2/3 Archives of Foundry, Year 2002, Volume 2, 3 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2002, Rocznik 2, Nr 3 PAN Katowice PL ISSN 1642-5308 INVESTIGATION OF DUCTILE IRON PROPERTIES IN DEPENDENCE ON THE CHEMICAL COMPOSITION AND PRODUCTION TECHNOLOGY S. BOČKUS 1, A. DOBROVOLSKIS 2 1 Department of Metals Engineering of Kaunas University of Technology 2 Join-Stock Company Kauno ketaus liejykla, Kaunas SUMMARY We report the study on ductile iron producing technology. The possibilities to get desirable ductile iron grade with various chemical compositions were investigated. The investigations were been carried out on the Join-Stock Company Kauno ketaus liejykla. It is determined the link between the chemical composition, mechanical properties and microstructure in our investigations. Key words: ductile iron, chemical composition, casting, mechanical properties 1. INTRODUCTION The rapid progress of technology requires improving the mechanical and operational properties of the main casting alloy - cast iron. In this respect ductile cast iron is in exceptional position by its properties [1]. Wide use of ductile cast iron is determined by its unique physical, mechanical and operational properties, which often exceed those of grey cast iron, alloyed cast iron and malleable cast iron and in some cases become like those of most carbon steels. Ductile cast iron can substitute cast carbon steel. However, various problems arise when ductile cast iron is casting. Precise maintenance of technological parameters, high production culture, precise composition of metal charging, special Mg-treatment equipment etc., are necessary. Technological factors have strong influence on the graphitization process as well as on the mechanical properties of cast iron. 1 Habil. Dr. Prof., stasys.bockus@mf.ktu.lt. 2 Dr. Assoc. Prof., Fax: +370-7-450237.
17 Ductile iron is the iron with the spheroidal graphite particles, whose form is VI (ISO 945:1975) and its quantity is about 80 per cent (ISO 1083:1987). It is necessary to estimate the form, distribution and size of the graphite particles during scientific and technological investigations. When we want to compare the results of various investigations it is also important to know the production methods and chemical composition of ductile iron. The same grade of ductile iron be obtained using different chemical compositions. It is very useful for the manufacturer to know the mechanical properties of the casting as a function of chemical composition. This work is an attempt to solve this problem. 2. EXPERIMENTAL Join-Stock Company Kauno ketaus liejykla produces ductile iron casting s from 1978. All this time the investigations were been carried out also. This work presents the results of the investigations from latest years. The metal was melted in the induction furnace of 10 t capacity. The chemical composition of the cast iron has been determined by spectrometer SPEKTROLAB, liquid metal temperature has been measured by the device MIKRON and thermometer W50A with S type thermocouple (Pt and 10 per cent Rt-Pt). The microstructure of castings has been determined by common optical microscope, by analogous camera, computer and original software. This method permits quick identification of the graphite and metallic phases. The Mg-treatment temperature of metal ranged from 1400 o C to 1520 o C. Various nodulizers for graphite spheroidizing were used. The process using multi-component nodulizers is simpler and cheaper compare with the process using metallic magnesium. In addition such a process let to get a desirable ductile iron structure and mechanical properties and to reduce the number of casting defects [2]. Characteristic tendency of the latest years is to increase the number of foundries used low magnesium master alloys those containing high silicon. We used low magnesium modifiers produced in the firm SKW Giesserei. The Mg-treatment process has been carried out in the special ladle by Sandwich method as low magnesium master alloys are very suitable to this method. During experimental investigations we defined dependence of chemical elements: magnesium, manganese and chromium, on the tensile strength and elongation. The influence of the maintaining duration of ductile iron in the ladle after nodularization on the mechanical properties and microstructure of castings is described too. 3. RESULTS AND DISCUSSION During our investigations the same ductile iron grade using different chemical compositions we obtained. The contents of elements ranged in following intervals: Mg from 0.025 per cent to 0.065 per cent, Mn from 0.1 per cent to 0.55 per cent, Cr from 0.03 per cent to 0.15 per cent. It is shown in Figure 1. The contents of other elements were following: 3.4 3.7 %C, 2.3 3.5 %Si, 0.01 0.02 %S, 0.03 0.04 %P.
