Effect of Copper Alloying on Fatigue Life and Fatigue Crack Growth Behaviour of Ductile Cast Irons

Abstract

Specimens cut out and machined from Cu alloyed (about 1.6%) and unalloyed (less than 0.012%) ductile cast iron ingots were tested under cycling loading to reveal the effect of copper addition on fatigue performance. The influence of solidification rate and hence the microstructure were also studied by preparing sand cast and die cast ingots from each composition. Some high copper die cast specimens were annealed to spheroidize and homogenize the matrix’s pearlite structure. All experiments were carried out by subjecting CT type specimens to constant load amplitude and tensile to tensile sinusoidal load cycles. Electrical crack foils were employed to measure instantaneous crack sizes. Cu alloyed samples showed higher fatigue lives. Similarly, crack growth rate diagrams pointed out lower fatigue crack velocities and higher near threshold stress intensity factors in high Cu specimens. The spheroidization of pearlitic matrix resulted in an insignificant increase in fatigue crack growth rate and a 10% decrease in near threshold stress intensity value. The fatigue performance of sand cast pieces was better than die cast ones. It is concluded that the fatigue life of ductile cast irons can be improved by copper alloying.

Des éprouvettes coupées et usinées à partir de lingots de fonte ductile alliée au cuivre (approximativement 1.6%) et non alliée (moins de 0.012%) ont été évaluées sous effort cyclique afin de révéler l’effet de l’addition de cuivre sur le comportement de fatigue. On a également étudié l’influence du taux de solidification, et ainsi de la microstructure, en préparant des lingots coulés en sable et d’autres coulés en coquille, à partir de chaque composition. On a recuit quelques éprouvettes à haute teneur en cuivre, coulées en coquille, pour obtenir la sphéroïdisation et l’homogénéisation de la structure perlitique de la matrice. On a effectué toutes les expériences en exposant les éprouvettes de type C-T à des cycles avec charge d’amplitude constante, à charge sinusoïdale traction à traction. On a utilisé des films électriques à fissure pour mesurer la taille instantanée des fissures. Les échantillons alliés au cuivre ont montré une plus grande résistance à la fatigue. De façon similaire, des diagrammes de taux de croissance de la fissure indiquaient des vélocités plus basses de fissure due à la fatigue et des facteurs plus élevés d’intensité de contrainte près de la limite pour les éprouvettes à haute teneur en Cu. La sphéroïdisation de la matrice perlitique a résulté en une augmentation insignifiante du taux de croissance de fissure due à la fatigue et en une diminution de 10% de la valeur d’intensité de contrainte près de la limite. Le comportement de fatigue des pièces coulées en sable était meilleur que celui des pièces coulées en coquille. On conclut que la résistance à la fatigue des fontes ductiles peut être améliorée par alliage au cuivre.     

The Physical Chemistry of Copper Smelting Slags and Copper Losses at the Paipote SmelterPart 2 – Characterisation of industrial slags

Abstract

The results of an investigation on copper losses in industrial slag from the Teniente converter (TC) and from the electrical slag cleaning furnace (EF) at the Paipote smelter in Chile are presented. Slag samples from each furnace were characterised using chemical and mineralogical techniques. The distribution of the various phases, including entrained matte, was quantified by semi-automatic image analysis. The level of soluble copper was measured by EPMA on samples cooled at a fast cooling rate. The phases found in the slag samples after such cooling are in agreement with thermodynamic calculations of the solidification process. Two types of magnetite crystals were observed in the TC slag samples: magnetite formed during slag solidification (type II) and magnetite which was present as a solid in the melt (type I). The portion of magnetite (type I) was found negligible in the EF slag samples. Sulphide phases were identified in the slag samples as solidified entrained matte, and sulphides present via ex-solution from the liquid slag during solidification. In the case of the TC, the present study has shown that with ～4·6 wt-%Cu in slag, about 87% was present as entrained matte. For the electrical furnace, the amount of entrained matte represents some 25% of the copper when the average copper level in EF slag samples was ～0·74 wt-%Cu.

Les résultats d'une étude sur les pertes en cuivre dans les laitiers du convertisseur Teniente (TC) et du four électrique (EF) de nettoyage du laitier de la fonderie de Paipote au Chili sont présentés. On a caractérisé des échantillons de laitier de chaque four en utilisant des techniques chimiques et minéralogiques. On a quantifié la distribution des diverses phases, incluant la matte entraînée, au moyen de l’analyse d’image semi-automatique. On a mesuré le niveau de cuivre soluble par EPMA sur des échantillons refroidis à un taux rapide de refroidissement. Les phases retrouvées dans les échantillons de laitier après un tel refroidissement sont en accord avec les calculs thermodynamiques du processus de solidification. On a observé deux types de cristaux de magnétite dans les échantillons de laitier du TC: la magnétite formée lors de la solidification du laitier (type II) et la magnétite présente sous forme solide dans le bain (type I). On a trouvé que la portion de magnétite (type I) était négligeable dans les échantillons de laitier du EF. Les phases de sulfure provenant de la matte entraînée solidifiée et les phases de sulfure formées par ex-solution du laitier durant la solidification ont été identifiées dans les échantillons industriels. Dans le cas du convertisseur Teniente, l’étude présente a montré qu’avec ～4·6 wt-% de Cu dans le laitier, environ 87% du cuivre était présent sous la forme de matte entraînée. Pour le four électrique, la quantité de matte entraînée représente quelque 25% du cuivre lorsque le niveau de cuivre moyen dans les échantillons de laitier du EF était de ～0·74 wt-%Cu.     

