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:


 
 
     