Abstract
The article is aimed at the study of structural features and phase chemical composition in 3.6 wt.% C-15 wt.% Cr-2 wt.% Mo cast iron prepared with adding 0.50 wt.% boron. The work was fulfilled using optical and electron scanning microscopy, EDS, XRD, hardness measurement, and thermodynamic modelling. It was found that due to boron effect the cast iron acquired hypereutectic structure consisting of the primary M7C3 carbides (5.3 vol. %) and the eutectics based on M7C3 carbide (rosette-shaped cells) and M3C carbide (coarse-net-shaped cells or Ledeburite-shaped cells). The total amount of carbide phases was 51.8 vol.% whereas the volume fractions of M7C3-eutectic cells and M3C-eutectic cells were 21.0 vol.% and 74.7 vol.% respectively. The matrix comprised austenite, martensite and pearlite whereas austenite volume fraction was measured as 32 vol.%. Chromium and molybdenum were unevenly partitioned in phases performing the opposite character of a distribution. The primary carbides contained about 37 wt.% Cr and 1.6 wt.% Mo with the stoichiometry of (Fe3.88Cr2.76Mo0.22Mn0.12Si0.02)C3. Substantial part of carbide precipitates (primary and eutectic both) exhibited the duplex nature presenting Cr-rich/Mo-depleted core (M7C3 carbide) and Cr-depleted/Mo-rich shell (M3C carbide). Duplex carbides were closely adjusted to austenite + M3C eutectic cells to be the starting interface for their solidification. A minor amount of micron-sized areas with 67.5 wt.% Mo and 4.6 wt.% Si were observed to be presumed as M6C carbide. The cast iron was subjected to holding at 950 °C for 2 hours with subsequent oil-quenching. This treatment caused the precipitation of fine secondary carbides followed by the martensite transformation which resulted in significant hardness increase from 672 HV (as-cast) to 1038 HV. The solidification sequence is discussed in terms of structure observation and Thermo-Calc modelling.
Kurzfassung
Ziel des vorliegenden Artikels ist die Untersuchung von mikrostrukturellen Merkmalen und der chemischen Zusammensetzung der Phasen in Gusseisen mit 3,6 Gew.-% C, 15 Gew.-% Cr und 2 Gew.-% Mo mit einem Zusatz von 0,50 Gew.-% Bor. Zur Untersuchung wurden Licht- und Rasterelektronenmikroskopie, energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX), Röntgenbeugung (XRD), Härtemessung sowie thermodynamische Modellierung angewandt. Es konnte festgestellt werden, dass Gusseisen unter dem Einfluss von Bor ein übereutektisches Gefüge ausbildet, das aus Primärcarbiden des Typs M7C3 (5,3 Vol.-%) und eutektischen Carbiden auf Basis der M7C3-Carbide (rosettenförmig) sowie Carbiden des Typs M3C (grobe Netzstruktur oder ledeburitische Struktur) besteht. Der Gesamtanteil der Carbide beträgt 51,8 Vol.-%, wobei der Volumenanteil der eutektischen M7C3-Carbide und der eutektischen M3C-Carbide bei 21,0 Vol.-% bzw. 74,7 Vol.-% lag. Die Matrix bestand aus Austenit, Martensit und Perlit, wobei der Volumenanteil des Austenits mit 32 Vol.-% bestimmt wurde. Chrom und Molybdän lagen mit verschiedenen Anteilen in den Phasen vor und wiesen somit eine ungleichmäßige Verteilung auf. Die Primärcarbide enthielten ca. 37 Gew.-% Cr und 1,6 Gew.-% Mo mit der stöchiometrischen Formel (Fe3.88Cr2.76Mo0.22Mn0.12Si0.02)C3. Ein Großteil der Carbidausscheidungen (sowohl primäre als auch eutektische) wies eine Doppelstruktur mit einem Cr-reichen/an Mo verarmten Kern (M7C3-Carbid) und einer an Cr verarmten/Mo-reichen Hülle (M3C-Carbid) auf. Diese Doppelkarbide stehen in enger Verbindung mit eutektischen Zellen aus Austenit + M3C, die als Grenzfläche für die Erstarrung dienen. Es wurden einige kleine Bereiche im Mikrometerbereich mit 67,5 Gew.-% Mo und 4,6 Gew.-% Si beobachtet und als M6C-Carbide angenommen. Das Gusseisen wurde 2 Stunden auf 950 °C gehalten und anschließend in Öl abgeschreckt. Diese Art der Wärmebehandlung führt zur Ausscheidung von feinen sekundären Carbiden mit anschließender Martensitumwandlung, was einen deutlichen Anstieg der Härte von 672 HV (Gusszustand) auf 1038 HV zur Folge hat. Die Erstarrungsabläufe werden im Hinblick auf Gefügebeobachtungen und Modellierung mittels Thermo-Calc diskutiert.
