В статье рассмотрены малоникелевые и безникелевые «тяжёлые» магнийсодержащие лигатуры для сфероидизирующей ковшевой обработки высокопрочного чугуна. Проанализированы 3 характерные «тяжёлые» лигатуры: Cu-Mg-РЗМ, Ni-Cu-Mg-РЗМ и Fe-Si-Cu-Mg-РЗМ. Показаны особенности химического состава данных «тяжёлых» лигатур и его влияние на усвоение чугуном магния из лигатур. Приведены рекомендации к расходу, описано побочное микролегирующее влияние лигатур на механические свойства и характеристики микроструктуры получаемых отливок их высокопрочного чугуна. Указаны наиболее рациональные области применения всех рассмотренных «тяжёлых» лигатур.
Ключевые слова: модифицирование, лигатура, твёрдый раствор, пироэффект, усвоение магния в чугуне, микролегирование.
Наиболее распространенными «тяжёлыми» магнийсодержащими лигатурами, используемыми в технологическом процессе получения литья из высокопрочного чугуна являются - никель-магний-РЗМ, медь-магний-РЗМ, а также комбинированная лигатура - никель-медь-магний-РЗМ [1, 2]. Содержание магния во всех лигатурах - в пределах 14…19%. Однако самой популярной является лигатура никель-магний-церий (РЗМ) ввиду сравнительно низкого пироэффекта при реакции с расплавом чугуна и относительно высокой температурой плавления (солидус ~ 1095°С, ликвидус ~ 1117…1145°С).
Общемировой катастрофический рост цены на никель, принимающий устойчивую тенденцию, заставляет производителей литья из высокопрочного чугуна, не имеющих специального оборудования и приспособлений и, следовательно, не использующих для сфероидизирующей обработки «лёгкие» лигатуры типа ФСМг, смещать акценты с никелевой лигатуры на медную, а также использовать смешанные лигатуры с медью и различные комбинированные лигатуры. Все безникелевые и малоникелевые «тяжёлые» лигатуры имеют свои специфические особенности, не зная и не учитывая которых могут возникнуть технологические сложности в их применении в конкретных производственных условиях.
В данной работе будут рассмотрены 3 «тяжёлые» лигатуры - медь-магний-РЗМ, медь-никель-магний-РЗМ и железо-кремний-медь-магний-РЗМ.
Методики проведения исследований:
Качества чугуна в отливках определялось по результатам оценки микроструктуры, определения механических свойств и химического состава образцов из опытных отливок.
Металлографический анализ выполнен с помощью металлографического микроскопа UNIMET 8585, ф. Бюллер. Замеры твердости по Бринеллю (НВ5/750/10) производились на твердомере ТБ 5006 (ГОСТ 9012-59). Механические свойства (sв и d) определялись на разрывной машине AMSLER 20ZBDA (ГОСТ 1497-84). Химический анализ проводился на спектроанализаторе Quantovak ARL-2460 и газоанализаторе Leko CS-400.
Лигатура «медь-магний-РЗМ».
Эта лигатура стоит на втором месте по широте своего распространения после никелевой ввиду своей специфики. Из-за относительно низкой температуры плавления (солидус ~ 725°С, ликвидус ~ 790…864°С) она реагирует с расплавом чугуна со значительным пироэффектом. Усвоение магния расплавом из медной лигатуры несколько хуже, чем из лигатуры на никелевой основе, поэтому её расход, соответственно, выше и зависит в первую очередь от температуры заливаемого чугуна. Учитывая, что медь по своей природе - более сильный перлитизатор, чем никель, а также её более высокую концентрацию, привносимую в чугун из лигатуры, она играет роль легирующей добавки. При этом отпадает необходимость в доведении содержания меди в печном химическом составе чугуна. Помимо всех перечисленных особенностей - лигатура на чисто медной основе существенно дешевле лигатуры на цельноникелевой основе и в зависимости от колебания цен на никель составляет от 3-х до 4-х раз.
Лигатура на медной основе используется исключительно для получения отливок из высоких марок высокопрочного чугуна - ВЧ70 и более, например «Вал коленчатый» автомобилей ГАЗ 66 и ВАЗ 2101 в «Центролите» (г. Одесса) [3]. Работа по освоению лигатуры медь-магний-РЗМ была проведена и в чугунолитейном производстве ОАО «АВТОВАЗ» для получения отливок «Вал коленчатый» всех моделей.
На испытания были представлены две партии лигатуры медь-магний-РЗМ следующего состава (таблица 1).
Таблица 1.
