. Tanaka, Y. Development and Application of Austempered Spheroidal Graphite Cast Iron / Y. Tanaka, H. Kage // Materials Transactions JIM. – 1992. – Vol. 33, no. 3. – P. 543–547.

3. Influence of the Mn Content on the Kinetics of Austempering Transformation in Compacted Graphite Cast Iron / J. Desimoni [et al.] // Metallurgical and Materials Transactions A. – 1999. – Vol. 30A. – P. 2745–2752.

4. Thermal Dependence of Austempering Transformation Kinetics of Compacted Graphite Cast Iron / K. F. Laneri [et al.] // Metallurgical and Materials Transactions A. – 2001. – Vol. 32A. – P. 51–58.

5. Wu, Ch.-Zh. Effects of Inclusion Particles on the Microstructure and Mechanical Properties of High Strength Austempered Ductile Iron / Ch.-Zh. Wu, T.-Sh. Shih // Materials Transactions. – 2003. – Vol. 44, no. 5. – P. 995–1003.

6. El-Kashif, E. Stepped Austempering of GGG 40 Ductile Cast Iron / E. El-Kashif, E. El-Banna, S. Riad // ISIJ International. – 2003. – Vol. 43, no. 7. – P. 1056–1062.

7. Zimba, J.Austempered ductile iron: an alternative material for earth moving components / J. Zimba, D. J. Simbi, E. Navara // Cement & Concrete Composites. – 2003. – Vol. 25. – P. 643–649.

8. Bosnjak, B. Effect of austenitising temperature on austempering kinetics of Ni-Mo alloyed ductile iron / B. Bosnjak, B. Radulovic // Materiali in Tehnologije. – 2004. – Vol. 38. – P. 307–312.

9. Development of austenite free ADI (austempered ductile cast iron) / S. K. Putatunda [et al.] // Materials Science and Engineering A. – 2006. – Vol. 435, iss. 436. – P. 112–122.

10. The austempering study of alloyed ductile iron / O. Eric´ [et al.] // Materials and Design. – 2006. – Vol. 27. – P. 617–622.

11. Analysis of Factors Influencing Microstructure and Mechanical Properties of Austempered Ductile Iron / A. Vasko [et al.] // Commun. Sci. Lett. Univ. Zilina. – 2009. – Vol. 11. – P. 43–47.

12. Austempered ductile iron with dual matrix structures / C. Vald´es [et al.] // Revista Mexicana De F´isica. – 2009. – Vol. 55. – P. 48–51.

13. Erfanian-Naziftoosi, H. R. The Effect of Isothermal Heat Treatment Time on the Microstructure and Properties of 2.11 % Al Austempered Ductile Iron / H. R. Erfanian-Naziftoosi, N. Haghdadi, A. R. Kiani-Rashid // Journal of Materials Engineering and Perfomance. – 2011. – 9 p.

14. Milosan, I. The kinetics transformation of a low alloy cast iron / I. Milosan // Recent Journal. – 2012. – Vol. 13, no. 1. – P. 72–75.

15. Tyrała, E. Measurement of Phase Transformation Kinetics in Austempered Ductile Iron / E. Tyrała, M. Górny, M. Kawalec // Archives of Foundry Engineering. – 2013. – Vol. 13, special iss. 3. – P. 175–178.

16. Hammood, A. S. A Study the Effect of Retained Austenite on Fatigue Life of Austempering Ductile Iron by Using Artificial Neural Networks / A. S. Hammood, H. M. Lieth // International Journal of Current Engineering and Technology. – 2013. – Vol. 3, no. 5. – P. 1946–1951.

17. Kaleicheva, J. Wear Behavior of Austempered Ductile Iron with Nanosized Additives / J. Kaleicheva // Tribology in Industry. – 2014. – Vol. 36, no. 1. – P. 74–78.

18. Quenching and Partitioning process in Ductile Cast Irons / A. J. S. T. da Silva [et al.] // 10th International Symposium on the Science and Processing of Cast Iron – SPCI10. – Mar del Plata, 2014. – 8 p.

