The effect of waste boron addition on material properties in gray cast iron production

Öz

Boron is generally considered a residual element in the foundry industry and is mostly transferred to liquid metal via steel scrap. Even in trace amounts, it can significantly alter the microstructure and mechanical behaviour of cast irons. Previous studies in the literature are pointed out that increasing boron content leads to a loss of strength in both grey cast iron and ductile cast iron. In this study, the effects of boron addition in EN-GJL-300 grey cast iron material were systematically investigated by adding boron oxide (B₂O₃) and boron carbide (B₄C). In the experimental studies, B₂O₃ was added to the charge in powder and pellet form at quantities of 0.4 g, 1.2 g, 4 g, 8 g, and 16 g respectively; B₄C was added at a quantity of 40 g. Standard tensile specimens were prepared from all castings and subjected to mechanical testing. The literature reports a hardness value of approximately 217 HB for EN-GJL-300. However, in this study, significant decreases in hardness values were observed with boron addition. On the other hand hardness reduced to 192 HB levels by addition of B₄C, resulting in a decrease of over 10%. The most notable decrease in tensile and yield strength values was observed with the addition of 4 g B₂O₃, recording losses exceeding 20%. In contrast, the B₄C addition had a more limited effect, with the decrease in strength values remaining below 10%. Microstructure examinations also supported the mechanical test results, revealing changes in graphite morphology and matrix structure with boron addition. The results revealed that boron negatively affected the mechanical performance of EN-GJL-300 grey cast iron even at low levels. Therefore, careful control of scrap composition is critical for quality consistency in cast iron production.

Anahtar Kelimeler

• Boron
• EN-GJL-300
• gray cast iron
• mechanical properties
• microstructure

Destekleyen Kurum

Erkunt Sanayi A.Ş.

Proje Numarası

E24-017

Etik Beyan

ETHICAL STATEMENT In the preparation of this study, all ethical rules and principles of academic integrity have been strictly followed. All data, analyses, and findings presented in the manuscript are based on the original work of the author(s). No data, visuals, or ideas have been used from any individual, institution, or organization without proper permission, and no unethical practices such as plagiarism, fabrication, falsification, or duplicate submission have been employed. This study does not involve any human or animal subjects; therefore, ethical committee approval was not required. The author(s) declare that the entire manuscript is original, has not been submitted elsewhere for publication, and that all publication rights will be transferred to the journal upon acceptance. Author(s): Merve Koparan, Mehmet Süha KAYA, Murat Can OCAKTAN R&D / Lean Office / Quality Systems, Erkunt Sanayi A.Ş. Date: October 13, 2025

Teşekkür

The author would like to express sincere gratitude to the R&D Center of Erkunt Sanayi A.Ş. for their continuous support and contributions during the execution of this study. Special thanks are extended to all team members and laboratory staff who assisted in the experimental work, as well as to the reviewers for their valuable and constructive comments during the evaluation process.

Gri dökme demir üretiminde atık bor ilavesinin malzeme özelliklerine etkisi

Öz

Bor, döküm sanayinde genellikle artık element olarak kabul edilmekte ve çoğunlukla çelik hurdası aracılığıyla sıvı metale geçmektedir. Eser miktarlarda bile bulunduğunda, dökme demirlerin mikroyapısını ve mekanik davranışlarını önemli ölçüde değiştirebilmektedir. Literatürde artan bor miktarının hem gri dökme demirde hem de küresel grafitli dökme demirde mukavemet kaybına yol açtığı belirtilmektedir. Bu çalışmada, EN-GJL-300 gri dökme demir malzemesinde bor katkısının etkileri, bor oksit (B₂O₃) ve bor karbür (B₄C) ilavesiyle sistematik olarak incelenmiştir. Deneysel çalışmalarda B₂O₃, toz ve pelet formda 0,4 g, 1,2 g, 4 g, 8 g ve 16 g miktarlarında; B₄C ise 40 g miktarında şarja eklenmiştir. Tüm dökümlerden standart çekme numuneleri hazırlanarak mekanik testler uygulanmıştır. Literatürde EN-GJL-300 için sertlik değeri yaklaşık 217 HB olarak verilmektedir. Bu çalışmada ise bor katkısı ile sertlik değerlerinde belirgin düşüşler tespit edilmiştir. Özellikle B₄C katkısı sertliği 192 HB seviyelerine indirerek %10’un üzerinde azalma oluşturmuştur. Çekme ve akma dayanımı değerlerinde en dikkat çekici düşüş, 4 g B₂O₃ ilavesinde gözlenmiş ve bu değerlerde %20’yi aşan kayıplar kaydedilmiştir. Buna karşılık B₄C katkısı daha sınırlı bir etki göstermiş ve dayanım değerlerindeki düşüş %10’un altında kalmıştır. Mikroyapı incelemeleri de mekanik test sonuçlarını desteklemiş, bor ilavesiyle grafit morfolojisinin ve matris yapısının değiştiği görülmüştür. Sonuçlar, borun düşük seviyelerde dahi EN-GJL-300 gri dökme demirin mekanik performansını olumsuz yönde etkilediğini ortaya koymuştur. Bu nedenle, hurda kompozisyonunun dikkatle kontrol edilmesi, dökme demir üretiminde kalite sürekliliği açısından kritik öneme sahiptir.

