DOI: https://doi.org/10.32515/2664-262X.2024.9(40).1.27-36

Thermodynamic patterns of structure formation of high-strength cast iron during modification and under different conditions of melt crystallization

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

About the Authors

Mykola Bosyi, Senior 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

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

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 article presents the results of the analysis of thermodynamic regularities of structure formation of high-strength cast iron during modification and under different conditions of melt crystallization. The concept of the formation of graphite nuclei in high-strength cast iron is proposed. It has been established that during the modification of molten iron, as a result of a significant redistribution of all elements dissolved in it, impurities (sulfur, phosphorus, etc.) are removed, which makes it possible to obtain the structure of cast iron with nodular graphite with the use of modifiers. During the crystallization of cast iron with the release of austenite, direct microliquation of silicon with a distribution coefficient less than one is characteristic, manganese is more evenly distributed in the metal, and carbide stabilizing elements are treated in the liquid phase. A thermodynamic calculation of the thermal effects of the reactions of the release of graphite from carbon dissolved in iron, the transition of silicon and manganese from a liquid state to a solid state in the process of forming high-strength cast iron is presented. The physical and latent heat of crystallization of high-strength cast iron was determined by the enthalpy method. Thermodynamic calculations were performed and the thermal effects of reactions (9) in the melt of high-strength cast iron were determined, depending on their concentrations and the temperature of the melt. Using the results of thermodynamic calculations makes it possible to study the crystallization process by changing the number and composition of phases that are formed under the influence of heat release of phase transformations. It was found that the introduction of Si into pre-eutectic alloys (from 1 to 5% at.) leads to a slight decrease in the latent heat ΔН of crystallization of primary graphite (up to 3% for each atomic percentage of Si). As a result of the change in the temperature interval, its release causes a decrease in the total physical heat of crystallization Qf. It is shown that the thermodynamic analysis of the processes that occur during the crystallization of cast iron based on the data on the change in enthalpy for the system Fe-C-Xi (Xi = Si, Mn) indicates that with an increase in carbon, the change in enthalpy in the crystallization interval changes approx lyzno by 16 kJ/mol. The physical heat of crystallization has a significant effect on the change in the value of the total heat of crystallization of cast iron Qkr Fe-C-Xi (Xi = Si, Mn) in comparison with the Fe-C alloy. The latent heat of crystallization during solidification of high-strength cast iron is between 245 and 275 kJ/kg.

Keywords

high-strength cast iron, structuring of cast iron, spheroidal graphite, fluctuation, diffusion, Gibbs energy, thermal effect, heat of crystallization

Full Text:

PDF

References

1. Kropivnyj, V.M. et al. (2019). Chavun z vermykuliarnym hrafitom [Cast iron with vermicular graphite]. Kropivnyj V.M. (Ed.). Kropyvnyts'kyj: Lysenko V.F. [in Ukrainian].

2. Savuliak, V.I. & Yanchenko, O.B. (2014). Ekonomichni tekhnolohii vysokomitsnykh hrafityzovanykh splaviv zaliza [Economic technologies of high-strength graphitized iron alloys]. Vinnytsia: VNTU [in Ukrainian].

3. Skoblo, T.S., Sidashenko, O.I. & Sajchuk, O.V. (2019). Korpusni detali z chavuniv ta ikh iakisni pokaznyky [Body parts made of cast iron and their quality fasteners]. Kh: Disa plius [in Ukrainian].

4. Bublykov, V.B., Yasyns'kyj, O.O., Berchuk, D.M., Yasyns'ka, O.O., & Moiseieva, N.P. (2021). Vplyv vmistu kremniiu ta marhantsiu na strukturu vysokomitsnoho chavunu [Influence of silicon and manganese content on the structure of high-strength cast iron]. Promising technologies, materials and equipment in foundry production: VIII mizhnarodna naukovo-tekhnichna konferentsiia (21-24 veresnia 2013 roku)  the 8th international scientific and technical conference (pp.29-31). Kramators'k: DDMA [in Ukrainian].

5. Husachuk, D.A. et al. (2022). Strukturoutvorennia heterofaznykh splaviv na osnovi chavuniv [Structure formation of heterophase alloys based on cast iron]. Luts'k: LNTU [in Ukrainian].