Oxidation behaviour of Al enhanced stainless steel coatings produced by cryomilling and spark plasma sintering

Abstract

Nanostructured 316L stainless steel coatings with and without Al were deposited on stainless steel substrates to evaluate the potential gain in oxidation resistance. Compared to the base alloy, nanostructured samples had thicker thermally grown oxides, independent of tested temperature. The oxides formed, however, were enriched in Cr, which was found to increase oxidation resistance. The addition of Al (2 and 6 wt-%) yielded an Al₂O₃/Cr₂O₃ oxide scale, which significantly increased the oxidation resistance compared to other samples. The nanostructured alloys had roughly half the activation energy for oxidation, and lower oxidation rate constants, than the conventional coatings.

On a déposé des revêtements nanostructurés d’acier inoxydable 316L, avec ou sans Al, sur des substrats en acier inoxydable (SS) afin d’évaluer le gain potentiel de résistance à l’oxydation. Comparés à l’alliage de base, les échantillons nanostructurés avaient des oxydes à croissance thermique plus épais, indépendamment de la température évaluée. Cependant, les oxydes formés étaient enrichis de chrome, ce qui augmentait la résistance à l’oxydation. L’addition d’Al (2 ou 6% en poids) produisait une écaille oxyde d’Al₂O₃/Cr₂O₃, ce qui augmentait significativement la résistance à l’oxydation par rapport aux autres échantillons. Les alliages nanostructurés avaient approximativement la moitié de l’énergie d’activation pour l’oxydation et des constantes de vitesse d’oxydation inférieures à celles des revêtements conventionnels.     

Kinetics of Cu(II) cementation on a pure aluminum disc in acidic sulphate solutions

Abstract

The rates of copper cementation on pure aluminum discs were studied as a function of (a) initial copper ion concentration, (b) temperature, (c) initial hydrogen ion concentration, and (d) the effect of the peripheral velocity of the Al disc.

At low initial copper ion concentration (1 × 10^?4M), there are two rate-controlling processes: ionic diffusion control at temperatures. above 40°C, and surface reaction control at temperatures below 40° C. At higher initial copper ion concentrations (5 × 10^?3 M), the rate is controlled by a chemical (surface) reaction.

When the-hydrogen ion concentration is increased to 0.7 M, the cementation rate increases. The pH remains constant during the reaction.

The cemented deposit is pure copper. The structure. of the deposit is dependent on both temperature and the initial copper ion concentration. At high initial copper ion concentration (5 × 10^-3 M) and at high temperatures (75° C), the rate, which was constant initially, increases with increasing deposition.

Résumé

Les taux de cémentation du cuivre sur des disques d'aluminium pur ont été étudié en fonction (a) de la concentration initiale des ions cuivres, (b) de la température, (c) de la concentration initiale des ions hydrogene et (d) de l'effet de la vitesse tangentielle du disque d'aluminium.

Pour une faible concentration initiale d'ions cuivre (1 × 10^?4 M) il y a deux processus régulateurs : à des températures supérieures à 40°C un côntrale de diffusion ionique et à moins de 40°C un côntrale de la réaction de surface. Pour des concentrations d'ions cuivre plus élevées (5 × 10^?3 M), le taux est contrôlé par une réaction chimique (de surface).

Quand la concentration des ions hydrogène est augmentée à 0.7M Ie taux de cémentation augmente, lp. pH demeure constant pendant la réaction.

Le dépôt est du cuivre pur et sa structure dépend à la fois de la température et de la teneur initiale en ions cuivre. A haute concentration initiale d'ions cuivre (5 × 10^-3M) et à haute temperature (75°C), le taux, constant du début, augmente quand le dépôt augmente.     

On the oxidation resistance of a powder metallurgy nickel-based superalloy

Abstract

To evaluate the influence of reactive minor elements on oxidation resistance of a nickel-based superalloy, 0?5w/o Si, and/or 0?1w/o Y were added in various combinations to a quaternary powder metallurgy alloy that consisted of a ternary master alloy, Ni–12Cr–9Fe+6w/o Al (w/o). The processing included production of transverse rupture strength (TRS) bars by uniaxial pressing followed by sintering to 1300°C and Gleeble thermo-mechanical deformation to reduce porosity. Sectioned TRS bars were then oxidised (static) at 900°C in air for times up to 1000 h and the influence of the Si/Y additions on oxidation resistance was determined via a combination of weight gain data and microstructural examination. It was found that the addition of 0?5w/o Si to the quaternary Ni–Cr–Fe–Al powder metallurgy system provided a measureable improvement in oxidation resistance both in terms of thickness of oxide layer and in overall weight gain. Conversely, 0?1w/o Y provided little benefit when added with the Si and was shown to be detrimental in the absence of Si. Interestingly, little difference was noted in final microstructures. Specifically, variation in %γ′ between samples was minimal (58?3–61?7 v/o) and a distinct precipitate free zone was always present between the oxide and the γ+γ′ matrix.

Afin d’évaluer l’influence des oligoéléments réactifs sur la résistance à l’oxydation d’un superalliage à base de nickel, on a ajouté 0?5% en poids de Si et/ou 0?1% en poids d’Y en combinaisons variées à un alliage quaternaire de la métallurgie des poudres qui consistait en un alliage ternaire maître, Ni–12Cr–9Fe+6% en poids d’Al. Le traitement incluait la production de barres de résistance à la rupture transversale par pressage uniaxe, suivi par le frittage à 1300°C et par la déformation thermomécanique de Gleeble pour réduire la porosité. Les barres sectionnées de TRS étaient ensuite oxydées (en statique) à 900°C à l’air jusqu’à 1000 h et l’influence des additions de Si/Y sur la résistance à l’oxydation était déterminée par l’intermédiaire d’une combinaison de données de gain de poids et d’examen de la microstructure. On a trouvé que l’addition de 0?5% en poids de Si au système quaternaire Ni–Cr–Fe–Al améliorait de façon mesurable la résistance à l’oxydation, tant en termes de l’épaisseur de la couche d’oxyde que de son gain global en poids. Réciproquement, 0?1% en poids d’Y avait peu de bénéfices lorsque ajouté avec le Si et l’on a montré qu’il était nuisible en absence de Si. De façon intéressante, on notait peu de différence dans les microstructures finales. Spécifiquement, la variation entre les échantillons du% de γ′ était minime (58?3 à 61?7% en volume) et une zone distincte sans précipités était toujours présente entre l’oxyde et la matrice de γ+γ′.     

