К юбилею высокопрочного чугуна с шаровидным графитом

Первые опытные образцы высокопрочного чугуна с шаровидным графитом были получены 80 лет тому назад. Интересна предыстория этого события.

Принято считать, что железный век сменил бронзовый приблизительно в 1,2 тыс. л. до н. э. Однако, в отличие от сравнительно легкоплавкой бронзы, технологию выплавки жидкого железа из руды в шахтных печах европейские металлурги освоили только в конце XIV века. К их разочарованию, литые заготовки и слитки из такого железа под ударом кузнечного молота разлетались на мелкие осколки. Стало ясно, что в процессе доменного производства из огня в железо переходит некая «нечистая субстанция», которая и охрупчивает привычные крицы вязкой стали. Постепенно отдельные искусные мастера научились в кузнечных горнах выжигать такую «субстанцию» из литого железа, возвращая ему ударную вязкость, а следовательно и способность коваться. Из корпоративных соображений средневековые цеховики не спешили делиться своими знаниями и опытом с конкурентами. Лишь в 1722 г. французский ученый Р.Реомюр в книге «Об искусстве размягчать чугун» частично раскрыл тайны их мастерства. Выяснилось, что излом хрупкого железа, в зависимости от параметров плавки, окрашивается либо в темно-серый, либо в блестящий белый цвет. Секрет заключается в том, что выжечь вредную примесь длительным прогреванием можно только в отливках из чугуна с белым цветом излома. Только в XIX в. было установлено, что «нечистой субстанцией» топлива является его основной компонент – углерод. В сером чугуне графитная модификация углерода формируется в неблагоприятной для механических свойств форме разветвленных розеток, которые острыми окончаниями создают микротрещины в железной матрице. В белом чугуне углерод, входит в состав карбида железа, сходного по модификации и свойствам с алмазом. При длительном высокотемпературном отжиге отбеленных отливок карбид железа диссоциирует на железо и атомарный углерод. По т.н. европейской технологии в процессе отжига углерод частично или полностью удаляется из сплава, механические свойства которого приближаются к свойствам стали. По разработанной Сет-Бойденом в 1826 г. т.н. американской технологии углерод отжига коагулирует в компактные хлопьевидные включения, которые существенно не снижают прочность и ударную вязкость «ковкого» чугуна. Однако исходный сквозной отбел достигается только в мелких тонкостенных отливках из низкоуглеродистого чугуна, литейные свойства которого существенно уступают свойствам высокоуглеродистого чугуна эвтектического состава. По этим конструктивно-технологическим причинам, а также вследствие высоких энергетических затрат на отжиг, объем производства отливок из ковкого чугуна никогда не превышал 3 % от общего объема литья.

В начале 40-х годов ХХ века британский ученый Г.Морроу решал задачу достижения сквозного отбела в массивных толстостенных отливках из высокоуглеродистого чугуна обычной ваграночной плавки. В одном из экспериментов он добавил в ковш с жидким чугуном заэвтектического состава слиток мишметалла – трудноразделимого на отдельные элементы сплава церия, иттрия, лантана и лантаноидов. В микроструктуре образцов модифицированного мишметаллом исходного белого чугуна после его отжига, вместо ожидаемых включений графита компактной хлопьевидной формы, были обнаружены графитные включения почти идеальной шаровидной формы. Стоимость мишметалла сопоставима со стоимостью серебра. Поэтому, при несомненной научной новизне открытия нового сорта ковкого и высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, перспектива его внедрения в промышленность представлялась весьма проблематичной.

Приблизительно в то же время «Международная никелевая компания» с научным центром в США интенсивно расширяла рынок сбыта мелющих шаров, цельпебсов, бронефутеровочных плит и других износостойких отливок из белого хромоникелевого чугуна типа «Нихард». Основу технологии их производства составляла операция ковшевого легирования ваграночного чугуна хромо-никеоевой лигатурой. С началом войны стратегические запасы хрома в США как основного легирующего элемента высокопрочных нержавеющих сталей кораблестроения приблизились к критическому минимуму. Перед компанией встала проблема замены хрома в чугунах «Нихард» менее дефицитным карбидостабилизирующим элементом. В список таких элементом включили магний. При этом до запланированных экспериментов было известно, что принудительное погружение металлического магния с температурой кипения 1107оС в разливочный ковш с чугуном, перегретым до 1340...1380оС, неизбежно вызовет взрывную реакцию с опасными для заливщиков выплесками жидкого расплава, феерическим пироэффектом и заполнением атмосферы цеха туманом белой окиси магния. Однако при вводе на дно ковша под струю металла не металлического магния, а менее активного сплава никеля с 20% магния ( по аналогии с хромо-никелевой лигатурой) реакция происходила относительно спокойно. В литейной форме, залитой жидким металлом, модифицированным никель-магниевой лигатурой кристаллизировались образцы из твердого износостойкого белого чугуна.

В январе 1943 г. в одной из экспериментальных плавок в жидкий чугун совместно с никель-магниевой лигатурой добавили графитизирующий ферросилиций. В результате сотрудники научного сектора компании А Гагнебин, К Миллис и Н Пиллинг без отжига получили в литом состоянии первые образцы магниевого высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, механические свойства которого оказались сопоставимы с механическими свойствами углеродистой стали. По вполне объяснимым условиям военной и коммерческой тайн, сенсационные результаты этих и последующих экспериментов по сфероидизирующему модифицированию чугуна магнием сохранялись в секрете.

Неожиданно для экспериментаторов, 7 мая 1948 г. на традиционном конгрессе ассоциации американских производителей литья в г. Филадельфия британский гость собрания У.Вильямс по поручению Г.Морроу в своем докладе сообщил о неизвестном металловедам цериевом чугуне с шаровидным графитом и его замечательных свойствах. Прагматичные американцы в этот день еще не имели полномочий публично сообщать об аналогичном по структуре и свойствам сплаве, получаемом модифицированием чугуна никель-магниевой лигатурой. Без информационной рекламы 14 июня 1948 г. ими была отлита первая промышленная партия коленчатых валов двигателя автомобиля «Форд» из магниевого высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, а 20 декабря 1948 г. «Международная никелевая компания» продала компании «Купер-Бессемер» коммерческую лицензию на технологию производства отливок из нового сплава.

С тех пор сменилось несколько поколений литейщиков. За прошедшие годы большинство технологических проблем ввода магния в жидкий чугун были решены. Ежегодное мировое производство отливок приблизилось к 100 млн. т. При этом 25%, то есть каждая четвертая тонна литья изготовляется из магниевого высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. Как это ни странно, но научно обоснованная и экспериментально доказанная теория сфероидизации графита в чугуне до сих пор не вышла из стадии выдвижения и обсуждения дискуссионных гипотез.

К сожалению, в Украине, России и других постсоветских республиках удельный объем высокопрочного чугуна в общей массе литья никогда не превышал 2,5%. Новому поколению отечественных литейщиков неизбежно предстоит увеличить этот показатель, как минимум, в 10 раз. Возможно кто-нибудь из них внесет весомый вклад в научное объяснение механизма и кинетики формообразования в сплаве с железом графита различной конфигурации – от грубых чешуйчатых пластин до идеальных шариков.

Опубликовано: ИТБ "Литьё Украины", №05 (153) 2013 г.