Tensile strength (MPa) 18 The results (Fig. 1) are very useful for the manufacturer for producing the desirable ductile iron grade. For instance, ductile iron with R m = 500 MPa can be manufactured using metal No 2, which contain 0.0375 % remaining magnesium Mg rem or No 3, in which there was containing Mg rem =0.032 %. Ductile iron with R m = 700 MPa we can get with metal No 4, which contain 0,058 % Mg rem or with metal No 5, which contain 0,052 % Mg rem. Data in Figure 1 show that the variant No 1 is an optimum chemical composition of metal for getting ductile iron with R m 450 MPa. The variant No 2 is suitable for getting ductile iron with R m = (450 500) MPa, variant No 3 - for getting R m = (500 600) MPa, variant No 4 - for getting R m = (600 700) MPa and variant No 5 - for getting ductile iron with R m 700 MPa. 800 700 600 500 2 3 4 5 400 1 300 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 Remain magnesium (per cent) Fig. 1. Tensile strength R m of ductile iron as a function the contents of Mg rem, manganese and chromium: 1 0.2 % Mn, 0.03 % Cr; 2 0.26 % Mn, 0.06 % Cr; 3 0.36 % Mn, 0.09 % Cr; 4 0.45 % Mn, 0.15 % Cr; 5 0.55 % Mn, 0.15 % Cr. Rys. 1. Zależność między resztkową zawartością magnezu Mg r oraz zawartością manganu i chromu w żeliwie na jego wytrzymałość na rozciąganie R m : 1 - najwyżej 0,2 % Mn; 0,03 % Cr; 2 0,26 % Mn; 0,06 % Cr; 3 0,36 % Mn; 0,09 % Cr; 4 0,45 % Mn; 0,15 % Cr; 5 0,55 % Mn; 0,15 % Cr. Oś odciętych: Mg r, %; oś rzędnych: R m, MPa. We determined chemical composition, mechanical properties and microstructure in our investigations. The effect of increasing pearlite quantity on the elongation A 5 and tensile strength R m is shown in Figurer 2 and 3 correspondingly. The ductile iron made
A5, % Rm, MPa 19 of the liquid cast iron numbers: 1,2,3,4 and 5 contains in its matrix, correspondingly: 0 6 %, 6 20 %, 20 30 %, 55 65 % and 70 80 % of pearlite. 900 700 500 300 0 20 40 60 80 Pearlite content, % Fig. 2. Effect of pearlite content on tensile strength. Rys. 2. Wpływ udziału perlitu w osnowie metalowej na wytrzymałość na rozciąganie R m żeliwa sferoidalnego. Oś odciętych: Udział perlitu w osnowie, %; oś rzędnych: R m, MPa. 20 15 10 5 0 0 20 40 60 80 Pearlite content, % Fig. 3. Effect of pearlite content on the elongation. Rys. 3. Wpływ udziału perlitu w osnowie metalowej na wydłużenie A 5 żeliwa sferoidalnego. Oś odciętych jak rys. 2; oś rzędnych: A 5, %. The experimental results shown in these figures emphasise that the increasing of the content of pearlite in the matrix increas es the magnitude R m but decreases the magnitude A 5. The elongation of ductile iron depends also on the grafitization level. This is shown in Figure 4. The content of pearlite is here constant and is equal to 20 %.
A5, % 20 16 12 8 4 40 60 80 100 Grafitization grade, % Fig. 4. The influence of the grafitization grade on the elongation. Rys. 4. Zależność wydłużenia żeliwa sferoidalnego od stopnia grafityzacji. Oś odciętych: Stopień grafityzacji, %; oś rzędnych: jak rys. 3. Results of our investigations on the maintaining duration of ductile iron in a ladle after nodulization are shown in the Table 1. Table 1. Mechanical properties, microstructure and chemical composition. Tabela 1. Właściwości mechaniczne, mikrostruktura i skład chemiczny próbek żeliwa, pobranych w różnym odstępie czasu po sferoidyzowaniu. Test Mechanical properties Chemical composition, % piece Brinel R m, Microstructure A No hardness MPa 5, % C Si Mn Mg 1 159-167 444 14 100%VI6/7P6 3,71 2,50 0,28 0,055 2 170-183 462 13 100%VI6/7P6 3,72 2,92 0,27 0,054 3 156-170 467 14 95%VI6/7+5%IIIP6 3,66 2,89 0,27 0,054 NOTE: The first test peace was cast 1 min after Mg-treatment, second test peace 5 min after Mg-treatment and third test peace was cast 11 min after Mg-treatment. It is evident that the maintaining time of ductile iron in a ladle after nodulization noticeably influences the microstructure of ductile iron but does not influence on the mechanical properties. The table also illustrates the influence of maintaining time