Physical chemistry of copper smelting slags and copper losses at the Paipote smelterPart 1 – Thermodynamic modelling

Abstract

Thermodynamic modelling was used in conjunction with the results of a sampling campaign to investigate the liquidus temperature and the copper losses in slag from the Teniente converter (TC) and from the slag cleaning electrical furnace (EF) at the Paipote smelter in Chile. The present paper (Part 1) describes the smelter flow sheet and discusses the results of thermodynamic calculations. The impact of process parameters such as the Fe/SiO₂ ratio, the minor oxide levels in slag (CaO, Al₂O₃, MgO and ZnO), the sulphur dioxide partial pressure p(SO₂), temperature and matte composition were examined with respect to the slag liquidus and copper level in the slags. The operating window of the Paipote TC to produce good slag quality correspond to a vessel temperature between 1200 and 1250°C, and an Fe/SiO₂ ratio in slag between 1·5 and 1·8 when the iron content of the matte is in the range of 3–6 wt-%Fe (or 76·5–73·2 wt-%Cu). Under these conditions, the TC slag (average total copper in slag ～6 wt-%Cu) contains less than 1 wt-%Cu as soluble copper with approximately 90% of total copper in the slag is entrained matte; it is noted that 0–10 wt-% solid magnetite is in suspension in the slag. As regards the EF, over the nominal temperature range from 1200 and 1270°C, the EF slag is fully molten over a wide range of Fe/SiO₂ ratios for slag containing the present level of minor oxides. An operating temperature of about 1225°C and a Fe/SiO₂ ratio in the range 1·4–1·8 are considered good conditions for optimum EF performance. The EF slag typically averages 0·82 wt-%Cu and it was estimated that under present conditions, about 50% of this copper was as soluble copper with the balance as entrained matte.

La modélisation thermodynamique a été utilisée en conjonction avec les résultats d’une campagne d’échantillonnage pour examiner la température de liquidus et les pertes en cuivre dans le laitier du convertisseur de Teniente (TC) et du four électrique (EF) de nettoyage du laitier de la fonderie de Paipote au Chili. Le présent article (1^iere Partie) décrit le schéma du procédé de la fonderie et discute les résultats des calculs thermodynamiques. On a examiné l’impact des paramètres du procédé, comme le rapport Fe/SiO2 dans le laitier, le niveau de CaO, Al2O3, MgO et ZnO dans le laitier, la pression partielle du dioxyde de soufre p(SO2), la température et la composition de la matte, sur le líquidus du laitier et sur le niveau de cuivre soluble dans le laitier. La fenêtre d’opération du TC de Paipote permettant de produire une bonne qualité de laitier correspond à une température entre 1200 et 1250C et à un rapport Fe/SiO2 dans le laitier entre 1·5–1·8 lorsque la teneur en fer de la matte est dans la gamme de 3 à 6% en poids (ou 76·5 à 73·2%Cu). Sous ces conditions, le laitier du TC contenant un cuivre moyen total d’environ 6% contient moins que 1% en poids de Cu sous forme de cuivre soluble. Ce rapport permet de déduire qu’approximativement 90% du cuivre total dans le laitier est sous forme de matte entraînée. On note également qu’entre 0 et 10% en poids de magnétite solide est en suspension dans le laitier, dans les conditions normales d’opération. En ce qui concerne le EF, le laitier est complètement fondu sur une large gamme de rapports de Fe/SiO2 pour une température comprise entre 1200 à 1270°C en considérant les niveaux actuels en CaO, Al2O3, MgO et ZnO dans le laitier. Une température de fonctionnement d’environ 1225C et un rapport Fe/SiO2 dans une gamme de 1·4 à 1·8 sont considérés comme des bonnes conditions pour le rendement optimal du EF. Le laitier du EF contient typiquement une moyenne de 0·82% Cu et l’on a estimé que sous les conditions présentes, environ 50% de ce cuivre se trouvait sous la forme de cuivre soluble, le reste étant sous la forme de matte entraînée.     

PREPARATION AND PERFORMANCE OF COKE ANODES FOR FERROUS TO FERRIC ION OXIDATION IN A NEW COPPER ELECTROWINNING CELL

Abstract

Coke anodes were prepared in order to use them in a lab scale copper electrowinning (EW) cell based on reactive electrodialysis (RED) which uses the ferrous/ferric ion oxidation as an anodic reaction. The effects of various anode production parameters were studied and optimized. The most significant variables determining anode quality were baking temperature, baking atmosphere and compacting pressure. When applied in the Cu electrowinning RED cell with a cell current density of 300 A/m2, the optimized coke anode produced a cell voltage of 1.05 V which is half the cell voltage obtained in conventional copper EW cells and less than half the value obtained in the RED cell with a non-optimized coke anode. This represents considerable energy savings.

On a préparé des anodes de coke afin de les utiliser dans une cellule d’extraction électrolytique (EW) du cuivre à l’échelle du laboratoire basée sur l’électrodialyse réactive (RED) qui utilise l’oxydation de l’ion ferreux/ferrique comme réaction anodique. On a étudié et optimisé l’effet de divers paramètres de production de l’anode. Les variables les plus importantes dans la détermination de la qualité de l’anode incluaient la température de cuisson, l’atmosphère de cuisson et la pression de compaction. Lorsque appliquée à une cellule d’extraction électrolytique RED du Cu avec une densité de courant de la cellule de 300 A/m2, l’anode de coke optimisée produisait un voltage cellulaire de 1.05 V, ce qui est la moitié du voltage cellulaire obtenu dans les cellules d’extraction électrolytiques conventionnelles du cuivre et moins que la moitié de la valeur obtenue dans la cellule RED avec une anode de coke non optimisée. Ceci représente des économies d’énergie importantes.     

