The effect of complex modification on the structure and properties of gray cast iron for tribotechnical application

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. An approach based on the complex modification of cast irons makes it possible to improve its mechanical properties by changing the structure of the metal matrix, as well as the shape of graphite and its distribution. The aim of this work is to study the influence of alloying elements on the structure and mechanical properties of gray cast irons obtained for operation under friction wear conditions. Research methods. The paper describes the process of obtaining complex modified gray cast irons. Fractographic investigation of dynamically destroyed samples is carried out. Structure’;s features of SCh35, ChMN-35M and SChKM-45 gray cast irons are studied. Tribological testing under sliding friction conditions is carried out. Results and its discussion. It is established that the complex modification of SCh35 gray cast iron with molybdenum, nickel and vanadium makes it possible to increase its hardness to 295 HB and tensile strength to 470-505 MPa. Alloying with nickel (0.4-0.7 wt.%), molybdenum (0.4-0.7 wt.%) and vanadium (0.2-0.4 wt.%) leads to a decrease in the interlamellar distance of perlite by 2 times, as well as to the metal matrix grain refining. The length of graphite lamellas of modified cast irons is reduced by 3-5 times. An additional effect on the tensile strength of cast iron is due to the alloying of ferrite with molybdenum and vanadium, which is fallen out along the boundaries of graphite inclusions. Alloying of ferrite with molybdenum and vanadium increases the level of its microhardness by 1.4 times in comparison with the α-phase of SCh35 serial cast iron. The results of tribotechnical tests of the designed materials are presented. Conclusions. It is established that the wear of specimens made of SChKM-45 cast iron is approximately 20-30% lower compared to cast iron SCh35 cast iron and 10-15% lower compared to ChMN-35M cast iron. Fractographic studies show that complex alloying with molybdenum, vanadium and nickel, contributing to the refining of pearlite colonies, leads to a decrease of the size of the cleavage facets.

About the authors

D. A. Gabets

Email: gabets22@mail.ru
I.I. Polzunov Altai State Technical University, 46 Lenina avenue, Barnaul, Altai region, 656038, Russian Federation, gabets22@mail.ru

A. M. Markov

Email: andmarkov@inbox.ru
D.Sc. (Engineering), Professor, I.I. Polzunov Altai State Technical University, 46 Lenina avenue, Barnaul, Altai region, 656038, Russian Federation, andmarkov@inbox.ru

M. A. Guryev

Email: gurievma@mail.ru
Ph.D. (Engineering), I.I. Polzunov Altai State Technical University, 46 Lenina avenue, Barnaul, Altai region, 656038, Russian Federation, gurievma@mail.ru

E. A. Pismenny

Email: pysmennyi.eug@gmail.com
Railway Research Institute of JSC Russian Railways, 10 st. 3rd Mytishchinskaya, Moscow, 129851, Russian Federation, pysmennyi.eug@gmail.com

A. K. Nasyrova

Email: nasyrova.alina98@mail.ru
Novosibirsk State Technical University, 20 Prospekt K. Marksa, Novosibirsk, 630073, Russian Federation, nasyrova.alina98@mail.ru

