Досліджено вплив кремнію на формоутворення графіту у сірих чавунах. Встановлено, що морфологія пластинчастого графіту обумовлюється утворенням у рідкому чавуні поверхнево-активного монооксиду кремнію. Швидкість протікання реакції кремнію з окисом вуглецю визначається зміною температури та фізико-хімічними властивостями розплаву чавуну. Запропонований механізм формоутворення включень графіту пояснює велику різноманітність його морфології у сірих чавунах.

Наведено аналіз наявних методів, стандартних зразків, засобів вимірювальної техніки (ЗВТ) та державних стандартів і моделей вимірювань при розробленні та виготовленні виробів з чавуну. Основу технології ливарного виробництва становлять теплові процеси. Значна частина усіх вимірювань, що виконуються у цехових та лабораторних умовах, припадає на теплофізичні вимірювання. Наявні теплофізичні методи контролю мають недостатньо високу чутливість та роздільну здатність у визначенні технологічних параметрів. Описаний перетворювач та метод вимірювання ступеня сфероїдизації графіту у високоміцному чавуні за промислових умов на автомобільному заводі. Показано зв'язок між структурою графіту у чавуні, коефіцієнтом теплопровідності та вимірювальним сигналом. Відмічено вплив металевої матриці на результати вимірювання. Наведена конструкція вимірювального перетворювача; результати та похибки вимірювання, приклади деталей вантажного автомобіля, які було проконтрольовано.

На примере образцов из серого чугуна марки СЧ20 ГОСТ 1412-85 (СТ СЭВ 4560-84) определены основные критерии оценки процесса графитизирующего модифицирования матричного расплава - концентрация кремния и коэффициент его усвоения, а также измерена твёрдость отливок. Путём математической обработки и графической интерпретации экспериментальных данных доказано влияние технологических параметров ЛГМ-процесса на эффективность внутриформенного модифицирования жидкого чугуна дисперсным ферросилицием марки ФС75 ГОСТ 1415-93 (ИСО 5445-80).

Изучено влияние щелочноземельных и редкоземельных элементов и примесей на межфазные свойства железоуглеродистых сплавов, а также на процесс формирования шаровидного графита. Представлен вероятный механизм образования графита в чугуне.

Исследован процесс внутриформенного графитизирующего модифицирования исходного чугуна, склонного к кристаллизации по метастабильной системе с отбелом дробленными добавками ферросилиция марки ФС75 фракций до 1,0 мм (включая пылевидную), 1,0...2,5, 2,5...5,0 и 5,0...10,0 мм. Установлено, что оптимальные результаты внутриформенного графитизирующего модифицирования, обеспечивающие полное устранение отбела в отливках даже в тонком их сечении (3 мм), достигаются при использовании ферросилиция с размере зерен 1,0...5,0 мм. Такая фракция ферросилиция допускает фильтрацию жидкого чугуна в промежутках между зернами модификатора на определенную глубину в реакционной камере и обеспечивает относительно равномерное растворение зерен в потоке чугуна в соответствии с наиболее эффективным послойным механизмом взаимодействия частиц модификатора с расплавом.

Рассмотрено влияние щелочноземельных, редкоземельных и примесных элементов на межфазные свойства железоуглеродистых расплавов и в итоге - на процесс образования включений графита шаровидной формы. Представлен предполагаемый механизм образования графита в чугуне.

Исследовано влияние модификаторов (ЖКМК2Р, ФСМг7, Ni - Mg и др.) на длительность сохранения их сфероидизирующего эффекта в процессе выдержки и разливки модифицированного чугуна. Скорость удаления магния из расплава изменяется в процессе выдержки и определяется составом модификатора, степенью насыщения чугуна магнием при модифицирующей обработке. Более продолжительным сфероидизирующим действием характеризуются модификаторы, содержащие наряду с магнием кальций и РЗМ.

Рассмотрен процесс агрегативного формирования включений вермикулярного и шаровидного графита в высокопрочном чугуне. Показано, что компьютерное моделирование формирования графитных включений по DLA процессу обеспечивает адекватность фрактальных моделей и реальных графитных включений разной морфологии.

Обобщены результаты исследований по изучению механизма формообразования графитных включений (ГВ) при кристаллизации и термической обработке чугунов. Проанализированы гипотезы кристаллизации ГВ шаровидной формы и определена наиболее вероятная гипотеза, основанная на рафинировании расплава от поверхностно-активных и примесных элементов во взаимосвязи их остающейся части модифицирующими элементами (магний, церий и др.).

Разработана методика индивидуальной и групповой оценки фактора формы графита в высокопрочном чугуне на основании некоммерческой программы ImageJ. Установлены графические и аналитические зависимости для перехода от значений фактора формы графита к соответствующим эталонным структурам, и наоборот, - от эталонных структур к фактору формы.

Предложено прогнозирование структуры и свойств чугуна с шаровидным графитом проводить по результатам компьютерного термического анализа исходного серого чугуна. Установлено влияние сфероидизирующего модифицирования чугуна в литейной форме на изменение характеристик кривых охлаждения. Проведенные исследования позволили разработать принципиальную схему прогнозирования свойств чугуна с шаровидным графитом по кривой охлаждения серого чугуна.