Copper cementation on nickel discs

Abstract

The cementation of copper on various types of nickel discs has been studied in dilute cupric sulphate solutions. Activation of the cathode nickel discs with Te⁺⁴ was necessary to achieve reproducible rates, whereas satisfactory results were obtained with mint nickel discs using only a chemical polishing treatment Attempts to cement copper on discs of nickel-copper alloys were unsuccessful.

The cementation process on pure nickel takes place by two different rate-controlling mechanisms. At low temperatures the process is probably controlled by a surface reaction, whereas at higher temperatures the process is probably controlled by diffusion through surface layers. When the acidify of the solution is increased, the cementation rate increases. The rate decreases with increasing thickness of the cemented deposit.

Résumé

Le dépôt de cuivre sur divers types de disques de nickel a été étudié en solution diluée de sulfate cuivrique. Afin d'obtenir des taux reproductibles il a été nécessaire d'activer les disques de nickel cathodique avec du Te⁺⁴ alors que pour du nickel à monnaie des résultats satisfaisants étaient atteints apnès un polissage chimique. Les essais de dépôt de cuivre sur des alliages de nickel-cuivre se sont avénés infructueux.

Le processus du dépot sur du nickel pur se fait par deux mécanismes différents. A basses températures le processus est probablement contrôlé par une réaction de surface tandis qu'a plus haute température il serait contrôle par diffusion au travers de la surface. Quand l'acidité de la solution est augmentée, le taux de dépôt augmente également. Ce taux diminue au fur et à mesure que l'épaisseur du dépôt augmente.     

Freeze lining formation in continuous converting calcium ferrite slags. I

The initial freeze-lining growth rate in calcium ferrite slags at copper saturation is high and comparable to iron silicate slags. The entire freeze-lining layer is crystalline, from the cold end to its hot-face in contact with the molten slag. Industrial copper converting slags from a continuous flash converting furnace, processing solid high-grade matte to blister copper, generate a thin calcium sulphate bonding layer against the water-cooled metal surface during the very first minutes of the slag-to-cooling element contact. The rare solidification behaviour was observed using the water-cooled probe technique in rotating MgO crucibles, at slag temperatures of 1325°C when liquidus temperature of the flash converting slag was estimated to locate at about 1245°C. The body of the freeze lining is mostly composed of magnetite, various mixed calcium–copper ferrites and delafossite embedded in an intergranular phase of metallic copper and some copper oxide. The arsenic oxides dissolved in the slag are precipitated as solid calcium arsenates in the freeze lining.

La vitesse initiale de croissance du revêtement de gel des scories de ferrite de calcium saturées en cuivre est élevée et comparable à celle des scories de silicate de fer. Toute la couche du revêtement de gel est cristalline, de l’extrémité froide jusqu’à sa face chaude en contact avec la scorie fondue. Les scories industrielles de cémentation de cuivre d’un four éclair de cémentation en continu, transformant une matte solide de haute qualité en un cuivre ampoulé, engendrent une mince couche de liaison de sulphate de calcium contre la surface de métal refroidie à l’eau lors des toutes premières minutes du contact de la scorie avec l’élément de refroidissement. On a observé ce comportement rare de solidification en utilisant la technique de la sonde refroidie à l’eau dans des creusets de MgO en rotation. La température de la scorie était de 1325°C alors que la température de liquidus de la scorie de cémentation éclair était estimée à environ 1245°C. Le corps du revêtement de gel est composé principalement de magnétite, de diverses ferrites mélangées de calcium et cuivre et de délafossite, qui sont incluses dans une phase intergranulaire de cuivre métallique et d’un peu d’oxyde de cuivre. Les oxydes d’arsenic dissous dans la scorie sont précipités dans le revêtement de gel sous forme d’arséniates solides de calcium.     

Mechanism of Oxidation of Pyrite,Chalcopyrite and Bornite During Flash Smelting

Abstract

The oxidation processes of pyrite, chalcopyrite and bornite were studied under simulated flash smelting conditions. The influence of temperature, in the range from 733 to 1473 K and of oxygen partial pressure (3.5 and 21 kPa) on the degree of sulphide particle oxidation was determined. It was established that under the same conditions, the highest degree of oxidation was achieved for pyrite particles and the oxidation of bornite particles was the slowest process.

It was established with electron probe microanalysis (EPMA) that migration of iron ions towards the reaction surface took place during sulphide particle oxidation on flash smelting. This process considerably influenced the path of phase transformations in the oxidizable particles.

Based on the experimental results, a dependence has been found between the shape of reacted particle and the degree of particle phase transformation. Mechanisms have been proposed for pyrite, chalcopyrite and bornite oxidation in flash smelting, on the basis of results obtained.

The adequacy of mechanisms proposed was tested by investigating the shaft product taken from the flash smelting furnace (Pirdop, Bulgaria) obtained when sulphide copper blend was smelted to a matte containing 55% of Cu.

On a étudié les processus d’oxydation de la pyrite, de la chalcopyrite et de la bornite sous des conditions simulées de fusion flash. On a déterminé l’influence de la température, dans la gamme de 733 à 1473 K, et de la pression partielle de l’oxygène (3.5 et 21 kPa) sur le degré d’oxydation de particule de sulfure. On a établi que, sous les mêmes conditions, le plus haut degré d’oxydation est obtenu pour les particules de pyrite alors que l’oxydation des particules de bornite est le processus le plus lent.

On a établi au moyen d’analyse par microsonde électronique (EPMA) que la migration des ions de fer vers la surface de réaction a lieu pendant l’oxydation de la particule de sulfure au moment de la fusion flash. Ce processus influence considérablement la route des transformations de phase des particules oxydables.

