blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2026-1-51-58blackmet-3016Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMATERIAL SCIENCEСовременные тенденции в применении быстроохлажденных шихтовых материалов для модифицирования чугунаModern trends in application of rapidly cooled charge materials for modifying cast ironhttps://orcid.org/0009-0007-5659-1208ЛобановД. А.LobanovD. A.

Даниил Андреевич Лобанов, к.т.н., старший научный сотрудник

Россия, 620016, Екатеринбург, ул. Амундсена, 101

Daniil A. Lobanov, Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher

101 Amundsena Str., Yekaterinburg 620016, Russian Federation

summerdanny@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2452-826XШешуковО. Ю.SheshukovO. Yu.

Олег Юрьевич Шешуков, д.т.н., профессор, директор Института новых материалов и технологий, Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина; главный научный сотрудник лаборатории порошковых, композиционных и нано-материалов, Институт металлургии имени академика Н.А. Ватолина Уральского отделения РАН

Россия, 620016, Екатеринбург, ул. Амундсена, 101

Россия, 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19

Oleg Yu. Sheshukov, Dr. Sci. (Eng.), Prof., Director of the Institute of New Materials and Technologies, Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin; Chief Researcher of the Laboratory of Powder, Composite and Nano-Materials, Vatolin Institute of Metal­lurgy of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

101 Amundsena Str., Yekaterinburg 620016, Russian Federation

19 Mira Str., Yekaterinburg 620002, Russian Federation

o.j.sheshukov@urfu.ruhttps://orcid.org/0009-0002-0064-8950ЯблоковП. С.YablokovP. S.

Петр Сергеевич Яблоков, инженер

Россия, 620016, Екатеринбург, ул. Амундсена, 101

Petr S. Yablokov, Engineer

101 Amundsena Str., Yekaterinburg 620016, Russian Federation

llbrik53@gmail.comИнститут металлургии имени академика Н.А. Ватолина Уральского отделения РАНРоссияVatolin Institute of Metallurgy of the Ural Branch of the Russian Academy of SciencesRussian FederationИнститут металлургии имени академика Н.А. Ватолина Уральского отделения РАН; Уральский Федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. ЕльцинаРоссияVatolin Institute of Metallurgy of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences; Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. YeltsinRussian Federation2026020320266915158Copyright © Лобанов Д.А., Шешуков О.Ю., Яблоков П.С., 20262026Лобанов Д.А., Шешуков О.Ю., Яблоков П.С.Lobanov D.A., Sheshukov O.Y., Yablokov P.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/3016

В работе представлен детальный анализ влияния методов высокоскоростного охлаждения и применения быстроохлажденных шихтовых материалов (ферросплавов, модификаторов, легирующих добавок) на микроструктуру и эксплуатационные свойства сплавов черной металлургии, с особым акцентом на чугун с шаровидным графитом. Результаты экспериментов показывают, что точное регулирование скорости охлаждения в диапазоне 105 – 106 К/с позволяет целенаправленно формировать мелкозернистые и гомогенные структуры с повышенными прочностными характеристиками, ударной вязкостью и износостойкостью. Установлено, что применение быстро­охлажденных лигатур, таких как Cu – Mg, не только увеличивает усвоение магния до 50 – 60 %, но и существенно улучшает кинетику модифицирования: продолжительность пироэффекта сокращается в 1,5 – 2,0 раза, а образование шаровидного графита становится более стабильным и воспроизводимым. Наибольшая эффективность достигается при скоростях охлаждения 800 – 1650 °С/мин, что способствует диспергированию фаз, снижению ликвации и повышению предела прочности на 15 – 20 % по сравнению с традиционными методами. Особое внимание уделено исследованию ферроалюминиевых модификаторов (25 – 33 % Al), для которых подтверждена возможность управления размером и распределением структурных составляющих исключительно за счет варьирования скорости охлаждения, без необходимости последующей термической обработки. Это открывает перспективы для энергосберегающих технологий. Исследование показывает, что быстроохлажденные материалы обеспечивают не только улучшение механических свойств, но и технологические преимущества: снижение расхода легирующих элементов, повышение воспроизводимости полученных показателей и экологичность процессов за счет уменьшения выбросов. Полученные результаты обладают значительным практическим потенциалом для разработки новых поколений сплавов с заданными свойствами, сочетающих высокую производительность, ресурсоэффективность и соответствие экологическим стандартам. Таким образом, применение методов высокоскоростного охлаждения и быстроохлажденных шихтовых материалов представляет собой перспективное направление в современной металлургии, позволяющее оптимизировать как структурные, так и технологические параметры производства.

