blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2019-11-887-893blackmet-1761Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMATERIAL SCIENCEВлияние бора и температурных режимов охлаждения металла в литейной форме на структурно-фазовое состояние жароизносостойких белых чугуновInfluence of boron modification and cooling conditions during solidification on structural and phase state of heat- and wear-resistant white cast ironКолокольцевВ. М.Kolokol’tsevV. M.

Доктор технических наук, профессор, президент �тейных процессов

455000, Челябинская обл., Магнитогорск, пр. Ленина, 38 �цессов

Dr. Sci. (Eng.), Professor, President

Magnitogorsk

ПетроченкоЕ. В.PetrochenkoE. V.

Доктор технических наук, профессор кафедры технологии металлургии и литейных процессов

455000, Челябинская обл., Магнитогорск, пр. Ленина, 38 �цессов

Dr. Sci. (Eng.), Professor of the Chair of Metallurgical Technology and Foundry Processes

Magnitogorsk

МолочковаО. С.MolochkovaO. S.

Кандидат технических наук, доцент кафедры технологии металлургии и литейных процессов

455000, Челябинская обл., Магнитогорск, пр. Ленина, 38 �цессов

Cand. Sci. (Eng.), Assist. Professor of the Chair of Metallurgical Technology and Foundry Processes

Magnitogorsk

opetrochenko@mail.ruМагнитогорский государственный технический университет им. Г.И. НосоваРоссияNosov Magnitogorsk State Technical UniversityRussian Federation2019231220196211887893Copyright © Колокольцев В.М., Петроченко Е.В., Молочкова О.С., 20192019Колокольцев В.М., Петроченко Е.В., Молочкова О.С.Kolokol’tsev V.M., Petrochenko E.V., Molochkova O.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/1761

В работе изучено влияние модифицирования бором и температурных режимов охлаждения металла в литейной форме на фазовый состав, морфологию и химический состав структурных составляющих жароизносостойких белых чугунов системы Fe – C– Cr– Mn – Ni – Ti–Al – Nb. После добавления бора фазовый состав металлической основы изменился с двухфазной (α- и γ-фазы) на полностью однофазную (γ-фазу). Модифицирование бором повлияло на тип вторичных карбидов, вторичное твердение в форме происходило за счет выделения дисперсных карбидов ниобия (без бора – за счет карбидов хрома). Структура модифицированных чугунов – первичные комплексные карбиды (Ti, Nb, Cr, Fe)C, дендриты твердого раствора, эвтектика и вторичные карбиды МeС. Добавки бора изменяют химический состав первичных карбидов. В них снижается содержание ниобия с 42 до 3 % и увеличивается содержание титана с 22 до 66 %. В эвтектических карбидах содержание железа повышается, а хрома снижается. Методами количественной металлографии исследованы параметры первичных фаз – карбидов МeС и дендритов твердого раствора. Для оценки фактора формы F, который является критерием компактности первичных фаз, использовали специальную методику анализатора изображений Thixomet PRO. В качестве характеристик дендритной структуры применяли следующие параметры: дисперсность дендритной структуры δ, объемную долю дендритов V, расстояние между осями дендритов второго порядка λ2 , фактор формы F, размеры дендритов (средние площадь S, длину l, ширину β). Применение предлагаемых характеристик (параметров) позволило не только количественно оценить дендритную структуру, но и определить степень модифицирования – относительное (в процентах) изменение каждого критерия в модифицированных чугунах по сравнению с немодифицированными, а также установить количественные соотношения степени модифицирования с условиями кристаллизации.

The paper is devoted to examination of the effect of boron modification and temperature conditions for metal cooling in a mold on phase composition, morphology and chemical composition of structural components of heatand wear-resistant white cast iron of Fe – C– Cr– Mn – Ni – Ti–Al – Nb system. The phase composition of the metallic base changed from the dualphase (α- and γ-phases) to the completely single-phase (γ-phase). Boron modification influenced on the type of secondary carbides, while secondary hardening in a mold occurs through extraction of dispersed niobium carbides (without boron, but with chromium carbides). The structure of modified cast iron is presented by the primary complex carbides (Ti, Nb, Cr, Fe)C, as well as by solid solution dendrites, eutectics and secondary carbides MeC. Boron addition changes the chemical composition of primary carbides with decrease of niobium content from 44 to 2 % and increase of titanium content from 24 to 65 %; content of eutectic carbides rises as well. As for hypereutectic carbides, they are characterized by increase of ferrum content and lowering of chrome content. Parameters of the primary phases (MeC carbides and solid solution dendrites) were investigated using the methods of quantitative metallography. The special technique of Thixomet PRO image analyzer was used for evaluation of the F form factor which is the criterion of compatibility of the primary phases. The following parameters were used in this work as the parameters of dendrite structure: dispersity of the dendrite structure (δ), volumetric part of dendrites (V), distance between the axes of second order dendrites (λ2 ), form factor (F), average dimensions of dendrites – square (S), length (l) and width (β). All the suggested characteristics (parameters) allowed not only to provide quantitative evaluation of the dendrite structure, but also to determine modification degree as relative variation (in %) of each criterion in modified cast iron in comparison with non-modified iron. Quantitative relation between modification degree and crystallization conditions were established as well.

