ductile iron and method of making same
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8/16/2019 Ductile Iron and Method of Making Same
1/4
U n i t e d S t a t e s
P a t e n t , 0
1
3 , 1 5 5 , 4 9 8
DUCTILE
IRON
AND
METHOD
3 F
MAKING
SAME
H e n r y
L . J a n d ra s , B e t h l e h e m ,
P a ,
a s s i g n o r
t o
B e t h l e h e m
S t e e l
Company, a
c o r p o r a t i o n o f P e n n s y l v a n i a
N0 r a w i n g .
F i l e d
D e c . 2 7 , 1 9 6 1 , S e r . No.
1 6 2 , 5 5 8
1 3 C l a i m s .
( C l .
7 5 - 1 3 0 )
T h i s i n v e n t i o n
r e l a t e s
t o t h e m a n u f a c t u r e o f
d u c t i l e
i r o n
and more p a r t i c u l a r l y t o d u c t i l e
i r o n
which can be
s u b s e q u e n t l y
formed i n t o s e m i - ? n i s h e d
a n d
? n i s h e d
d u c
t i l e
i r o n
p r o d u c t s
b y v a r i o u s m e t h o d s o f w o r k i n g , i . e . ,
r o l l i n g , f o r g i n g ,
o r
hammering, which c a n
b e
u s e d i n
m a n y a p p l i c a t i o n s i n s t e a d
o f
t h e more c o s t l y
m i l d
s t e e l s .
A m o n g
t h e
p r i n c i p a l d i f f i c u l t i e s i n p r o d u c i n g a
d u c t i l e
i r o n i n g o t which can
be deformed
and
c o n v e r t e d
t o u s e
f u l s e m i - ? n i s h e d a n d ? n i s h e d p r o d u c t s
b y
s u b s e q u e n t
w o r k i n g p r o c e s s e s i s t h e
p r e v e n t io n o f
t h e p r e c i p i t a t i o n o f
l a r g e a r e a s o f
f r e e
p r i m a r y g r a p h i t e ,
a n d
f r e e
m a s s i v e
c a r b i d e s u s u a l l y r e f e r r ed t o a s
c e m e n t i t e
which
r e n d e r
t h e
i n g o t b r i t t l e a n d
t h u s
s u s c e p t i b l e t o r u p t u r e d u r i n g t h e
h o t - w o r k i n g p r o c e s s e s .
I t i s a w e l l known f a c t
t h a t g r a p h i t e
i n i t s e l f
p o s s e s s e s
n o
a p p r e c i a b l e
s t r e n g t h . I t i s
o b v i o u s ,
t h e r e f o r e ,
t h a t
t h e form o f
t h e g r a p h i t e
i n
a
c a s t
i r o n i n g o t
i s i m p o r t a n t
i n t h e r s e n s e t h a t i t d e t e r m i n e s
t h e
s h a p e o f
t h e
d i s c o n
t i n u i t i e s
w h i c h t h e g r a p h i t e f o r m s ‘ i n t h e
m a t r i x o f
t h e
i n g o t . The m e c h a n i c a l
s t r e n g t h o f
t h e i n g o t i s d e p e n d e n t
upon t h e manner i n which t h e s e d i s c o n t i n u i t i e s i n t e r r u p t
t h e
c o n t i n u i t y o f t h e
e s s e n t i a l m a t r i x
o r
mass
o f t h e
i n g o t .
The f o r m a t i o n o f n u m e r o u s l a r g e f r e e p r i m a r y g r a p h i t e
? a k e s
i n
g r e y
i r o n c a s t i n g s i n t e r r u p t t h e m a t r i x i n
s u c h
a
manner
t h a t any
a p p l i e d
s t r e s s e s
a r e
r e s i s t e d b y s m a l l
. a r e a s
o f
t h e
m a t r i x
b e t w e e n
t h e g r a p h i t e ? a k e s .
T h e s e
a r e a s
a r e
u s u a l l y o f
i n s u ? ‘ i c i e n t s t r e n g t h
t o
r e s i s t l a r g e
c o n c e n tr a t i o n s o f s t r e s s e s
a n d a r e b r i d g e d q u i t e r e a d i l y
b y
t h e s e
s t r e s s e s , t h u s
r e n d e r i n g
t h e c a s t i n g s b r i t t l e a n d
s u s c e p t i b l e
t o
f r a c t u r e by l a p p l i e d s t a t i c o r d y n a m i c
forces.
