Структура високоміцного чавуну (ВЧ) визначається якістю шихтових матеріалів і модифікаторів, наявність яких є однією з ключових проблем сучасного українського ливарного виробництва, особливо в умовах зростання частки вторинної металевої сировини. Використання металобрухту та синтетичних шихт супроводжується накопиченням домішок (S, P, Cr, Ti, Al, Pb, Bi та ін.), які істотно впливають на морфологію графіту, кількість перліту/фериту, схильність до відбілу та механічні властивості металу виливків, тобто змінюють процеси графітизування, сфероїдизування та формування металевої основи чавуну.

Аналіз сучасних досліджень показує, що при використанні вторинних шихтових матеріалів основною проблемою є нестабільність хімічного складу отримуваного розплаву. Збільшення масової сірки та карбідоутворювальних елементів погіршує процес сфероїдизування графіту, сприяє утворенню карбідів та феритно-перлітної неоднорідності. Для забезпечення стабільної структури ВЧ необхідно підтримувати низький рівень сірки (<0,015 %) і фосфору, а також обмежувати масову частку хрому та марганцю [1]. Встановлено, що якість структури високоміцного чавуну визначається поєднанням комплексу модифікування розплаву на різних стадіях технологічного процесу: первинним (у ковші), вторинним (під час випуску металу) та третинним (у ливарній формі). Вторинне та внутрішньоформове модифікування дозволяють суттєво підвищити кількість центрів кристалізування графіту, зменшити розмір графітових вкраплень та збільшити їх щільність розподілу [2, 11].

Для компенсації негативного впливу низькоякісної шихти у сучасній практиці застосовують комплексний підхід, який включає контроль хімічного складу, рафінування розплаву та ефективне модифікування. При цьому ключовим фактором залишається забезпечення стабільних умов сфероїдизування графіту та формування однорідної мікроструктури. Застосування комплексних модифікаторів дозволяє підвищити кількість центрів гетерогенного зародження графіту, зменшити ступінь переохолодження та стабілізувати процес формування структури навіть при використанні шихти з підвищеним вмістом домішок.

Сучасні технології модифікування чавунних розплавів орієнтовані на використання спеціалізованих модифікаторів, адаптованих до умов внутрішньоформового (in-mould) оброблення, що характеризуються обмеженим часом взаємодії та високою швидкістю кристалізування. Провідні виробники, зокрема ELKEM, ASK Chemicals та Carpenter Brothers, розробляють багатокомпонентні інокулятори на основі FeSi з добавками Ca, Ba, Sr, Zr та рідкоземельних елементів, які забезпечують інтенсифікування зародження евтектики, підвищення кількості сфероїдального графіту та тривалості ефективної дії модифікатора (зменшення втрати ефекту модифікування).

Нано- та мультифазні інокулятори є сучасним напрямом обробки чавунних розплавів, спрямованим на інтенсифікування зародження графіту, стабілізування евтектичного кристалізування та підвищення показників механічних властивостей високоміцного чавуну. Їх застосування є особливо актуальним для процесів внутрішньоформового модифікування, в яких час взаємодії розплаву з інокулятором обмежений, а fading-ефект не має суттєвого значення. Наноінокулятори – це ультрадисперсні частинки розміром 1-100 нм, зокрема карбіди, нітриди, оксиди та силікати, такі як TiC, TiN, SiC і Al₂O₃. Завдяки високій питомій поверхні ці частинки виступають ефективними центрами гетерогенного зародження графіту та аустеніту. Введення нанорозмірних частинок сприяє підвищенню щільності центрів кристалізування, зменшенню евтектичного переохолодження, подрібненню евтектичного зерна та формуванню сфероїдального графіту. У результаті спостерігається підвищення міцності та втомної довговічності чавуну [3, 10].

Мультифазні інокулятори являють собою комплексні системи на основі FeSi, що містять Ca, Ba, Sr, Zr, Al та рідкоземельні елементи, а також дисперсні оксидні, сульфідні, карбідні або нітридні фази. Застосування нано- та мультифазних інокуляторів є особливо важливим для технологій внутрішньоформового модифікування, оскільки за короткий проміжок часу інокулятор повинен забезпечити швидке формування активних центрів кристалізування та стабільне утворення сфероїдального графіту, запобігати утворенню карбідів та покращити структурну однорідність, особливо у тонкостінних та відповідальних виливках.