References / Literatur
[1] Mehmet, F. S.; Burak, D.: Mater. Test.61 (2019) 7, 659–666 Search in Google Scholar
[2] Reda, R.; Nofal, A. A.; Ibrahim, K. M.; Hussien, A.-H. A.: Int. J. Mater. Res.103 (2012) 7, 838–846 DOI: 10.3139/146.110704 Search in Google Scholar
[3] Efremenko, V.G.; Shimizu, K.; Cheiliakh, A. P.; Pastukhova, T.V.; Chabak, Yu.G.; Kusumoto, K.: Int. J. Miner., Metall. Mater.23 (2016) 6, 645–657 DOI: 10.1007/s12613-016-1277-1 Search in Google Scholar
[4] Kutsova, V.Z.; Kovzel, M.A.; Shvets, P.U.; Grebeneva, A.V.; Prutchykova, V.V.: Metallofiz. Noveishie Tekhnol.40(2018) 4, 551–560 DOI: 10.15407/mfint.40.04.0551 Search in Google Scholar
[5] Gonzalez-Pociño, A.; Alvarez-Antolin, F; Asensio-Lozano, J.: Metals.9 (2019) 5, 522 DOI: 10.3390/met9050522 Search in Google Scholar
[6] Efremenko, V.G.; Shimizu, K.; PastukhovaT.V.; Chabak, Yu.G.; Brykov, M. N.; Kusumoto, K.; Efremenko, A.: Int. J. Mater. Res.109 (2018) 2, 147–156 DOI: 10.3139/146.111583 Search in Google Scholar
[7] Higuera-Cobos, O.; Dumitru, F.-D.; Mesa-Grajales, D.: Rev. Fac. Ing., Univ. Antioquia.25 (2016) 41, 93–103 DOI: 10.19053/01211129.4141 Search in Google Scholar
[8] Inthidech, S.; Sricharoenchai, P.; Matsubara, Y.: Mater. Trans.47 (2006) 1, 72–81 DOI: 10.2320/matertrans.47.72 Search in Google Scholar
[9] Ying-long, S. U.; Dan, L. I.; Zhang, X.-K.: China Foundry.3 (2006) 4, 284–287 Search in Google Scholar
[10] Scandian, C.; Boher, C.; Mello, J. D. B.; Rezai-Aria, F.: Wear.267 (2009) 1–4, 401–408 DOI: 10.1016/j.wear.2008.12.095 Search in Google Scholar
[11] Li, Y.; Li, P.; Wang, K.; Li, H.; Gong, M.; TongW.: Vacuum.156 (2018) 59–67 DOI: 10.1016/j.vacuum.2018.07.013 Search in Google Scholar
[12] Imurai, S.: Thanachayanont, Ch.; Pearce, J. T. H.; Chairuangsri, T.; Arch. Metall. Mater.60 (2015) 2, 919–923 DOI: 10.1515/amm-2015-0230 Search in Google Scholar
[13] Shimizu, K.; Kusumoto, K.; Yaer, X.; Zhang, Y.; ShiraiM.; Wear.376–377 (2017), 542–548 DOI: 10.1016/j.wear.2016.12.030 Search in Google Scholar
[14] Li, P.; Yang, Y.; Shen, D.; Gong, M.; Tian, C.; TongW.: j. mater. res. technol.1567 (2020) Search in Google Scholar
[15] Penagos, J. J.; Pereira, J. I.; MachadoP. C.; Albertin, E.; SinatoraA.: Wear.376–377 (2017), 983–992 DOI: 10.1016/j.wear.2017.01.103 Search in Google Scholar
