DOI: https://doi.org/10.32515/2664-262X.2023.7(38).2.34-42

On the Question of Structural Formation of High-Compression Cast Iron Using State Diagrams System "Fe-Si", "Mg-Si" and "Fe-Si-Mg"

Volodymyr Kropivnyi, Mykola Bosyi, Olexandr Kuzyk, Alena Kropivna, Ludmyla Molokost

About the Authors

Volodymyr Kropivnyi, Professor, PhD in Technics (Candidate of Technics Sciences), Central Ukraіnian National Technical University, Kropyvnytskyi, Ukraine, e-mail: vlkropivny@gmail.com, ORCID ID: 0000-0002-5313-0226

Mykola Bosyi, Lecturer, Central Ukraіnian National Technical University, Kropyvnytskyi, Ukraine, e-mail: bosiymv@ukr.net, ORCID ID: 0000-0002-3090-0427

Olexandr Kuzyk, Associate Professor, PhD in Technics (Candidate of Technics Sciences), Central Ukraіnian National Technical University, Kropyvnytskyi, Ukraine, e-mail: kuzykov1985@gmail.com, ORCID ID: 0000-0002-3047-3760

Alena Kropivna, Associate Professor, PhD in Technics (Candidate of Technics Sciences), Central Ukraіnian National Technical University, Kropyvnytskyi, Ukraine, e-mail: vlkropivny@gmail.com, ORCID ID: 0000-0001-7296-8713

Ludmyla Molokost, Lecturer, Central Ukraіnian National Technical University, Kropyvnytskyi, Ukraine, e-mail: kntucpfzk@gmail.com, ORCID ID: 0000-0002-8418-0672

Abstract

The purpose of the work is to establish the patterns of structural formation of high-strength cast iron using the thermodynamic theory of phase transformations and to analyze state diagrams of the components of Fe-Si-Mg ligatures. The article presents the results of the analysis of patterns of structural formation of high-strength cast iron when using state diagrams of the "Fe-Si", "Mg-Si" and "Fe-Si-Mg" systems. The concept of graphite formation in high-strength cast iron is considered. The structure formation scheme of high-strength cast iron is presented. Disclosure of the mechanism of processes of formation of spherical and vermicular graphite opens wide opportunities for controlling the structure and properties of high-strength cast iron and contributes to the development of effective technological processes for obtaining cast products for various purposes. It has been established that during the modification of cast iron melt, as a result of a significant redistribution of all elements dissolved in it, purification of impurities (sulfur, phosphorus, etc.) takes place, which allows obtaining the structure of cast iron with nodular graphite with the use of modifiers. Diagrams of the "Fe-Si", "Mg-Si" and "Fe-Si-Mg" systems for the development of the composition of high-strength cast iron are given. After analyzing the data of the given state diagrams, it was concluded that in the composition of spheroidizing ligatures, all compounds of elements are low-melting (tpl < 1300 °С) in relation to the melting temperature of cast iron. During the crystallization of cast iron with the release of austenite, a direct microliquation of silicon with a distribution coefficient less than unity is characteristic, manganese is more evenly distributed in the metal, and carbide stabilizing elements are treated in the liquid phase. The regularities of structure formation of modified cast iron under different crystallization conditions have been established. The analysis of the study of the regularities of the process of the formation of spherical and vermicular graphite and the analysis of state diagrams of the "Fe-Si-Mg" liga-tur components were performed.

Keywords

high-strength cast iron, structuring of cast iron, spheroidal graphite, vermicular graphite, fluctuation

Full Text:

PDF

References

Korolev, S.P., & Panfilov, E.V. (2006). Chugun s vermikulyarnym grafitom – konstrukcionnyj material sovremennogo mashinostroeniya [Cast iron with vermicular graphite is a structural material of modern mechanical engineering]. Litejnoe proizvodstvo. Lite i metallurgiya – Foundry. Casting and metallurgy, 2, 91-93 [in Russian].

2. Zaharchenko, E.V., Levchenko, Yu.N., Gorenko, V.G., & Varenik, P.A. (1986). Otlivki iz chuguna s sharovidnym i vermikulyarnym grafitom [Cast iron with spherical and vermicular graphite]. Kiev: Naukova dumka [in Russian].

3. Baranov, D.A. (2004). O mehanizme formirovaniya vermikulyarnogo grafita pri zatverdevanii chugunka [About the mechanism of formation of vermicular graphite during solidification of cast iron]. Litejnoe proizvodstvo – Foundry, 10, 2-3 [in Russian].