Партия |
Химический состав «тяжёлой» лигатуры Cu-Mg-РЗМ | ||
Mg |
РЗМ (Ce) |
Cu | |
1 |
18,5 |
0,55 |
основа |
2 |
19,04 |
0,52 |
основа |
Модифицирование производилось согласно действующему технологическому процессу путём размещения навесок сфероидизирующего модификатора - лигатуры Cu-Mg-Ce и графитизирующего модификатора - ФС65Ба1 (ОАО «НИИМ», г. Челябинск) на днище ковша перед его заполнением расплавом чугуна из печи ожидания. Вторичное графитизирующее модифицирование чугуна проводилось в заливочной чаше формы кусковым ФС75л3. Было проведено пять заливок, расход модифицирующих материалов из расчёта на заливочный ковш 1200 кг с соотношением высоты к среднему диаметру 1,4:1: Cu-Mg-Ce - 10 кг, ФС65Ба1 - 6; 6; 7,7; 7 и 7 кг.
Ковшевой химический анализ металла представлен в таблице 2.
Таблица 2.
№ п/п |
Проба |
Химический состав, % | |||||||||
C |
Si |
Mn |
P |
S |
Cr |
Ni |
Cu |
Sn |
Mg | ||
1 |
1 |
3,68 |
2,23 |
0,31 |
0,015 |
0,006 |
0,057 |
0,21 |
0,78 |
0,015 |
0,046 |
2 |
2.1 |
3,70 |
2,20 |
0,32 |
0,020 |
0,005 |
0,053 |
0,23 |
0,75 |
0,014 |
0,050 |
2.2 |
3,65 |
2,20 |
0,32 |
0,020 |
0,005 |
0,053 |
0,23 |
0,77 |
0,014 |
0,050 | |
3 |
3.1 |
3,60 |
2,30 |
0,42 |
0,018 |
0,005 |
0,060 |
0,30 |
0,79 |
0,019 |
0,050 |
3.2 |
3,65 |
2,33 |
0,41 |
0,018 |
0,005 |
0,060 |
0,30 |
0,82 |
0,019 |
0,055 | |
4, 5 |
4.1 |
3,78 |
2,35 |
0,34 |
0,018 |
0,006 |
0,060 |
0,25 |
0,75 |
0,019 |
0,050 |
4.2 |
3,70 |
2,35 |
0,34 |
0,018 |
0,006 |
0,060 |
0,25 |
0,82 |
0,019 |
0,050 |
Микроструктура и твёрдость по Бринеллю исследованных образцов отливок приведена в таблице 3.
По результатам испытания первой партии лигатуры были проведены изменения касающиеся:
- исключения доводки по марганцу в печи снижения и его сохранение на уровне 0,25…0,35%, что позволит уменьшить твёрдость отливок после нормализации и содержание цементита в структуре, а также снизить себестоимость получаемого литья;
- уменьшения рабочей температуры проведения нормализации с 910°С до 870°С для полного устранения вторичного цементита в структуре отливок, снижения и стабилизации твёрдости.
Таблица 3.
Заливка |
№ образца |
Микроструктура |
НВ5/750/10 |
sв, кгс/мм2 |
d, % |
1 |
В литом состоянии |
ССГ - 90%; металлическая основа – перлит пластинчатый, феррита 10-30%, цементита до 1% |
256-266 |
82 |
8 |
После нормализации (Т=910°С) |
ССГ - 90%; металлическая основа – перлит пластинчатый, феррита до 1%, цементита до 1% |
286-293 |
97-100 |
6-7 | |
2 |
В литом состоянии |
ССГ - 90%; металлическая основа – перлит пластинчатый, феррита до 5-30%, цементита до 1% |
256-266 |
- |
- |
После нормализации (Т=880°С) |
ССГ - 90%; металлическая основа – перлит пластинчатый, феррита до 1%, цементита до 1% |
287-293 |
95 |
5 | |
3 |
В литом состоянии |
ССГ - 90%; металлическая основа – перлит пластинчатый, феррита до 10%, цементита до 1% |
|
- |
- |
После нормализации (Т=870°С) |
ССГ - 90%; металлическая основа – перлит пластинчатый, феррита до 1%, цементита до 1% |
285-298 |
98 |
8 | |
4 |
В литом состоянии |
ССГ - 90%; металлическая основа – перлит пластинчатый, феррита до 12%, цементита до 1% |
269-285 |
90 |
7 |
После нормализации (Т=870°С) |
ССГ - 90%; металлическая основа – перлит пластинчатый, феррита до 1%, цементита до 1% |
277-295 |
97 |
6 | |
5 |
В литом состоянии |
ССГ - 90%; металлическая основа – перлит пластинчатый, феррита до 8% |
255-269 |
76 |
6 |
После нормализации (Т=870°С) |
ССГ - 90%; металлическая основа – перлит пластинчатый, феррита до 2%, цементита до 1% |
269-285 |
90 |
3,6 | |
Требование НД |
ССГ - 90%; металлическая основа – перлит пластинчатый, феррита до 8%, цементита до 1% |
250…302 |
³ 75 |
³ 3 |
При испытании второй партии лигатуры было проведено три опытных заливки, из которых на первых двух шихтозавалка готовилась согласно действующей инструкции и балансу металла, составу и нормам расхода шихты на чугунное литьё, а на последней для специального провоцирования накопления меди в возврате, использовался возврат, обогащённый медью, от первых двух плавок. Такая накопительная схема была предложена исходя из недостатка после первой плавки необходимого количества обогащённого медью возврата для проведения второй плавки. Ковшевое модифицирование: Cu-Mg-Ce - 10 кг, ФС75Ба2,5К1,5 (BarinokÒ, ф. Elkem, Норвегия) - 6 кг (первая и вторая плавки) и 7 кг (третья плавка). Вторичное модифицирование в заливочной чаше формы - кусок ФС75л3.