[16] Chooprajong, A.; Sricharoenchai, P.; Inthidech, S.; MatsubaraY.: Int. J. Miner., Metall. Mater.22 (2012) 1, 31–37 Search in Google Scholar
[17] Imurai, S.; Thanachayanont, C.; Pearce, J. T. H.; Tsuda, K.; Chairuangsri, T.: Mater. Charact.90 (2014), 99–112 DOI: 10.1016/j.matchar.2014.01.014 Search in Google Scholar
[18] LoperJr., C. R.; Baik, H. K.: AFS Trans.97 (1989), 1001–1008 Search in Google Scholar
[19] Sun, S. D.; Fabijanic, D.; Gallo, S. C.; Fordyce, I.; Paradowska, A.; Leary, M.; Easton, M.; Brandt, M.: Wear.438–439 (2019), 1–10 DOI: 10.1016/j.wear.2019.203070 Search in Google Scholar
[20] Ikeda, M.; Umeda, T.; Tong, C. P.; Sizuki, T.; Niwa, N.; Kato, O.: ISIJ Int.32 (1992), 1157–1162 DOI: 10.2355/isijinternational.32.1157 Search in Google Scholar
[21] Sun, Z.; Zuo, R.; Li, C.; Shen, B.; Yan, J.; Huang, S.: Mater. Charact.53 (2004), 403–409 DOI: 10.1016/j.matchar.2004.09.007 Search in Google Scholar
[22] Huang, X.: J. Mater. Eng. Perform.10 (2001), 592–595 DOI: 10.1361/105994901770344746 Search in Google Scholar
[23] Bedolla-Jacuinde, A.; Guerra, F. V.; Mejía, I.; Zuno-Silva, J.; MaldonadoC.: Int. J. Cast Met. Res.29 (2016) 1–2, 55–61 DOI: 10.1080/13640461.2016.1142236 Search in Google Scholar
[24] Lu, H.; Cui, T. L. J.; Li, Q.; Li, D.Y.: Wear.376–377 (2017) Part A, 578–586 DOI: 10.1016/j.wear.2017.02.014 Search in Google Scholar
[25] Çöl, M.; GülKoç, F.; Öktem, H.; Kır, D.: Wear.348–349 (2016), 158–165 DOI: 10.1016/j.wear.2015.12.007 Search in Google Scholar
[26] Correa, R.; Bedolla-Jacuinde, A.; Zuno-Silva, J.; Cardoso, E.; MejiaI.: Wear, 267 (2009), 495–504 DOI: 10.1016/j.wear.2008.11.009 Search in Google Scholar
[27] Taşgin, Y.; Kaplan, M.; Yaz, M.: Mater. Des.30 (2009) 8, 3174–3179 DOI: 10.1016/j.matdes.2008.11.015 Search in Google Scholar
[28] Tomovic-Petrovic, S. M.; Markovic, S. V.; ZecS.: J. Serbian Chem. Soc.67 (2002) 10697–707 DOI: 10.2298/JSC0210697T Search in Google Scholar
[29] Spiridonova, I.; Sukhova, O.V.; Vashchenko, A.: Metallofiz. Noveishie Tekhnol.21 (1999) 2, 122–125 Search in Google Scholar
[30] Kazdal, H.; Hakan, Z.; Banu, Y.; Selim, B.; Gürkan, D.; Deniz, K. A.: J. Iron Steel Res. Int. Volume18 (2011) 11, 31–39 DOI: 10.1016/S1006-706X(11)60114-3 Search in Google Scholar
[31] Wang, J.; Lu, J.; Xing, X.; Zhou, Y.; Liu, S.; Qi, X.; Yang, Q.: Mater. Res. Express.6 (2019), 1065h2 DOI: 10.1088/2053-1591/ab430f Search in Google Scholar
