Лигатуры AlMn, AlCr, AlFe, AlNi

Назначение лигатур AlMn, AlCr, AlFe, AlNi в алюминиевом литье

Лигатура алюминий-марганец, алюминий-хром, алюминий-железо и алюминий-никель — группа двойных алюминиевых лигатур, применяемых для корректировки химического состава деформируемых и литейных алюминиевых сплавов. Каждый из этих легирующих элементов выполняет свою металлургическую функцию: марганец повышает прочность и коррозионную стойкость, хром контролирует рекристаллизацию и подавляет рост зерна, железо улучшает жаропрочность и снижает прилипание к пресс-формам, никель повышает твёрдость и прочность при повышенных температурах.

Введение этих элементов в расплав алюминия в чистом виде технологически нецелесообразно: температуры плавления марганца (1246 °C), хрома (1907 °C), железа (1538 °C) и никеля (1455 °C) значительно превышают рабочую температуру алюминиевого расплава (700–800 °C). Алюминиевая лигатура позволяет вводить эти элементы при умеренных температурах с высокой степенью усвоения и равномерным распределением в расплаве.

Лигатура алюминий-марганец (AlMn): марки и химический состав

Марганец — один из немногих легирующих элементов, который не снижает коррозионную стойкость алюминия, а даже несколько повышает её. В сплавах серии 3xxx (АМц и аналоги) марганец является основным легирующим элементом с содержанием 1–1,5 %. Мелкодисперсные частицы Al₆Mn стабилизируют зерно при высокотемпературном отжиге, повышают прочность за счёт дисперсионного упрочнения и упрочнения твёрдого раствора. Марганец также вводят в сплавы серий 2xxx, 5xxx, 6xxx и 7xxx как дополнительный легирующий элемент для повышения прочности и контроля структуры.

Лигатуры системы Al-Mn выпускаются в нескольких марках, различающихся концентрацией марганца и допустимым уровнем примесей. Буквенные индексы (A) и (B) в обозначении по EN 575 указывают на степень чистоты: марка (A) имеет более жёсткие ограничения по примесям, марка (B) допускает повышенное содержание сопутствующих элементов.

Химический состав лигатур AlMn по EN 575 и GB/T 27677

Марка	Mn, %	Si, % не более	Fe, % не более	Cu, % не более	Прочие, каждый / всего
AlMn10	9,0–11,0	0,40	0,45	0,10	0,03 / 0,15
AlMn10(A)	9,0–11,0	0,30	0,35	0,10	0,03 / 0,10
AlMn10(B)	9,0–11,0	0,50	0,70	0,20	0,05 / 0,15
AlMn10Cu3	9,0–11,0	0,40	0,45	2,5–3,5	0,03 / 0,15
AlMn20(A)	19,0–21,0	0,15	0,20	0,10	0,05 / 0,15
AlMn20(B)	19,0–21,0	0,20	0,25	0,10	0,05 / 0,15
AlMn25(A)	24,0–26,0	0,15	0,20	—	0,05 / 0,15
AlMn25(B)	24,0–26,0	0,20	0,25	—	0,05 / 0,15

Марка AlMn10 (CEN-код AM-92500 по EN 575) является наиболее распространённой и используется для большинства стандартных операций корректировки состава. Лигатуры AlMn20 и AlMn25 с повышенной концентрацией марганца целесообразны при необходимости ввести значительное количество Mn без существенного увеличения объёма присадки и охлаждения расплава. Марка AlMn10Cu3 — тройная лигатура, позволяющая одновременно вводить марганец и медь, что удобно при производстве сплавов системы Al-Cu-Mn.

Применение лигатуры алюминий-марганец

Основные области использования лигатуры AlMn в литейном производстве алюминиевых сплавов:

Корректировка содержания Mn в деформируемых сплавах серии 3xxx (3003, 3004, 3005, 3105 и др.), где марганец является основным легирующим элементом. Легирование марганцем сплавов серий 5xxx и 6xxx для повышения прочности и стабилизации структуры при термической обработке. Введение марганца в литейные алюминиевые сплавы для нейтрализации вредного влияния примеси железа — марганец связывает железо в компактную фазу Al₁₅(Fe,Mn)₃Si₂ вместо хрупкой игольчатой β-фазы Al₅FeSi.

Лигатура алюминий-хром (AlCr): марки и характеристики

Хром в алюминиевых сплавах образует мелкодисперсные частицы Al₇Cr, которые подавляют рекристаллизацию и рост зерна при нагреве. Это особенно важно для сплавов, подвергаемых термической обработке: хром стабилизирует субзеренную структуру и повышает стойкость к коррозии под напряжением. Содержание хрома в алюминиевых сплавах обычно невелико — от 0,04 до 0,35 %, однако его влияние на структуру и свойства существенно.