The f o r m a t i o n
o f
n o d u l a r o r s p h e r o i d a l f r e e p r i m a r y
g r a p h i t e i n d u c t i l e i r o n c a s t i n g s i n o c u l a t e d w i t h m a g
n e s i u m ,
c e r i u m
o r t h e l i k e i n c r e a s e s t h e s t r e n g t h and
d u c t i l i t y o f t h e s e
c a s t i n g s a s compared
t o
t h e s t r e n g t h and
d u c t i l i t y o f g r e y i r o n c a s t i n g s . T h e s e d u c t i l e i r o n c a s t
i n g s ‘ , h o w e v e r , a r e
a l s o s u s c e p t i b l e t o b r i t t l e
r u p t u r e
a t
low s t r e s s l e v e l s
d u e
t o t h e
l a r g e
n o d u l e s formed d u r i n g
t h e
s o l i d i ? c a t i o n
o f t h e
c a s t i n g s .
Malleable
i r o n
c a s t i n g s
can
be hot
worked
b u t a s
a
p r a c t i c a l
m a t t e r
a r e l i m i t e d
t o
s m a l l
s i z e s
and must
be
s u b j e c t e d t o l e n g t h y a n d c o s t l y a n n e a l i n g c y c l e s t o o b
t a i n t h e
n e c e s s a r y
m i c r o s t r u c t u r e s . They a r e
c h i l l
c a s t
i n
s m a l l c r o s s - s e c t i o n a l m o l d s t o
p r e v e n t t h e
f o r m a t i o n
o f a n y f o r m o f f r e e p r i m a r y
g r a p h i t e .
T h i s
p r o c e d u r e
f a v o r s t h e
f o r m a t i o n o f f r e e
m a s s i v e
c a r b i d e s w h i c h upon
l e n g t h y a n n e a l i n g a t t h e
p r o p e r
t e m p e r a t u r e s d e c o m p o s e
i n t o f e r r i t e
a n d s p h e r o i d s
o f g r a p h i t e c a l l e d
t e m p e r
c a r
b o n . S i n c e a n y f r e e p r i m a r y
? a k e g r a p h i t e f o r m e d i n
t h e
i n i t i a l c a s t i n g
i s n o t c o n v e r t e d t o t h e s p h e r o i d a l form
on
h e a t i n g ,
m a l l e a b l e i r o n
c a s t i n g s m u s t ' b e r e l a t i v e l y s m a l l
s o
t h a t
t h e
e n t i r e
mass i s
c o o l e d
r a p i d l y i n t h e
c h i l l m o l d s .
i n o r d e r t o i n s u r e t h a t o n l y c a r b i d e s a r e f o r m e d .
The
f r e e
m a s s i v e c a r b i d e s formed
i n
m a l l e a b l e c a s t i n g s
a r e
hard
and b r i t t l e and a r e n o t c o n d u c i v e t o hohworking
o p e r a t i o n s s o
t h a t
i t
i s
n e c e s s a r y
t o
decompose
t h e s e c a r
b i d e s
t o f e r r i t e
a n d g r a p h i t e . I f
c o m p a r a t i v e l y
l a r g e
c a s t i n g s , e . g . l a r g e i n g o t s , w e r e m a d e , t h e h e a t
t r e a t m e n t
r e q u i r e d t o make t h e m s u i t a b l e f o r
s u b s e q u e n t
h o t - w o r k
i n g o p e r a ti o n s
would
be o f s u c h d u r a t i o n a s t o
make i t
e c o n o m i c a l l y
u n f e a s i b l e t o p r o d u c e
s u c h
c a s t i n g s .
The
d e c o m p o s i t i o n o f
t h e
m a s s i v e c a r b i d e s
t o
g r a p h i t e
i s
s l u g g i s h a n d r e q u i r e s h o l d i n g t i m e s o f many h o u r s a t
t e m p e r a t u re s e x c e e d i n g 1 2 0 0 ” F . and a s h i g h a s l 8 5 0 °
10
1 5
25
30
45
60
F . , and
t h e s e
m a s s i v e c a r b i d e s decompose i n t o
r e l a t i v e l y
1
3 , 1 5 5 , 4 9 8
Patented Nov. 3 , 1964
2
l a r g e g r a p h i t e
p a r t i c l e s ,
w h i c h , a s h e r e i n b e f o r e
s t a t e d
a r e
n o t
c o n d u c i v e t o w o r k i n g o p e r a t i o n s .
I t
i s t h e p r i m a r y o b j e c t o f t h i s i n v e n t i o n t o
p r o v i d e
a
new
method
f o r t h e manufacture o f d u c t i l e
i r o n
which
can
be worked h o t o r c o l d b y kn o w n methods i n t o s e m i
? n i s h e d a n d
? n i s h e d a r t i c l e s .
