In this study, the microstructure, mechanical properties and high temperature oxidation characteristics of HiSiMo and HiSiMoM ductile iron for exhaust manifold were investigated. The HiSiMoM ductile iron was developed by optimization of alloying element addition and casting design. The exhaust manifold prototype was fabricated using the HiSiMoM iron and this resulted in the weight saving of 0.73kg. The microstructures of the HiSiMo and HiSiMoM irons were similar each other and graphite nodularity was 89% and 93% respectively. Tensile strengths of them were 663.5 and 674.4 MPa and Brinell hardness were 235.3 and 243.9 respectively. Both irons showed parabolic weight gain behavior in high temperature oxidation atmosphere. Oxidation layer was divided into external and internal layers. The weight gain of the HiSiMoM iron was lower than that of the HiSiMo iron after isothermal oxidation test at $900^{\circ}C$. This should be rationalized by higher Si enrichment at the interface of the matrix and internal layer of the HiSiMoM iron.
Surface layer properties such as composition, phase, hardness, and oxide layer condition are very important if the main failure mechanism of metals is wear. Generally, stable and dense oxide layers are known to decrease the wear rate of metals by prohibition of metallic junction occurred between bare metals. Addition of Si above 4 wt% to DCI(Ductile Cast Iron) is reported to enhance the significant oxidation resistance by forming the silicon-rich surface layer which inhibits further oxidation. And addition of up to 2 wt% Mo to high Si ductile iron produces significant increases in high temperature tensile strength, creep strength, thermal fatigue resistance and oxidation resistance. High pressure wear characteristics of unalloyed DCI(Ductile cast Iron), 4.46 wt% Si ductile iron, 4.3 wt% Si-0.52 wt% Mo ductile iron were investigated through unlubricated pin-on-disc wear test. Wear test was carried out at speed of 23m/min, under pressure of 3 MPa and 3.3 MPa. Wear surfaces of each specimen were observed by SEM to determine the wear mechanism under high pressure wear condition. Addition of Si 4.46 wt% severely deteriorated wear property of ductile iron compared to unalloyed DCI. But combined addition of Si 4.3 wt%andMo0.52wt%decreasedthefrictioncoefficient(${\mu}$)ofductileironsandremarkablydelayedthemild-severeweartransition.
The high temperature properties of vanadium and molybdenum added high silicon ductile iron, so called V-Mo-Si ductile iron, were investigated. The (V,Mo) complex carbides and Mo carbides precipitated at the cellular boundaries of the as-cast specimens. The microhardness of the (V,Mo) carbides were in the range of 553-619, while that of the Mo carbides in the range of 341-390. The thermo-mechanical tests were carried out with a Gleeble system at 700 and $800^{\circ}C$ under vacuum condition. The tensile strengths of the specimen tested at $700^{\circ}C$ with the dynamic deformation rate of 50 mm/sec and those with the static deformation rate of 0.15 mm/sec were 235.7 and 115.3 MPa, while the reduction in area were 23.7 and 22.4%, respectively. At the high dynamic deformation rates, the tensile strength was steeply increased due to promoting the brittle fracture of pearlite in the matrix of the specimens. But the changes of the reduction in area with the deformation rates on the same specimens were negligible. The weight gain of the V-Mo-Si specimens oxidized in the air atmosphere for 6 hours at 800 and $900^{\circ}C$ were 1.1 and 4.1.%, respectively. The cross-sectional microstructure of oxidized specimens consisted of the porous external scale layer grown outside from the original surface, the dense internal scale layer grown into the original surface, the decarburized ferrite layer between the internal scale and the matrix of base metal. The (V,Mo) carbides and Mo carbides formed in the matrix of as-cast specimen did not decompose during oxidation at 900 for 24 hours in air atmosphere.
The characterestics of high Si-high Mo ductile cast iron, high Si-high Mo C.V. cast iron and Ni-resist cast iron were compared and evaluated. The nodule count of the last one was lower and the nodularity was higher than those for the first one, respectively. The first two had ferritic matrices with small amounts of molybdenum carbides. The first one had the highest tensile strength and the last one the lowest elongation. This had the highest high temperature strength and that of the second one was greatly increased from the room temperature strength. The volumes of the first two were decreased during cooling and that of the last one changed little. The thermal expansion coefficient of the last one was the highest and the first one the lowest. During high temperature oxidation, even though the volume of the first one was increased, the weight was decreased and the volume and weight of the second one were increased. The change of the increased weight of the last one was more than that of thickness.
The effects of silicon and molybdenum on the temperature-dependent properties of high silicon and high molybdenum ductile cast iron were investigated. Microstructure was composed of ferrite, cell boundary complex carbide, carbide precipitated in the grain and graphite. The number and size of carbide decreased with the increase of silicon content and increased with the increase of molybdenum content, however, the size of cell boundary carbide increased above 0.81wt%Mo. The room temperature tensile strength increased with the increase of silicon and molybdenum contents. That did not increase with the latter with more than 0.8wt%. Meanwhile the high temperature tensile strength showed the similar trend to that of room temperature one, that of the specimen with 0.55wt%Mo was the highest. The $A_1$ transformation temperature increased with the silicon and molybdenum contents, and showed similar tendency with the variation of strength. It was discussed due to the solubility limit of Molybdenum in ferrite, of which value was assumed to be in the vicinity of 0.81wt%Mo. The weight after oxidation at 1,173K showed the result caused by the difference in solubility of molybdenum in the matrix. That and the thickness change after oxidation did not show any consistent trend with the silicon and molybdenum contents.
A new form of austenitic heat-resistant ductile iron was developed and its microstructures and elevated temperature properties were compared to those of Ductile Ni-Resist D5S. According to JMatPro calculations, it was predicted that Mo-rich carbides would be crystallized before the eutectic reaction starts in the developed alloy. At the austenite cell boundaries of the developed alloy, both Mo-rich carbides and Cr-rich carbides were found. In addition, Ni-silicides were found adjacent to Cr-rich carbides in D5S specimen and were identified as $Ni_2Si$. The developed alloy also had greater yield strength and lower tensile strength levels with less elongation due to the dissolution of Mo atoms into the austenite matrix and the precipitation of Mo-rich carbides. From the results of elevated temperature tensile tests and stress-rupture tests, it was found that the developed alloy had elevated temperature properties superior to those of D5S. This was due to the pinning effect of the dissolved Mo atoms in the austenite matrix.
The hardenability of alloyed ductile cast irons was studied for 54 different alloy compositions obtained from eight commercial and laboratory foundries. The alloying elements investigated for their effects on hardenability were Si(2.0 to 3.0%), Mn(0.0 to 0.8%), Mo(0.0 to 0.6%), Cu(0.0 to 1.5%), and Ni(0.0 to 1.5%). Two hardenability criteria, a first-pearlite hardenability criterion and a half-hard hardenability criterion, were used to determine hardenability of ductile irons. Prediction models for each hardenability criterion were developed by multiple regression analysis and were well agreed with previous experimental results. Molybdenum was the most potent hardenability promoting element followed by manganese, copper and nickel ; silicon had little effect on hardenability and reduced the hardenability as silicon content increased. When alloying elements were presented in combination, strong synergistic effects on the hardenability were observed especially between molybdenum, copper and nickel. The hardenability of ductile iron was strongly influenced by austenitizing temperature. Increasing austenitizing temperature up to $955^{\circ}C$, hardenability increased gradually but decreasing rate and then decreased as temperature increased above $955^{\circ}C$. Unless reducing segregation by very long-time annealing treatment, the hardenability of ductile iron was not significantly influenced by segregation of alloying elements.
Kim, Hyo-Min;Kwon, Hae-Wook;Yeo, In-Dong;Nam, Won-Sick
Journal of Korea Foundry Society
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v.30
no.2
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pp.66-75
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2010
The effects of alloying elements on the mechanical properties of normalized and quenched 3.60wt%C-2.60wt%C ductile cast iron poured into shell stack mold were investigated. The strength and hardness of as-cast specimen were increased and the elongation of it was decreased with the additions of Mn, Cu and Sn. The strength and hardness were increased with the addition of 0.40wt%Mo and then rather decreased with the increased addition of 0.80wt%. The strength and hardness were increased with normalizing treatment and the strengths of normalized specimens were increased slightly with the addition of alloying elements except Mo. Meanwhile the yield strength of the normalized specimen was increased slightly with the addition of Mo, the tensile strength was not changed much. Meanwhile the hardness and strength of the quenched specimen were slightly increased with the addition of Mn, those were almost not changed with the amount added. The tensile strength of the quenched specimen with larger diameter, when the Cu had been added, and the tensile and yield strengths of them, when Mo had been added, were increased with the addition of alloying element. On the other hand, those were not changed with the amount added. For the case of specimen with smaller diameter, there were no effects of these two elements. When Sn had been added, the strength of hardened specimen with larger diameter was slightly increased with the amount added. However, that with smaller diameter was rather decreased with it. The effect of specimen diameter on the strength of quenched specimen with the addition of Cu, Mo and Sn was reduced.
Fe based (Fe$_{68.2}$C$_{5.9}$Si$_{3.5}$B$_{6.7}$P$_{9.6}$Cr$_{2.1}$Mo$_{2.0}$Al$_{2.0}$) amorphous powder, which is a composition of iron blast cast slag, were produced by a gas atomization process, and sequently mixed with ductile Cu powder by a mechanical ball milling process. The experiment results show that the as-prepared Fe amorphous powders less than 90 $\mu$m in size has a fully amorphous phase and its weight fraction was about 73.7%. The as-atomized amorphous Fe powders had a complete spherical shape with very clean surface. Differential scanning calorimetric results of the as-atomized Fe powders less than 90 $\mu$m showed that the glass transition, T$_g$, onset crystallization, T$_x$, and super-cooled liquid range $\Delta$T=T$_x$-T$_g$ were 512, 548 and 36$^{\circ}C$, respectively. Fe amorphous powders were mixed and deformed well with 10 wt.% Cu by using AGO-2 high energy ball mill under 500 rpm.
Kim, Jin-Chun;Kim, Ji-Soon;Kim, H.J.;Kim, Jeong-Gon
Journal of Powder Materials
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v.16
no.5
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pp.326-335
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2009
Fe based (Fe$_{68.2}$C$_{5.9}$Si$_{3.5}$B$_{6.7}$P$_{9.6}$Cr$_{2.1}$Mo$_{2.0}$Al$_{2.0}$) amorphous powder, which is a composition of iron blast cast slag, were produced by a gas atomization process, and sequently mixed with ductile Cu powder by a mechanical ball milling process. The Fe-based amorphous powders and the Fe-Cu composite powders were compacted by a spark plasma sintering (SPS) process. Densification of the Fe amorphous-Cu composited powders by spark plasma sintering of was occurred through a plastic deformation of the each amorphous powder and Cu phase. The SPS samples milled by AGO-2 under 500 rpm had the best homogeneity of Cu phase and showed the smallest Cu pool size. Micro-Vickers hardness of the as-SPSed specimens was changed with the milling processes.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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