The study provides a detailed analysis of the effects of high-speed cooling methods and the use of rapidly cooled charge materials (ferro­alloys, modifiers, alloying additives) on the microstructure and performance properties of ferrous metallurgy alloys, with a particular focus on ductile iron (nodular cast iron). Experimental results demonstrate that precise control of cooling rates within the range of 105 – 106 K/s enables the targeted formation of fine-grained and homogeneous structures with enhanced strength, impact toughness, and wear resistance. It was established that the use of rapidly cooled master alloys, such as Cu – Mg, not only increases magnesium recovery to 50 – 60 % but also significantly improves modification kinetics: the duration of the exothermic reaction is reduced by 1.5 – 2.0 times, while the formation of nodular graphite becomes more stable and reproducible. The highest efficiency is achieved at cooling rates of 800 – 1650 °C/min, which promotes phase refinement, reduces segregation, and increases tensile strength by 15 – 20 % compared to conventional methods. Special attention is given to ferroaluminum modifiers (25 – 33 % Al), for which the possibility of controlling the size and distribution of structural components solely by adjusting the cooling rate – without subsequent heat treatment – was confirmed. This opens the prospects for energy-efficient technologies. The study demonstrates that rapidly cooled materials not only enhance mechanical properties but also offer technological advantages: reduced consumption of alloying elements, improved process repeatability, and environmental benefits due to lower emissions. The results hold significant practical potential for developing new generations of alloys with tailored properties, combining high performance, resource efficiency, and compliance with environmental standards. Thus, the application of high-speed cooling techniques and rapidly cooled charge materials represents a promising direction in modern metallurgy, enabling optimization of both structural and process parameters in production.