Basé sur les résultats expérimentaux, on a trouvé une dépendance entre la forme d’une particule ayant réagi et le degré de transformation de phase de la particule. On propose des mécanismes d’oxydation de la pyrite, de la chalcopyrite et de la bornite dans la fusion flash, sur la base des résultats obtenus.

On a évalué l’adéquation des mécanismes proposés en étudiant le produit de la cuve pris du four de fusion flash (Pirdop, Bulgarie) obtenu lorsqu’un mélange de sulfure et de cuivre était fondu en une matte contenant 55% de Cu.     

Effects of Fe and Ni additions on emerging Al–4·5Cu–1·5Mg powder metallurgy alloy

Abstract

In recent laboratory studies, a method designed to modify an emerging Al–Cu–Mg powder metallurgy alloy with Fe and/or Ni additions was successfully developed. The objectives of this research were designed to expand upon this work with an emphasis on characterising the industrial processing behaviour and thermal stability of the alloy with and without additions of these transition metals. All powder compacts exhibited an industrial sintering response that mirrored prior laboratory findings thereby confirming commercial viability. Subsequently, tensile specimens were machined from industrially sintered bars, heat treated to the T6 temper and then subjected to various conditions of thermal exposure at temperatures up to 280°C. Differential scanning calorimetry (DSC) data confirmed that Fe/Ni additions reduced the precipitation kinetics of the S-type phases responsible for peak strengthening at temperatures <160°C and thereby enhanced the thermal stability of important tensile properties such as yield strength. At higher temperatures (>200°C), the Fe/Ni additions were less effective with both alloys exhibiting comparable levels of strength degradation.

Lors d’études récentes en laboratoire, on a développé avec succès une méthode conçue pour modifier un alliage émergeant de la métallurgie des poudres, Al–Cu–Mg, avec des additions de Fe et/ou de Ni. Cette recherche a pour but d’élargir ce travail avec une emphase sur la caractérisation du comportement du traitement industriel et de la stabilité thermique de l’alliage, avec ou sans additions de ces métaux de transition. Tous les compacts de poudre exhibaient une réponse industrielle de frittage qui reflétait les trouvailles antécédentes en laboratoire, confirmant ainsi la viabilité commerciale. Subséquemment, on a usiné des échantillons pour mesure de résistance à la traction à partir de barres frittées industriellement et on les a traités thermiquement à l’état T6. On a ensuite soumis les échantillons à des conditions variées d’exposition thermique à des températures allant jusqu’à 280°C. Les données de DSC ont confirmé que les additions de Fe/Ni réduisaient la cinétique de précipitation des phases de type S, responsables de l’endurcissement de pointe à des températures <160°C et augmentaient ainsi la stabilité thermique des propriétés importantes de résistance à la traction comme la limite d’élasticité. À des températures plus élevées (>200°C), les additions de Fe/Ni étaient moins efficaces, les deux alliages exhibant des niveaux comparables de dégradation de la résistance.     

Mathematical Model of Bubble Formation at the Tuyeres of a Copper Converter

Abstract

Based on earlier observations that gas discharges from the tuyeres of a non-ferrous converter as discrete bubbles, a mathematical model has been developed to describe the dynamics of bubble formation in copper converting. The bubbles have been assumed to be spherical in shape and to grow at the tuyere tip under conditions of constant flow. The model incorporates the effects of heat transfer to the bubble, chemical reaction between the bubble and the bath and co flowing bath circulation. The model has been used to predict the concentrations of O₂ and SO₂, temperature, volume and rise velocity for the bubble as a function of time, while imposition of a detachment condition has permitted the prediction of the bubble frequency. Thus it has been shown that the oxidation reactions have little effect on the bubble formation while convective heat transfer and bath circulation have a large influence. Bath velocity acts to increase the bubble frequency while heat transfer has the opposite effect. Depending on the value of the heat-transfer coefficient employed, the model predicts the velocity of bath circulation in the vicinity of the tuyere to be between 120 and 260 cm/s. For a given bath velocity, the bubble frequency decreases with increasing air input rate. The implications of these predictions for copper converting are discussed, and it is suggested that present converter operation may be “bubble-volume“ limited.

Résumé

En se fondant sur les observations anterieures que le gaz qui s' échappe des tuyères d'un convertisseur de métaux non-ferreux est sous forme de bulles séparées, nous avons développé un modèle mathématique pour décrire la dynamique de formation des bulles dans le convertissage du cuivre. Nous avons supposé que les bulles ont une forme sphérique et qu'elles croissent à l'extrémité de la tuyère dans des conditions d' écoulement constant. Le modèle incorpore les effets du transfert de chaleur à la bulle, de la réaction chimique entre la bulle et le bain, et la circulation du bain. Le modèle a été utilisé pour prédire les concentrations de O₂ et SO₂, la température, le volume et la vitesse de montee des bulles en fonction du temps, alors que l'introduction d'une condition de séparation a permis de prédire la fréquence des bulles. Ainsi nous avons montré que les réactions d'oxydation ont peu d'effet sur la formation des bulles alors que le transfert de chaleur par convection et la circulation du bain ont une grande influence. La vitesse du bain accroît la fréquence des bulles alors que le transfert de chaleur a l'effet opposé. Dépendant de la valeur du coefficient de transfert de chaleur employé le modèle predit que la vitesse de circulation du bain dans le voisinage de la tuyère est comprise entre 120 et 260 cm/s. Pour une vitesse donnée du bain, la fréquence des bulles décroît lorsque l'on augmente le taux d'arrivée d'air. Les implications de ces predictions pour le convertissage du cuivre sont discutées et nous suggérons que l'opération actuelle des convertisseurs pourrait être limitée par le volume des bulles.     