19. Akor, T. Effect of Austempering Time on the Mechanical Properties 0f Ductile Iron, Austempered in Rubber Seed Oil / T.Akor, L. T. Tuleun // International Journal of Engineering Research and Development. – 2014. – Vol. 10, iss. 8. – P. 31–34.

20. Austempering kinetics of a ductile iron / M. Pellizzari [et al.] // La Metallurgia Italiana. – 2015. – No. 10. – P. 15–20.

21. Comparison of Austempered Ductile Iron and Manganese Steel Wearability / A. Kochański [et al.] // Archives of Foundry Engineering. – 2015. – Vol. 15, special iss. 1. – P. 51–54.

22. Putatunda, S. K. Development of Nanostructured Austempered Ductile Cast Iron (ADI) / S. K. Putatunda, S. Panneerselvam, M.Alshwigi // Proceedings of the 28th ASM Heat Treating Society Conference. – 2015. – P. 71–75.

23. Influence of austempering heat treatment on mechanical and corrosion properties of ductile iron samples / M. Janjić [et al.] // Metalurgija. – 2016. –Vol. 55. – P. 325–328.

24. Study of Ausferrite Transformation Kinetics for Austempered Ductile Irons with and without Ni / B. Wang [et al.] // SAE International. – 2016. – 8 p.

25. Solic, S. Improvement in Abrasion Wear Resistance and Microstructural Changes with Deep Cryogenic Treatment of Austempered Ductile Cast Iron (АВЧ) / S. Solic, Z. Schauperl, Č. Donik // Metallurgical and Materials Transactions A. – 2016. – Vol. 47. – 18 p.

26. Correlation between microstructure and mechanical properties of an austempered ductile iron / V. C. C. Alves [et al.] // 22º CBECiMat – Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais. – Natal, 2016. – P. 5595–5603.

27. Characteristics of ADI ductile cast iron with single addition of 1.56 % Ni / B. Mrzygłód [et al.] // Arch. Metall. Mater. – 2017. – Vol. 62. – P. 2273–2280.

28. Panneerselvam, S. Development of Nanostructured Austempered Ductile Cast Iron: Diss. … Doctor of Philosophy / S. Panneerselvam. – Michigan, 2017. – 199 p.

29. Microstructural Characterization and Some Mechanical Behaviour of Low Manganese Austempered Ferritic Ductile Iron / A.A. Abioye1 [et al.] // International Journal of Applied Engineering Research. – 2017. – Vol. 12, no. 23. – P. 13435–13441.

30. Panneerselvam, S. Processing of Nanostructured Austempered Ductile Cast Iron (АВЧ) by a Novel Method / S. Panneerselvam, S. K. Putatunda // International Journal of Metallurgy and Metal Physics. – 2018. – Vol. 3, iss. 20. – 11 p.

31. Austempered Ductile Iron (ADI): Influence of Austempering Temperature on Microstructure, Mechanical and Wear Properties and Energy Consumption / P. Sellamuthu [et al.] // Metals. – 2018. – Vol. 8. – 12 p.

32. Characterization of Austempered Ferritic Ductile Iron / V. S. Dakre [et al.] // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. – 2018. – Vol. 346. – 10 p.

33. Hegde, A. Mechanical characterization and optimization of heat treatment parameters of manganese alloyed austempered ductile iron / A. Hegde, S. Sharma, R. V. Sadanand // Journal of Mechanical Engineering and Sciences. – 2019. – Vol. 13, iss.1. – P. 4356–4367.

34. Evaluation of Volume Fraction of Austenite in Austempering Process of Austempered Ductile Iron / E. Tyrała [et al.] // Metals. – 2019. – Vol. 9. – 10 p.

35. An Investigation into Mechanical Properties of Ductile Cast Iron with Different Heat Treatment Processes / R. R. Moussa [et al.] // Periodica Polytechnica Mechanical Engineering. – 2019. – Vol. 63. – P. 183–187.

36. The Austempering Kinetics, Microstructural Development, and Processing Window in the Austempered, Fe-3.2C-4.8Al Compacted Graphite Cast Iron / A. Kazazi [et al.] // Iranian Journal of Materials Science and Engineering. – 2020. – Vol. 17, no. 4. – P. 46–54.