Серійне ливарне виробництво високоміцного чавуну базується на багатокомпонентних FeSi-сплавах із добавками Ba, Ca, Sr, Zr та рідкоземельних елементів, які мають відносно невисоку вартість, технологічну універсальність та стабільність металургійного ефекту. Компанія Elkem Foundry Products [4, 5, 7] займається виробництвом інокуляторів серій Superseed, Ultraseed та SMZ, які призначені для підвищення стабільності зародження графіту та зменшення схильності до fading-ефекту. Richard Anton KG розробляє системи FeSiMg-RE для високоміцного чавуну та процесів внутрішньоформового модифікування [8]. Carpenter Brothers Inc. виробляє інокулятори на основі систем Ca-Ba-RE, спрямовані на стабілізацію сфероїдизації графіту та покращення механічних властивостей чавуну [6]. Подібні підходи реалізовані компанією Anyang Lishi Industrial Co., Ltd у Mg-вмісних інокуляторах на основі феросиліцію для технологій лиття високоміцного чавуну [9]. Особливої уваги приділяють підвищенню ефективності поширених феросиліцій-магнієвих лігатур типу ФСМг з масовою часткою магнію 5-7 %.

Додаткове підвищення ефективності модифікування досягається при використанні у ливарній формі протокових і відцентрових реакторів, в яких за рахунок інтенсифікування тепломасообміну забезпечується більш повне засвоєння магнію та підвищення однорідності структури чавуну. Особливо результативним є застосування FeSiMgCa-лігатур, які при модифікуванні у ливарній формі сприяють збільшенню кількості кулястих вкраплень графіту у 4-5 разів, порівняно з традиційним модифікуванням у ковші. При цьому підвищується ступінь феритизування металевої основи, зменшується схильність до утворення відбілу та покращуються експлуатаційні властивості виливків. Таким чином, поєднання внутрішньоформового модифікування із сучасними мультикомпонентними інокуляторами є одним із найбільш перспективних напрямів підвищення якості та надійності виробів із високоміцного чавуну.

Література:

1. Бубликов В.Б., Бачинський Ю.Д., Нестерук О.П. Одержання високоміцних чавунів перлітного класу з підвищеними технологічними і механічними властивостями. Процеси лиття. 2024. – №1. – С.3-13.
2. Пашинський В.В., Пашинська О.Г., Бойко І.О. Дослідження структурних факторів, які визначають рівень міцності та пластичності високоміцного чавуну. Науковий Журнал Метінвест Політехніки. Серія: Технічні науки. 2024. – №1. – С.13-19.
3. A. Vicente, J. R. Moreno, T. F. Santos, D. C. Espinosa, J. A. Tenório (2019). Nucleation and growth of graphite particles in ductile cast iron. Journal of Alloys and Compounds. Vol. 775, рр. 1230-1234. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.10.136
4. https://www.elkem.com/products/foundry-alloys/inoculants/
5. https://expert.com.tr/elkem-inoculants/?lang=en
6. https://www.carpenterbrothersinc.com/product/ultraseed-bi/
7. https://expert.com.tr/elkem-nodularisers-mgfesi-alloys
8. https://www.richard-anton.de/en/produkte/impfkohle/
9. https://www.ferrosilicon-alloy.com/
10. Tonkovic Prijanovic, M., Mrvar, P., Burja, J. et al. Study on Dissolution of Ba-Containing Inoculant in Ductile Cast Iron Melt and Nucleation of Graphite. Inter Metalcast 18, 2985-2995 (2024). https://doi.org/10.1007/s40962-023-01215-2
11. Бубликов В.Б., Нарівський А.В., Бачинський Ю.Д., Ясинський О.О. Легований кремнієм високоміцний чавун та його застосування. Процеси лиття. 2020. – №1. – С.20-27.