[32] Efremenko, V.G.; Chabak, Yu.G.; Lekatou, A.; Karantzalis, A.E.; Efremenko, A.V.: Metall. Mater. Trans. A.47A(2) (2016) 1529–154 DOI: 10.1007/s11661-016-3336-7 Search in Google Scholar
[33] Zurnadzhy, V.I.; Efremenko, V.G.; Wu, K.M.; Azarkhov, A.Yu.; Chabak, Yu.G.; Greshta, V.L.; Isayev, O.B.; Pomazkov, M.V.: Mater. Sci. Eng., A.745 (2019) 307–318 DOI: 10.1016/j.msea.2018.12.106 Search in Google Scholar
[34] Trepczyn´ska-Łent, M.; OlejnikE.: Arch. Foundry Eng.16 (2016) 1, 124–130 DOI: 10.1515/afe-2016-0015 Search in Google Scholar
[35] Chabak, Yu.G.; Efremenko, V.G.: Metallofiz. Noveishie Tekhnol.34 (2012) 1205–1220. Search in Google Scholar
[36] Kowoll, T.; Müller, E.; Fritsch-Decker, S.; Hettler, S.; Störmer, H.; Weiss, C.; Gerthsen, D.: Scanning. ID 4907457 (2017) DOI: 10.1155/2017/4907457 Search in Google Scholar
[37] lai, J.-P.; Pan, Q.-L.; Sun, Y.-W.; Xiao, C.-A.: ISIJ Int.58 (2018) 8, 1532–1537 DOI: 10.2355/isijinternational.ISIJINT-2018-099 Search in Google Scholar
[38] Efremenko, V.G., Chabak, Yu.G., Shimizu, K., Lekatou, A.G.; Zurnadzhy, V.I.; Karantzalis, A.E.; Halfa, H.; Mazur, V.A.; Efremenko, B.V.: Mater. Des.126 (2017), 278–290 DOI: 10.1016/j.matdes.2017.04.022 Search in Google Scholar
[39] Laird, G.; Gundlach, R.; Rohrig, K.: Abrasion-Resistant Cast Iron Handbook, American Foundry Society, 2000, P. 222 Search in Google Scholar
[40] Filipovic, M.; Romhanji, E.; Kamberovic, Z. J.: ISIJ International.52 (2012) 12, 2200–2204 DOI: 10.2355/isijinternational.52.2200 Search in Google Scholar
[41] Tang, X.H.; Li, L.; Hinckley, B.; Dolman, K.; Parent, L.; LiD. Y.: Tribol. Lett.58 (2015) 44, 10 DOI: 10.1007/s11249-015-0522-5 Search in Google Scholar
[42] Randle, V.; Laird, G.: J. Mater. Sci.28 (1993), 4245–4249 DOI: 10.1007/BF00351261 Search in Google Scholar
[43] Doğan, O.N.Effect of chemical composition and superheat on macrostructure of high Cr white iron castings. DOE/ARC-2005–027 https://digital.library.unt.edu/ark:/67531/metadc881727/ Search in Google Scholar
[44] Choi, J. W.; Chang, S. K.: ISIJ Int.32 (1992), 1170–1176 DOI: 10.2355/isijinternational.32.1170 Search in Google Scholar
[45] Kuimalee, S.; Chairuangsri, T.; Pearce, J. T. H.; Edmonds, D. V.; Brown, A. P.; Brydson, R. M. D.: Micron.41 (2010), 423–429 DOI: 10.1016/j.micron.2010.02.009 Search in Google Scholar
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