жароизносостойкие белые чугунымодифицированиетемпературные режимы охлаждения металла в литейной форместруктурафазовый составхимический состав фазвторичное твердение в формепараметры фазфактор формыстепень модифицированияheatand wear-resistant white cast ironmodificationtemperature conditionsmetal coolingmoldstructurephase compositionchemical compositionsecondary hardeningphase parametersform factormodification degreeReferencesПетроченко Е.В. Особенности кристаллизации, формирования структуры и свойств износостойких и жаростойких чугунов в различных условиях охлаждения: Дис. ... д-ра техн. наук. – Магнитогорск, 2012. – 310 с.Petrochenko E.V. Osobennosti kristallizatsii, formirovaniya struktury i svoistv iznosostoikikh i zharostoikikh chugunov v razlichnykh usloviyakh okhlazhdeniya: dis. ... doktora tekhn. nauk [Features of crystallization, formation of structure and properties of wear-resistant and heat-resistant irons in various cooling conditions: Dr. Tech. Sci. Diss.]. Magnitogorsk: 2012, 310 p. (In Russ.).Колокольцев В.М., Петроченко Е.В., Молочкова О.С., Ахметова А.А. Влияние бора на структуру и свойства жароизносостойких чугунов // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования: Матер. 72-й межрег. науч.-техн. конф. / Под. ред. В.М. Колокольцева. Т. 1. – Магнитогорск: Изд-во МГТУ им. Г.И. Носова, 2014. С. 101 – 105.Kolokol’tsev V.M., Petrochenko E.V., Molochkova O.S., Akhmetova A.A. Influence of boron on the structure and properties of heatresistant cast irons. In: Aktual’nye problemy sovremennoi nauki, tekhniki i obrazovaniya: materialy 72-i mezhreg. nauch.-tekhn. konf. [Actual Problems of Modern Science, Technology and Education: Materials of the 72nd Interreg. Sci.-Tech. Conf.]. Kolokol’tsev V.M. ed. Vol. 1. Magnitogorsk: Izd-vo MGTU im. G.I. Nosova, 2014, pp. 101–105. (In Russ.).Колокольцев В.М., Петроченко Е.В., Молочкова О.С., Ахметова А.А. Количественные характеристики дендритной структуры жароизносостойких белых чугунов // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования: Матер. 74-й межрег. науч.-техн. конф. / Под.ред. В.М. Колокольцева. Т. 1. – Магнитогорск: Изд-во МГТУ им. Г.И. Носова, 2016. С. 140 – 144.Kolokol’tsev V.M., Petrochenko E.V., Molochkova O.S., Akhmetova A.A. Quantitative characteristics of the dendritic structure of wear-resistant white cast irons. In: Aktual’nye problemy sovremennoi nauki, tekhniki i obrazovaniya: materialy 74-i mezhreg. nauch.-tekhn. konf. [Actual Problems of Modern Science, Technology and Education: Materials of the 72nd Interreg. Sci.-Tech. Conf.]. Kolokol’tsev V.M. ed. Vol. 1. Magnitogorsk, Izd-vo MGTU im. G.I. Nosova, 2016, pp. 140–144. (In Russ.).Молочкова О.С. Выбор состава и исследование структуры, свойств жароизносостойких комплексно-легированных белых чугунов: Дис… канд. техн. наук. – Магнитогорск, 2012. – 123 с.Molochkova O.S. Vybor sostava i issledovanie struktury, svoistv zharoiznosostoikikh kompleksno-legirovannykh belykh chugunov: dis... kand. tekh. nauk [Choice of composition and study of the structure, properties of heat-resistant complex-alloyed white irons: Cand. Tech. Sci. Diss.]. Magnitogorsk, 2012. (In Russ.).Tasgin Yahya, Kaplan Mehmet, Yaz Mehmet. Investigation of effects of boron additives and heat treatment on carbides and phase transition of highly alloyed duplex cast iron // Materials and Design. 2009. Vol. 30. P. 3174 – 3179.Tasgin Yahya, Kaplan Mehmet, Yaz Mehmet. Investigation of effects of boron additives and heat treatment on carbides and phase transition of highly alloyed duplex cast iron. Materials and Design. 2009, vol. 30, pp. 3174–3179.Hufenbach J., Kunze K., Giebeler L. etc. The effect of boron on microstructure and mechanical properties of high-strength cast FeCrVC // Materials Science & Engineering A. 2013. Vol. 586. P. 267 – 275.Hufenbach J., Kunze K., Giebeler L., Gemming T., Wendrock H., Baldauf C., Kühn U., Hufenbach W., Eckert J. The effect of boron on microstructure and mechanical properties of high-strength cast FeCrVC. Materials Science & Engineering A. 2013, vol. 586, pp. 267–275.Xiang Chen, Yanxiang Li. Effect of heat treatment on microstructure and mechanical properties of high boron white cast iron // Materials Science and Engineering A. 2010. Vol. 528. P. 770 – 775.Xiang Chen, Yanxiang Li. Effect of heat treatment on microstructure and mechanical properties of high boron white cast iron. Materials Science and Engineering A. 2010, vol. 528, pp. 770–775.Peng Yun-Cheng, Jin Hui-Jin, Liu Jin-Hai, Li Guo-Lu. Effect of boron on the microstructure and mechanical properties of carbidicaustempered ductile iron // Materials Science and Engineering A. 2011. Vol. 529. P. 321 – 325.Peng Yun-Cheng, Jin Hui-Jin, Liu Jin-Hai, Li Guo-Lu. Effect of boron on the microstructure and mechanical properties of carbidic austempered ductile iron. Materials Science and Engineering A. 2011, vol. 529, pp. 321–325.Kolokoltsev V.M., Petrochenko E.V., Molochkova O.S. Influence of complex V, Cu, Ti and B alloying on structural and phase state, mechanical properties and wear resistance of white cast iron // CIS Iron and Steel Review. 2016. Vol. 1. P. 23 – 15.Kolokoltsev V.M., Petrochenko E.V., Molochkova O.S. Influence of complex V, Cu, Ti and B alloying on structural and phase state, mechanical properties and wear resistance of white cast iron. CIS Iron and Steel Review. 2016, vol. 1, pp. 23–15.Kolokoltsev V.M., Petrochenko E.V., Molochkova O.S. Influence of boron modification and cooling conditions during solidification on structural and phase state of heatand wear-resistant white cast iron // CIS Iron and Steel Review. 2018. Vol. 15. P. 11 – 15.Kolokoltsev V.M., Petrochenko E.V., Molochkova O.S. Influence of boron modification and cooling conditions during solidification on structural and phase state of heatand wear-resistant white cast iron. CIS Iron and Steel Review. 2018, vol. 15, pp. 11–15.Correa R., Bedolla-Jacuinde A., Mejía I. etc. Effect of boron on microstructure of directionally solidified high chromium white irons // International Journal of Cast Metals Research. 2011. Vol. 24. No. 1. P. 37 – 44.Correa R., Bedolla-Jacuinde A., Mejía I., Cardoso E., Hernández B. Effect of boron on microstructure of directionally solidified high chromium white irons. International Journal of Cast Metals Research. 2011, vol. 24, no. 1, pp. 37–44.Correa R., Bedolla-Jacuinde A., Zuno-Silva J. etc. Effect of boron on the sliding wear of directionally solidified high-chromium white irons // Wear. 2009. Vol. 267. No. 1 – 4. P. 495 – 504.Correa R., Bedolla-Jacuinde A., Zuno-Silva J., Cardoso E., Mejía I. Effect of boron on the sliding wear of directionally solidified highchromium white irons. Wear. 2009, vol. 267, no. 1-4, pp. 495–504.Petrovic S.T., Markovic S., Pavlovic Z.A. The effect of boron on the stereological characteristics of the structural phases present in the structure of the 13% Cr white iron // Journal of Materials Science. 2003. Vol. 38. No. 15. P. 3263 – 3268.Petrovic S.T., Markovic S., Pavlovic Z.A. The effect of boron on the stereological characteristics of the structural phases present in the structure of the 13% Cr white iron. Journal of Materials Science. 2003, vol. 38, no. 15, pp. 3263–3268.Villanueva-Perez O.E., Mejía I., García-García V., Bedolla-Jacuinde A. Metallographic, structural and mechanical characterization of a low density Fe–Mn–Al–C steel microalloyed with Ti/B in ascast and homogenized conditions // MRS Advances. 2018. Vol. 3. No. 64. P. 3971 – 3978.Villanueva-Perez O.E., Mejía I., García-García V., Bedolla-Jacuinde A. Metallographic, structural and mechanical characterization of a low density Fe–Mn–Al–C steel microalloyed with Ti/B in as-cast and homogenized conditions. MRS Advances. 2018, vol. 3, no. 64, pp. 3971–3978.Gromczyk М., Kondracki М., Studnicki А., Szajnar J. Stereological analysis of carbides in hypoeutectic chromium cast iron // Archives of Foundry Engineering. 