быстрое охлаждениевысокопрочный чугунферросплавымодификаторымодифицированиечугунмикроструктура сплавовмеханические свойстваресурсоэффективностьrapid coolinghigh-strength cast ironferroalloysmodifiersmodificationcast ironalloy microstructuremechanical propertiesresource efficiencyРабота выполнена по Государственному заданию ИМЕТ УрО РАН. По материалам XVI Международной научной конференции «Физико-химические основы металлургических процессов» имени академика А.М. Самарина.The work was performed according to the state assignment of the Vatolin Institute of Metallurgy of the Ural Branch RAS. Based on the materials of the 16th International Scientific Conference “Physicochemical Foundations of Metallurgical Processes” named after Academician A.M. Samarin.ReferencesМеньшикова С.Г., Бражкин В.В. Влияние экстремальных воздействий на структуру и свойства сплавов A-ПМ-РЗМ, включая высокоэнтропийные, при быстром охлаж­дении их расплавов. Физика конденсированных состояний. 2023;(3):141–141. https://doi.org/10.26201/ISSP.2023/FKS-3.138Men’shikova S.G., Brazhkin V.V. Effect of extreme impacts on structure and properties of A-PM-RZM alloys (inclu­ding high-entropy alloys) during rapid cooling of their melts. Fizika kondensirovannykh sostoyanii. 2023;(3):141–141. (In Russ.). https://doi.org/10.26201/ISSP.2023/FKS-3.138Меньшикова С.Г., Жуйкова А.С. Исследование влияния высокого давления на структуру и свойства сплава Al90Gd10, полученного при быстром охлаждении расплава. В кн.: Физика конденсированных состояний. Сборник тезисов III Международной конференции, посвященной 60-летию ИФТТ РАН 29 мая – 3 июня 2023 г. Черноголовка:142.Men’shikova S.G., Zhuikova A.S. Influence of high pressure on structure and properties of the Al90Gd10 alloy produced by rapid melt quenching. In: Physics of Condensed Matter. Proceedings of the III Int. Conf. dedicated to the 60th Anniversary of the Institute of Solid State Physics, Russian Academy of Sciences. May 29 – June 3, 2023. Chernogolovka:142. (In Russ.).Меньшикова С.Г. Вязкость и затвердевание расплавов Al100–хCuх (х = 5, 10, 17, 25 ат.%). Химическая физика и мезоскопия. 2022;24(3):377–387. https://doi.org/10.15350/17270529.2022.3.31Menshikova S.G. Viscosity and solidification of Al100–хCuх (х = 5, 10, 17, 25 at.%) melts. Khimicheskaya fizika i mezoskopiya. 2022;24(3):377–387. (In Russ.). https://doi.org/10.15350/17270529.2022.3.31Menshikova S.G., Shushkov A.A., Brazhkin V.V. Microstructure and physical and mechanical properties of the Al90Gd10 binary alloy after barothermal treatment. Physics of the Solid Statе. 2022;64(4):204–209. https://doi.org/10.1134/S1063783422050055Menshikova S.G., Shushkov A.A., Brazhkin V.V. Microstructure and physical and mechanical properties of the Al90Gd10 binary alloy after barothermal treatment. Physics of the Solid Statе. 2022;64(4):204–209. https://doi.org/10.1134/S1063783422050055Меньшикова С.Г., Афкаликова В.Ю. Экспериментальное исследование in-situ локальной структуры и быстрого затвердевания жидких сплавов бинарной системы Al–Y. В кн.: Сборник тезисов докладов VI Конференции по малоугловому рассеянию и рефлектометрии 21 – 23 июня 2023 г. Гатчина. ПИЯФ; 2023:32.Men’shikova S.G., Afkalikova V.Yu. In-situ experimental study of the local structure and rapid solidification of liquid alloys in the Al–Y binary system. In: Proceedings of the VI Conf. on Small-Angle Scattering and Reflectometry. June 21–23, 2023, Gatchina. PIYaF; 2023:32. (In Russ.).Меньшикова С.Г., Ширинкина И.Г., Бродова И.Г., Ладьянов В.И., Суслов А.А. Исследование структуры и свойств сплавов алюминия с медью, полученных в условиях сверхбыстрого охлаждения расплава. Металловедение и термическая обработка металлов. 2018;(3(753)):45–52.Menshikova S.G., Shirinkina I.G., Brodova I.G., Lad’ya­nov V.I., Suslov A.A. A study of the structure and properties of aluminum alloys with copper produced under superfast cooling of melt. Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov. 2018;(3(753)):45–52. (In Russ.).Меньшикова С.Г., Ширинкина И.Г., Бродова И.Г., Ладьянов В.И., Суслов А.А. Структура тонких лент из сплава системы Al – Co при сверхбыстром охлаждении. Металловедение и термическая обработка металлов. 2016;7(733):13–20.Men’shikova S.G., Shirinkina I.G., Brodova I.G., Lad’ya­nov V.I., Suslov A.A. Structure of thin ribbons from an Al – Co alloy under flash cooling. Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov. 2016;7(733):13–20. (In Russ.).Гладковский В.И., Кушнер Т.Л., Пинчук А.И., Шепелевич В.Г., Шилько В.М. Зеренная структура и механические свойства быстрозатвердевших фольг сплава Al-7 масс.% BI, полученных методом спиннингования. Вестник Брестского государственного технического университета. 2024;(2(134)):104–107. https://doi.org/10.36773/1818-1112-2024-134-2-104-107Hladcouski V.I., Kushner T.L., Pinchuk A.I., Shepele­vich V.G., Shilko V.M. Grain structure and mechanical properties of fast-hardned foils of Al-7 alloy wt.% Bi obtained by spinning. Vestnik of Brest State Technical. 2024;(2(134)):104–107. (In Russ.). https://doi.org/10.36773/1818-1112-2024-134-2-104-107Гладковский В.И., Кушнер Т.Л., Максимов Ю.В., Пинчук А.И., Шепелевич В.Г. Микроструктура быстро­затвердевшего сплава Al-1.5 масс. % Pb. Вестник Брестского государственного технического университета. 2024;(3(135)):81–84. https://doi.org/10.36773/1818-1112-2024-135-3-81-84Hladkouski V.I., Kushner T.L., Maksimov Yu.V., Pinchook А.I., Shepelevich V.G. Microstructure of rapidly solidified alloy Al-1.5 wt.% Pb. Vestnik of Brest State Technical University. 2024;(3(135)):81–84. (In Russ.). https://doi.org/10.36773/1818-1112-2024-135-3-81-84Коттрел А.Х. Строение металлов и сплавов, Москва: Металлургиздат; 1961:288.Cottrell A.H. The Structure of Metals and Alloys. London: Arnold; 1957.Никитин В.И. Исследование применения наследственности шихты для повышения качества отливок. Литейное производство.1985;(6):20–21.Nikitin V.I. Study of charge material heredity application to improve casting quality. Liteinoe proizvodstvo.1985;(6):20–21. (In Russ.).Никитин В.И. Закономерности и механизмы структурного наследования в системе шихта-расплав-отливка. Наследственность в литых сплавах. 1990;(1):1–7.Nikitin V.I. Patterns and mechanisms of structural inheritance in the charge-melt-casting system. Nasledstvennost’ v litykh splavakh. 1990;(1):1–7. (In Russ.).Калиниченко А.С., Слуцкий А.Г., Шейнерт В.А., Трубицкий Р.Э., Стефанович В.А., Сметкин В.А. Особенности сфероидизирующего модифицирования высокопрочного чугуна лигатурами на основе меди. Литье и металлургия. 2016;(2(83)):110–115.Kalinichenko A.S., Slutsky A.G., Sheinert V.A., Trubitsky R.E., Stefanovich V.A., Smyetkin V.A. Features of spheroidizing modification of high-strength cast iron with master alloys based on copper. Foundry Production and Metal­lurgy. 2016;(2(83)):110–115. (In Russ.).Слуцкий А.Г., Шейнерт В.А., Кулинич И.Л., Гулецкий Н.А., Федорович Д.С. Особенности получения чугуна с шаровидным графитом повышенной прочности. Металлургия: республиканский межведомственный сборник научных трудов. 2023;43:125–133.Slutsky A.G., Sheynert V.A., Kulinich I.L., Huletski N.A., Fedorovich D.S. Peculiarities of obtaining cast iron with increased strength nodular graphite. In: Metallurgy: Republican Interdepartmental Collection of Sci. Works. 2023;43:125–133. (In Russ.).Слуцкий А.Г., Долгий Л.П., Кулинич И.Л., Котков А.В., Иванов А.И., Бычик А.В., Данилова А.И. Применение сфероидизирующей лигатуры на основе меди при получении высокопрочного чугуна. Металлургия: республиканский межведомственный сборник научных трудов. 2019;40:62–67.Slutskii A.G., Dolgii L.P., Kulinich I.L., Kotkov A.V., Ivanov A.I., Bychik A.V., Danilova A.I. Application of copper-based spheroidizing master alloy in the production of high-strength cast iron. In: Metallurgy: Republican Interdepartmental Collection of Sci. Works. 2019;40:62–67. (In Russ.).Калиниченко А.С. Использование сфероидизирующей «чипс»-лигатуры на основе меди, содержащей наноразмерные частицы оксида иттрия, для высокопрочного чугуна. Литье и металлургия. 2016;(1(82)):130–135.Kalinichenko A.S. Use of copper-based “chip” spheroidi­zing master alloy containing yttrium oxide nanoparticles for high-strength cast iron. Foundry Production and Metallurgy. 2016;(1(82)):130–135. (In Russ.).Слуцкий А.Г., Кулинич И.Л., Шейнерт В.А., Стефанович В.А., Трубицкий Р.Э., Котков А.В. Технологические особенности получения чугуна с шаровидным графитом с использованием быстроохлажденной медь-магниевой лигатуры. Литье и металлургия. 