on the chemical composition. The content of carbon was decreasing, but the content of silicon was increasing and the contents of other elements were not changing during the maintaining time. 4. CONCLUS IONS The grade of ductile iron depends on the chemical composition but the same grade of ductile iron may be obtained using different chemical composition s. Our results give some recommendations how to produce the desirable grade of ductile iron. It is established that the increase of pearlite content in the ductile iron effects in the increase of the tensile strength and in the decrease of the elongation. Increasing of the
21 graphitization grade increases the elongation. The time of maintaining the ductile iron in a ladle after nodulization has a noticeably influence on the microstructure of ductile iron and a slight influence on the mechanical properties. REFERENCES [1] M.P. Shebatinov, Y.Y. Abramenko, N.I. Bech: Ductile iron in the production of motor car. Mashinostroyeniye Publishers, Moscow (1988). [2] E.V. Zachartchenko, Y.N. Levtchenko, V.G. Gorenko, P.A. Varenik: Spheroidal graphite cast iron castings. Naukova Dumka Publishers, Kiev (1986). BADANIE WPŁYWU SKŁADU CHEMICZNEGO I WARUNKÓW PRODUKCJI NA WŁAŚCIWOŚCI ŻELIWA SFEROIDALNEGO STRESZCZENIE Przedstawiono wyniki badań w zakresie technologii produkcji odlewów z żeliwa sferoidalnego. W szczególności określano możliwości uzyskiwania wymaganych gatunków żeliwa sferoidalnego, zmieniając skład chemiczny żeliwa. Badania przepro - wadzano w przedsiębiorstwie Kauno Ketaus Liejykla S.A. w Kownie. Wyznaczono zależności między składem chemicznym, mikrostrukturą i właściwościami mechanicznymi żeliwa sferoidalnego. 1. WPROWADZENIE Szybki postęp technologii wymaga poprawy właściwości mechanicznych i użytkowych podstawowego stopu odlewniczego żeliwa. Pod tym względem żeliwo sferoidalne zajmuje wyjątkową pozycję z uwagi na swe właściwości [1]. Szerokie stosowanie żeliwa sferoidalnego wynika z jego wyjątkowych właściwości fizycznych, mechanicznych i użytkowych, które w większości przypadków przewyższają odpowiednie właściwości żeliwa szarego, stopowego i ciągliwego, a w licznych przypadkach dorównuje właściwościom stali węglowej. Żeliwem sferoidalnym można zastępować staliwo. Liczne problemy wystepują jednak przy odlewaniu żeliwa sferoidalnego. Konieczne są: precyzyjne utrzymywanie parametrów technologicznych, wysoka kultura techniczna, precyzyjnie dobrany skład chemiczny, specjalne wyposażenie do zabiegów sferoidyzowania itd. Czynniki technologiczne wywierają silny wpływ na proces grafityzacji i na właściwości mechaniczne żeliwa. Żeliwo sferoidalne zawiera w swej strukturze kulkowe wydzielenia grafitu typu VI (PN-EN ISO 945:1999) a jego udział wynosi co najmniej 80 % ogólnej ilości grafitu. W czasie badań naukowo-technicznych niezbędne jest określanie postaci, rozmieszczenia i wymiarów wydzieleń grafitu. W celu dokonywania porównań wyników różnych badań konieczna jest znajomość metod wyrtwarzania i składu chemicznego żeliwa
22 sferoidalnego. Dla wytwórcy korzystna jest znajomość właściwości mechanicznych odlewów w funkcji składu chemicznego żeliwa. W niniejszej pracy podjęto się rozwiązania tego zagadnienia. 2. METODYKA I PRZEPROWADZENIE BADAŃ Firma Kauno Ketaus Liejykla S.A. wytwarza odlewy z żeliwa sferoidalnego od 1978 r. W ciągu całego tego okresu prowadzono tu również badania naukowe. Niniejsza praca przedstawia wyniki badań z ostatniego okresu. Metal wytapiano w piecu indukcyjnym o poj. 10 t. Skład chemiczny żeliwa określano za pomocą spektrometru SPECTROLAB. Temperaturę ciekłego metalu mierzono za pomocą aparatu MIKRON i termometru W50A z termoelementem typu S (PtRh10-Pt). Do określania mikrostruktury odlewów posługiwano się mikroskopem optycznym, kamerą analogową i komputerem z wykorzystaniem oryginalnego programu; metoda ta pozwalała na szybką identyfikację wydzieleń grafitu i faz metalowych Temperatura sferoidyzowania żeliwa zawierała się w przedziale 1400-1520 ºC. Wykorzystywano różne sferoidyzatory wieloskładnikowe, które okazały się