Another o b j e c t
o f t h i s i n v e n t i o n i s t o produce a new
a r t i c l e o f m a n u f a c t u r e
w h i c h
c o m p r i s e s
d u c t i l e
i r o n
w h i c h
c a n be
r e a d i l y t r a n s f o r m e d i n t o s e m i - ? n i s h e d
and
? n i s h e d
p r o d u c t s b y t h e
u s u a l
w o r k i n g o p e r a t i o n s ,
i . e . , r o l l i n g ,
h a m m e r i n g ,
f o r g i n g , e t c . , a n d
a method o f p r o d u c i n g
s a m e .
Another o b j e c t o f
t h i s i n v e n t i o n i s
t o
produce
a
new
a r t i c l e
o f m a n u f a c t u r e
w h i c h c o m p r i s e s d u c t i l e i r o n , t h e
m i c r o s t r u c t u r e o f w h i c h a s - c a s t
c o m p r i s e s
p r i m a r i l y ? n e
w i d e l y - d i s p e r s e d u ns t a b l e
c o m p l e x c a r b i d e s i n ‘
a
s u b s t a n
t i a l l y
p e a r l i t i c o r
f e r r o - p e r a l i t i c
m a t r i x
i n w h i c h f r e e
p r i m a r y
g r a p h i t e
i s s u b s t a n t i a l l y a b s e n t ,
a n d a method
o f
p r o d u c i n g
s a m e .
Another o b j e c t
o f t h i s i n v e n t i o n
i s t o produce
a
new
a r t i c l e
o f m a n u f a c t u r e
w h i c h c o m p r i s e s
d u c t i l e i r o n ,
t h e
m i c r o s t r u c t u r e o f w h i c h ‘ a s - c a s t c o m p r i s e s p r i m a r i l y ? n e
w i d e l y - d i s p e r s e d u n s t a b l e
c o m p l e x f e r r o - m a g n e s i u m c a r
b i d e s
i n a
s u b s t a n t i a l l y
p e a r l i t i c o r f e r r o - p e a r l i t i c m a t r i x
i n w h i c h
f r e e
p r i m a r y g r a p h i t e
i s s u b s t a n t i a l l y
a b s e n t a n d
a
method o f
p r o d u c i n g s a m e .
S t i l l
a n o t h e r
o b j e c t o f t h e i n v e n t i o n
i s
t o
p r o d u c e
‘ a
new a r t i c l e
o f
m a n u f a c t u r e which
c o m p r i s e s
d u c t i l e
i r o n
h a v i n g i m p r o v e d m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s , p a r t i c u l a r l y
g o o d
d u c t i l i t y , h i g h i m p a c t
s t r e n g t h , l o w t r a n s i t i o n
t e m p e r a
t u r e s , g o o d c o r r o s i o n
r e s i s t a n c e ,
h i g h
d a m p i n g
c a p a c i t y ,
and
g o o d - i n a c h i n a b i l i t y ,
and
a method o f p r o d u c i n g
s a m e .
A
u r t h e r o b j e c t o f t h e i n v e n t i o n
i s t o p r o d u c e
a
new
a r t i c l e o f
m a n u f a c t u r e
c o m p r i s i n g d u c t i l e i r o n , t h e m i c r o
s t r u c t u r e o f w h i c h
a s - c a s t
c o m p r i s e s
p r i m a r i l y
? n e w i d e l y
d i s p e r s e d
c a r b i d e s
i n a p e a r l i t i c
o r
f e r r o - p ' e a r l i t i c m a t r i x
w h i c h ,
upon
h e a t i n g t o
t h e h o t
w o r k i n g
t e m p e r a t u r e ,
com;
p r i s e s
? n e
w e l l - d i s p e r s e d
n o d u l a r
g r a p h i t e i n
a n
a u s t e n i t i c
matrix, a n d a m e t h o d of
producing
same.
‘
I h a v e f o u n d t h a t b y c o n t r o l l i n g t h e c h e m i c a l c o m p o s i
t i o n
o f
i r o n , p a r t i c u l a r l y
t h e c a r b o n , s u l f u r , s i l i c o n a n d
m a g n e s i u m c o n t e n t s , a n d b y p o u r i n g t h e m o l t e n i r o n i n t o
a
c h i l l mold
o f
any s i z e o r t y p e , an i n g o t can b e produced
w h i c h c o m p r i s e s
m a i n l y ? n e ,
w e l l - d i s p e r s e d ,
u n s t a b l e
c o m p l e x
c a r b i d e s a n d
h a s
p r a c t i c a l l y n o f r e e
p r i m a r y
g r a p h i t e i n a n y - f o r m , b u t
i f
some
b e
p r e s e n t i t w i l l
b e
i n
t h e form o f
m i n u t e ,
v e r y w i d e l y - d i s p e r s e d
n o d u l e s o r
s p h e r o i d s
a s t h e c o n s t i t u e n t s
o f
i t s
m i c r o s t r u c t u r e .
