Болдырев Д.А. (Исследовательский центр ОАО «АВТОВАЗ»), Давыдов С.В. (Брянский государственный технический университет)
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.
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.
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.
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.
Микроструктура и твёрдость по Бринеллю исследованных образцов отливок приведена в таблице 5.
Таблица 5.
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:
, при S (Cu, Ni) = 81…86%.
Обобщённая формула для расчёта процента введения «тяжёлой» медь-никель-магниевой лигатуры в ковш с соотношением h/dср=1,4 выглядит следующим образом:
, при S (Cu, Ni) = 81…86%.
Принимая во внимание тот факт, что используемые в других производствах ковши могут иметь другое соотношение высоты к среднему диаметру расход лигатуры может меняться как в большую, так и в меньшую сторону: при h/dср>1,4: Р%<Р%1,4, при h/dср<1,4: Р%>Р%1,4.
ЛИГАТУРА «ЖЕЛЕЗО-КРЕМНИЙ-МЕДЬ-МАГНИЙ-РЗМ».
Ранее в чугунолитейном производстве ОАО «АВТОВАЗ» были проведены исследования по усвоению магния и качеству модифицирования высокопрочного чугуна лигатурами следующих типов: Fe-Ni-Mg-РЗМ (табл. 6) и Fe-Ni-Cu-Mg-РЗМ (табл. 7) при снижении содержания никеля в лигатурах не менее 15% [4, 5].
Таблица 6.
Таблица 7.
Результаты проведённых испытаний показали, что как при исходных величинах навесок, так и при их увеличении до 20% степень сфероидизации графита не достигала 90%. Дальнейшее увеличение навесок явилось экономически нецелесообразным и работы были прекращены. Полученные результаты показали нестабильность усвоения магния из данных «тяжёлых» лигатур. Неустойчивость в работе лигатур объясняется следующим. Ввиду того, что магний не растворим в железе, при одновременном сплавлении с ним железа и меди (никеля), он образует более насыщенные твёрдые растворы с этими элементами. Эти сплавы, более насыщенные по магнию, имеющего относительно низкую температуру плавления — 650°С, имеют, соответственно, более низкую температуру плавления, что отрицательно влияет на усвоение расплавом магния из лигатуры и повышает его угар. Также следует отметить высокую склонность магния к ликвации при выплавке таких комплексных лигатур с содержанием элементов, в которых магний не растворим.
В данных «тяжёлых» лигатурах железо как составной компонент было использовано для повышения общей температуры плавления сплава за счёт образования твёрдых растворов железа с медью и железа с никелем, имеющих более высокие температуры плавления, чем у чистых меди и никеля. Однако, как показали результаты предварительных исследований, ожидаемый положительный эффект от «условной тугоплавкости» не был получен. Оптимальным вариантом, предлагающимся в дальнейшем для апробации и внедрения, как с экономической, так и с технической точки зрения является безникелевая лигатура типа Fe-Cu-Mg-РЗМ. Её использование даже при значительном увеличении потребления (до 2-х раз) обеспечивает получение существенного экономического эффекта из-за разницы в стоимости меди и никеля. Для проведения опытных работ предлагается безникелевая лигатура следующего состава (табл. 8).
Таблица 8.
Однако при освоении производства такой лигатуры возникли сложности как с введением в неё необходимого содержания магния (не менее 14%), так и с её дроблением на кусковую фракцию. Было установлено, что из железомедного расплава очень сильно вытесняется магний, при этом железо снижает хрупкость и увеличивает механические свойства данного сплава. Для преодоления всех вышеуказанных недостатков были предложены оптимальные диапазоны содержания химических элементов в составе экономичной «тяжёлой» лигатуры (табл. 9). Фактический химический состав выплавленной лигатуры также приведён в табл. 9.:
Таблица 9.
Данная лигатура является самой экономичной из всех «тяжёлых» магнийсодержащих лигатур. Химический состав лигатуры можно считать сбалансированным. В указанных пределах железо практически не влияет на растворимость магния в расплаве и служит в качестве относительно тугоплавкой добавки, повышающей общую температуру плавления лигатуры. Кремний при таком содержании в лигатуре несколько улучшает усвоение магния в расплаве и нивелирует влияние железа, а также служит добавкой, улучшающей дробление лигатуры. Работа по оценке работоспособности данной лигатуры также была проведена в чугунолитейном производстве ОАО «АВТОВАЗ» при получении отливок «Вал коленчатый» модели 11183-1005020 «Калина».
Модифицирование производилось согласно действующему технологическому процессу путём размещения навесок сфероидизирующего модификатора — лигатуры Cu-Ni-Mg-РЗМ в количестве 10 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 3,50; Si 2,47; Mn 0,42; P 0,017; S 0,006; Cr 0,058; Ni 0,20; Cu 1,12; Sn 0,018; Mg 0,38. На исследование была представлена отливка, отобранная из последней формы с заливаемого ковша и считающаяся индикаторной. Микроструктура отливки в литом состоянии: шаровидный графит типов ОА, ОВ №5, степень сфероидизации графита — 90%; металлическая основа – перлит пластинчатый, феррита 10-15%. Механические свойства чугуна в отливке: НВ 5/750/10 249-292; sв = 89 кгс/мм2; d = 6%. Таким образом, механические свойства чугуна в отливке в литом состоянии, полученной с применением лигатуры Fe-Si-Cu-Mg-РЗМ, также соответствуют свойствам, получаемым с лигатурой Ni-Mg-Се после нормализации при температуре 910°С. Следует отметить, что прочностные свойства чугуна в отливках, получаемых с лигатурой Cu-Ni-Mg-РЗМ, без проведения нормализации соответствуют по ГОСТ 1497-85 марке ВЧ80, а получаемые с лигатурой Fe-Si-Cu-Mg-РЗМ — марке ВЧ90. Самое главное преимущество данной лигатуры — это её наименьшая стоимость по сравнению с любыми другими «тяжёлыми» лигатурами.
Принимая во внимание, что взятая для проведения всего комплекса экспериментов отливка «Вал коленчатый» является достаточно массивной (её вес составляет около 15 кг) и длинномерной (длина ~ 460 мм) с размещением одного питателя у фланцевой части, температура заливки чугуна при этом должна быть достаточно высокой — порядка 1530°С и 1480…1500°С в ковше. Поэтому расход лигатур следует увязывать и с температурным фактором — чем выше температура чугуна, тем больше необходимая навеска лигатуры и наоборот. Поэтому при получении других, менее длинномерных и низкотемпературных отливок расход лигатур может быть уменьшен.
ЛИТЕРАТУРА
- Трухов А. П., Маляров А. И. Литейные сплавы и плавка. М.: Издательский Центр «Академия», 2004. -336 с.
- Габерцеттель А. И., Коростиленко П. А. Плавка и разливка чугуна. Л: Машиностроение, 1980. — 104 с.
- Сенкевич Ю. И., Кантор Б. С., Шицман Е. Б., Василенко С. А., Кучмий Н. И., Касьянов И. М. Автомобильные коленвалы из высокопрочного чугуна // Литейное производство. 1996. №7. С. 6
- Болдырев Д. А. Новые эффективные модификаторы и технологии модифицирования чугунов // Литейное производство. 2006. №12. С. 9-13
- Болдырев Д. А. Освоение новых модификаторов и технологий модифицирования для получения литых заготовок в чугунолитейном производстве ОАО «АВТОВАЗ» // 2-й Литейный консилиум «Теория и практика металлургических процессов при производстве отливок из чёрных сплавов»: Сборник трудов. — Челябинск: ООО «ИЦМ», 2007. С. 109-119