prostsze i tańsze w zastosowaniu niż magnez metaliczny; łatwiejsze też okazywało się uzyskiwanie wymaganej struktury i wymaganych właściwości żeliwa sferoidalnego przy mniejszej zarazem liczbie wad odlewniczych [2]. W ostatnich latach zaznaczyła się charakterystyczna tendencja do zwiększania się liczby odlewni, stosujących zaprawy niskomagnezowe, o zwiększonej zawartości krzemu. W opisywanych badaniach stosowano zaprawy, wytwarzane przez firmę SKW Giesserei, wprowadzane do żeliwa metodą Sandwich w specjalnej kadzi zabiegowej, taka metoda sferoidy - zowania jest bowiem najkorzystniejsza w przypadku stosowania zapraw niskomagnezowych. Badania pozwoliły na wyznaczenie zależności wytrzymałości na rozciąganie oraz wydłużenia żeliwa od jego składu chemicznego, a szczególnie od zawartości: magnezu, manganu i chromu. 3. WYNIKI BADAŃ I ICH OMÓWIENIE Badania były nastawione na otrzymywanie tego samego gatunku żeliwa sferoidalnego przy różnym składzie chemicznym. Zawartości poszczególnych pierwiastków zawierały się w następujących przedziałach: 0,025-0,065 % Mg; 0,1 0,55 % Mn; 0,03-0,15 % Cr (rys. 1). Zawartość pozostałych pierwiastków wynosiła: 3,4-3,7 % C; 2,3-3,5 % Si; 0,01-0,02 % S i 0,03-0,04 % P. Wykres, przedstawiony na rys. 1, jest bardzo dogodny dla producenta z punktu widzenia uzyskiwania wymaganego gatunku żeliwa. Np. żeliwo sferoidalne o wytrzymałości R m = 500 MPa można otrzymywać z żeliwa wyjściowego nr 2, w którym resztkowa zawartość magnezu Mg r w żeliwie wynosi 0,0375 %, lub z żeliwa nr 3 o zawartości Mg r = 0,032 %. Otrzymywanie żeliwa sferodalnego o wytrzymałości R m = 700 MPa zapewnia żeliwo wyjściowe nr 4 o zawartości Mg r = 0,058 % lub żeliwo nr 5 przy
23 zawartości Mg r = 0,52 %. Wykres (rys. 1) wskazuje na to, że wariant nr 1 stanowi optymalny skład chemiczny przy wytwarzaniu żeliwa sferoidalnego o wytrzymałości R m < 450 MPa.Warianty nr 2, 3, 4 i 5 są natomiast właściwe dla wytwarzania żeliwa sferoidalnego o wytrzymałości R m równej odpowiednio: 450-500 MPa, 500-600 MPa, 600-700 MPa i ponad 700 MPa. W badaniach określano również związki między składem chemicznym, właściwościami mechanicznymi (R m i A 5 ) i mikrostrukturą odlewów. Wpływ udziału perlitu w osnowie metalowej na wartości R m i A 5 pokazano, odpowiednio, na rys. 2 i 3. Żeliwo sferoidalne, wytworzone z żeliwa wyjściowego nr 1, 2, 3, 4 i 5, zawiera w swej osnowie odpowiednio: 0-6 %; 6-20 %; 20-30 %; 55-65 % i 70-80 % perlitu. Z rys. 2 i 3 wynika znany fakt zwiększania się wytrzymałości i zmniejszania się wydłużenia w miarę zwiększania się udziału perlitu w osnowie żeliwa. Wydłużenie żeliwa sferoidalnego zależy również od stopnia grafityzacji, co pokazano na rys. 4. Udział perlitu w osnowie jest w tym przypadku stały i wynosi około 20 %. W tabeli 1 zestawiono dane, dotyczące zmian składu chemicznego, mikrostruktury i właściwości żeliwa sferoidalnego w zależności od czasu, upływającego od momentu zakończenia zabiegu sferoidyzowania do momentu pobrania próbek. Widać stąd, że przetrzymywanie ciekłego żeliwa w kadzi po przeprowadzeniu zabiegu sferoidyzowania wpływa istotnie na mikrostrukturę, nie wpływa natomiast na właściwości mechaniczne odlewów. Zmniejsza się wówczas także zawartość węgla a zmniejsza zawartość krzemu w żeliwie; zawartość pozostałych pierwiastków nie wykazuje zmiany. 4. WNIOSKI Na gatunek wytwarzanego żeliwa sferoidalnego wpływa skład chemiczny żeliwa, ale ten sam gatunek można otrzymać przy różnym skladzie chemicznym. Przeprowadzone badania dostarczyły wskazówek odnośnie do wytwarzania wymaganych gatunków żeliwa sferoidalnego. Stwierdzono, że w miarę zwiększania się udziału perlitu w osnowie metalowej żeliwa zwiększa się jego wytrzymałość na rozciąganie a zmniejsza się jego wydłużenie. Zwiększenie stopnia grafityzacji przyczynia się do zwiększenia wydłużenia. Wytrzymywanie ciekłego żeliwa w kadzi po przeprowadzeniu zabiegu sferoidyzacji wpływa wyraźnie na mikrostrukrurę odlewów z żeliwa sferoidalnego i w mniejszym stopniu na jego właściwości mechaniczne. Recenzent: prof. dr. hab. inż. Czesław Podrzucki.