The
s a i d
m i c r o s t r u c t u r e makes i t
p o s s i b l e to
h e a t t h e
c a s t i n g s
t o a temperature
o f
about l850° Fp a n d hold f o r a very
s h o r t t i m e , e . g . 1 t o 2 h o u r s , t o decompose
t h e c a r b i d e s
t o
?ne
w e l l - d i s p e r s e d g r a p h i t e n o d u l e s and a u s t e n i t e s o
t h a t t h e i n g o t
c a n b e s u b s e q u e n t l y h o t - w o r k e d
by s u c h
methods
a s
r o l l i n g , hammering,
o r
f o r g i n g . S h o u l d
i t
b e
d e s i r e d
t o
c o l d work t h e
i n g o t , i t c a n be
s l o w l y
c o o l e d
from t h e a n n e a l i n g t e m p e r a t u r e t o
p r o d u c e
a s t r u c t u r e
r e t a i n i n g t h e . s a i d g r a p h i t e n o d u l e s , b u t w h i c h b e l o w t h e
c r i t i c a l w i l l be
i n
a m a t r i x
o f
f e r r i t e
o r
p e a r l i t e
‘ a c c o r d i n g
t o
t h e c o o l i n g
r a t e t o
g i v e p r o p e r t i e s d e s i r e d i n t h e
worked
p r o d u c t .
The
t i m e r e q u i r e d a t
t e m p e r a t u r e
t o
decom
pose t h e
? n e
c a r b i d e s t o ? n e g r a p h i t e i s much s h o r t e r
than t h a t
r e q u i r e d
t o decompose
t h e
f r e e
m a s s i v e
c a r -
b i d e s p r e s e n t
i n
m a l l e a b l e
i r o n
c a s t i n g s .
The
b r o a d c o m p o s i t i o n r a n g e s p e r m i s s i b l e i n t h e ? n a l
p r o d u c t made
b y t h e m e t h o d
o f t h i s i n v e n t i o n c o m p r i s e
by
w e i g h t a
t o t a l c a r b o n
c o n t e n t o f a b o u t
1.20 up
t o
about
3.60 , a
s i l i c o n
c o n t e n t o f about 1 . 0 0 up
. t o
a bout 2.00 , a phosphorus c o n t e n t
n o t o v e r
0.06 , a
s u l f u r c o n t e n t n o t o v e r 0.035 ,
a n d a b o u t
0.005
u p '
t o a b o u t 2 . 0 0
o f
W e l l - k n o w n n o d u l a r i z i n g
e l e m e n t s
s u c h
a s m a g n e s i u m ,
t e l l u r i u m , c e r i u m ,
c a l c i u m ,
l i t h i u m ,
s o d i u m
a n d p o t a s s i u m .
The
p r e f e r r e d
c h e m i c a l
compo
-
8/16/2019 Ductile Iron and Method of Making Same
2/4
3 , 1 5 5 , 4 9 8
3
s i t i o n
r a n g e s
o f
t h e
? n a l p r o d u c t
made
b y
t h e
m e t h o d o f
t h e
p r e s e n t i n v e n t i o n
c o m p r i s e a t o t a l
c a r b o n
c o n t e n t o f
from a b o u t
2 . 4 0 t o
a b o u t
2 . 8 0 ,
s i l i c o n from a b o u t .
1.50 t o
a b o u t
2 . 0 0 , p h o s p h o r u s up t o
a b o u t
0 . 0 6 ,
s u l p h u r
up t o a b o u t 0 . 0 2 5 , a n d magnesium f r o m a b o u t
0 . 0 4
up t o a b o u t
0.08 .
A
ormal
c a s t
i r o n
i s
melted
t o
a
manganese
range
o f
a b o u t
0 .6 0 up t o
a b o u t 0.80 p r i m a r i l y t o p r o v i d e
s u f ? c i e n t
manganese
t o
d e s u l f u r i z e
t h e
i r o n
and t o a l e s s e r
d e g r e e
t o add t o t h e
h a r d n e s s
o f
t h e
i r o n . The n o d u l a r i z
i n g e l e m e n t s u s e d i n
t h e
m a n u f a c t u r e o f d u c t i l e i r o n a r e
a l s o
p o w e r f u l
d e s u l f u r i z e r s m a k i n g
i t u n n e c e s s a r y t o h a v e
a h i g h e r
manganese t h a n up t o
0 . 3 5 .
