Development of ultrafine structured ductile and austempered ductile irons (ADIs)

Abstract

This research aims at producing different high-strength/toughness ductile iron alloys (also known as nodular iron) by developing extremely fine graphite structures and also producing ultrafine Austempered Ductile Iron (ADI) alloys at a short heat treatment time. For this purpose, this research present two new attempts towards developing various microstructures with ultrafine constituents. These newly developed alloys can be used in different engineering applications such as automotive industries, agriculture, and mining sectors. In the first refinement approach, different ductile irons and austempered ductile irons were successfully developed using several alloying contents of nickel, copper, and microalloying with niobium. Additionally, special nanocarbon powder was added to the molten iron to enhance the nucleation tendency of spheroidal graphite and compensate for the possible negative effect of Nb addition on the nodule morphology. Metallographic analysis showed that increasing the niobium content in the alloy to 0.1 wt % raises the number of graphite eutectic cells and refines the final structure of the graphite. Moreover, the nodule count of graphite slightly increased, but it concurrently decreased the nodularity when the Nb amount reached 0.1 wt %. SEM micrographs illustrated that nano- to microsized niobium carbides (NbC) particles were dispersed in the matrix of the Nb microalloyed ductile irons. Both optical and SEM micrographs clearly showed that alloying of ductile irons with nickel, copper, and microalloying with niobium had a significant effect on defining the final pearlite structure. Coarse, fine, broken, and spheroidized pearlite structures were simultaneously observed in all investigated alloys. Dilatometry studies demonstrated that the nano NbC particles acted as nucleation sites for graphite and ferrite needles. Therefore, Nb addition accelerated the formation of ausferrite during the austempering stage. Finally, alloying with Cu, Ni, and microalloying with Nb led to developing novel grades of ADI with excellent strength/ductility property combination. The second refinement approach included the use of ultrasonic melt treatment (UST) to also produce a new ultrafine grade of spheroidal graphite cast iron (SG iron) and austempered ductile iron (ADI) alloys. Ultrasonic treatment was numerically simulated and evaluated based on acoustic wave streaming. The simulation results revealed that the streaming of the acoustic waves propagated as a stream jet in the molten iron along the centerline of the ultrasonic source (sonotrode) with a maximum speed of 0.7 m/s and gradually decreased to zero at the bottom of the mold. The metallographic analysis of the newly developed SG iron alloy showed an extremely ultrafine graphite structure. The graphite nodules diameter ranging between 6 and 9 μm with total nodule count ranging between 900 to more than 2000 nodules per mm2, this nodule count has never been mentioned in the literature for castings of the same diameter, i.e., 40 mm. In addition, a fully ferritic matrix was observed in all UST SG irons. Further austempering heat treatments were performed to produce different austempered ductile iron (ADI) grades with different ausferrite morphologies. The dilatometry studies for the developed ADI alloys showed that the time required for the completion of the ausferrite formation in UST alloys was four times shorter than that required for statically solidified SG irons. SEM micrographs for the ADI alloys showed an extremely fine and short ausferrite structure together with small austenite blocks in the matrix. A dual-phase intercritically austempered ductile iron (IADI) alloy was also produced by applying partial austenitization heat treatment in the intercritical temperature range, where austenite + ferrite + graphite phases coexist. In dual-phase IADI alloy, it was established that introducing free ferrite in the matrix would provide additional refinement for the ausferrite.