4. Belov, V.D. (2008). Teoriya litejnyh processov [Theory of casting processes]. M.: RIOTIP [in Russian].

5. Vertman, A.A., & Samarin A.M. (1969). Svojstva rasplavov zheleza [Properties of iron melts]. M: Nauka [in Russian].

6. Doherty, R.D., Ferrahte,V. & Chen, Y.H. (1986). Seripta Mettall [in English].

. Zhukov, A.A., & Snezhnoj, R.L. (1967). O vozmozhnosti obrazovaniya zhelezouglerodistyh kompleksov arenovogo tipa v zhelezouglerodistyh splavah [On the possibility of formation of iron-carbon complexes of the arene type in iron-carbon alloys]. Termodinamika i fiziche-skaya kinetika strukturoobrazovaniya v stali i chugune - Thermodynamics and Physical Kinetics of Structure Formation in Steel and Cast Iron, Issue 3, 175-179 [in Russian].

8. Bachinskyi, Yu.D., & Bublikov, V.B. (2017). Uluchshenie strukturoobrazovaniya tonkostennyh otlivok iz vysokoprochnogo chuguna pri modificirovanii v predkristallizacionnom periode [Improvement of structural formation of thin-walled castings from high-strength cast iron during modification in the precrystallization period]. «Perspektivni tehnologiyi, materiali i obladnannya u livarnomu virobnictvi»: VI mizhnarodnoyi naukovo-tehnichnoyi konferenciyi (25-28 veresnya 2017 r. Kramatorsk) – VI International Scientific and Technical Conference ( pp. 15-16) . Kramatorsk: DDMA [in Ukrainian].

9. Kostina, L.L. (2011). Chavun z vermikulyarnim grafitom: deyaki zakonomirnosti strukturoutvorennya i pidvishennya micnosti [Cast iron with vermicular graphite: some regularities of structuring and increasing strength]. Vestnik HNADU – Bulletin of KHNADU. Issue 54, 142-148 [in Ukrainian].

10. Lyakisheva, N.P. (1997). Diagrammy sostoyaniya dvojnyh metallicheskih sistem. (Vol. 3., prt.2). M. : Mashinostroenie [in Russian].

11. Lyakisheva N.P. (2001). Diagrammy sostoyaniya dvojnyh metallicheskih sistem [Diagrams of the state of double metal systems]. (Vols 3; Vol.3. book 1). M. : Mashinostroenie [in Russian].

12. Du, Y., Zhao, J. R., Zhang, C., Chen, H.L., & Zhang, L.J. (2007). Thermodynamic modeling of the Fe-Mg-Si system. Journal of Mining and Metallurgy, № 43 (В). рр. 39-56 [in English].

13. Lebrun, N., Baetzner, C., Stamou, A., & Robinson, J. (2009). Iron – Magnesium – Silicon. Ternary Alloy Systems: Phase Diagrams, Crystallographic and Thermodynamic Data, Vol. 11, рр. 135-147 [in English].

14. Bachinskyi, Yu.D. (2017). Vpliv procesu modifikuvannya v peredkristalizacijnomu periodi na strukturoutvorennya i vlastivosti tonkostinnih virobiv z visokomicnogo chavunu [The influence of the modification process in the pre-crystallization period on the structure formation and properties of thin-walled products made of high-strength cast iron]. Extended abstract of candidate's thesis . FTIMS NAN Ukrayini. Kiyiv [in Ukrainian].

15. Vashenko, K.I. & Sofroni, L. (1960). Magnievyj chugun [Magnesium cast iron]. M: Mashgiz [in Ukrainian].

16. Aulin, V. et al. (2021). The Influence of Titanium as a Desferoidizing Element on the Stability of Production of Magnesium Cast Irons with Vermicular Graphite. Tribology in Industry, Vol. 43, No. 4, pp. 654-666 [in English].

17. Kropivniyi, V.M., Bosyi, M.V., Kuzyk, O.V., & Kropivna, A.V. (2019). Termodinamichni procesi pri kristalizaciyi i formuvanni likvaciyi u vilivkah z visokomicnogo chavunu [Thermodynamic processes during crystallization and liquation formation in high-strength cast iron castings]. Centralnoukrayinskij naukovij visnik: Tehnichni nauki – Central Ukrainian Scientific Bulletin. Technical Sciences, Issue 1(32), 79-86 [in Ukrainian].

18. Kropivnyi, V.M., Bosyi, M.V., Kuzyk, O.V., & Kropivna, A.V. (2020). Specific Distribution of Thermal Effects of Graphite Forming Reactions in High-strength Cast Iron. Centralnoukrayinskij naukovij visnik. Tehnichni nauki. – Central Ukrainian Scientific Bulletin. Technical Sciences, Issue 3(34), 48-53 [in English].