The h a r d n e s s and
b r i t t l e n e s s
o f t h e i r o n a r e r e d u c e d ,
t h u s
i n c r e a s i n g t h e
w o r k a b i l i t y o f th e d u c t i l e i r o n o f t h e p r e s e n t
i n v e n t i o n .
However,
i t
h a s
been found t h a t i f a
h a r d e r
d u c t i l e i r o n
i s d e s i r e d an i n c r e a s e
o f
t h e manganese c o n t e n t
up
t o
1 . 5 0 w i l l n o t g r e a t l y
a f f e c t
t h e
w o r k a b i l i t y
o f t h e i r o n
o f t h e i n v e n t i o n .
The
m e l t i n g o f t h e i r o n
c a n
b e
a c c o m p l i s h e d
i n a n y
s u i t a b l e m e l t i n g a p p a r a t u s s u c h a s a c u p o l a f u r n a c e , b l a s t
f u r n a c e ,
o p e n - h e a r t h
f u r n a c e
o r
e l e c t r i c
f u r n a c e u s i n g
t h e
u s u a l o r e
m i x t u r e s , f u e l s a n d
o t h e r n e c e s s a r y
a d d i t i v e s ,
a l t h o u g h t h e p r e f e r r e d e q u i p m e n t
i s
t h e
c u p o l a f u r n a c e
f a m i l i a r t o
a l l
f o u n d r i e s , a n d t h e p r e f e r r e d c h a r g e i s s t e e l
s c r a p .
The
d u c t i l e i r o n embodying t h e p r e s e n t i n v e n t i o n
c a n
b e p r o d u c e d , f o r e x a m p l e ,
b y
m e l t i n g a s u i t a b l e
c h a r g e ,
p r e f e r a b l y 1 0 0
s e l e c t e d
s t e e l
s c r a p
s u c h a s
s t r u c t u r a l
channel s h a p e s , having
a
l ow c o n t e n t o f r e s i d u a l elements
s u c h a s c o p p e r , b i s m u t h , t i n , l e a d , t i t a n i u m , s o a s
t o
p r o
d u c e a h e a t
o f
molten
i r o n
a t
t a p p i n g
c o m p r i s i n g a chem
i c a l c o n t e n t o f , f o r e x a m p l e , c a r b o n from
a b o u t
2.50
up t o a b o u t 4 .2 0 , s i l i c o n a b o u t 2 . 0 0
m a x . ,
manganese
from a b o u t
0 . 0 5
up t o a b o u t 1 . 0 0 , p h o s p h o r u s a b o u t
0 . 0 6
m a x , s u l f u r up
t o a b o u t 0 . 3 0
max. and t h e
b a l
ance
i r o n .
The a f o r e m e n t i o n e d m o l t e n
i r o n i s
t a p p e d
i n t o
a
l a d l e
and
t h e
c a r b o n
and s i l i c o n c o n t e n t s a r e r e d u c e d
by
s u b
j e c t i n g t h e s a i d
m o l t e n
i r o n t o t h e
a c t i o n
o f
a n
o x i d i z i n g
a g e n t , p r e f e r a b l y
p u r e
g a s e o u s o x y g e n blown
u n d e r
p r e s
s u r e t h r o u g h a p i p e
o n t o
t h e s u r f a c e o f t h e s a i d molten
i r o n . The oxygen u n i t e s w i t h
t h e
s i l i c o n i n t h e
i r o n
r e
s u l t i n g i n t h e
r e m o v a l
o f s u b s t a n t i a l l y
a l l
o f t h e
s i l i c o n
b e f o r e
t h e
c a r b o n i s
o x i d i z e d
t o
t h e
r e q u i r e d
r a n g e s
o f
1 . 2 0
t o
3 . 6 0 .
The s i l i c o n
i s
r e p l a c e d i n
t h e
i r o n i n
s u b s e q u e n t
d e o x i d a t i o n
a n d i n o c u l a t i o n s t e p s
t o a
l e v e l
o f
1.00 t o 2.00 . The c a r b o n and s i l i c o n c o n t e n t s
a r e
r e q u i r e d a t t h i s l e v e l s o t h a t l a r g e n o d u l e s
o f
f r e e
p r i m a r y
g r a p h i t e
a r e
n o t f o r m e d d u r i n g t h e s o l i d i ? c a t i o n o f t h e
m e t a l i n t h e m o ld a s o c c u r s i n
normal
d u c t i l e i r o n
and
which would
r e n d e r
t h e
m e t a l u n w o r k a b l e .