Anahtar Kelimeler

• Bor
• EN-GJL-300
• gri dökme demir
• mekanik özellikler
• mikroyapı

Destekleyen Kurum

Erkunt Sanayi A.Ş.

Proje Numarası

E24-017

Etik Beyan

Bu çalışmanın hazırlanma sürecinde tüm etik kurallara ve akademik dürüstlük ilkelerine uyulmuştur. Makalede yer alan tüm veriler, analizler ve bulgular yazar(lar)ın özgün çalışmasına dayanmaktadır. Araştırma sürecinde herhangi bir kişiden, kurumdan veya kuruluştan izinsiz veri, görsel ya da fikir alınmamış; intihal, sahtecilik, çarpıtma veya dilimleme gibi etik dışı uygulamalara başvurulmamıştır. Çalışma kapsamında insan veya hayvan denek kullanılmamıştır; bu nedenle etik kurul izni gerekmemektedir. Yazar(lar), makalenin tamamının özgün olduğunu, başka bir dergiye değerlendirilmek üzere gönderilmediğini ve yayınlandığı takdirde telif haklarının dergiye devredileceğini beyan eder. Yazar(lar): Merve Koparan, Mehmet Süha KAYA, Murat Can OCAKTAN Erkunt Sanayi A.Ş. Ar-Ge / Yalın Ofis / Kalite Sistemleri Tarih: 13.10.2025

Teşekkür

Bu çalışmanın yürütülmesi sürecinde katkı ve desteklerini esirgemeyen Erkunt Sanayi A.Ş. Ar-Ge Merkezi çalışanlarına teşekkür ederim. Deneysel çalışmaların gerçekleştirilmesinde emeği geçen tüm ekip arkadaşlarıma ve teknik destek sağlayan laboratuvar personeline minnettarlığımı sunarım. Ayrıca, çalışmanın değerlendirme sürecinde yapıcı geri bildirimleriyle katkı sağlayan hakemlere teşekkür ederim.

Kaynakça

1. 1. Oktaviano B., et al., Castability and Damping Capacity of Gray Cast Iron: A Review, Mater. Today Proc., 27, 1435-1441, 2020.
2. 2. Elliott R., Cast Iron Technology, Butterworth-Heinemann Ltd., London, U.K., 1996.
3. 3. ASM International, ASM Metals Handbook: Casting, ASM International, Materials Park, OH, U.S.A., 1998.
4. 4. ASM International, ASM Metals Handbook: Properties and Selection of Irons, Steels and High-Performance Alloys, Vol. 1, ASM International, Materials Park, OH, U.S.A., 1988.
5. 5. Heine R.W., Cooper C., Rosenthal P.C., Principles of Metal Casting, Tata McGraw-Hill Publishing Co., New Delhi, India, 1996.
6. 6. Chen C.L., et al., Influence of Trace Elements on the Microstructure and Properties of Cast Iron, J. Mater. Sci., 42 (14), 5678-5685, 2007.
7. 7. Choi J., Kim Y., The Role of Boron in Foundry Practice: Effects on Microstructure and Mechanical Properties, Metall. Mater. Trans. A, 40 (6), 1412-1419, 2009.
8. 8. Kandula A., Effect of Boron and Lead on the Properties of Gray Iron, Foundry J., 56 (3), 45-52, 1994. 9. Ankamma K., Effect of Trace Elements (Boron and Lead) on the Properties of Gray Cast Iron, Indian J. Eng., 95 (1), 19-26, 2014.