19. Aulin, V.V., Kropivniyi, V.M., Kuzyk, O.V., Kropivna, A.V., & Bosyi, M.V. (2017). Rol teplofi-zichnih procesiv formuvannya strukturi visokomicnih chavuniv [The role of thermophysical processes in the formation of the structure of high-strength cast irons]. Visnik inzhenernoyi akademiyi Ukrayini – Bulletin of the Engineering Academy of Ukraine, 3, 133-137 [in Ukrainian].

Citations

  1. Королев С.П., Панфилов Э.В. Чугун с вермикулярным графитом – конструкционный материал современного машиностроения. Литейное производство. Литье и металлургия. 2006. №2. С. 91-93.
  2. Захарченко Э.В., Левченко Ю.Н., Горенко В.Г., Вареник П.А. Отливки из чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом. Киев: Наукова думка. 1986. 248с.
  3. Баранов Д.А. О механизме формирования вермикулярного графита при затвердевании чугунка. Литейное производство. 2004. № 10. С. 2-3.
  4. Белов В.Д. Теория литейных процессов. Учебник. М: РИОТИП. 2008. 580 с.
  5. Вертман, А.А., Самарин А.М. Свойства расплавов железа. М: Наука. 1969. 280с.
  6. Doherty R.D., Ferrahte V., Chen Y.H. Seripta Mettall. 1986.
  7. Жуков A.A., Снежной Р.Л. О возможности образования железоуглеродистых комплексов аренового типа в железоуглеродистых сплавах. Термодинамика и физическая кинетика структурообразования в стали и чугуне. М: 1967. Вип. 3. С. 175-179.
  8. Бачинский Ю.Д., Бубликов В.Б. Улучшение структурообразования тонкостенных отливок из высокопрочного чугуна при модифицировании в предкристаллизационном периоде. Перспективні технології, матеріали і обладнання у ливарному виробництві: матеріали VІ міжнародної науково-технічної конференції, 25-28 вересня 2017 р. Краматорськ: ДДМА. 2017. С. 15-16.
  9. Костіна Л.Л. Чавун з вермикулярним графітом: деякі закономірності структуроутворення і підвищення міцності. Вестник ХНАДУ. 2011. Вып.54. С. 142-148.
  10. Лякишева Н.П. Диаграммы состояния двойных металлических систем. Справочник: В 3-х. Т.2. М: Машиностроение. 1997. 1024 с.
  11. Лякишева Н.П. Диаграммы состояния двойных металлических систем. Справочник: В 3 т: Т.3. кн. 1. М: Машиностроение. 2001. 872 с.
  12. Du Y., Zhao J. R., Zhang C., Chen H.L., Zhang L.J. Thermodynamic modeling of the Fe-Mg-Si system. Journal of Mining and Metallurgy. 2007. № 43 (В). рр. 39-56.
  13. Lebrun N., Baetzner C., Stamou A., Robinson J. Iron – Magnesium – Silicon. Ternary AlloySystems: Phase Diagrams, Crystallographic and Thermodynamic Data. 2009. Vol. 11. рр. 135-147.
  14. Бачинський Ю.Д. Вплив процесу модифікування в передкристалізаційному періоді на структуроутворення і властивості тонкостінних виробів з високоміцного чавуну: автореферат дисертації канд. техн. наук: 05.16.04. ФТІМС НАН України. Київ. 2017. 40с.
  15. Ващенко К. И., Софрони Л. Магниевый чугун. М: Машгиз. 1960. 487 с.
  16. Aulin V., Kropivny V., Kuzyk O., Lyashuk О., Bosyi М., Vovk Y., Kropivna V., Sokol V., Senyk A., Slobodyan L. The Influence of Titanium as a Desferoidizing Element on the Stability of Production of Magnesium Cast Irons with Vermicular Graphite. Tribology in Industry. 2021.Vol. 43. No. 4. pp. 654-666.
  17. Кропівний В.М., Босий М.В., Кузик О.В., Кропівна А.В. Термодинамічні процеси при кристалізації і формуванні ліквації у виливках з високоміцного чавуну. Центральноукраїнський науковий вісник: Технічні науки. 2019. № 1(32). С. 79-86.
  18. Kropivnyi V.M., Bosyi M.V., Kuzyk O.V., Kropivna A.V. Specific Distribution of Thermal Effects of Graphite Forming Reactions in High-strength Cast Iron. Центральноукраїнський науковий вісник. Технічні науки. Кропивницький. 2020. вип. 3(34). С. 48-53.
  19. Аулін В.В., Кропівний В.М., Кузик О.В., Кропівна А.В., Босий М.В. Роль теплофізичних процесів формування структури високоміцних чавунів. Вісник інженерної академії України. 2017. №3. С.133-137.
Copyright (c) 2023 Volodymyr Kropivnyi, Mykola Bosyi, Olexandr Kuzyk, Alena Kropivna, Ludmyla Molokost