The
s a i d
m o l t e n i r o n
i s
n o w
d e o x i d i z e d by t h e
a d d i
t i o n o f
s i l i c o n
p r e f e r a b l y i n a m o u n t s which w i l l a l s o
p r o v i d e a s i l i c o n
c o n t e n t
o f 0 . 2 0 - 0 . 5 0 . S m a l l
amounts
o f
aluminum m a y b e a d d e d
t o
i n s u r e c o m p l e t e d e o x i d a
t i o n , b u t t h i s i s n o t e s s e n t i a l t o t h e p r a c t i c e o f
t h e
i n v e n
t i o n , a s d e o x i d a t i o n c a n
b e
a c c o m p l i s h e d b y t h e s i l i c o n
a l o n e .
A f t e r d e o x i d a t i o n , a
n o d u l a r i z i n g
a g e n t c o n s i s t i n g o f
one o r more e l e m e n t s o f t h e group magnesium,
t e l l u r i u m ,
c e r i u m , c a l c i u m , l i t h i u m , s o d i u m , p o t a s s i u m , p r e f e r a b l y
magnesium f e r r o s i l i c o n a l l o y , i s
p l a c e d
i n a
s e c o n d l a d l e .
The s a i d
d i o x i d i z e d
m o l t e n
i r o n
i s
r e l a d l e d
i n t o
t h e
l a d l e
c o n t a i n i n g
t h e
a f o r e m e n t i o n e d n o d u l a r i z i n g a g e n t t o r e
d u c e t h e s u l p h u r
a n d t o
p r o v i d e
t h e
? n a l r e s i d u a l c o n t e n t
o f n o d u l a r i z i n g a g e n t n e c e s s a r y
t o
p r o v i d e
n u c l e i f o r t h e
f o r m a t i o n o f
?ne
w e l l - d i s p e r s e d u n s t a b l e
complex
c a r
b i d e s
a s c a s t
and l a t e r t h e f o r m a t i o n upon
h e a t i n g
o f s m a l l
g r a p h i t e n o d u l e s
o r
s p h e r o i d s
a n d
t o
i n h i b i t
t h e forma
t i o n o f
a n y ? a k e
g r a p h i t e i n t h e
? n a l
p r o d u c t .
The
s i l i c o n
a d d e d i n
t h e
d e o x i d a t i o n s t e p and w i t h t h e
n o d u l a r i z i n g
a g e n t
s h o u l d b e s u ? i c i e n t
t o
p r o m o t e
g r a p h
i t i z a t i o n i n t h e
h e a t i n g
o r a n n e a l i n g
s t e p .
An
e x a m p l e
o f a ? n a l c o m p o s i t i o n o f t h e i r o n o f t h e
1 0
40
5 0
60
7 0
7 5
like.
4
i n v e n t i o n
c o m p r i s e s c a r b o n a b o u t 2 . 4 0 - 2 . 8 0 , s i l i c o n
a b o u t
1 5 0 - 2 . 0 0 , m a n g a n e s e a b o u t
0 . 1 5 - 0 . 4 0 , p h o s
p h o r u s
a b o u t 0 . 0 6 m a x . ,
s u l f u r
a b o u t 0.025 m a x .
a n d
magnesium
a b o u t
0 . 0 4 — 0 . 0 8 .
F o l l o w i n g t h e i n o c u l a t i o n
s t e p , i t h a s
b e e n f o u n d t h a t
t h e
a d d i t io n o f
s i l i c o n i n a p o s t
i n o c u l a t i o n
t r e a t m e n t
i s
s o m e t i m e s
d e s i r a b l e .
T h i s
a d d i t i o n a l
s i l i c o n
h a s
b e e n
f o u n d e f f e c t i v e i n s h o r t e n i n g t h e h e a t i n g t i m e s r e q u i r e d
t o b r e a k up t h e
u n s t a b l e c a r b i d e s .
A l t h o u g h t h i s h a s
b e e n
found
t o
b e a d v a n t a g e o u s , i t i s n o t e s s e n t i a l t o t h e i n
v e n t i o n .
The a b o v e
t r e a t e d
m o l t e n
i r o n i s t e e m e d i n t o c h i l l
molds
o f
any
d e s i r e d s i z e o r
s h a p e and a l l o w e d t o r e m a i n
f o r
a p e r i o d
o f t i m e l o n g e n o u g h
t o s o l i d i f y
t h e
i n g o t .
The r e s u l t a n t
i n g o t w i l l
h a v e a s t r u c t u r e c o m p r i s i n g
? n e
w e l l - d i s p e r s e d
u n s t a b l e
complex c a r b i d e s i n a f e r r o u s
m a t r i x
a n d l i t t l e i f a n y g r a p h i t e , s u c h g r a p h i t e i f p r e s e n t
b e i n g i n t h e f o r m o f
m i n u t e ,
w e l l - d i s p e r s e d
n o d u l e s .