Розглянуто можливість застосування методів фрактальної геометрії до опису морфології включень кулястого графіту в чавуні. Показано, що глобулярні графітні включення є фрактальними структурами. Наведено методику і результати оцінки фрактальної розмірності включень глобулярного графіту в чавуні. Показано, що фрактальну розмірність можна використовувати для оцінки ступеня компактності включень графіту.

Разработан состав легкоплавкого графитизирующего модификатора, эффективно влияющего на процесс формирования структурных составляющих материала сердцевины прокатных валков. Модифицирование чугунного расплава смесевым модификатором, содержащим ультрадисперсный порошок диоксида кремния в пределах 55 - 70 и алюминий - 30 - 40 %, показало его хорошие технологические свойства.

Досліджено вплив температури заливання, товщини стінки виливка на процеси графітизації чавуну з кулястим графітом модифікованого у ливарній формі. Встановлено, що величина рекалесценції характеризує площу, зайняту включеннями графіту у перерізі шліфа, а тривалість евтектичного перетворення - розмір включень графіту.

Виконано порівняльні дослідження мікроструктур і механічних властивостей високоміцних чавунів з кулястим графітом, модифікованих в автоклаві, у відкритому ковші та в ливарній формі. Встановлено, що ефективність і надійність сфероїдизуючого та графітизуючого модифікування чавуну в ливарній формі значно вище ефективності та надійності інших методів модифікування. Результати дослідження засвідчили на користь флуктуаційної гіпотези щодо прямої графітизації чавуну під час первинної кристалізації.

Предложена теплофизическая модель образования шаровидного графита при модифицировании чугуна магнием. Установлено образование в расплаве до затвердевания отливки комплексов, состоящих из парообразного магния и быстро затвердевшего вокруг него слоя чугуна, которые являются зародышами для последующего образования шаровидного графита. Обоснованы причины демодифицирования, увеличения размеров шаровидного графита при продолжительном затвердевании отливки, уменьшения плотности чугуна после модифицирования.

Розроблено теплофізичну модель формування кулястого графіту за умов модифікування чавуну магнієм. Установлено причини виникнення браку "чорні плями" у виливках з високоміцного чавуну та розроблено рекомендації щодо їх зменшення. Розроблена модель передбачає використання теплофізичних процесів нагрівання, розплавлення та переходу магнію до пароподібного стану, за якого поглинається значна кількість теплової енергії. Тому навколо пароподібного магнію утворюється затверділий шар чавуну, товщину і масу якого було розраховано. З'ясовано, що процес послідовного проростання графіту у порожнину чавунно-магнієвого комплексу відбувається з зовнішньої поверхні в середину. За умов охолодження виливка перехід пароподібного магнію до рідкого стану супроводжується значним виділенням прихованої теплоти пароутворення. Експериментально встановлено зменшення щільності білого чавуну після модифікування, утворення пор кулястої форми, які є зародками для подальшого утворення кулястого графіту. За сірчаними відбитками та макроструктурою виконано кількісний аналіз розподілу MgS у прокатному валку масою 2 200 кг. Запропоновано коригувати шихтування плавок для виливків з високоміцного чавуну.

Досліджено питання одержання модифікованого шару дискретної будови на виробах з чавуну за допомогою плазмової поверхневої обробки. Визначено режими такої обробки, що дозволяють досягти умов необхідної модифікації поверхневого шару чавунів з різною формою графіту за рахунок реалізації надшвидкісного загартування з твердого (без оплавлення поверхні) або нерідкого (з оплавленням поверхні) станів. Установлено, що найбільш висока твердість на сірому та високоміцному чавунах досягається за плазмової обробки з оплавленням поверхні, а найбільш висока зносостійкість і тріщиностійкість - під час обробки без оплавлення на високоміцному чавуні й з оплавленням на сірому чавуні. Виконано математичне моделювання напруженого стану дискретних модифікованих шарів, що дозволяє визначити їх будову. Показано, що оптимальне співвідношення зносостійкості та тріщиностійкості відбувається у випадку, коли відстань між модифікованими шарами становить половину їх ширини, а базовою схемою обробки повинно бути плазмове модифікування без оплавлення поверхні, коли в поверхневому шарі виникають залишкові стискальні напруження. На підставі результатів комплексних досліджень структури й експлуатаційних властивостей чавунів за дискретної плазмової обробки розроблено нові способи модифікації чавунних виробів типу броньових плит, валків, напрямних металорізальних верстатів.

Сформульовано теоретико-експериментальні засади визначення за сигналами акустичної емісії геометричних параметрів кулястого графітового включення, що руйнується у матриці високоміцного чавуну під дією квазістатичного навантаження. Порівняно одержані експериментальні дані з результатами металографічного аналізу. Показано, що метод акустичної емісії дозволяє ефективно виявити ранні стадії зародження руйнування у високоміцних чавунах, а одержані дані добре узгоджуються з результатами розрахунків, одержаних з аналітичних залежностей.

Проведен анализ основных методов производства отливок из высокопрочного чугуна с вермикулярным графитом и факторов, влияющих на литую структуру металла. Определены требования к качеству исходного расплава и параметрам его модифицирующей обработки.