Аусферритные высокопрочные чугуны (adi): анализ современных схем легирования

Abstract

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.