blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2020-1-57-62blackmet-1833Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMATERIAL SCIENCEЗависимость отбела чугуна от его углеродного эквивалентаDependence of cast iron chill from its carbon equivalentТенЭ. Б.TenE. B.

д.т.н., профессор кафедры «Литейные технологии и художественная обработка материалов»

119049, Россия, Москва, Ленинский проспект, 4

Dr. Sci. (Eng.), Professor of the Chair “Foundry Technology and Art Processing of Materials”

edis_ten@mail.ruКольО. А.Kol’O. A.

старший преподаватель кафедры «Литейные технологии и художественная обработка материалов»

119049, Россия, Москва, Ленинский проспект, 4

Senior Lecturer of the Chair “Foundry Technology and Art Processing of Materials”

kohlolga@mail.ruНациональный исследовательский технологический университет «МИСиС»РоссияNational University of Science and Technology “MISIS” (MISIS)Russian Federation2020290320206315762Copyright © Тен Э.Б., Коль О.А., 20202020Тен Э.Б., Коль О.А.Ten E.B., Kol’ O.A.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/1833

Исследована количественная связь показателей отбела чугуна (протяженности отбеленного слоя H и объемной доли в нем ледебурита Qл ) с его углеродным эквивалентом СE . Эти данные позволяют с высокой вероятностью прогнозировать развитие процесса формирования отбеленного поверхностного слоя при изготовлении отливок различной толщины из чугуна разного химического состава. Объектом исследования являлись нелегированные чугуны индукционной плавки восьми вариантов химического состава с углеродным эквивалентом от 3,30 до 5,53 %. Из этих чугунов в песчаной форме с нижним холодильником изготовляли ступенчатые отливки с размерами ступенек 100×60 мм толщиной 5, 10, 20 и 40 мм. Протяженность (глубину) отбеленного слоя измеряли в изломах отливок и оценивали по толщине зоны чистого отбела. Объемную долю ледебурита определяли металлографическим методом с применением компьютерной программы «Nexsys-Imageexpertpro 3». Согласно экспериментальным данным, при толщине отливок 5 и 10 мм сквозной (на всю толщину) чистый отбел формируется при углеродном эквиваленте ≤ 4,08 % и ≤ 3,67 % соответственно. В отливках толщиной 20 и 40 мм зона чистого отбела отсутствует, при этом глубина отбеленного переходного слоя возрастает с уменьшением углеродного эквивалента, но снижается с увеличением толщины отливки X. Установлено, что зависимость H от СЕ имеет экспоненциальный характер и описывается уравнением типа H = A exp (–k СE ), где A и k – эмпирические коэффициенты. Объемная доля ледебурита у поверхности контакта отливки с холодильником во всех пробах составляет ~90 %, но по мере удаления от поверхности уменьшается с разной интенсивностью в зависимости от величины углеродного эквивалента и толщины отливки. Математической обработкой экспериментальных данных, полученных на расстоянии 5 мм от поверхности контакта отливки с холодильником, установлено, что количественная связь Qл в отбеленном слое отливки со значением CE описывается экспоненциальной зависимостью

Numerical relation of cast iron chill characteristics (distance of chilled layer H and volume quota of ledeburite in it Qл ) with its carbon equivalent СE was investigared. This data helps to prognosticate with high probability the evolution of the surface chilled layer forming at the production of castings with different thickness from cast iron of various chemical compositions. The object of study is the unalloyed induction melted cast iron with eight variants of chemical composition with carbon equivalent from 3.30 up to 5.53 %. From these cast irons we made the step-by-step castings with steps sizes of 10×60 mm and thickness of 5, 10, 20 and 40 mm. The distance (depth) of chilled layer was measured at the fractures of the castings and gaged on thickness of full chill zone. Ledeburite volume quota was detected by metallographic method using “Nexsys-Image expert pro 3” computer program. According to experimental data, when the casting thickness is 5 and 10 mm the through (at all thickness) full chill is formed at carbon equivalent ≤ 4.08 % and ≤ 3.67 % consequently. At the castings with 20 and 40 mm thickness the zone of full chill is absent, and in this case the chilled layer depth increases with a decrease of carbon equivalent and decreases with an increase of casting’s thickness X. The dependence of H from СЕ have the exponential character and can be described by the equation H = A exp (–k СE ), where A and k are empirical coefficients. Ledeburite volume quota near the contact surface of casting with chiller is near 90 %, but with an increase in the distance from the surface it decreases with different intensity depending on changes of carbon equivalent and casting’s thickness. By mathematical processing of the experimental data received for the distance of 5 mm from the contact surface of the casting with chiller, we have detected that numerical re lation Qл in casting chilled layer with value of CE can be described by the exponential dependence