References

  1. Bagesh B., Rahul K., Anil K.S. Effect on the mechanical properties of gray cast iron with variation of copper and molybdenum as alloying elements // International Journal of Engineering Research and Technology. – 2014. – Vol. 3 (5). – P. 81–84.
  2. Effect on the mechanical properties of grey cast iron with variation of molybdenum and as – cast alloying elements / B. Sujith, S.R. Mukkollu, B.B. Harish, Z. Leman // Universal Journal of Mechanical Engineering. – 2020. – Vol. 8 (6). – P. 298–304. – doi: 10.13189/ujme.2020.080602.
  3. Effect of alloying elements W, Ti, Sn on microstructure and mechanical properties of gray iron 220 / A. Razaq, J. Zhou, T. Hussain, Z. Tu, Y. Yin, X. Ji, G. Xiao, X. Sen // China Foundry. – 2019. – Vol. 16. – P. 393–398. – doi: 10.1007/s41230-019-9035-4.
  4. Ankamma K. Effect of trace elements (boron and lead) on the properties of gray cast iron // Journal of The Institution of Engineers (India): Series D. – 2014. – Vol. 95. – P. 19–26. – doi: 10.1007/s40033-013-0031-3.
  5. Effect of Ti-V-Nb-Mo addition on microstructure of high chromium cast iron / Y. Ma, X. Li, Y. Liu, S. Zhou // China Foundry. – 2012. – Vol. 9 (2). – P. 148–153.
  6. Vadiraj A., Tiwari S. Effect of silicon on mechanical and wear properties of aluminium-alloyed gray cast iron // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2014. – Vol. 23. – P. 3001–3006. – doi: 10.1007/s11665-014-1040-6.
  7. Hassani A., Habibolahzadeh A., Sadeghinejad S. Comparison of microstructural and tribological effects of low vanadium-low titanium additions to a gray cast iron // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2013. – Vol. 22. – P. 267–282. – doi: 10.1007/s11665-012-0229-9.
  8. Hassani A., Habibolahzadeh A., Sadeghinejad S. Influence of vanadium and chromium additions on the wear resistance of a gray cast iron // International Journal of Minerals, Metallurgy, and Materials. – 2012. – Vol. 19. – P. 602–607. – doi: 10.1007/s12613-012-0601-7.
  9. Rana R. High-performance ferrous alloys. – Switzerland: Springer, 2021. – 624 p. – ISBN 978-3-030-53824-8. – doi: 10.1007/978-3-030-53825-5-5.
  10. Pero-Sanz Elorz J.A., Fernandez Gonzalez D., Verdeja L.F. Physical metallurgy of cast irons. – Switzerland: Springer, 2018. – 343 p. – doi: 10.1007/978-3-319-97313-5-5.
  11. Габец Д.А., Марков А.М. Исследование влияния легирующих элементов на структуру и свойства серых чугунов, работающих в условиях ударно-фрикционного износа // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2019. – Т. 21, № 1. – С. 70–81. – doi: 10.17212/1994-6309-2019-21.1-70-81.
  12. Патент № 2562554 Российская Федерация. Чугун: № 2014118635: заявл. 08.05.2014: опубл. 12.08.2015, Бюл. № 25 / А.В. Габец, Д.А. Габец. – 5 с.
  13. Патент № 2733940 Российская Федерация. Чугун: № 2020109253: заявл. 02.03.2020: опубл. 08.10.2020, Бюл. № 28 / Д.А. Габец, А.М. Марков. – 8 с.
  14. Оценка влияния легирующих добавок на структуру и механические свойства серых чугунов / Д.А. Габец, А.М. Марков, А.В. Габец, Е.О. Чертовских // Ползуновский вестник. – 2018. – № 4 – С. 189–195.
  15. Vander Voort G.F. Color metallography // ASM Handbook. Vol. 9. Metallography and Microstructures. – ASM International, 2004. – P. 493–512. – doi: 10.1361/asmhba0003752.
  16. Research on the origin of nonmetallic inclusions in high-strength low-alloy steel using automated feature analysis / A.A. Kazakov, S. Ryaboshuk, D. Lyubochko, L. Chigintsev // Microscopy and Microanalysis. – 2015. – Vol. 21 (3). – P. 1755. – doi: 10.1017/s1431927615009551.
  17. Kazakov A., Kovalev P., Ryaboshuk S. Metallurgical expertise as the base for determination of nature of defects in metal products // CIS Iron and Steel Review. – 2007. – N 1–2. – P. 7–13.
  18. Kazakov A., Kiselev D. Industrial application of Thixomet // Metallography, Microstructure, and Analysis. – 2016. – Vol. 5. – P. 294–301. – doi: 10.1007/s13632-016-0289-6.
  19. Vander Voort G.F. Computer-aided microstructural analysis of specialty steels // Materials Characterization. – 1991. – Vol. 27 (4). – P. 241–260. – doi: 10.1016/1044-5803(91)90040-B.
  20. Особенности методики подготовки образцов для автоматического анализа карбидной фазы стали Х12Ф1 после цементации в вакууме с применением программного комплекса «Thixomet PRO» / С.Г. Иванов, А.М. Гурьев, С.А. Земляков, М.А. Гурьев, В.В. Романенко // Ползуновский вестник. – 2020. – № 2. – С. 165–168. – doi: 10.25712/ASTU.2072-8921.2020.02.031.