Formation mechanism of IDZ during coating of IN738 by single step gas phase aluminising

Abstract

The formation mechanism of interdiffusion zone (IDZ) during gas phase aluminising of nickel based superalloy IN738LC and the effects of temperature and Al activity on the microstructure of IDZ were investigated in this research. For this purpose, a single step gas phase aluminising technique was applied for coating the surfaces of IN738LC specimens at two different processing temperatures (i.e. 850 and 1050°C) and various pack compositions. Then the coating microstructures were evaluated using a scanning electron microscope, an energy dispersive spectrometer and an X‐ray diffractometer. The results showed that at the low temperature, coating was formed by inward diffusion of Al, whereas at the high temperature, both outward diffusion of Ni and inward diffusion of Al occurred, resulting in the formation of a columnar structure or an IDZ. By increasing the Al activity in the powder mixture, it is shown that the amount of Al within the inner layer of the coating increased.

Au cours de cette recherche, on a étudié le mécanisme de formation de la zone d’interdiffusion (IDZ) lors de la calorisation en phase gazeuse du superalliage à base de nickel, IN738LC ainsi que les effets de la température et de l’activité de l’Al sur la microstructure de l’IDZ. Dans ce dessein, on a appliqué une technique de calorisation en phase gazeuse à étape unique pour revêtir les surfaces des échantillons d’IN738LC à deux températures différentes de traitement (i.e. 850 et 1050°C) et avec diverses compositions de poudre. Ensuite, on a évalué les microstructures du revêtement en utilisant les techniques du microscope électronique à balayage, de l’EDS et de l’XRD. Les résultats ont montré qu’à basse température, le revêtement était formé par diffusion de l’Al vers l’intérieur alors qu’à haute température, tant la diffusion du Ni vers l’extérieur que la diffusion de l’Al vers l’intérieur se produisaient, résultant en la formation d’une structure en colonnes ou IDZ. En augmentant l’activité de l’Al dans le mélange en poudre, on montre que la quantité d’Al à l’intérieur de la couche interne du revêtement augmentait.     

Electrodeposition of cobalt–tungsten alloys from alkaline citrate containing bath as alternative for chromium hexavalent replacement

Abstract

Cobalt–tungsten alloys have been considered as potential materials for various applications. This work investigates the wear and corrosion resistance behaviour of cobalt–tungsten–phosphorus alloys electroplated from alkaline citrate containing baths. The wear rates of the cobalt–tungsten alloy electrodeposits were lower than those of the unalloyed cobalt electrodeposits. The wear rate was also lower than those of chromium plated from hexavalent chromium plating bath. It was also demonstrated that the addition of small quantities of phosphorus into Co–W alloys improved the corrosion resistance of the alloy. In fact, the addition of phosphorus further improved the corrosion of the alloy exposed to immersion test in comparison to cobalt–tungsten. The cobalt–tungsten alloys without having any phosphorus component were subjected to further oxidation of tungsten component followed by dissolution in deionised water during the immersion tests.

On a considéré des alliages de cobalt et tungstène comme matériaux potentiels pour diverses applications. Ce travail examine le comportement d’usure et de résistance à la corrosion d’alliages de cobalt, tungstène et phosphore déposés par électrolyse, à partir de bains alcalins contenant du citrate. Les taux d’usures des dépôts de l’alliage de cobalt et tungstène étaient plus faibles que ceux des dépôts non alliés de cobalt. Le taux d’usure était également plus faible que ceux de chrome déposés à partir d’un bain de dépôt électrolytique de chrome hexavalent. On a également démontré que l’addition de petites quantités de phosphore dans les alliages de Co–W améliorait la résistance à la corrosion de l’alliage. En fait, l’addition de phosphore améliorait davantage la corrosion de l’alliage exposé à un essai d’immersion par rapport à l’alliage au cobalt et tungstène. Les alliages de cobalt et tungstène, sans la composante de phosphore, étaient sujets à davantage d’oxydation de la composante de tungstène suivie par la dissolution dans de l’eau déionisée lors des essais d’immersion.     

Direct selective leaching of chalcopyrite concentrate

The ammonium persulphate (APS) leaching of chalcopyrite concentrate in the presence of ammonium carbonate was studied. The effects of ammonium carbonate concentration, APS concentration, leaching time, leaching temperature, solid/liquid ratio and stirring speed were investigated. Optimum leaching conditions were found as follows: APS concentration is 200 g L^?1; ammonium carbonate concentration is 200 g L^?1; leaching time is 180 min; leaching temperature is 60°C; solid/liquid ratio is 0·04 g mL^?1; and stirring speed is 400 rev min^?1. Under these conditions, copper extraction yield was obtained at about 72%. Furthermore, iron extraction yield decreased with increasing ammonium carbonate concentration and iron did not pass into solution under this condition. X-ray and SEM analysis also supported these results. It was determined that the copper extraction results were satisfactory by way of all experiments were performed under atmospheric conditions (i.e. low temperature and atmospheric pressure) and achieved selective copper leaching from chalcopyrite concentrate.

On a étudié la lixiviation au persulfate d’ammonium (APS) du concentré de chalcopyrite en présence de carbonate d’ammonium. On a examiné l’effet de la concentration du carbonate d’ammonium, de la concentration d’APS, de la durée et de la température de lixiviation, du rapport solide-liquide et de la vitesse d’agitation. Les conditions optimales de lixiviation suivent: concentration d’APS?=?200 g L^?1; concentration de carbonate d’ammonium?=?200 g L^?1; durée de lixiviation?=?180 min; température de lixiviation?=?60°C; rapport solide-liquide?=?0·04 g mL^?1; et vitesse d’agitation?=?400 rpm. Avec ces conditions, le rendement d’extraction du cuivre était d’environ 72%. De plus, le rendement d’extraction du fer diminuait avec l’augmentation de la concentration de carbonate d’ammonium, qui empêchait également le fer de passer en solution. L’analyse aux rayons x et au SEM supportait également ces résultats. Grâce à toutes les expériences effectuées en conditions atmosphériques (c’est-à-dire à basse température et à pression atmosphérique), on a déterminé que les résultats d’extraction du cuivre étaient satisfaisants et qu’on obtenait une lixiviation sélective du cuivre à partir du concentré de chalcopyrite.     

