The Effect of Boron on Microparticle Population in Spheroidal Graphite Irons

Abstract

En økt kompleksitet i legeringen av stål kan øke mengden uønskede legeringselementer i støpejern når resirkulert stål blir brukt som råmateriale i støpejernsproduksjon. Økt fokus på resirkulering og resirkulerbarheten av materialer, oppmuntrer støpejernsindustrien til å øke bruken av resirkulerte materialer, som kan forverre effekten. Bor, som brukes for å øke herdbarheten i stål, er et av disse legeringselementene. Nodulært støpejern krever finfordelte kuler av grafitt i matriksmaterialet for å oppnå de mekaniske egenskapene materialet er kjent for. Kimdanning av grafitt noduler er avhengig av ikke-metalliske mikropartikler, og hvilke mikropartikler som dannes når støpejernsmelte størkner er avhengig av type og konsentrasjon av legeringselementer. Effekten av bor på dannelsen av ikke-metalliske mikropartikler i nodulært støpejern har ikke blitt undersøkt i stor grad.

Hovedmålet med denne oppgaven var å undersøke effekten av økt bor innhold på mikropartikkelpopulasjonen i nodulært støpejern. Fire prøver av nodulært støpejern, to med en ferrittisk matriks og to med en perlittisk matriks, ble undersøkt. Prøvene med hver type matriksmateriale bestod av en prøve uten tilsatt bor, og en prøve som var tilsatt bor. Målinger som beskrev diameter og areal av sulfid, oksid, nitrid, karbid, og magnesium mikropartikler i disse prøvene ble levert av ELkem Silicn Products. Disse dataene ble målt ved å undersøke prøvene i SEM i kombinasjon med bruker Automated Mineral Identification and Characterization System (AMICS) programvaren. Et Python-script som benyttet endelig element metoden, ble utviklet for å kalkulere partikkel nummertettheten, volumetrisk partikkel nummertetthet og volumetrisk nummertetthet som funksjon av partikkeldiameter basert på de leverte målingene.

Når de kalkulerte dataene av mikropartikkelpopulasjonen ble undersøkt, indikerte de at mengden bor i prøvene påvirket partikkeltettheten og den gjennomsnittlige diameteren til mikropartiklene som ble dannet. Den største effekten av økt bor innhold var sett på sulfid, nitrid og magnesium mikropartiklene, dette gjaldt både for prøvene med ferrittisk og perlittisk matriks. For magnesium og sulfid mikropartiklene sank partikkel nummertettheten når borinnholdet økte for prøvene med begge typer matriksmateriale. Den gjennomsnittlige partikkeldiameteren til magnesium mikropartiklene sank for prøvene med begge matriksmaterialene. I de ferritiske prøvene økte den gjennomsnittlige diameteren til sulfid mikropartiklene, mens den sank i de perlittiske prøvene. Økt bor innhold påvirket partikkel nummertettheten til nitridene forskjellig i de ferritiske og perlittiske prøvene, i de ferritiske prøvene økte nummertettheten og i de perlittiske prøvene sank den. Den gjennomsnittlige diameteren til nitrid mikropartiklene ble også påvirket av borkonsentrasjonen.

Et tilleggsmål med oppgaven var å gjennomføre en termisk analyse av temperaturmålinger fra to smelteforsøk, hvor den ene hadde ferrittisk og den andre perlittisk sammensetning. De målte resultatene skulle sammenlignes med resultater fra en termisk analyse utført i sammenheng med tidligere arbeid utført av forfatteren av denne oppgaven. Seks sett med temperaturmålinger, hvor hvert sett var fra smelter med ulikt bor innhold, ble levert av Elkem Silicon Products for hvert av de to smelteforsøkene. Temperaturmålingene ble brukt til å produsere tolv avkjølingskurver, sammen med kurvene av deres førstederiverte. Kurvene av den førstederiverte ble brukt til å finne fem temperaturer som indikerte viktige hendelser under størkningen for hver av de tolv avkjølingskurvene. Temperaturforskjellen som indikerer temperaturøkningen som følge av produsert varme under eutektisk størkning ble kalkulert basert på disse temperaturene. Resultatene ble så sammenlignet med resultatene fra tidligere arbeid.

Undersøkelse av litteratur om termisk analyse, i tillegg til store avvik mellom temperaturene funnet i de to termiske analysene, indikerte at en mer robust modell bør brukes for å oppnå reproduserbare resultater fra termisk analyse. Temperaturene funnet i de termiske analysene som ifølge litteratur er viktigst for å bestemme kvaliteten til grafitt noduler i støpejern, ble funnet å ha lite avvik fra hverandre siden de varierte med kun et par grader.

The increased alloying complexity of steels can cause an increase in the amount of undesired minor elements in cast irons when recycled steel materials are used for its production. The increased focus on recycling and recyclability, incentivises the industry to increase the use of recycled materials, aggravating the effect. Boron, used to increase hardenability in steels, is one such element. Spheroidal graphite irons require finely distributed graphite nodules throughout its matrix to gain their desired mechanical properties. The nucleation of spheroidal graphite nodules are dependent on the formation of non-metallic microparticles, and the microparticles that form in a solidifying melt is dependent on the type and concentration of minor elements. The effect of boron on the formation of non-metallic microparticles in spheroidal graphite irons has not been widely examined.

The primary aim of this master's thesis was to investigate the effect of increased boron content on the microparticle population in spheroidal graphite irons. Four spheroidal graphite iron samples, two with a primarily ferritic matrix and two with a primarily pearlitic matrix, were examined. The samples of each matrix type had one sample with no added boron and one with an increased boron content. Diameter and area data for sulphide, oxide, nitride, carbide, and magnesium microparticles in these samples, recorded using a SEM in combination with the bruker Automated Mineral Identification and Characterization System (AMICS) software were supplied by Elkem Silicon Products. A Python script was developed, using the finite difference method, to calculate particle number density, 3D particle number density, and the 3D particle number density as a function of particle diameter based on this data.

Examination of the calculated microparticle population data, indicated that boron had an effect on the density and average diameter of microparticles in spheroidal graphite irons. The greatest effect was seen on the sulphide, nitride, and magnesium microparticles in samples of both ferritic and pearlitic matrix. The particle number density of magnesium and sulphide particles decreased for increased boron contents in both sample matrix materials. The magnesium average diameter decreased for both sample materials when boron contents increased. The sulphide average diameters decreased in the ferritic sample, and had an increase in the pearlitic sample. Increased boron content affected the nitride particle number density differently in the two matrix materials, where the ferritic samples had an increase and the pearlitic samples had a decrease. The nitride average diameter was also affected by an increase in boron concentration.

A secondary aim of the thesis was to conduct a thermal analysis on temperature data recorded from two cast iron melt trials, one with ferritic composition, and one with pearlitic composition, and compare the results with thermal analysis results produced in previous work by the author of this thesis. Six sets of temperature data for different boron concentrations were supplied by Elkem Silicon Products for each of the trials. The data was used to produce twelve cooling curves, and their first derivative curves. The first derivative curves were used to find five temperatures indicative of important events during solidification for all the twelve cooling curves. The recalescence temperature was calculated based on these temperatures. The results were then compared with the data from the thermal analysis in the previous work.

Further examination of thermal analysis literature, as well as large discrepancies between the thermal analysis results found in the examination, indicate that a more robust computer model should be used to achieve reproducible thermal analysis results. The temperatures indicated in literature to be most important for graphite nodule quality, were found to be be similar in the two melts, as the results vary by only a few degrees.