2020;(2):15–21. https://doi.org/10.21122/1683-6065-2020-2-15-21Slutsky A.G., Kulinich I.L., Sheinert V.A., Stefanovich V.A., Trubitsky R.E., Kotkov A.V. Technological pecularities of producing cast iron with spherical graphite using a fast-cooled copper-magnesium ligature. Foundry Production and Metallurgy. 2020;(2):15–21. (In Russ.). https://doi.org/10.21122/1683-6065-2020-2-15-21Долгий Л.П., Довнар Г.В., Калиниченко В.А., Калиниченко М.Л. Технологии использования дисперсных быстро­охлажденных материалов в литейном производстве. Новые материалы и технологии: порошковая металлургия, композиционные материалы, защитные покрытия, сварка: Материалы 14-й Международной научно-технической конференции, посвященной 60-летию порошковой металлургии Беларуси. Минск: Республиканское унитарное предприятие «Издательский дом «Белорусская наука»; 2020:136–140.Dolgii L.P., Dovnar G.V., Kalinichenko V.A., Kalini­chenko M.L. Technologies of using dispersed rapidly solidified materials in foundry production. In: Advanced Materials and Technologies: Powder Metallurgy, Composite Materials, Protective Coatings, Welding – Proceedings of the 14th Int. Sci. and Technical Conf. dedicated to the 60th Anniversary of Powder Metallurgy in Belarus. Minsk: Belorusskaya nauka; 2020:136–140. (In Russ.).Шешуков О.Ю., Ермакова В.П., Смирнова В.Г., Катаев В.В., Маршук Л.А., Конашков В.В., Шубин А.Б., Овчинникова Л.А., Вязникова Е.А., Некрасов И.В., Лапин М.В., Цепелев В.С. Управление структурообразованием Fe-C сплавов путем использования ферросплавов и модификаторов, полученных различными способами. Физическая химия и технология в металлургии: Сборник трудов. Челябинск: Южно-Уральское книжное издательство; 2015:281–293.Sheshukov O.Yu., Ermakova V.P., Smirnova V.G., Kataev V.V., Marshuk L.A., Konashkov V.V., Shubin A.B., Ovchinnikova L.A., Vyaznikova E.A., Nekrasov I.V., Lapin M.V., Tsepelev V.S. Controlling the structure formation of Fe-C alloys using ferroalloys and modifiers produced by different methods. In: Physical Chemistry and Technology in Metallurgy: Collected Works – Selivanov E.N. & Dolmatov A.V. (Eds.). Chelyabinsk: Yuzhno-Ural’skoe knizhnoe izdatel’stvo; 2015:281–293. (In Russ.).Ермакова В.П., Шешуков О.Ю., Маршук Л.А. Влияние состава и скоростей охлаждения жидкого металла на структуру сплавов системы FeAl. Металловедение и термическая обработка металлов. 2010;(8):3–7.Ermakova V.P., Sheshukov O.Yu., Marshuk L.A. Effect of composition and cooling rates of liquid metal on the structure of FeAl system alloys. Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov. 2010;(8):3–7. (In Russ.).Ермакова В.П., Смирнова В.Г., Катаев В.В., Шешуков О.Ю., Конашков В.В., Овчинникова Л.А., Маршук Л.А. Влияние алюмосодержащих добавок на гомогенность расплава и структуру алюминиевого чугуна. Металловедение и термическая обработка металлов. 2014;(3(705)):7–11.Ermakova V.P., Smirnova V.G., Kataev V.V., Sheshukov O.Yu., Konashkov V.V., Ovchinnikova L.A., Mar­shuk L.A. Effect of aluminum-containing additives on the homogeneity of melt and structure of cast aluminum iron. Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov. 2014;(3(705)):7–11. (In Russ.).Смирнова В.Г., Вязникова Е.А., Овчинникова Л.А. Исследование микpостpуктуpы и химического состава фаз магнийсодеpжащего модификатоpа, полученного с pазной скоpостью охлаждения. Электрометаллургия. 2009;(4):33–36.Smirnova V.G., Vyaznikova E.A., Ovchinnikova L.A. Microstructure and chemical composition of phases in a magnesium-containing modifier produced at different cooling rates. Elektrometallurgiya. 2009;(4):33–36. (In Russ.).Шешуков О.Ю., Ермакова В.П., Маршук Л.А., Смирнова В.Г., Катаев В.В. К вопросу повышения жаростойкости материалов. Известия Самарского научного цент­­ра Российской академии наук. 2012;14(1–2):593–596.Sheshukov O.Yu., Ermakova V.P., Marshuk L.A., Smirnova V.G., Kataev V.V. To the question of increa­sing the heat resistance of materials. Izvestiya Samarskogo nauchnogo tsentra Rossiiskoi akademii nauk. 2012;14(1–2): 593–596. (In Russ.).Шешуков О.Ю., Ермакова В.П., Маршук Л.А., Кудинов Д.З. Структура модификатора и свойства чугуна. Инновации в материаловедении и металлургии. 2012;2:186–195.Sheshukov O.Yu., Ermakova V.P., Marshuk L.A., Kudinov D.Z. Modifier structure and cast iron properties. Innovatsii v materialovedenii i metallurgii. 2012;2:186–195. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.