The
s o l i d i ? e d
i n g o t i s
removed from t h e
mold a s s o o n
a s p o s s i b l e and c h a r g e d i n t o a h o l d i n g chamber o r f u r n a c e
a t 1 5 0 0 0 F . t o 2 0 0 0 °
F .
and
p r e f e r a b l y
1850—1950° F .
p r i o r t o
a n y w o r k i n g
o p e r a t i o n .
H o l d i n g
t h e
i n g o t w i t h
i n t h i s
t e m p e r a t u re r a n g e w i l l r e s u l t
i n t h e d i s s o l u t i o n o f
a l l
t h e
c a r b i d e s w i t h i n
a p e r i o d
o f 1 t o 2 h o u r s r e s u l t i n g
i n a
s t r u c t u r e
c o m p r i s i n g
s m a l l w e l l - d i s p e r s e d
n o d u l e s
o f f r e e g r a p h i t e
i n
an a u s t e n i t i c m a t r i x . I f f o r any r e a s o n
t h e s o l i d i ? e d i n g o t i s
a l l o w e d
t o b e c o a e c o l d , i t i s p r e
f e r r e d t h a t t h e s a i d c o l d i n g o t b e
c h a r g e d
i n t o a
p r e h e a t
chamber o r f u r n a c e
a t
a p p r o x i m a t e l y
1 0 0 0 ° - 1 3 0 0 °
F . ,
p r e f e r a b l y a b o u t 1 2 0 0 ° F . , h e a t e d f o r a
s u f ? c i e n t
l e n g t h
o f t i m e
t o
a s s u r e
t h a t
t h e
c a s t i n g
i s a t
a
uniform h e a t ,
t h e n
t r a n s f e r r e d t o
a h e a t i n g
chamber
a t 1 5 0 0 °
F .
t o
2 0 0 0 ° F . ,
p r e f e r a b l y
l 8 5 0 ° - 1 9 5 0 °
F .
a n d h e l d f o r a s u f f i
c i e n t
l e n g t h o f t i m e t o a s s u r e a
uniform
h e a t i n g p r i o r t o
t h e ? n a l h o t - w o rk i n g
o p e r a t i o n s
o f r o l l i n g , h a m m e r i n g ,
o r
f o r g i n g
n e c e s s a r y t o
form
t h e
s a i d i n g o t
i n t o s e m i
? n i s h e d
a n d
? n i s h e d
p r o d u c t s .
I t
w l l
b e u n d e rs t o o d
t h a t
t h e s e m i - ? n i s h e d a n d ? n i s h e d p r o d u c t s r e f e r r e d t o
i n
t h e
p r e s e n t
i n v e n t i o n i n c l u d e s u c h a r t i c l e s a s
blooms
and
b i l l e t s t o c k f o r s e c o n d a r y c o n v e r s i o n b y r o l l i n g , hammer
i n g o r f o r g i n g , b a r
s t o c k
b o t h
round and
? a t a s u s e d i n
t h e i n d u s t r y f o r f u r t h e r p r o c e s s i n g b y m a c h i n i n g , d r a w
i n g c o l d - w o r k i n g a n d t h e l i k e , a n d ? n i s h e d
hammered o r
f o r g e d
m a t e r i a l s
s u c h a s s t e a m t r a p s , g e a r b l a n k s
a n d
t h e
These
? n i s h e d
p r o d u c t s m a y be u s e d a s r o l l e d , o r
a n n e a l e d
o r
i n t h e h e a t - t r e a t e d c o n d i t i o n .
I f
t h e i n g o t
i s t o
b e d i r e c t l y
c o l d w o r k e d , t h e h e a t i n g i s
f o l l o w e d
b y
s l o w c o o l i n g
t o t h e c o l d
w o r k i n g t e m p e r a t u r e .
By
c a r e f u l ' c o n t r o l
o f
t h e c h e m i c a l c o m p o s i t i o n o f
d u c t i l e
i r o n , p a r t i c u l a r l y
t h e c a r b o n a n d s i l i c o n c o n t e n t s ,
a n d b y c a r e f u l
h o t m e t a l
p r o c e d u r e s ,
i t i s
p o s s i b l e t o
manufacture
a
d u c t i l e
i r o n
which can
be
worked
hot
o r
c o l d b y
a n y
o f t h e c o n v e n t i o n a l m e t h o d s , r o l l i n g
ham
m e r i n g , f o r g i n g ,
i n t o
s e m i - ? n i s h e d a n d
? n i s h e d p r o d u c t s
w h i c h
h a v e
b e t t e r m e c h a n i c a l
p r o p e r t i e s ,
p a r t i c u l a r l y
d u c t i l i t y , a n d h i g h e r i m p a c t s t r e n g t h s t h a n g r e y
c a s t
i r o n s ,
m a l l e a b l e
c a s t i r o n s
o r
normal
d u c t i l e
i r o n s ; and
l o w e r
t r a n s i t i o n
t e m p e r a t u r e s ,
b e t t e r c o r r o s i o n
r e s i s t a n c e a n d
h i g h e r d a m p i n g c a p a c i t y t h a n m i l d s t e e l s .
