Циркониевая лигатура

Лигатура алюминий-цирконий (AlZr) — промежуточный сплав для введения циркония в расплав алюминиевых сплавов. Цирконий — тугоплавкий металл (T_пл ≈ 1855 °C) с ничтожной растворимостью в алюминии при комнатной температуре, поэтому его невозможно ввести непосредственно в расплав без предварительного сплавления с алюминием. Лигатура решает эту задачу: зафиксированная концентрация Zr обеспечивает точное легирование и однородное распределение элемента по объёму плавки.

Поставка — по запросу.

Механизм действия циркония в алюминиевых сплавах

При введении в расплав цирконий частично растворяется в твёрдом растворе α-Al, а при последующей гомогенизации и горячей деформации из пересыщенного твёрдого раствора выделяются мелкодисперсные частицы интерметаллида Al₃Zr со структурой L1₂ диаметром 20–30 нм. Именно эти частицы — дисперсоиды — определяют всё металлургическое действие циркония:

• располагаясь на субграницах зёрен, они блокируют перемещение дислокаций и рост зёрен, резко повышая температуру рекристаллизации;
• тормозят развитие рекристаллизации при горячей обработке давлением и термообработке, сохраняя нерекристаллизованную (полигонизованную) структуру после закалки и старения;
• снижают чувствительность сплава к скорости охлаждения при закалке: при наличии Zr допустимо охлаждение с умеренной скоростью без значительной потери механических свойств, что уменьшает коробление и остаточные напряжения в крупногабаритных полуфабрикатах.

Оптимальное содержание циркония в готовом сплаве составляет 0,10–0,25 % (не более 0,30 %). При превышении этого предела в литой заготовке образуются грубые первичные кристаллы Al₃Zr со структурой D0₂₃ размером 10–100 мкм, которые не вносят вклада в упрочнение и снижают технологическую пластичность, вплоть до растрескивания при деформации.

Влияние циркония на свойства алюминиевых сплавов

Добавка Zr в количестве 0,10–0,25 % обеспечивает следующий комплекс эффектов, подтверждённых промышленной практикой и научными исследованиями:

• Торможение рекристаллизации. Дисперсоиды Al₃Zr повышают температуру рекристаллизации выше температуры нагрева под закалку, что сохраняет нерекристаллизованную структуру в прессованных и катаных полуфабрикатах после термообработки и даёт прирост прочности относительно рекристаллизованного состояния.
• Улучшение свариваемости. Zr препятствует росту зерна в зоне термического влияния сварного шва, что повышает прочность и коррозионную стойкость сварных соединений.
• Снижение чувствительности к скорости закалки. Сплавы с Zr допускают более медленное охлаждение при закалке без существенного снижения прочности после старения, что критично для толстолистового и крупносечённого проката.
• Повышение коррозионной стойкости. Микролегирование цирконием увеличивает стойкость сплавов Al-Zn-Mg к коррозии под напряжением.
• Термостойкость. Когерентные частицы Al₃Zr стабильны при температурах до 300–350 °C и препятствуют разупрочнению при нагреве, что используется в термостойких электропроводящих сплавах.

Марки лигатуры AlZr по ГОСТ Р 53777-2010

Лигатура алюминий-цирконий выпускается по ГОСТ Р 53777-2010 «Лигатуры алюминиевые. Технические условия». Стандарт устанавливает шесть марок, различающихся массовой долей циркония и допустимым содержанием примесей.

Химический состав по маркам

Марка	Zr, % (масс.)	Особенности состава
AlZr2,5	2,0–3,0	Повышенная чистота по примесям; основа — Al
AlZr5 (A)	4,5–5,5	Пониженное содержание Si, Fe, Cu; Ti и Ni не нормируются
AlZr5 (B)	4,5–5,5	Допустимо больше Si, Fe, Cu; Ti и Ni — до 0,1% каждый
AlZr10 (A)	9,0–11,0	Пониженное содержание Si, Fe, Cu; Ti и Ni не нормируются
AlZr10 (B)	9,0–11,0	Допустимо больше Si, Fe, Cu; Ti и Ni — до 0,1% каждый
AlZr15	13,5–16,0	Основа — Al

Разделение на разновидности A и B при одинаковой доле циркония отражает разные допуски на примеси: марка A — более чистый состав для ответственных сплавов, марка B — расширенные допуски по Si, Fe, Cu, а также нормируемые Ti и Ni, что допустимо для менее критичных применений.

Цветовая маркировка лигатуры AlZr

Каждая пластина и бухта маркируются цветными полосками в соответствии с ГОСТ Р 53777-2010 (Приложение А). Это позволяет идентифицировать марку без вскрытия упаковки.

Марка	Цветовая маркировка
AlZr2,5	Тёмно-синяя + оранжевая полосы
AlZr5 (A)	Одна тёмно-синяя полоса
AlZr5 (B)	Тёмно-синяя + красная полосы
AlZr10 (A)	Две тёмно-синие полосы
AlZr10 (B)	Две тёмно-синие + красная полосы
AlZr15	Тёмно-синяя + зелёная полосы

Применение лигатуры алюминий-цирконий

Лигатура AlZr используется при производстве деформируемых и отдельных литейных алюминиевых сплавов, где требуется контролируемое введение циркония. Основные области применения:

• Высокопрочные деформируемые сплавы серии Al-Zn-Mg-Cu (7xxx по AA, аналоги В95, В93 и близких марок по ГОСТ 4784): цирконий — обязательный легирующий элемент, обеспечивающий нерекристаллизованную структуру, высокую прочность и коррозионную стойкость под напряжением в прессованных профилях, плитах и поковках.
• Свариваемые сплавы Al-Zn-Mg: легирование Zr подавляет рост зерна в ЗТВ и повышает прочность сварного шва.
• Термостойкие электропроводящие сплавы для проводов воздушных линий электропередачи: дисперсоиды Al₃Zr стабилизируют субзёренную структуру при рабочих температурах 150–230 °C, обеспечивая сохранение прочности в режиме длительного нагрева.
• Специальные литейные сплавы с повышенными требованиями к структуре после термообработки.

Смежные циркониевые полуфабрикаты — циркониевые прутки — применяются в химическом машиностроении и ядерной энергетике, где требуются монолитные изделия из технического циркония, а не лигатурный сплав.

Формы поставки и условия заказа

По ГОСТ Р 53777-2010 лигатура алюминий-цирконий поставляется в двух формах:

• Вафельные пластины — масса одной пластины не более 10 кг. Стандартная форма для дискретного ввода в плавку.
• Пруток в бухтах — диаметр 9,5 ± 0,5 мм, масса бухты не более 180 кг. Применяется при непрерывном легировании расплава в потоке (in-line treatment).

Партия поставки — не более 1000 кг. Каждая партия сопровождается документом о качестве с результатами химического анализа плавки. Марку подбирают исходя из требуемого содержания Zr в готовом сплаве и допустимых уровней примесей по соответствующему стандарту на сплав.

Помимо циркониевой лигатуры, в раздел входят другие алюминиевые лигатуры для легирования и модифицирования алюминиевых сплавов.