Лигатура

Лигатура в металлургии — промежуточный вспомогательный сплав, предназначенный для введения в жидкий металл тугоплавких, летучих или сильно окисляющихся легирующих элементов. В отличие от прямого ввода чистого металла, применение лигатур обеспечивает более стабильное и контролируемое усвоение добавки расплавом. Лигатура состоит из металла-основы (алюминий, медь, никель, железо) и одного или нескольких легирующих компонентов, концентрация которых в лигатуре существенно выше, чем в получаемом сплаве.

Назначение лигатур и отличие от ферросплавов

В чёрной металлургии лигатуры принято отличать от ферросплавов: ферросплавы используют одновременно для легирования и раскисления, тогда как лигатуры предназначены исключительно для точного введения легирующего элемента. Принципиальное отличие — возможность отсутствия железа в составе, что делает лигатуры незаменимыми при выплавке цветных сплавов на основе алюминия, меди, никеля, магния.

Необходимость применения лигатур возникает в трёх основных случаях. Первый — легирующий элемент тугоплавок (Ti, Mo, W, Nb, V) и при прямом вводе требует значительного перегрева расплава, что повышает газонасыщение и угар. Второй — элемент легкоокисляем или летуч при температуре расплава (Mg, Ca, РЗМ), и без лигатуры его усвоение нестабильно. Третий — требуется точное дозирование малых концентраций добавки, где непосредственный ввод чистого металла технологически затруднён.

Усвоение легирующего элемента из лигатуры, как правило, выше и стабильнее, чем при введении его в виде чистого металла — именно за счёт снижения температуры плавления лигатуры по сравнению с тугоплавким компонентом в чистом виде и уменьшения контактного времени расплава с кислородом.

Алюминиевые лигатуры — марки и применение в промышленности

Алюминиевые лигатуры составляют одну из наиболее широких групп. Металл-основа — алюминий — обеспечивает низкую температуру плавления лигатуры и технологичность ввода. Подробный ассортимент алюминиевых лигатур охватывает системы Al-Ti, Al-Mn, Al-Cu, Al-Zr, Al-Cr, Al-V, Al-Sc, Al-Sr, Al-Be и другие.

Лигатуры Al-Ti и Al-Zr — измельчение зерна деформируемых сплавов

Лигатура AlTiB (алюминий-титан-бор, например AlTi5B1) — наиболее распространённый модификатор зерна для деформируемых алюминиевых сплавов и слитков непрерывного литья. Титан и бор совместно формируют мелкокристаллическую структуру. Норма расхода при производстве экструзионных слитков — 0,5–2 кг на тонну расплава. Лигатура AlZr применяется для повышения температуры рекристаллизации в высокопрочных сплавах группы 7000 (AA7xxx) и в алюминиевых кабельных сплавах повышенной прочности, а также препятствует росту зерна в зоне сварного шва.

Лигатура АКЦе — комплексный модификатор без кремния

АКЦе (алюминий-кальций-церий) и АКЦеЖ (с добавкой железа) — бескремнистые комплексные лигатуры для производства стали с повышенной ударной вязкостью (более 200 Дж/см²). В составе: РЗМ цериевой группы — 20%, алюминий — 20%, кальций — 3%; в марке АКЦеЖ дополнительно железо — 8%. Регламентируются ГОСТ Р 53777-2010. Кальций и церий совместно измельчают зерно, очищают расплав от серы и кислорода, повышают пластичность и ударную вязкость литых и деформированных сталей.

Лигатуры AlMn, AlCu, AlCr — корректировка химического состава

Группа «упрочняющих» алюминиевых лигатур — AlMn (до 20% Mn), AlCu, AlCr, AlV, AlFe — используется для подшихтовки при изготовлении деформируемых и литейных алюминиевых сплавов, когда необходима корректировка химического состава в соответствии с марочной спецификацией. Лигатура AlMn1 в концентрации около 0,5% Mn в сплаве подавляет рост зерна в твёрдом состоянии, AlCu улучшает прочность и обрабатываемость.

Медные лигатуры для цветного литья и специальных сплавов

Медные лигатуры применяются при производстве бронз, латуней, медно-никелевых и других сплавов на медной основе. Фосфор из-за летучести вводят исключительно в виде лигатуры медь-фосфор (МФ9, МФ10 по ГОСТ 4515-93) — прямой ввод фосфора в расплав технически невозможен. CuZr (медь-цирконий) применяется для изготовления высокопроводящих сплавов с повышенной теплостойкостью, CuCr — в авиационной и ракетной технике для спецсплавов.

Никелевые лигатуры для жаропрочных сталей и специальных сплавов

Никелевые лигатуры предназначены для легирования нержавеющих, жаропрочных и жаростойких сталей, а также никелевых и железоникелевых сплавов. Никель как основа обеспечивает совместимость с большинством целевых материалов.