Diese Forschungsarbeit zielt auf die Herstellung von Gusseisen mit Kugelgraphit (Sphäroguss) verschieden mit hoher Zugfestigkeit/Zähigkeit durch die Entwicklung extrem feine Graphitstrukturen und die Herstellung von ultrafeinem ausferritischen Gusseisen mit Kugelgraphit (ADI) das mit kurzer Wärmebehandlungszeit hergestellt wird. Zu diesem Zweck wurden zwei neue Versuche zur Herstellung unterschiedlicher Mikrostrukturen mit ultrafeinen Bestandteilen entwickelt. Diese neu entwickelten Legierungen können in vielen technischen Sektoren wie z. B. in der Automobilindustrie, in der Landwirtschaft und im Bergbau eingesetzt werden. Im ersten Verfeinerungsansatz, wurden erfolgreich verschiedene Sphärogüsse und ADI Legierungen mit Hilfe verschiedener Legierungsanteile von Nickel (Ni), Kupfer (Cu) und Mikrolegierungen mit Niob (Nb) entwickelt. Zusätzlich, wurde dem geschmolzenen Eisen spezielles Nanokohlenstoffpulver zugesetzt, um die Keimbildungstendenz von Kugelgraphit zu verbessern und die möglichen negativen Auswirkungen des Nb-Zusatzes auf die Graphitmorphologie zu kompensieren. Die metallographische Analyse zeigte, dass eine Erhöhung des Niobgehalts in der Legierung auf 0,1 % Gew.-% Nb die Anzahl der eutektischen Graphitzellen erhöht und die Größe des Graphits verfeinert. Außerdem, stieg die Anzahl der Graphitknötchen leicht an, aber gleichzeitig sank die Sphärizität, wenn der Nb-Anteil 0,1 Gew.-% erreichte. Mikroskopische Aufnahmen im REM zeigen, dass Niobkarbide (NbC) in Nano- bis Mikrogröße in der Matrix der mikrolegierten Nb-Sphäroguss dispergiert sind. Sowohl die optischen als auch die REM-Aufnahmen zeigen deutlich, dass die Legierung von Sphäroguss mit Ni, Cu und die Mikrolegierung mit Nb einen signifikanten Einfluss auf die Definition der endgültigen Perlitstruktur haben. Grobe, feine, gebrochene und kugelförmige Perlitstrukturen wurden in allen untersuchten Legierungen gleichzeitig beobachtet. Dilatometrische Untersuchungen zeigten, dass die Nano-NbC-Partikel als Keimbildungsstellen für Graphit- und Ferritnadeln fungierten. Daher beschleunigte die Zugabe von Nb die Bildung von Ausferrit während derWärmebehandlung beim Austemperprozess. Letztendlich, führte die Legierung mit Cu, Ni und die Mikrolegierung mit Nb zur Entwicklung neuartiger Klassen von ADI mit einer hervorragenden Kombination von Festigkeitsund Verformungseigenschaften. Der zweite Veredelungsansatz umfasste die Anwendung der Ultraschallschmelzbehandlung (UST), um auch eine neue ultrafeine Sorte von Sphäroguss und ADI herzustellen. Die Ultraschallbehandlung wurde numerisch simuliert und auf der Grundlage von Kavitation und akustischen Strömungen bewertet. Die Simulationsergebnisse zeigten, dass sich die Strömungen der US-Wellen als Strahl im geschmolzenen Eisen entlang der Mittellinie der Ultraschallquelle (Sonotrode) mit einer maximalen Geschwindigkeit von 0,7 m/s ausbreiteten und die Geschwindigkeit am Boden der Kokille allmählich auf Null abnahm. Die metallografische Analyse der neu entwickelten Sphäroguss zeigte ein extrem feines Graphitgefüge. Der Durchmesser der Graphitkugeln lag zwischen 6 und 9 μm mit einer Gesamtkugelanzahl von 900 bis mehr als 2000 Kugeln pro mm2. Diese Kugelanzahl wurde in der Literatur noch nie für Gussteile mit demselben Durchmesser, d. h. 40 mm, erwähnt. Darüber hinaus wurde bei allen UST-Sphäroguss eine vollständig ferritische Matrix festgestellt. Durch weitere Wärmebehandlungen beim Austempering wurden verschiedene austemperierte duktile Gusseisen (ADI) mit unterschiedlichen Ausferrit-Morphologien hergestellt. Die dilatometrische Untersuchung der entwickelten ADI-Legierungen zeigte, dass die Zeit, die für den Abschluss der Ausferritbildung in UST-Legierungen erforderlich ist, viermal kürzer ist als bei statisch erstarrten Sphäroguss. Die REM-Aufnahmen der ADI-Legierungen zeigten eine extrem feine und kurze Ausferritstruktur zusammen mit kleinen Austenitblöcken in der Matrix. Eine zweiphasige interkritisch austenitisierte Sphärogusslegierung (IADI) wurde ebenfalls durch eine partielle Austenitisierungsbehandlung in der interkritischen Temperaturzone hergestellt, bei der Austenit-, Ferrit- und Graphitphasen koexistieren. Bei der zweiphasigen IADI-Legierung wurde festgestellt, dass die Einführung von freiem Ferrit in die Matrix eine zusätzliche Veredelung des Ausferrits zur Folge hat.