9. 10. Kasvayee K., Ciavatta M., Ghassemali E., Svensson I., Jarfors A., Effect of Boron and Cross-Section Thickness on Microstructure and Mechanical Properties of Ductile Iron, Mater. Sci. Forum, 925, 249-256, 2018.
10. 11. Ying Z., Nakae H., Influence of Boron on Ferrite Formation in Copper-Added Spheroidal Graphite Cast Iron, Mater. Sci. Eng. A, 667, 23-30, 2016.
11. 12. eng Y.C., Jin H.J., Liu J.H., Li G.L., Effect of Boron on the Microstructure and Mechanical Properties of Carbidic Austempered Ductile Iron, Mater. Sci. Eng. A, 529, 321-325, 2011.
12. 13. Klančnik G., Burja J., Klančnik U., Batič B., Krajnc L., Resnik A., Microstructure and Properties Variation of High-Performance Grey Cast Iron via Small Boron Additions, J. Alloys Compd., 785, 123-131, 2019.
13. 14. Klančnik G., Burja J., Klančnik U., Batič B., Krajnc L., Resnik A., Microstructure and Properties Variation of High-Performance Grey Cast Iron via Small Boron Additions, Crystals, 14 (1), 103, 2024.
14. 15. Ha J.S., Hong J.W., Kim J.W., Han S.B., Choi C.Y., Song H.J., Jang J.S., Kim D.Y., Ko D.C., Yi S.H., Cho Y.J., The Effect of Boron (B) and Copper (Cu) on the Microstructure and Graphite Morphology of Spheroidal Graphite Cast Iron, Materials, 16 (12), 4225, 2023.
15. 16. Bugten A.V., Michels L., Di Sabatino M., The Role of Boron in Low Copper Spheroidal Graphite Irons, Metall. Mater. Trans. A, 54 (6), 2539-2553, 2023.
16. 17. Kasvayee K.A., Ciavatta M., Ghassemali E., Svensson I.L., Jarfors A.E.W., Effect of Boron and Cross-Section Thickness on Microstructure and Mechanical Properties of Ductile Iron, Mater. Sci. Forum, 925, 249-256, 2018.
17. 18. Çöl M., Koç F.G., Öktem H., Kır D., The Role of Boron Content in High Alloy White Cast Iron (Ni-Hard 4) on Microstructure, Mechanical Properties and Wear Resistance, Wear, 348-349, 158-165, 2016.
18. 19. Khan M.A., Gupta R., Effect of Boron Addition on the Microstructure and Wear Behaviour of High Alloy White Cast Irons, Int. J. Eng. Res. Appl., 5 (6), 45-50, 2015.
19. 20. Gobinath V., Influence of Boron on Mechanical and Microstructure Properties of Chilled Cast Iron Engine Tappet, J. Adv. Res. Dyn. Control Syst., 9 (Special Issue 14), 1577-1583, 2017.
20. 21. Ha J.S., Hong J.W., Kim J.W., Han S.B., Choi C.Y., Song H.J., Jang J.S., Kim D.Y., Ko D.C., Yi S.H., Cho Y.J., The Effect of Boron (B) and Copper (Cu) on the Microstructure and Graphite Morphology of Spheroidal Graphite Cast Iron, Materials, 16 (12), 4225, 2023.
21. 22. Bugten A.V., Sanders P., Hartung C., Logan R., Di Sabatino M., Michels L., The Influence of Boron (B), Tin (Sn), Copper (Cu), and Manganese (Mn) on the Microstructure of Spheroidal Graphite Irons, Int. J. Metalcast., 18 (2), 1258-1274, 2024.
22. 23. Persson P.E., Udroiu A., Vomacka P., Wang X., Sjögren T., ATAS® as a Tool for Analyzing, Stabilizing and Optimizing the Graphite Precipitation in Grey Cast Iron, Proceedings of the 69th World Foundry Congress, Hangzhou, China, 1-16, 15-17 October, 2010.