песчаная формачугуниндукционная плавкауглеродный эквивалентступенчатая пробатолщина отливкиизломглубина отбеламикроструктураобъемная доля ледебуритаsend moldcast ironinduction meltingcarbon equivalentstep-by-step samplethickness of castingsfracturechilled layer depthmicrostructureledeburite volume quotaReferencesСправочник по чугунному литью / Под ред. Н.Г. Гиршовича. – Л.: Машиностроение, 1978. – 758 с.Spravochnik po chugunnomu lit’yu [Handbook on cast iron casting]. Girshovich N.G. ed. Leningrad: Mashinostroenie, 1978, 758 p. (In Russ.).Лакедемонский А.В, Кваша Ф.С., Медведев Я.И. и др. Литей- ные дефекты и способы их устранения. – М.: Машиностроение, 1972. – 152 с.Lakedemonskii A.V, Kvasha F.S., Medvedev Ya.I., Sherman A.D., Kiyan E.F. Liteinye defekty i sposoby ikh ustraneniya [Casting defects and methods of their elimination]. Moscow: Mashinostroenie, 1972, 152 p. (In Russ.).Чугунное литье в станкостроении / Под ред. Г.И. Клецкина. – М.: Машиностроение, 1975. – 320 с.Chugunnoe lit’e v stankostroenii [Cast iron casting at machine tool manufacture]. Kletskin G.I. ed. Moscow: Mashinostroenie, 1975, 320 p. (In Russ.).Seidu S.O., Ogunniyi I.O. Control of chilling tendency in grey cast iron reuse // Materials Research. 2013. Vol. 16. No 1. P. 145 – 149.Seidu S.O., Ogunniyi I.O. Control of chilling tendency in grey cast iron reuse. Materials Research. 2013, vol. 16, no. 1, pp. 145–149.Gobinath V.M., Annamalai K. Effect of coating in chilled cast iron tappet with different chill material // Indian Journal of Science and Technology. September 2016. Vol. 9. Issue 35. P. 1 – 5.Gobinath V.M., Annamalai K. Effect of Coating in Chilled Cast Iron Tappet with Different Chill Material. Indian Journal of Science and Technology. September 2016, vol. 9, Issue 35, pp. 1–5.Gobinath V.M., Kumar A., Annamalai K., Arunachalam R. Effect of pouring temperature in chilled cast iron with different chill material // International Journal of Applied Engineering Research. July 2015. Vol. 10. Special Issue. No. 57. P. 160 – 163.Gobinath V.M., Kumar A., Annamalai K., Arunachalam R. Effect of Pouring Temperature in Chilled cast Iron with Different Chill Material. International Journal of Applied Engineering Research. July 2015, vol. 10, Special Issue, no. 57, pp. 160–163.Hemanth J. Solidification behavior of water-cooled and subzerochilled cast iron on mechanical properties // Journal of Materials Engineering and Performance. April 2001. Vol. 10. Issue 2. P. 212 – 219.Hemanth J. Solidification Behavior of Water-Cooled and Subzero- Chilled Cast Iron on Mechanical Properties. Journal of Materials Engineering and Performance. 2001, vol. 10, no. 2, pp. 212–219.Albu C.B., Riposan I. Chill (carbide) control in low sulphur electric melt grey cast irons // Solid State Phenomena. 2012. Vol. 188. P. 324 – 329.Albu C.B., Riposan I. Chill (carbide) control in low sulphur electric melt grey cast irons. Solid State Phenomena. 2012, vol. 188, pp. 324–329.Васильев Е.А. Отливки из ковкого чугуна: Производство, свойства, применение. – М.: Машиностроение, 1976. – 239 с.Vasil`ev E.A. Otlivki iz kovkogo chuguna: Proizvodstvo, svoistva, primenenie [Castings from malleable cast iron: production, properties, application]. Moscow: Mashinostroenie, 1976, 239 p. (In Russ.).