6. Bublykov, V.B. et al. (2020). Vysokomitsnyj chavun zi zmitsnenym kremniiem ta nikelem tverdym -rozchynom [High-strength cast iron with hardened silicon and nickel solid -solution]. Metal i lytvo Ukrainy  Metal and casting of Ukraine, 28, 3(322), 63-68 [in Ukrainian].

7. Bublykov, V.B. et al. (2020). Lehovanyj kremniiem vysokomitsnyj chavun ta joho zastosuvannia [Silicon-alloyed high-strength cast iron and its application]. Protsesy lyttia  Casting processes, 1, 20-29 [in Ukrainian].

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

9. Bublykov, V.B., Bachyns'kyj, Yu.D., Berchuk, D.M. & Yasyns'kyj O.O. (2019). Doslidzhennia vplyvu skladu mahniievykh lihatur i metodiv modyfikuvannia na strukturoutvorennia i mekhanichni vlastyvosti vysokomitsnoho chavunu [Study of the influence of the composition of magnesium ligatures and modification methods on the structure formation and mechanical properties of high-strength cast iron]. Casting. Metallurgy: XV Mizhnarodna naukovo-praktychna konferentsiia (21-23 travnia 2019 roku)  The XV International Scientific and Practical Conference (pp. 38-39). Zaporizhzhia: AA Tandem [in Ukrainian].

10. Kostina, L.L. (2011). Chavun z vermykuliarnym hrafitom: deiaki zakonomirnosti strukturoutvorennia i pidvyschennia mitsnosti [Cast iron with vermicular graphite: some regularities of structuring and increasing strength]. Vestnyk KhNADU - Herald of the Khnadu, 54, 142-148 [in Ukrainian].

11. Aulin, V.V., Kropivnyj, V.M. & Kuzyk, O.V. (2016). Z'iasuvannia pryrody protsesiv strukturnykh ta fazovykh peretvoren' v zalizovuhletsevykh splavakh na osnovi utvorennia molekuliarnoi formy vuhletsiu [Elucidation of the nature of the processes of structural and phase transformations in iron-carbon alloys based on the formation of the molecular form of carbon]. Zbirnyk naukovykh prats' KNTU. Tekhnika v sil's'kohospodars'komu vyrobnytstvi, haluzeve mashynobuduvannia, avtomatyzatsiia  Collection of scientific works of KNTU. Machinery in agricultural production, industrial engineering, automation, 29, 94-104. [in Ukrainian].

12. Aulin, V., Kropivny, V., Kuzyk, O., Lyashuk, О., Bosyi, М., Vovk, Y., Kropivna, A. 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].

13. Kropivnyj, V.M., Bosyj, M.V., Kuzyk, O.V. & Kropivna, A.V. (2019). Termodynamichni protsesy pry krystalizatsii i formuvanni likvatsii u vylyvkakh z vysokomitsnoho chavunu [Thermodynamic processes during crystallization and liquation formation in high-strength cast iron castings]. Tsentral'noukrains'kyj naukovyj visnyk: Tekhnichni nauky  Central Ukrainian scientific bulletin: Technical sciences, 1(32), 79-86 [in Ukrainian].

14. 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. Tsentral'noukrains'kyj naukovyj visnyk: Tekhnichni nauky  Central Ukrainian scientific bulletin: Technical sciences, 3(34), 48-53 [in English].

15. Aulin, V.V., Kropivnyj, V.M., Kuzyk, O.V., Kropivna, A.V. & Bosyj, M.V. (2017). Rol' teplofizychnykh protsesiv formuvannia struktury vysokomitsnykh chavuniv [The role of thermophysical processes in the formation of the structure of high-strength cast irons]. Visnyk inzhenernoi akademii Ukrainy  Bulletin of the Engineering Academy of Ukraine, 3, 133-137 [in Ukrainian].

16. Kropivnyj, V.M., Bosyj, M.V., Kuzyk, O.V., Kropivna, A.V. & Molokost L.A. (2023). Do pytannia strukturoutvorennia vysokomitsnoho chavunu pry vykorystanni diahram stanu system «FeSi», «Mg-Si» ta «Fe-Si-Mg» [On the question of structure formation of high-strength cast iron when using state diagrams of the "Fe-Si", "Mg-Si" and "Fe-Si-Mg" systems]. Tsentral'noukrains'kyj naukovyj visnyk: Tekhnichni nauky  Central Ukrainian scientific bulletin: Technical sciences, 7(38), II. 34-42 [in Ukrainian].

17. Sabirzianov, T. H. & Kropivnyj, V.M. (2005). Teplotekhnika lyvarnykh protsesiv [Heat engineering of foundry processes]. Kirovohrad: KNTU [in Ukrainian].

Citations

1. Чавун з вермикулярним графітом: навч. посіб.: навч.-метод. комплекс для студ. денної і заочної форм навчання / Кропівний В.М. та ін.; за ред. В.М. Кропівного. Кропивницький: Лисенко В.Ф., 2019. 222 с.

2. Савуляк В.І., Янченко О. Б. Економічні технології високоміцних графітизованих сплавів заліза: монографія. Вінниця: ВНТУ, 2014. 160с.

3. Скобло Т.С., Сідашенко О.І., Сайчук О.В. Корпусні деталі з чавунів та їх якісні показники: монографія. Х: Діса плюс. 2019. 282с.

4. Бубликов В.Б., Ясинський О.О., Берчук Д.М., Ясинська О.О., Моісеєва Н.П. Вплив вмісту кремнію та марганцю на структуру високоміцного чавуну. Перспективні технології, матеріали й обладнання в ливарному виробництві: матеріали VІІІ міжнародної науково-технічної конференції, 21-24 вересня 2013р. Краматорськ: ДДМА, 2021. С. 29-31.

5. Структуроутворення гетерофазних сплавів на основі чавунів / Гусачук Д.А та ін. Луцьк: ЛНТУ, 2022. 177с.

6. Високоміцний чавун зі зміцненим кремнієм та нікелем твердим -розчином / Бубликов В.Б. та ін. Метал і литво України. 2020. Т.28. №3(322). С.63-68.

7. Легований кремнієм високоміцний чавун та його застосування / Бубликов В.Б. та ін. Процеси лиття. 2020. №1. С.20-29.

8. Doherty R.D., Ferrahte V., Chen Y.H. Seripta. Mettall. 1986.

9. Бубликов В. Б., Бачинський Ю. Д., Берчук Д. М., Ясинський О. О. Дослідження впливу складу магнієвих лігатур і методів модифікування на структуроутворення і механічні властивості високоміцного чавуну. Литво. Металургія. Матеріали XV Міжнародної науково-практичної конференції, 21-23 травня 2019 р. Запоріжжя: АА Тандем, 2019. С. 38-39.

10. Костіна Л.Л. Чавун з вермикулярним графітом: деякі закономірності структуроутворення і підвищення міцності. Вестник ХНАДУ. 2011. Вип. 54. С. 142-148.

11. Аулін, В.В., Кропівний В.М,, Кузик О.В. З'ясування природи процесів структурних та фазових перетворень в залізовуглецевих сплавах на основі утворення молекулярної форми вуглецю. Збірник наукових праць КНТУ. Техніка в сільськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація. 2016. Bип. 29. C. 94-104

12. Aulin V., Kropivny V., Kuzyk O., Lyashuk О., Bosyi М., Vovk Y., Kropivna A., 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.

13. 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.

14. 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. 2020. Вип. 3(34). С. 48-53.

15. 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.

16. Кропівний В.М., Босий М.В., Кузик О.В., Кропівна А.В., Молокост Л.А. До питання структуроутворення високоміцного чавуну при використанні діаграм стану систем «FeSi», «Mg-Si» та «Fe-Si-Mg». Центральноукраїнський науковий вісник. Технічні науки. 2023. Вип. 7(38). ч.ІІ. С. 34-42.

17. Сабірзянов Т.Г., Кропівний В.М. Теплотехніка ливарних процесів. Кіровоград: КНТУ, 2005. 403 с.

Copyright (c) 2024 Volodymyr Kropivnyi, Mykola Bosyi, Olexandr Kuzyk, Alena Kropivna, Ludmyla Molokost