Лигатура ИтН-1 (никель-иттрий) для жаростойкого легирования

Лигатура ИтН-1 (никель-иттриевая) по ТУ 48-0531-464-93 содержит около 91% никеля и 9% иттрия. Иттрий повышает жаропрочность и жаростойкость нержавеющих хромсодержащих сталей, увеличивает температуру эксплуатации нагревательных элементов из нихромов, улучшает прокаливаемость специальных сплавов. Применяется при производстве жаропрочных нержавеющих сталей, работающих в высокотемпературных средах. Ввод в расплав — в виде кусков при плавке.

Лигатура ГФН-10 (гафний-никель) для газотурбинных компонентов

Гафний в никелевых жаропрочных сплавах повышает прочность и пластичность при высоких температурах за счёт специфического механизма закручивания границ зёрен («гафниевый эффект»), а также участвует в образовании дополнительного количества упрочняющей γ’-фазы. Лигатура ГФН-10 (гафний-никель, ~10% Hf) применяется в производстве жаропрочных сплавов для лопаток авиационных газотурбинных двигателей, где требуется сочетание высокой прочности при ползучести с сохранением пластичности.

Лигатура никель-ниобий для жаростойких сплавов

Лигатура NiNb (никель-ниобий) — основа для введения ниобия в жаропрочные никелевые сплавы. Ниобий измельчает зерно, повышает прочность при высоких температурах. Выпускается с содержанием ниобия 60–80%. Применяется при производстве лопаток, дисков и других деталей авиационных двигателей, а также в химическом машиностроении.

Модификаторы и лигатуры для чугунного литья

В литейном производстве лигатуры применяются прежде всего для управления формой графита в чугуне — от пластинчатой (серый чугун) до шаровидной (высокопрочный чугун с шаровидным графитом — ВЧШГ).

Ферросиликомагниевые лигатуры для получения ВЧШГ

Сфероидизирующие модификаторы на основе системы FeSiMg (ФСМг) — ключевой инструмент при производстве высокопрочного чугуна с шаровидным графитом по ГОСТ 7293. Магний, введённый в расплав через лигатуру типа ФС50Мг5 или ФСМг7, обеспечивает сфероидизацию графита при остаточном содержании Mg в чугуне 0,03–0,07%. Для гарантированного результата необходимо, чтобы отношение остаточного магния к остаточной сере в расплаве составляло не менее трёх. Ввод производится ковшевым методом (сандвич-процесс) или непосредственно в форму. Содержание серы в исходном чугуне перед обработкой не должно превышать 0,04%.

ФС30РЗМ30 — предварительный модификатор с РЗМ

Лигатура ФС30РЗМ30 (ферросилиций с 30% редкоземельных металлов цериевой группы) по ТУ 14-5-136-81 применяется для ковшевой предобработки чугунов. РЗМ в сочетании с кремнием являются эффективными десульфураторами и раскислителями: они нейтрализуют серу, кислород и другие «антисфероидизаторы», снижая их вредное влияние на процесс модифицирования магнием. Предварительная обработка лигатурой ФС30РЗМ30 улучшает условия сфероидизации при последующем вводе ФСМг-модификатора.

ФС65Ба4 — бариевый модификатор-раскислитель

Ферросиликобарий ФС65Ба4 по ТУ 14-5-160-01 имеет состав: Si — 65%, Ba — 4%, Al — 2,5%, Fe — остальное. Барий в сталеплавильных температурах эффективно снижает давление паров кальция, а в сочетании с кремнием выступает мощным раскислителем и десульфуратором. Применяется при производстве отливок из высокопрочного чугуна, а также в сталелитейном производстве для улучшения качества низкофосфористой стали. Поставляется в виде кусков фракцией 2–15 мм.

Мишметалл МЦ50Ж6 — лигатура из редкоземельных металлов

Мишметалл (ферроцерий) марки МЦ50Ж6 по ТУ 48-4-280-91 — промежуточная смесь редкоземельных металлов, получаемая электролизом хлоридов РЗМ. Состав: церий — около 50%, лантан — 25%, неодим — 17%, железо — до 6%. Применяется как раскисляющая, десульфурирующая и модифицирующая добавка при выплавке сталей (нержавеющих, быстрорежущих, жаропрочных), чугунов и сплавов цветных металлов. Добавка мишметалла к алюминиевым сплавам повышает их жаропрочность; к никелевым — улучшает высокотемпературное сопротивление окислению. В чугунолитейном производстве позволяет вдвое увеличить прочность чугуна за счёт формирования более однородной структуры.

Лигатура магний-неодим для авиационной и ракетной техники

Лигатура магний-неодим (МН) по ТУ 48-4-271-91 — вспомогательный сплав для введения неодима в магниевые и некоторые алюминиевые сплавы. Массовая доля неодима составляет 20–35%, основа — магний. Неодим повышает жаропрочность и вибростойкость магниевых сплавов при повышенных температурах, что особенно востребовано в авиационно-космической промышленности при изготовлении корпусных деталей, подверженных динамическим нагрузкам. Поставляется в стальных барабанах под аргоном для защиты от окисления.