Химический состав лигатур AlCr по EN 575 и GB/T 27677

Марка	Cr, %	Si, % не более	Fe, % не более	Cu, % не более	Mn, % не более
AlCr2	1,5–2,5	0,20	0,50	0,20	—
AlCr4	3,5–4,5	0,30	0,45	0,15	—
AlCr5(A)	4,0–6,0	0,30	0,35	0,10	0,10
AlCr5(B)	4,0–6,0	0,40	0,45	0,35	0,35
AlCr10	9,0–11,0	0,20	0,30	0,05	0,05
AlCr20(A)	18,0–22,0	0,20	0,25	0,05	0,05
AlCr20(B)	18,0–22,0	0,30	0,30	0,05	0,05

Лигатура AlCr5 (CEN-код AM-92401) — наиболее востребованная марка для литейных предприятий, работающих с жаропрочными и коррозионностойкими алюминиевыми сплавами. Лигатуры с повышенным содержанием хрома (AlCr10, AlCr20) применяются при необходимости ввести значительные количества хрома с минимальным объёмом присадки.

Применение лигатуры алюминий-хром

Хром вводят в алюминиевые сплавы для решения нескольких технологических задач. Подавление рекристаллизации и контроль зерна — мелкодисперсные частицы Al₇Cr фиксируют границы субзёрен и предотвращают огрубление структуры при нагреве. Повышение коррозионной стойкости под напряжением — хром замедляет распад твёрдого раствора по границам зёрен в сплавах систем Al-Mg и Al-Zn-Mg. Улучшение стойкости к межкристаллитной коррозии сплавов серий 5xxx и 7xxx. Хром присутствует практически во всех высокопрочных алюминиевых сплавах серий 2xxx, 5xxx, 6xxx и 7xxx.

Лигатура алюминий-железо (AlFe): марки и состав

Железо в большинстве алюминиевых сплавов является нежелательной примесью, снижающей пластичность и коррозионную стойкость. Однако в литейных алюминиевых сплавах для литья под давлением контролируемое добавление железа (0,8–1,5 %) необходимо для предотвращения прилипания отливок к пресс-форме. Железо также повышает жаропрочность алюминиевых сплавов, поэтому используется в жаропрочных поршневых сплавах (например, сплавы типа АК12М2МгН). Ввод железа в расплав через лигатуру обеспечивает точное дозирование и равномерное распределение.

Химический состав лигатур AlFe по EN 575 и GB/T 27677

Марка	Fe, %	Si, % не более	Cu, % не более	Прочие, каждый / всего
AlFe10	9,0–11,0	0,30	0,10	0,03 / 0,15
AlFe10(A)	9,0–11,0	0,20	0,05	0,03 / 0,10
AlFe10(B)	9,0–11,0	0,40	0,15	0,05 / 0,15
AlFe10Mg	9,0–11,0	0,30	0,10	Mg 0,5–1,5; прочие 0,03 / 0,15
AlFe20	18,0–22,0	0,20	0,05	0,05 / 0,15
AlFe25	23,0–27,0	0,20	0,05	0,05 / 0,15

Лигатура AlFe10 (CEN-код AM-92600 по EN 575) — базовая марка для корректировки содержания железа. Марки AlFe20 и AlFe25 с повышенным содержанием Fe позволяют минимизировать объём присадки и снизить тепловые потери расплава. AlFe10Mg — тройная лигатура, предназначенная для одновременного введения железа и магния.

Применение лигатуры алюминий-железо

Железосодержащие лигатуры применяются для корректировки содержания Fe в литейных алюминиевых сплавах, предназначенных для литья под давлением (марки типа АК12 и аналоги). Железо снижает адгезию расплава к стальной пресс-форме и уменьшает склонность к образованию пригара. Кроме того, лигатуру AlFe используют при производстве жаропрочных алюминиевых сплавов, в которых железо совместно с никелем формирует термически стабильные интерметаллидные фазы.

Лигатура алюминий-никель (AlNi): марки и свойства

Никель повышает жаропрочность алюминиевых сплавов за счёт формирования термически стабильных интерметаллидных фаз Al₃Ni. Эти фазы сохраняют упрочняющий эффект при температурах до 300–350 °C, что критически важно для поршневых сплавов. Никель также повышает твёрдость и снижает коэффициент термического расширения. Совместное легирование железом и никелем — стандартный приём при производстве жаропрочных литейных сплавов для двигателестроения.

Химический состав лигатур AlNi

Марка	Ni, %	Si, % не более	Fe, % не более	Cu, % не более	Прочие, каждый / всего
AlNi10	8,0–12,0	0,30	0,40	0,10	0,03 / 0,15
AlNi20	18,0–22,0	0,20	0,30	0,10	0,05 / 0,15

Лигатура AlNi20 (CEN-код AM-92802 по EN 575, AA-код H2501) является основной промышленной маркой. AlNi10 с пониженным содержанием никеля используется при необходимости более точного дозирования добавки.