On enhancement of hypoeutectic aluminium–silicon powder metallurgy alloy

Abstract

Currently, there exists a considerable demand within the automotive industry for the development of aluminium–silicon alloys that can be processed through powder metallurgy (PM) technologies. As such, a study aimed at the development of a new hypoeutectic aluminium–silicon PM alloy (Al–6Si–4·5Cu–0·5Mg–0·2Sn) was recently undertaken. Although the preliminary data were encouraging, it was postulated that a refinement of the bulk alloy chemistry could yield additional gains. In the present work, the sintering response mechanical properties of this alloy were enhanced by making controlled adjustments in composition. The influence of the amount and raw powdered sources of copper, magnesium and tin were the principal variables investigated. Using XRD and metallographic examination, it was determined that a decrease in the copper content to 3·0 wt-% improved ductility significantly. Furthermore, the incorporation of magnesium as an elemental powder versus an Al–Mg master alloy improved sintering behaviour significantly, while tin additions up to 0·2 wt-% increased yield stress and hardness. The optimised alloy exhibited a threefold increase in ductility as well as a 25% gain in yield strength.

Présentement, il existe une grande demande dans l’industrie de l’automobile pour le développement d’alliages aluminium silicium qu’on peut obtenir par les techniques de métallurgie des poudres (PM). Ainsi, on a récemment entrepris une étude visant au développement d’un nouvel alliage hypoeutectique aluminium silicium (Al-6Si-4·5Cu-0·5Mg-0·2Sn) par PM. Bien que les données préliminaires soient encourageantes, on a postulé qu’un raffinement de la chimie de l’alliage brut pourrait produire des gains additionnels. Dans le présent travail, on a amélioré les propriétés mécaniques de la réponse au frittage de cet alliage en faisant des ajustements contrôlés de la composition. L’influence de la quantité et l’influence des sources de poudres brutes de cuivre, de magnésium et d’étain étaient les principales variables examinées. En utilisant la XRD et l’examen métallographique, on a déterminé qu’une diminution de la teneur en cuivre à une valeur de 3·0% en poids améliorait significativement la ductilité. De plus, l’incorporation du magnésium comme poudre élémentaire par rapport à un alliage maître d’Al-Mg améliorait significativement le comportement de frittage, alors que des additions d’étain jusqu’à 0·2% en poids augmentaient la limite élastique et la dureté. L’alliage optimisé exhibait une augmentation triple de la ductilité ainsi qu’un gain de 25% de la limite d’élasticité.     

Some tensile and fatigue properties of Zn-ZnO powder composites at various temperatures

Abstract

The tensile and fatigue properties of rods which were extruded from Zn-ZnO powder composites were determined at temperatures between 150°C and ?196°C. Different particle sizes were used in the powders and the amount of 0₂ was varied from 0.12 to 1.71 weight per cent (w/o): The effect of ball-milling the powder prior to compaction was also studied.

In general, the specimens of powder origin were stronger than fine-grained pure zinc and those made from powder containing very small particles (～3 μm) displayed good ductility, particularly at room temperature. However, they possessed poor work-hardening properties so that the UTS was never more than 4000 psi above the 0.2% proof stress. Specimens of ball-milled powder origin were stronger and more brittle than other specimens. The superior tensile strengths of the powder composites over pure zinc were reflected by superior fatigue (push-pull) properties. The improvement at higher temperatures is surprising, in view of the very fine grain size of the composite specimens, so the results are rationalized in terms of oxide pinning of the grain boundaries.

Résumé

Des propriétés mécaniques en traction et en fatigue dans la gamme de temperature de 150°C à ?196°C ont été déterminées pour des tiges du matériau composite Zn-ZnO, extrudées à partir de poudres. Des particules de différents diaméters ont été employees lors de la préparation des poudres, ainsi que diverses proportions d'O₂ variant de 0.12 à 1.71% en poids. L'effet d'un broyage à boulets de la poudre avant compactage a également été étudié.

D'une façon générale, les échantillons préparés à partir de poudres ont montré une plus grande résistance que ceux préparés à partir de zinc pur à grain fin; ceux contenant des particules trés fines ont montré une bonne ductilité, surtout à la température ambiante. Cependant, Ie taux de consolidation des composites demeure faible, ce qui explique que l' écart entre la résistance à la traction et la limite élastique à 0.2% d'allongement ne dépasse pas 4,000 psi Les échantillons dont la poudre a subi un broyage à boulets étaient plus résistants et plus fragiles que les autres échantil1ons. Le fait que la résistance à la traction des composites soit supérieure à celle du zinc pur s'est manifesté par de meilleures propriétés en fatigue (tension-compression). L'amélioration des propriétés mécaniques aux températures plus élevées est étonnante, compte tenu de la grosseur du grain tres faible des échantillons composites. Cette amélioration est expliquee en termes d'un piégeage des joints de grains par des oxydes.     

Isothermal oxidation behaviour of beta gamma powder metallurgy TiAl–4Nb–3Mn alloys

Abstract

A new TiAl–4Nb–3Mn beta gamma alloy was synthesised by a powder metallurgy process. HIPed and vacuum heat treated specimens were isothermally oxidised at 800 and 900°C in air up to 500 h. The TiAl–4Nb–3Mn alloys oxidised parabolically up to 500 h at both 800 and 900°C. The oxides consisted of outer TiO₂ layer, intermediate Al₂O₃ layer and inner TiO₂ rich mixed layer and the oxidation mechanisms of the alloy were identical at both temperatures. During oxidation, the degradation of α₂ lamellae in the vicinity of the interface forms a diffusion zone (lamellar depleted zone) leading to the formation of Nb and Mn rich white layers just below the interface by outward diffusion of Nb and Mn which are released from breakdown of α₂ lamellae. As exposure time increases, Nb begins to diffuse earlier than Mn and diffuses more actively at higher temperature. The activation energy for oxidation of TiAl–4Nb–3Mn alloy was lower than that of Ti–48Al alloy and was higher than those of Ti–48Al–2Nb–2Cr and Ti–48Al–2Nb–2Cr–W alloys.