37. Phase Transition Kinetics in Austempered Ductile Iron (ADI) with Regard to Mo Content / M. Landesberger [et al.] // Materials. – 2020. – Vol. 13. – 23 p.

38. Structure Homogeneity and Thermal Stability of Austempered Ductile Iron / M. Gόrny [et al.] // Metallurgical and Materials Transactions A. – 2021. – Vol. 52А. – 11 p.

39. Effect of Cast Thickness and Austenitizing Temperature on Microstructure and Mechanical Properties of ADI and IADI Castings / A. Negm [et al.] // Open Journal of Metal. – 2021. – Vol. 11. – P. 21–35.

40. Sckudlarek, W. Effect of austempering temperature on microstructure and mechanical properties of ductile cast iron modified by niobium / W. Sckudlarek, M. N. Krmasha, K. S. Al-Rubaie // Journal of Materials Research and Technology. – 2021. – Vol. 12. – P. 2414–2425.

41. Influence of Heat Treatment Processing Three Phase Region on the Microstructure and Hardness ADI Alloys / L. V. Hoang [et al.] // Journal of Mechanical Engineering Research and Developments. – 2021. – Vol. 44, no. 7. – P. 289–296.

42. Influence of Austempering Temperature on Physiochemical and Microstructural Properties of Ductile Cast Iron (ADI) with Selected Local Oil Quenchants / S. C. Ibeh [et al.] // International Journal of Research Publication and Reviews. – 2021. – Vol. 2, iss. 3. – P. 343–349.

43. Insights into effect of first-step austempering temperature on the microstructure and properties of austempered ductile iron / Y. Zhang [et al.] // Mater. Res. Express. – 2021. – Vol. 8. – 9 p.

44. Effect of austempering temperature and manganese content on the impact energy of austempered ductile iron / A. Hegde [et al.] // Cogent Engineering. – 2021. – Vol. 8. – 9 p.

45. Microstructures and Mechanical Properties of Ductile Cast Iron with Different Crystallizer Inner Diameters / J. Bai [et al.] // Crystals. – 2022. – Vol. 12. – 15 p.

46. Artificial Neural Networks for Producing a Low-Cost Austempered Ductile Iron / D. Hofmama [et al.] // Materials Research. – 2022. – Vol. 25. – 6 p.

47. Keles, A. Effect of alloying elements and technological parameters of austempering on the structure and mechanical properties of ductile cast iron (ADI) / A. Keles, R. Cengýz, M. Yildirim // Metal Science and Heat Treatment. – 2023. – Vol. 65, no. 3–4. – P. 191–199.

48. Highly Accurate Structural Analysis of Austempered Ductile Iron Using EBSD Technique / P. Kejzlar [et al.] // Materials Science Forum. – 2023. – Vol. 1081. – P. 125–130.

49. Machado, H. D. Effect of intercritical austenitization and starting matrix on martensite start temperature and austenite carbon concentration in ductile iron / H. D. Machado, R.Aristiza´bal-Sierra, C. Garcia-Mateo // International Journal of Metalcasting. – 2024. – 11 p.

50. Pereira, L. Development of ductile iron alloy for ADI production using heated air in austempering / L. Pereira, W. M. Pasini, V. Karlinski de Barcellos // REM–International Engineering Journal. – 2025. – Vol. 78. – 10 p.

51. Ghasemi, R. Synergistic Effects of Austempering Variables on the Microstructure and Mechanical Properties of LowTemperature Austenitized Compacted Graphite Irons / R. Ghasemi, K. Salomonsson, A. Dioszegi // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2025. – 14 p.

52. 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.

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

54. 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.

55. 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.

56. Покровский, А. И. Концепция создания экономнолегированных аусферритных (бейнитных) высокопрочных чугунов / А. И. Покровский // Литье и металлургия. – 2022. – № 4. – С. 29–37.

57. Марукович, Е. И. Разработка экономнолегированных высокопрочных аусферритных (бейнитных) чугунов – магистральное направление в чугунолитейной промышленности / Е. И. Марукович, А. И. Покровский // Литейщик России. – 2022. – № 12. – С. 16–20.