A p e c i ? c example o f
my r o c e s s i s
a s
f o l l o w s :
A
o l t e n i r o n
b a t h
c o n t a i n i n g by w e i g h t a t o t a l
c a r b o n
c o n t e n t o f a b o u t
3.40 ,
a manganese c o n t e n t o f a b o u t
0 . 3 5 and a
s i l i c o n
c o n t e n t
o f
about
1 . 3 0 wa s o b t a i n e d
b y
m e l t i n g
a c h a r g e o f 6 , 0 0 0
p o u n d s
o f
s e l e c t e d s t e e l
s c r a p ,
1 , 0 0 0 p o u n d s o f c o k e , 1 5 0 p o u n d s o f 5 0
f e r r o
s i l i c o n
a l l o y a n d
6 0
p o u n d s o f l i m e s t o n e i n
a C u p o l a
t y p e
f u r n a c e .
The
molten
m e t a l
was
t a p p e d
a t a
tem
p e r a t u re o f a p p r o x i m a t e l y 2 6 0 0 ° F .
i n t o
a l a d l e which
c o n t a i n e d
9 0 p o u n d s o r p u r i t e (Na2CO3) w h i c h d e s u l
f u r i z e d t h e c u p o l a i r o n a n d r e s u l t e d i n a s u l f u r c o n t e n t
o f b e l o w . 0 3 . I n o r d e r t o i n s u r e s a t i s f a c t o r y
d e s u l f u r i
z a t i o n a n d
t h e “ f l o a t i n g o u t ”
o f
t h e manganese s u l ? d e s
t h u s f o r m e d , t h e m o l t e n m e t a l was a g i t a t e d w i t h p u r e
g a s e o u s n i t r o g e n f o r
a p p r o x i m a t e l y
3 m i n u t e s .
The m o l t e n
m e t a l
w a s t h e n
o x i d i z e d b y b l o w i n g 1 6 5 0
-
8/16/2019 Ductile Iron and Method of Making Same
3/4
-
8/16/2019 Ductile Iron and Method of Making Same
4/4
3 , 1 5 5 , 4 9 8
t h e s a i d m o l t e n
i r o n
a l l o y i n t h e l a d l e t o
p r o d u c e
a
s i l i c o n
c o n t e n t o f a b o u t 0.20 up
t o
a b o u t 0.50 ,
( d )
a d d i n g
s i l i c o n a n d a
n o d u l a r i z i n g
a g e n t t h e r e t o ,
( 2 )
t e e m i n g
t h e m o l t e n i r o n a l l o y i n t o
a
c h i l l mold
a n d
a l l o w i n g
s a i d
m o l t e n i r o n
a l l o y t o s o l i d i f y .
R e f e r e n c e s
C i t e d
i n
t h e
? l e
o f
t h i s
p a t e n t
UNITED S TATES
PATENTS
2 , 2 5 6 , 6 7 4
Herrmann
___________
_ Sept. 23,
1 9 4 1
2,5 7 8 ,794 Ga g ne bi n e t a 1 _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ Dec. 1 8 , 1 9 5 1
2 ,8 5 5,336 Curry _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ O c t . 7 , 1 9 5 8
2 , 9 3 7 , 0 8 4
Klepp e t
a l ____________ _
May 7 , 1960
8
FOREIGN
PATENTS
7 0 2 , 7 7 6
Great
B r i t a i n
_ _ _ _ _ _ _ _ _
__
J a n . 2 0 ,
1 9 5 4
OTHER
REFERENCES
G a g n e b i n e t
2 1 1 . :
The I r o n A g e , F e b r u a r y 1 7 , 1 9 4 9 ,
p a g e s 7 7 - 8 4 , p u b l i s h e d
b y
t h e
I r o n A g e , C h e s t n u t
a n d
5 6 t h
S t r e e t ,
P h i l a d e l p h i a 3 9 ,
P e n n s y l v a n i a .
C a s t M e t a l s Handbook,
4 t h e d i t i o n , 1 9 5 7 ,
p a g e s
1 9 5 ~
1 0 2 0 0 ,
p u b l i s h e d b y
t h e A m e r i c a n F o u n d r y m e n ’ s S o c i e t y ,
D e s P l a i n e s ,
I l l i n o i s .