  21. Разработка методики количественной оценки микроструктурной полосчатости низколегированных трубных сталей с помощью автоматического анализа изображений / А.А. Казаков, Д.В. Киселев, С.В. Андреева, Л.С. Чигинцев, С.В. Головин, В.А. Егоров, С.И. Марков // Черные металлы. – 2007. – № 7–8. – С. 31–37.
  22. Kazakov A.A., Kiselev D. Industrial application of Thixomet image analyzer for quantitative description of steel and alloys microstructure // Microscopy and Microanalysis. – 2015. – Vol. 21 (3). – P. 457. – doi: 10.13140/RG.2.1.2204.0720.
  23. Исследование природы неметаллических включений в стали с помощью автоматического анализатора частиц / А.А. Казаков, Д.А. Любочко, С.В. Рябошук, Л.С. Чигинцев // Черные металлы. – 2014. – № 4 (988). – С. 37–42.
  24. Разработка методики количественной оценки загрязненности низколегированных трубных сталей неметаллическими включениями с помощью автоматического анализа изображений / А.А. Казаков, Д.В. Киселев, С.В. Андреева, А.А. Мясников, С.В. Головин, В.А. Егоров // Черные металлы. – 2007. – № 7–8. – С. 24–31.
  25. Vander Voort G.F., Pakhomova O., Kazakov A. Evaluation of normal versus non-normal grain size distributions // Materials Performance and Characterization. – 2016. – Vol. 5 (5). – P. 521–534. – doi: 10.1520/MPC20160001.
  26. Казаков А.А., Казакова Е.И., Геллер Г.В. Оценка качества микроструктуры тиксотропных материалов // Цветные металлы. – 2007. – № 10. – С. 110–118.
  27. Габец Д.А., Марков А.М., Габец А.В. Исследование влияния химического состава и структуры на механические свойства чугуна ЧМН-35М // Актуальные проблемы в машиностроении. – 2017. – Т. 4, № 4. – С. 100–107.
  28. Гиршович Н.Г. Кристаллизация и свойства чугуна в отливках. – М.: Машиностроение, 1966. – 562 с.
  29. Чигарев В.В., Рассохин Д.А., Лоза А.В. Изменение структуры и свойств литого металла легированием в отливках из чугуна и стали // Вестник Приазовского державного технического университета. Серия: Технические науки. – 2010. – Т. 21. – С. 61–66.
  30. Семенов В.И., Чайкин А.В. Фазовые и структурные изменения в чугуне после модифицирования // Металлургия машиностроения. – 2006. – № 5. – С. 14–18.
  31. ASM Handbook. Vol 22B. Metals process simulation / ed. by D.U. Furrer, S.L. Semiatin. – ASM International, 2010. – 695 p. – doi: 10.31399/asm.hb.v22b.9781627081979.
  32. ASM Handbook. Vol. 4. Heat Treating. – ASM International, 1991. – 2173 p. – doi: 10.31399/asm.hb.v4.0871703793.
  33. ASM Handbook. Vol. 15. Casting / ed. by S. Viswanathan, D. Apelian, R.J. Donahue, B. DasGupta, M. Gywn, J.L. Jorstad. – ASM International, 1998. – 2002 p. – doi: 10.31399/asm.hb.v15.9781627081870.
  34. Комаров О.С., Розенберг Е.В., Урбанович Н.И. Особенности модифицирования различных типов железоуглеродистых сплавов // Литье и металлургия. – 2015. – Т. 79, № 2. – С. 24–28.
  35. Boulifaa M.I., Hadji A. Effect of alloying elements on the mechanical behavior and wear of austempered ductile iron // Mechanics and Industry. – 2015. – Vol. 16 (3). – P. 304. – doi: 10.1051/meca/2015002.
  36. Ларин Т.В., Асташкевич Б.М., Транковская Г.Р. Влияние ванадия, меди, алюминия на износостойкость и фрикционные свойства фосфористого чугуна для тормозных колодок // Вестник ВНИИЖТ. – 1986. – № 8. – С. 40–42.
  37. Получение чугуна с шаровидным графитом «ЛС процессом» / А.И. Беляков, Л.А. Петров, В.В. Каменский, Т.А. Ахунов, В.П. Ершов // Литейное производство. – 1997. – № 5. – С. 20–21.
  38. Корниенко Э.Н., Бикулов Р.А. Тяжелая лигатура для получения высокопрочного чугуна // Заготовительные производства в машиностроении. – 2009. – № 2. – С. 3–5.
  39. Габец Д.А., Марков А.М., Габец А.В. Специальный модифицированный чугун марки ЧМН-35М для тяжело нагруженных деталей тележки грузового вагона // Тяжелое машиностроение. – 2016. – № 1–2. – С. 23–26.
  40. Vijeesh V., Prabhu K.N. Review of microstructure evolution in hypereutectic Al-Si alloys and its effect on wear properties // Transactions of the Indian Institute of Metals. – 2014. – Vol. 67 (1). – P. 1–18. – doi: 10.1007/s12666-013-0327-x.
  41. Effect of fluctuation and modification on microstructure and impact toughness of 20 wt.% Cr hypereutectic white cast iron / X. Zhi, J. Xing, H. Fu, Y. Gao // Materialwissenschaft und Werkstofftechnik. – 2008. – Vol. 39 (6). – P. 391–393. – doi: 10.1002/mawe.200700219.
  42. Повышение износостойкости фрикционных деталей из серого чугуна / Б.В. Борщ, А.В. Габец, А.В. Сухов, Г.А. Филиппов // Сталь. – 2014. – № 1. – С. 66–68.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».