Ковшевой химический анализ металла представлен в таблице 4.
Таблица 4.
№ п/п |
Проба |
Химический состав, % | |||||||||
C |
Si |
Mn |
P |
S |
Cr |
Ni |
Cu |
Sn |
Mg | ||
1 |
1.1 |
3,60 |
2,23 |
0,31 |
0,015 |
0,005 |
0,053 |
0,21 |
0,81 |
0,018 |
0,040 |
1.2 |
3,61 |
2,27 |
0,32 |
0,016 |
0,005 |
0,054 |
0,21 |
0,75 |
0,018 |
0,042 | |
1.3 |
3,58 |
2,22 |
0,31 |
0,015 |
0,005 |
0,053 |
0,21 |
0,84 |
0,018 |
0,040 | |
1.4 |
3,61 |
2,27 |
0,32 |
0,017 |
0,005 |
0,054 |
0,21 |
0,81 |
0,018 |
0,047 | |
2 |
2.1 |
3,60 |
2,29 |
0,35 |
0,017 |
0,006 |
0,062 |
0,20 |
0,81 |
0,019 |
0,046 |
2.2 |
3,60 |
2,31 |
0,35 |
0,018 |
0,006 |
0,062 |
0,21 |
0,81 |
0,019 |
0,050 | |
2.3 |
3,60 |
2,32 |
0,35 |
0,018 |
0,005 |
0,062 |
0,20 |
0,83 |
0,019 |
0,045 | |
2.4 |
3,60 |
2,31 |
0,34 |
0,017 |
0,005 |
0,062 |
0,20 |
0,86 |
0,019 |
0,054 | |
3 |
3.1 |
3,63 |
2,29 |
0,27 |
0,019 |
0,006 |
0,052 |
0,13 |
0,98 |
0,013 |
0,055 |
3.2 |
3,61 |
2,30 |
0,27 |
0,020 |
0,007 |
0,052 |
0,13 |
1,00 |
0,013 |
0,055 | |
3.3 |
3,60 |
2,29 |
0,27 |
0,019 |
0,005 |
0,052 |
0,13 |
0,95 |
0,013 |
0,056 | |
3.4 |
3,56 |
2,33 |
0,27 |
0,019 |
0,006 |
0,052 |
0,13 |
1,00 |
0,013 |
0,050 |
Микроструктура и твёрдость по Бринеллю исследованных образцов отливок приведена в таблице 5.
Таблица 5.