Справочник по машиностроительным материалам. Т. 3: Чу- гун / Под ред. Н.Ф. Болховитинова и А.Ф. Ланда. – М.: Машгиз, 1959. – 359 с.Spravochnik po mashinostroitel’nym materialam. T. 3: Chugun [Handbook on mechanical-engineering materials. Vol. 3: Cast iron]. Bolkhovitinov N.F., Landa A.F. eds. Moscow: Mashgiz, 1959, 359 p. (In Russ.).Гиршович Н.Г. Чугунное литье. – М.: Металлургиздат, 1949. – 708 с.Girshovich N.G. Chugunnoe lit’e [Cast iron casting]. Moscow: Metallurgizdat, 1949, 708 p. (In Russ.).Леви Л.И., Кантеник С.К. Литейные сплавы. – М.: Высшая школа, 1967. – 435 с.Levi L.I., Kantenik S.K. Liteinye splavy [Casting alloys]. Moscow: Vysshaya shkola, 1967, 435 p. (In Russ.)Fras E., Gorny M., Kapturkiewicz W., Lopez H.F. Chilling tendency and chill of cast iron // Tsinghua Science & Technology. 2008. Vol. 13. No. 2. P. 177 – 189.Fras E., Gorny M., Kapturkiewicz W., Lopez H.F. Chilling tendency and chill of cast iron. Tsinghua Science & Technology. 2008, vol. 13, no. 2, pp. 177–189.Бунин К.П., Таран Ю.Н. Строение чугуна. – М.: Металлургия, 1972. – 160 с.Bunin K.P., Taran Yu.N. Stroenie chuguna [Structure of cast iron]. Moscow: Metallurgiya, 1972, 160 p. (In Russ.)Ahamed M.S., Kumar Y.V., Rahman J.F., Bharat V. Mechanical properties of sub zero chilled cast iron useful for wear functional requirement of engineering components // Procedia Materials Science. 2014. Vol. 5. P. 540 – 549.Ahamed M.S., Kumar Y.V., Rahman J.F., Bharat V. Mechanical properties of sub zero chilled cast iron useful for wear functional requirement of engineering components. Procedia Materials Science. 2014, vol. 5, pp. 540–549.Li P., Li F., Cai A., Wei B. Fracture analysis of chilled cast iron camshaft // China Foundry. 2009. Vol. 6. No. 2. Р. 104 – 108.Li P., Li F., Cai A., Wei B. Fracture analysis of chilled cast iron camshaft. China Foundry. 2009, vol. 6, no. 2, pp. 104–108.Ahamed M.S., Kumar Y.V., Rahman J.F. etc. Evaluation of hardness, wear and compression strength of grey and chilled cast iron // International Journal of Engineering Research & Technology. 2014. Vol. 3. No. 7. P. 424 – 428.Ahamed M.S., Kumar Y.V., Rahman J.F., Rakesh S.G., Bharat V. Evaluation of hardness, wear and compression strength of grey and chilled cast iron. International Journal of Engineering Research & Technology. 2014, vol. 3, no. 7, pp. 424–428.Тен Э.Б., Коль О.А., Громова Н.В. Исследование количественной связи параметров отбела чугуна с линейной скоростью его затвердевания // Изв. вуз. Черная металлургия. 2010. № 5. С. 51 – 54.Ten E.B., Kol’ O.A., Gromova N.V. Quantitative causal relation study of cast iron bleaching parameters and lineral solidification rate. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2010, no 5, pp. 51–54. (In Russ.)Производство чугунных отливок / Под ред. В.М. Колокольцева и Ри Хосена. – Магнитогорск: МГТУ, 2009. – 521 с.Proizvodstvo chugunnykh otlivok [Production of cast iron castings]. Kolokol’tsev V.M., Khosen R. eds. Magnitogorsk: MGTU, 2009, 521 p. (In Russ.)Тен Э.Б., Коль О.А., Буй Т.