2015. Vol. 15. No. 2. P. 17 – 22.Gromczyk М., Kondracki М., Studnicki А., Szajnar J. Stereological analysis of carbides in hypoeutectic chromium cast iron. Archives of Foundry Engineering. 2015, vol. 15, no. 2, pp. 17–22.Гущин Н.С., Куликов В.И., Нуралиев Ф.А., Тахиров А.А. Износостойкие легированные хромом чугуны со специальными свойствами // Литейное производство. 2015. № 4. С. 7 – 11.Gushchin N.S., Kulikov V.I., Nuraliev F.A., Takhirov A.A. Wearresistant chrome-alloyed cast irons with special properties. Liteinoe proizvodstvo. 2015, no. 4, pp. 7–11. (In Russ.).Александров М.В. Формирование структуры и абразивная износостойкость литого композиционного материала системы легированный белый чугун – TiС // Литейщик России. 2015. № 2. С. 29 – 34.Aleksandrov M.V. Structure formation and abrasive wear resistance of cast composite material system alloyed white cast iron-TiC. Liteishchik Rossii. 2015, no. 2, pp. 29-34. (In Russ.).Bedolla-Jacuinde A., Correa R., Quezada J.G., Maldonado C. Effect of titanium on the as-cast microstructure of a 16% chromium white iron // Materials Science and Engineering A. 2005. Vol. 398. P. 297 – 308.Bedolla-Jacuinde A., Correa R., Quezada J.G., Maldonado C. Effect of titanium on the as-cast microstructure of a 16 % chromium white iron. Materials Science and Engineering A. 2005, vol. 398, pp. 297–308.Zhi X., Xing J., Fu H., Xiao B. Effect of niobium on the as-cast microstructure of hypereutectic high chromium cast iron // Materials Letters. 2008. Vol. 62. No. 6 – 7. P. 857 – 860.Zhi X., Xing J., Fu H., Xiao B. Effect of niobium on the as-cast microstructure of hypereutectic high chromium cast iron. Materials Letters. 2008, vol. 62, no. 6-7, pp. 857–860.Satoh T., Liu H.-N., Sakamoto M., Kawakami Y. High temperature properties of a high-chromium cast iron and its composites fabricated via powder metallurgy process // Journal of Materials Science. 2005. Vol. 40. No. 12. P. 3283 – 3286.Satoh T., Liu H.-N., Sakamoto M., Kawakami Y. High temperature properties of a high-chromium cast iron and its composites fabricated via powder metallurgy process. Journal of Materials Science. 2005, vol. 40, no. 12, pp. 3283-3286.Sain P.K., Sharma C.P., Bhargava A.K. Microstructure aspects of a newly developed, low cost, corrosion-resistant white cast iron // Journal Metallurgical and Materials Transactions A. 2013. Vol. 44F. P. 1665 – 1671.Sain P.K., Sharma C.P., Bhargava A.K. Microstructure aspects of a newly developed, low cost, corrosion-resistant white cast iron. Journal Metallurgical and Materials Transactions A. 2013, vol. 44F, pp. 1665–1671.Yoganandh J., Natarjan S., Kumaresh Babu S.P. Erosive wear behavior of nickel-based high alloy white cast iron under mining conditions using orthogonal array // Journal of Materials Engineering and Performance. 2013. Vol. 22. No. 9. P. 2534 – 2540.Yoganandh J., Natarjan S., Kumaresh Babu S.P. Erosive wear behavior of nickel-based high alloy white cast iron under mining conditions using orthogonal array. Journal of Materials Engineering and Performance. 2013, vol. 22 (9), pp. 2534–2540.Bedolla-Jacuinde A., Arias L., Hernández B. Kinetics of secondary carbides precipitation in a high-chromium white iron // Journal of Materials Engineering and Performance. 2003. Vol. 12. No. 4. P. 371 – 382.Bedolla-Jacuinde A., Arias L., Hernández B. Kinetics of secondary carbides precipitation in a high-chromium white iron. Journal of Materials Engineering and Performance. 2003, vol. 12, no. 4, pp. 371–382.Janus A. Effect of chemical composition on number of eutectic colonies in Ni–Mn–Cu cast iron // Archives of Foundry Engineering. 2013. Vol. 13. No. 1. P. 51 – 56.Janus A. Effect of chemical composition on number of eutectic colonies in Ni–Mn–Cu cast iron. Archives of Foundry Engineering. 2013, vol. 13, no. 1, pp. 51–56.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.