Заливка |
№ образца |
Микроструктура по И 12011.37.101.066 |
НВ5/750/10 |
sв, кгс/мм2 |
d, % |
1 |
В литом состоянии |
ССГ - 90%; металлическая основа – перлит пластинчатый, феррита 5-10% |
229-269 |
|
|
После нормализации (Т=870°С) |
ССГ - 90%; металлическая основа – перлит пластинчатый, феррита до 4% |
282-288 |
89 |
6 | |
2 |
В литом состоянии |
ССГ - 90%; металлическая основа – перлит пластинчатый, феррита до 5-15% |
260-285 |
|
|
После нормализации (Т=870°С) |
ССГ - 90%; металлическая основа – перлит пластинчатый, феррита до 4% |
269-288 |
86 |
5 | |
3 |
В литом состоянии |
ССГ - 90%; металлическая основа – перлит пластинчатый, феррита 5-15% |
272-298 |
|
|
После нормализации (Т=870°С) |
ССГ - 90%; металлическая основа – перлит пластинчатый, феррита до 5% |
272-285 |
90-92 |
5-8 | |
Требование НД |
ССГ - 90%; металлическая основа – перлит пластинчатый, феррита до 8%, цементита до 1% |
250…302 |
³ 75 |
³ 3 |
Таким образом, подтверждена норма расхода «тяжёлой» лигатуры Cu-Mg-Ce для получения требуемого качества металла в отливках «Вал коленчатый» всех моделей - 10 кг. По сравнению с расходом лигатуры Ni-Mg-Ce - 5,4 кг на 1200 кг расплава чугуна, её расход увеличился в 1,85 раза. Однако следует иметь виду, что при изменении соотношения характеристических параметров заливочного ковша - высоты к среднему диаметру - расход лигатуры может меняться как в сторону роста при увеличении этого соотношения до 2…2,5:1, так и уменьшения при его величине менее 1,4:1.
Оптимальный расход графитизирующего модификатора ФС75Ба2,5К1,5 составил 6 кг. Подтверждена температура нормализации отливок деталей «Вал коленчатый» в печи - 870°С. Проведение нормализации при температуре 870° позволяет формировать более однородную структуру и снижать содержание свободного феррита («бычий или мягкий глаз») без повышения твёрдости чугуна по сравнению с литым состоянием. При ведении плавки на обогащённом медью возврате в расплаве снижается содержание таких элементов как никель и марганец. Уменьшение их совместного содержания позволяет компенсировать прирост меди, что показывает анализ структуры и свойств чугуна в отливках, как в литом, так и в нормализованном состояниях.
Лигатура «никель-медь-магний-РЗМ».
Основываясь на литературных данных, такая лигатура имеет относительно небольшое распространение. Диаграмма состояния «медь-никель» является диаграммой с неограниченным растворением элементов друг в друге. То есть медь и никель образуют непрерывный рад твёрдых растворов. Поэтому температура плавления лигатуры на медь-никелевой основе может варьироваться в зависимости от конкретного содержания в ней меди и никеля. Сила пироэффекта, усвоение магния расплавом чугуна и стоимость данной лигатуры также зависит от конкретного соотношения в ней этих элементов. Чем больше в лигатуре никеля - тем выше усвоение магния расплавом и ниже пироэфект и наоборот. За счёт получения необходимого баланса содержания меди и никеля в такой лигатуре может регулироваться их содержание в химическом составе чугуна и формироваться необходимые структура и свойства.
Работа по оценке работоспособности лигатуры никель-медь-магний-РЗМ была проведена в чугунолитейном производстве ОАО «АВТОВАЗ» при получении отливок «Вал коленчатый» модели 11183-1005020 «Калина». Лигатура имела следующий химический состав: Ni 25%; Mg 17,1%; РЗМ 1,07%; Cu - остальное.
Модифицирование производилось согласно действующему технологическому процессу путём размещения навесок сфероидизирующего модификатора - лигатуры Cu-Ni-Mg-РЗМ в количестве 9 кг и графитизирующего модификатора - ФС75Ба2,5К1,5 (BarinokÒ, ф. Elkem, Норвегия) в количестве 7 кг на днище ковша перед его заполнением расплавом чугуна из печи ожидания. Вторичное модифицирование в заливочной чаше формы - кусок ФС75л3.
Ковшевой химический состав чугуна, %масс: C 3,48; Si 2,28; Mn 0,45; P 0,014; S 0,007; Cr 0,058; Ni 0,41; Cu 0,97; Sn 0,019; Mg 0,31. На исследование была представлена отливка, отобранная из последней формы с заливаемого ковша, которую принято считать как индикаторную. Микроструктура отливки в литом состоянии: шаровидный графит типов ОА, ОВ №5, степень сфероидизации графита - 90%; металлическая основа – перлит пластинчатый, феррита 20-25%. Механические свойства чугуна в отливке: НВ 5/750/10 249-285; sв = 79 кгс/мм2; d = 6%. Данная лигатура может быть использована в качестве переходного варианта для плавной, постепенной отработки технологического процесса сфероидизирующего модифицирования при замене лигатуры Ni-Mg-Ce на Cu-Mg-Ce.
На основе данных по расходу лигатур Ni-Mg-Ce (5,4 кг) и Cu-Mg-Ce (10 кг) была выведена формула для расчёта навески «тяжёлой» медь-никель-магниевой лигатуры на ковш 1200 кг с соотношением h/dср=1,4: