Utjecaj brzine hlađenja i dodatka cerija i bizmuta na morfologiju grafita u debelostijenim odljevcima od nodularnoga lijeva

doctoral thesis

• Title (english): Influence of cooling rate and addition of cerium and bismuth on graphite morphology in heavy-section spheroidal graphite iron castings
• Author: Ivana Mihalic Pokopec
• Mentor: Branko Bauer (mentor)
• Mentor: Primož Mrvar https://orcid.org/0000-0001-9445-9557 (komentor)
• Committee member: Zdravko Schauperl (predsjednik povjerenstva)
• Committee member: Branko Bauer (član povjerenstva)
• Committee member: Primož Mrvar https://orcid.org/0000-0001-9445-9557 (član povjerenstva)
• Committee member: Matjaž Godec (član povjerenstva); strani drzavljanin: Nije dostupno
• Committee member: Zoran Glavaš (član povjerenstva)
• Granter: University of Zagreb; Faculty of Mechanical Engineering and Naval Architecture; Zagreb
• Defense date and country: 2016-06-01, Croatia
• Scientific / art field, discipline and subdiscipline: TECHNICAL SCIENCES; Mechanical Engineering; Production Mechanical Engineering
• Universal decimal classification (UDC): 669 - Metallurgy

Abstract

Ispitivanjem svojstava odljevaka od nodularnoga lijeva otkriveno je da dodatak cerija i bizmuta u točno određenom omjeru može povoljno utjecati na sferoidalnu morfologiju grafita i mehanička svojstva, posebno kod debelostijenih odljevaka. U uvodnom dijelu rada, dan je kratak opis osnovnih svojstava nodularnog lijeva, utjecaja kemijskog sastava na mikrostrukturu te tijeka skrućivanja. Poseban naglasak stavljen je na lijevanje debelostijenih odljevaka. Dan je pregled dosadašnjih spoznaja i istraživanja na području chunky grafita, najštetnije i najučestalije greške koja se javlja pri lijevanju debelostijenih odljevaka od nodularnoga lijeva. Obrađene su teorije nastanka i mehanizma rasta chunky grafita te su opisani utjecajni faktori koji dovode do nastanka chunky grafita umjesto nodularnog. Također su navedene metode sprječavanja nastanka chunky grafita. U eksperimentalnom dijelu rada, radi dobivanja različitih brzina hlađenja, odliveni su stošci dimenzija Φ 300 mm × 350 mm. Korištene su tri grupe ispitnih taljevina, EN-GJS-400-15, EN-GJS-400-15 s 3,5 % Si i EN-GJS-400-18 s 0,7 % Ni. Ispitivan je utjecaj povišenja silicija i dodatka nikla pri različitim kombinacijama udjela cerija i bizmuta na morfologiju grafita i mehanička svojstva. Bizmut je dodan kao čisti metal, a cerij kao sastavni dio cjepiva. Primarne taljevine proizvedene su u srednjefrekventnoj indukcijskoj peći. Obrada noduliranjem provedena je Sandwich postupkom. Od svake je taljevine, nakon obrade, uziman uzorak za toplinsku analizu i određivanje kemijskog sastava. Krivulje hlađenja snimane su na dva mjesta u odljevku te su izračunate za svaku točku stošca pomoću programa za simulaciju lijevanja i skrućivanja. Svaki je stožac prepiljen na pola te su na uzdužnim presjecima stošca određeni udjeli područja zahvaćenog chunky grafitom. Iz druge polovice stožaca izrađeni su uzorci za metalografsku analizu iz dijelova s različitim brzinama hlađenja. Na istim je uzorcima u mikro- i makrostrukturi određen udio područja zahvaćenog chunky grafitom. SEM/EDS analiza provedena je s ciljem određivanja mikrosegregacija. Morfologija grafita definirana je pomoću metode dubokog nagrizanja. Statičkim vlačnim ispitivanjem određena su mehanička svojstva odljevaka. Udjeli elemenata u tragovima određivani su ICPOES metodom. Također su napravljene STA analiza te termodinamički izračun ravnotežnog skrućivanja. Formiran je matematički model za procjenu udjela područja chunky grafita u ovisnosti od brzine hlađenja i kemijskog sastava taljevine. Dodatak bizmuta taljevini sa povišenim udjelom silicija pokazao se vrlo djelotvoran pri sprječavanju nastanka chunky grafita.

Abstract (english)

Testing of spheroidal graphite iron castings revealed that addition of cerium and bismuth in a specific ratio can favorably affect spheroidal graphite morphology and mechanical properties, especially in heavy-section castings. In the introduction, influence of chemical composition on the microstructure, mechanical properties and solidification have been studied. A detailed literature review of chunky graphite appearance has been carried out. Formation and growth theories and influential factors on the formation of chunky graphite have been discussed. The methods used for prevention of chunky graphite have been mentioned. In the experimental part, in order to obtain different cooling rates, conical blocks Φ 300 mm × 350 mm have been casted. Three different groups of test melts, EN-GJS-400-15, EN-GJS-400-15 with 3,5 % Si and EN-GJS-400-18 with 0,7 % Ni have been used. The influence of high silicon content and nickel addition on graphite morphology and mechanical properties at different Ce/Bi ratios have been studied. Bismuth was added as a pure element, while Ce was added in Ce containing commercial inoculant. Melts have been prepared in medium frequency induction furnace. Sandwich method has been used for spheroidising treatment. A sample of each melt, after treatment, has been taken for thermal analysis and the estimation of the chemical composition. Cooling curves have been recorded in two locations of the cone block and calculated for each location of the block using casting simulation software. After casting, each block has been sectioned. A macrograph of the sections has been taken and areas affected by chunky graphite have been estimated. Samples with three different cooling rates have been prepared for metallographic examinations. On the same samples chunky graphite area has been estimated in micro- and macrostructure. SEM/EDS has been used as analyzing tool in orders to investigate microsegregation tendencies. The graphite morphology has been revealed by deep etching technique. Mechanical properties have been determined on tensile test bars taken from center of the casting. Attempts to determinate content of low level elements have been carried out by ICP-OES method. STA analysis and thermodynamic calculation of phase equilibrium solidification have also been carried out. Mathematical model for estimation of chunky graphite area depending on cooling rate and chemical composition has been established. Addition of bismuth to melt with increased level of silicon has been proven effective in preventing the formation of chunky graphite.

• Keywords: nodularni lijev; debelostijeni odljevci; brzina hlađenja; bizmut; cerij
• Keywords (english): spheroidal cast iron; heavy-section castings; cooling rate; bismuth; cerium
• Language: croatian
• URN:NBN: urn:nbn:hr:235:002378
• Study programme: Title: Mechanical Engineering and Naval Architecture; Study programme type: university; Study level: postgraduate; Academic / professional title: doktor/doktorica znanosti, područje tehničkih znanosti (doktor/doktorica znanosti, područje tehničkih znanosti)
• Type of resource: Text
• File origin: Born digital
• Access conditions: Open access
• Created on: 2020-04-15 11:10:22