Лигатуры для легирования хладостойких и специальных сталей

При производстве конструкционных сталей для эксплуатации в условиях отрицательных температур (трубопроводы, мостовые конструкции, Арктический шельф) применяют комплексное легирование с использованием лигатур на основе ниобия, ванадия и редкоземельных металлов. Лигатуры NiNb (никель-ниобий), FeNb (феррониобий) обеспечивают измельчение зерна аустенита и карбонитридное упрочнение, что снижает порог хладноломкости стали. Лигатуры с РЗМ цериевой группы (мишметалл) модифицируют неметаллические включения, переводя их в менее опасную глобулярную форму и дополнительно снижая хрупкость.

Жаропрочные лигатуры для авиадвигателестроения и энергетики

Никелевые жаропрочные сплавы для лопаток газотурбинных двигателей работают при температурах 900–1100°C и выше. Их легирование требует точного ввода молибдена, вольфрама, ниобия, тантала, гафния — элементов, большинство которых тугоплавки. Для этих целей применяются лигатуры:

Лигатуры никелевые для модифицирования чугуна

Никель-магниевые лигатуры (NiMg)

Лигатуры группы NiMg содержат 4–22% магния, основа — никель. Применяются как модификаторы при отливке высокопрочных чугунов марок ВЧ, а также для десульфуризации и раскисления специальных сталей. Высокая плотность лигатуры позволяет погружать её в расплав наиболее простым способом с минимальным пироэффектом и испарением оксида магния. Добавка церия в лигатуру (НМЦ по ТУ 14-2Р-338-2000) нейтрализует влияние вредных примесей — серы, фосфора, кислорода — и усиливает сфероидизирующий эффект магния.

Алюминиево-бериллиевые и медно-бериллиевые лигатуры

Бериллий из-за высокой токсичности и химической активности вводят в расплав исключительно в виде лигатур. Медно-бериллиевая лигатура МБ-1 и МБ-2 по ГОСТ 23912-79 содержит 9,5–10,5% бериллия и применяется для производства бериллийсодержащих бронз. Алюминиево-бериллиевый сплав АБ-1 и АБ-2 по ГОСТ 23911-79 используется для легирования алюминиевых и магниевых сплавов специального назначения бериллием с целью снижения окисляемости расплава и повышения прочностных характеристик.

Формы поставки лигатур: технологические особенности

Выбор формы поставки влияет на скорость усвоения, точность дозирования и технологичность ввода в расплав.

Вафельные и резаные слитки

Наиболее распространённая форма для алюминиевых лигатур. Вафельный слиток весом 100–250 г легко отломить или взвесить с нужной точностью. Для крупнотоннажных плавок используются резаные слитки, мерные чушки. Цветовая маркировка торцов слитков выполняется согласно Приложению А ГОСТ Р 53777-2010 (для алюминиевых лигатур).

Лигатурный пруток и проволока

Пруток и проволока применяются при механизированном введении лигатуры в расплав — через трайб-аппарат непосредственно в ковш или кристаллизатор. Метод обеспечивает наибольшую стабильность дозирования и используется в крупносерийном производстве. Подходит для алюминиевых, медных, никелевых лигатур.

Таблетированная форма и брикеты

Таблетки и брикеты из порошковых лигатур обеспечивают точное дозирование при малых навесках, применяются для внутриформенного модифицирования чугуна (ввод в литниковую систему) и при ковшевой обработке небольших объёмов расплава. Коэффициент усвоения брикетированных лигатур достигает 98%, что выше, чем у кускового материала.

Кусковой материал

Поставляется фракциями различных классов крупности согласно ГОСТ 1415-93 (применительно к ферросплавам): от класса 7 (до 3,2 мм) до класса 1 (100–315 мм). Используется для загрузки в ковш или печь при крупнотоннажном производстве. Класс крупности выбирается исходя из объёма плавки и способа ввода.

Важные технологические нюансы при применении лигатур

Температурный режим плавки критически влияет на эффект модифицирования. Перегрев расплава выше оптимального диапазона при добавлении модификаторов зерна (AlTiB, AlZr) приводит к обратному результату — укрупнению зерна вместо его измельчения. При использовании сфероидизирующих ФСМг-модификаторов для чугуна превышение содержания серы в расплаве выше 0,04% требует пропорционально большего расхода лигатуры и снижает эффективность сфероидизации. Введение магнийсодержащих лигатур при высоком содержании растворённых газов и серы в чугуне сопровождается усиленным пироэффектом.

Время от окончания модифицирования до заливки в форму ограничено: эффект большинства сфероидизирующих и графитизирующих модификаторов затухает через 10–15 минут — этот интервал называют «фединг» (затухание эффекта модифицирования). Для продления эффекта применяется вторичное графитизирующее модифицирование.

Ассортимент и условия поставки

Мы поставляем широкий ассортимент лигатур металлургических для предприятий России:

Каждая партия лигатуры поставляется с сертификатом качества на основании результатов спектрального анализа химического состава. Поставка осуществляется со складов в Москве и по России. Минимальная партия — от 10 кг. В заявке необходимо указать марку лигатуры, форму поставки и требуемое количество.