On a synthétisé un nouvel alliage TiAl–4Nb–3Mn de type bêta gamma par un procédé de métallurgie des poudres. On a oxydé en isotherme à 800 et à 900°C à l’air, jusqu’à une durée de 500 heures, les spécimens pressés par HIP et traités thermiquement sous vide. Les alliages de TiAl-4Nb-3Mn s’oxydaient paraboliquement jusqu’à 500 heures tant à 800°C qu’à 900°C. Les oxydes consistaient en une couche externe de TiO₂, en une couche intermédiaire d’Al₂O₃ et en une couche interne mixe riche en TiO₂ et les mécanismes d’oxydations de l’alliage étaient identiques aux deux températures. Lors de l’oxydation, la dégradation de lamelles d’α₂ dans le voisinage de l’interface forme une zone de diffusion (zone lamellaire appauvrie) menant à la formation de couches blanches riches en Nb et en Mn juste au-dessous de l’interface par diffusion vers l’extérieur du Nb et du Mn, qui sont relâchés par la dégradation des lamelles d’α₂. À mesure que la durée de l’exposition augmente, le Nb commence à se diffuser plus tôt que le Mn et se diffuse plus activement à une température plus élevée. L’énergie d’activation pour l’oxydation de l’alliage de TiAl–4Nb–3Mn était plus basse que celle de l’alliage de Ti–48Al et était plus élevée que celle des alliages de Ti–48Al–2Nb–2Cr et de Ti–48Al–2Nb–2Cr–W.     

ELECTROLYSIS OF LIQUID FAYALITE SLAGS

Abstract

Electrolysis of liquid fayalite slags was carried out at 1250 °C using a liquid copper cathode and an inert platinum anode. At the cathode, iron precipitated with a current efficiency above 55%. The cathodic current efficiency decreased with increasing slag magnetite content. When Cu₂O was added to the slag, metallic copper was formed at the cathode with current efficiencies as high as 80%. In terms of the recovery of copper from metallurgical slags, electrolysis would be most beneficial for slags with a high dissolved copper content such as slags from direct to copper smelting.

Over time, the cell voltage decreased due to an increase in the effective surface area of the anode and also partly due to an increase in the slag conductivity due to increasing magnetite content. The increasing anode area was caused by a magnetite-rich deposit forming around the platinum wire anode.

On a effectué l’électrolyse de laitiers de fayalite liquides à 1250 °C en utilisant une cathode en cuivre liquide et une anode inerte en platine. Le fer était précipité à la cathode avec un rendement du courant au-dessus de 55%. Le rendement du courant cathodique diminuait avec une augmentation de la teneur en magnétite du laitier. Lorsqu’on ajoutait du Cu₂O au laitier, du cuivre métallique se formait à la cathode avec des rendements de courant aussi élevés que 80%. En ce qui concerne la récupération du cuivre à partir des laitiers métallurgiques, l’électrolyse serait davantage bénéfique pour des laitiers ayant une teneur élevée en cuivre dissous, comme des laitiers du traitement direct de fonte de cuivre.

Avec le temps, le voltage de la cellule diminuait à cause d’une augmentation de la superficie efficace de l’anode et aussi en partie à cause d’une augmentation de la conductivité du laitier résultant d’une augmentation de la teneur en magnétite. L’augmentation de la superficie de l’anode était causée par un dépôt riche en magnétite qui se formait autour du fil en platine de l’anode.     

Kinetics of mild steel corrosion in aqueous formic acid solutions

Abstract

The kinetics of the corrosion of mild steel in formic acid solutions of different concentrations has been studied at 25, 35 and 45°C. The corrosion rate was evaluated by weight loss and electrochemical polarisation techniques. There is good agreement between the data obtained by the two techniques. The maximum corrosion rate was observed in close vicinity of 20% formic acid solution. The anodic polarisation curves show active corrosion behaviour of mild steel over the whole range of potential at each concentration and temperature. The shape of anodic and cathodic polarisation curves was found to be almost independent of the temperature and the concentration of formic acid. However, the curves bodily shift towards the lower or higher current density side with the change in the concentration of the electrolyte. With the increase in temperature, the shift of polarisation curve regularly occurs towards the higher current density side. The surface morphology of the specimens has been studied by scanning electron microscopy. The micrographs indicate uniform corrosion of mild steel in formic acid solution.

On a étudié la cinétique de corrosion de l’acier au carbone en solutions d’acide formique à différentes concentrations, à 25, 35 et 45°C. On a évalué la vitesse de corrosion par des techniques de perte de poids et de polarisation électrochimique. Il y a un bon accord entre les données obtenues par les deux techniques. On a observé la vitesse maximale de corrosion dans une solution de près de 20% d’acide formique. Les courbes de polarisation anodique montrent un comportement de corrosion active de l’acier au carbone pour la gamme complète de potentiel à chaque concentration et température. On a trouvé que la forme des courbes de polarisation anodique et cathodique était presque indépendante de la température et de la concentration de l’acide formique. Cependant, le c?ur des courbes se déplace du côté d’une densité de courant plus faible ou plus élevée avec un changement de concentration de l’électrolyte. Avec une élévation de la température, le déplacement de la courbe de polarisation se produit régulièrement du côté d’une densité de courant plus élevée. On a étudié la morphologie de la surface des échantillons au moyen du microscope électronique à balayage. Les micrographes indiquent une corrosion uniforme de l’acier au carbone dans une solution d’acide formique.