Применение лигатуры алюминий-никель

Лигатуры AlNi применяются при производстве жаропрочных поршневых сплавов системы Al-Si-Cu-Ni (типа АК12М2МгН и аналоги), работающих при температурах до 300–350 °C. Никель в сочетании с железом формирует интерметаллидные фазы Al₉FeNi, которые сохраняют прочность сплава при повышенных температурах. Лигатура также используется при производстве сплавов для деталей авиационных двигателей и турбокомпрессоров.

Нормативная база: EN 575 и GB/T 27677

Основным европейским стандартом на алюминиевые лигатуры, полученные методом плавления, является EN 575 «Aluminium and aluminium alloys — Master alloys produced by melting — Specifications». Стандарт определяет химический состав, обозначения марок, допуски по примесям и метод маркировки цветовыми кодами. Для лигатур алюминий-марганец установлен коричневый цветовой код, для алюминий-хром — фиолетовый.

Китайский стандарт GB/T 27677-2017 «Алюминиевые лигатуры» (铝中间合金) охватывает аналогичный перечень марок с близкими нормами по составу. Маркировка по GB/T 27677 строится по принципу «Al + символ легирующего элемента + номинальная массовая доля». Для марок с одинаковым номинальным составом, но различными допусками по примесям, после числа ставится буквенный индекс.

Оба стандарта предусматривают сертификацию каждой партии лигатуры с указанием полного химического состава в сертификате качества.

Формы поставки алюминиевых лигатур

Лигатуры AlMn, AlCr, AlFe и AlNi поставляются в нескольких стандартных формах, выбор которых зависит от технологического процесса литейного предприятия.

Вафельная плита (waffle plate)

Наиболее распространённая форма поставки — чушка с рельефной поверхностью (вафельный слиток) массой 7–9 кг. Рельеф вафельной плиты позволяет разламывать её на фрагменты нужной массы без механической резки. Вафельные плиты укладываются на поддоны, стандартная масса паллета — около 1000 кг.

Мелкие чушки (piglets)

Малогабаритные слитки массой 150–300 г, упакованные в картонные коробки по 25 кг (обычно 100 шт. в коробке). Такая форма удобна для точного дозирования при небольших объёмах расплава и для лабораторных плавок.

Гранулы и таблетки

Для автоматизированных систем подачи выпускаются гранулированные и таблетированные формы лигатур. Они обеспечивают быстрое растворение в расплаве и точное дозирование при непрерывных процессах литья.

Особенности ввода лигатур в расплав алюминия

Для эффективного усвоения легирующего элемента из лигатуры необходимо соблюдать ряд технологических условий. Температура расплава при вводе лигатуры должна быть достаточной для полного растворения интерметаллидных фаз. Для лигатур с 10 % легирующего элемента рабочая температура расплава обычно составляет 720–760 °C, для лигатур с 20–25 % может потребоваться повышение до 780–800 °C.

Лигатуру следует вводить под зеркало расплава с последующим перемешиванием для обеспечения равномерного распределения. Время выдержки после ввода лигатуры AlMn и AlNi составляет 5–10 минут, для AlCr и AlFe — 10–20 минут, так как хром и железо образуют тугоплавкие интерметаллиды, которым требуется больше времени для полного растворения.

Перед разливкой необходимо снять шлак с поверхности расплава и повторно перемешать для проверки однородности состава.

Выбор марки лигатуры: что учитывать

При выборе конкретной марки лигатуры следует учитывать несколько факторов. Требуемая чистота конечного сплава определяет выбор между марками (A) и (B): для ответственных авиационных и автомобильных сплавов предпочтительны марки (A) с пониженным содержанием примесей. Для рядовых литейных сплавов допустимы марки (B).

Концентрация легирующего элемента в лигатуре влияет на массу присадки и тепловые потери расплава: лигатуры с высокой концентрацией (AlMn25, AlCr20, AlFe25) уменьшают объём вводимого материала, но требуют более высокой температуры расплава для растворения. Низкоконцентрированные лигатуры (AlMn10, AlCr5, AlFe10, AlNi10) легче растворяются, но увеличивают массу присадки и охлаждение расплава.

Форма поставки выбирается в соответствии с оборудованием литейного участка: вафельные плиты — для ручного ввода, мелкие чушки — для точного дозирования, гранулы и таблетки — для автоматизированных систем.

Хранение и транспортировка

Алюминиевые лигатуры AlMn, AlCr, AlFe и AlNi хранят в сухих вентилируемых помещениях на поддонах. Материал не токсичен и не горюч в твёрдом состоянии, однако требует защиты от влаги для предотвращения поверхностного окисления, которое может ухудшить усвоение при вводе в расплав. Транспортировка осуществляется любым видом крытого транспорта в упаковке, обеспечивающей сохранность слитков.