Х. Влияние растворенного кислорода на структуру чугуна // Металлургия машиностроения. 2018. № 2. С. 24 – 25.Ten E.B., Kol’ O.A., Bui T.Kh. Influence of solute oxygen on cast iron structure. Metallurgiya mashinostroeniya. 2018, no 2, pp. 24–25. (In Russ.).Жуков А.А. Основы расчета состава, структуры и прочности серого чугуна // Вопросы теории литейных процессов: Сб. тр. – М.: Машгиз, 1960. С. 163 – 252.Zhukov A.A. Calculation of composition, structure and strength of grey cast iron. In: Voprosy teorii liteinykh protsessov: sb. tr. [Problems of casting processes theory]. Moscow: Mashgiz, 1960, pp. 163–252. (In Russ.).Fras E., Lopez H.F., Kawalec M., Gorny M. Role of alloying addition in the solidification kinetics and resultant chilling tendency and chill cast iron // Metals. 2015. Vol. 5. No.1. P. 256 – 288.Fras E., Lopez H.F., Kawalec M., Gorny M. Role of alloying addition in the solidification kinetics and resultant chilling tendency and chill cast iron. Metals. 2015, vol. 5, no. 1, pp. 256–288.Klancnik U., Habjan J., Klancnik G. Thermal analysis of indefiniteKlancnik U., Habjan J., Klancnik G. Thermal analysis of indefinite chill cast iron modified with ferrovanadium and ferrotungsten. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 2017, vol. 127, no. 1, pp. 71–78.chill cast iron modified with ferrovanadium and ferrotungsten // Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 2017. Vol. 127. No. 1. P. 71 – 78.Riposan I., Chisamera M., Stan S., Barstow M. Improving chill control in iron powder treated slightly hypereutectic grey cast irons. China Foundry. 2011, vol. 8, no. 2, pp. 228–234.Riposan I., Chisamera M., Stan S., Barstow M. Improving chill control in iron powder treated slightly hypereutectic grey cast irons // China Foundry. 2011. Vol. 8. No. 2. P. 228 – 234.Kumruoglu L.C. Mechanical and microstructure properties of chilled cast iron camshaft: Experimental and computer aided evaluation. Materials and Design. 2009, vol. 30, no. 4, pp. 927–938.Kumruoglu L.C. Mechanical and microstructure properties of chilled cast iron camshaft: Experimental and computer aided evaluation // Materials and Design. 2009. Vol. 30. No. 4. P. 927 – 938.Liteinoe proizvodstvo [Foundry production]. Belov V.D. ed. Moscow: ID MISiS, 2015, 287 p. (In Russ.).Литейное производство / Под ред. В.Д. Белова. – М.: ИД МИСиС, 2015. – 287 с.Harsea L.M., Riposan I. Chill sensivity in 4 % carbon equivalent, low-S, inoculated grey iron thin wall castings. Metalurgia International. 2013, vol. 18, pp. 99–104.Harsea L.M., Riposan I. Chillsensivity in 4 % carbon equivalent, low-S, inoculated grey iron thin wall castings // Metalurgia International. 2013. Vol. 18. P. 99 – 104.Standard Test Methods of Chill Testing of Сast Iron. ASTM A367-11 (2017). Electronic resource. Available at URL: https://www.astm. org/standards/A367.htm (Accessed 27.10.2018).Standard Test Methods of Chill Testing of Сast Iron. ASTM A367-11 (2017). https://www.astm.org/standards/A367.htm (дата обращения 27.10.2018).Standard Test Methods of Chill Testing of Сast Iron. ASTM A367-11 (2017). https://www.astm.org/standards/A367.htm (дата обращения 27.10.2018).

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