Лигатуры алюминиевые: структура и назначение

Представлены классификация и форма алюминиевых лигатур, выпускаемых металлургическими 
предприятиями, приведены диаграммы состояния 
Al-Me с тугоплавкими металлами для производства 
лигатур. Рассмотрены фазовый состав и морфология интерметаллидов в зависимости от скорости охлаждения и добавок поверхностно-активных элементов. Показаны типичные микроструктуры лигатур 
для легирования и модифицирования алюминиевых 
сплавов. Изучены диаграммы состояния алюминия  
с иттрием, самарием, гадолинием, гафнием и иттербием и их влияние на сплав Al-Zr-Sc.

В.И. Напалков, В.Н. Баранов, В.Ф. Фролов

ЛИГАТУРЫ АЛЮМИНИЕВЫЕ: 
СТРУКТУРА И НАЗНАЧЕНИЕ

– 1 – 

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
В.И. Напалков 
В.Н. Баранов 
В.Ф. Фролов 
 
 
ЛИГАТУРЫ АЛЮМИНИЕВЫЕ: 
СТРУКТУРА И НАЗНАЧЕНИЕ 

 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск 
СФУ 
2019

– 2 – 

УДК 669.715 
ББК 34.333.1 
Н270 
 
Р е ц е з е н т ы: 
В.И. Тарарышкин, кандидат технических наук; 
Т.Н. Ковалева, кандидат технических наук, доцент, руководитель научно-аналитической лаборатории Литейного центра 
ООО «РУСАЛ ИТЦ» 
 
Напалков, В.И. 
Н270  
Лигатуры алюминиевые: структура и назначение : монография / В.И. Напалков, В.Н. Баранов, В.Ф. Фролов. – Красноярск : 
Сиб. федер. ун-т, 2019. – 176 с. 
ISBN 978-5-7638-4018-6 
 
Представлены классификация и форма алюминиевых лигатур, выпускаемых металлургическими предприятиями, приведены диаграммы состояния 
Al-Me с тугоплавкими металлами для производства лигатур. Рассмотрены фазовый состав и морфология интерметаллидов в зависимости от скорости 
охлаждения и добавок поверхностно-активных элементов. Показаны типичные микроструктуры лигатур для легирования и модифицирования алюминиевых сплавов. Изучены диаграммы состояния алюминия с иттрием, самарием, 
гадолинием, гафнием и иттербием и их влияние на сплав Al-Zr-Sc. 
Предназначена научным и инженерно-техническим работникам институтов и предприятий алюминиевой промышленности, а также студентам, обучающимся по направлениям 651300 «Металлургия» и специальности 110400 
«Литейное производство черных и цветных металлов», бакалаврам и магистрам по направлению 22.0402 «Металлургия». 
 
 
 
 
 
Электронный вариант издания см.:  
УДК 669.715 
http://catalog.sfu-kras.ru  
ББК 34.333.1 
 
 
 
 
ISBN 978-5-7638-4018-6                            © Сибирский федеральный университет, 2019 

– 3 – 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

 
 
 
ВВЕДЕНИЕ ...................................................................................................... 4 
 
Глава 1. ОСНОВНЫЕ  ЗАКОНОМЕРНОСТИ  КРИСТАЛЛИЗАЦИИ  
ПЕРВИЧНЫХ   ИНТЕРМЕТАЛЛИДОВ  В  ЛИГАТУРАХ ....................... 5 

1.1. Характер первичной кристаллизации интерметаллидов .................. 5 
1.2. Закономерности первичной кристаллизации интерметаллидов .... 15 
1.3. Фазовый состав алюминиевых лигатур ............................................ 19 
1.4. Влияние технологических факторов  
на морфологию кристаллов интерметаллидов ................................ 27 
1.5. Литейные свойства алюминиевых лигатур ...................................... 58 

 
Глава 2. ФАЗОВЫЕ  РАВНОВЕСИЯ  В  АЛЮМИНИЕВЫХ  
РАСПЛАВАХ  С  ТУГОПЛАВКИМИ  ЭЛЕМЕНТАМИ ......................... 64 

2.1. Классификация, форма и способы введения  
алюминиевых лигатур ........................................................................ 64 
2.2. Марки алюминиевых лигатур, их назначение и применение ........ 71 
2.3. Марки алюминиевых лигатур с лантаноидами ............................. 140 
2.4. Влияние скандия и циркония и лантаноидов на структуру  
и свойства алюминия и его сплавов ............................................... 154 

 
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ........................................................................... 169 

– 4 – 

ВВЕДЕНИЕ 

 
 
 
Алюминиевые лигатуры широко используются при производстве различных промышленных сплавов с целью регулирования химического состава и влияния на структуру слитков и отливок.  
По классификации, принятой в России, лигатуры подразделяют на 
два вида: для легирования и для модифицирования алюминиевых 
сплавов, а по европейской классификации различают концентрированные бинарные и структурные лигатуры. Исключительно важное 
значение имеет качество алюминиевых лигатур, которое заключается в двух основных требованиях:  
1. Высокая дисперсность кристаллов интерметаллидов. 
2. Максимальная чистота по оксидным и неметаллическим 
включениям.  
Применение лигатур позволяет точно дозировать концентрацию легирующих элементов, а также их равномерное распределение 
по объему расплава в плавильном агрегате.  
Для понимания физико-химической сущности и процесса приготовления лигатур представлены их литейные свойства, а также  
основные закономерности кристаллизации сплавов с первично выпадающими интерметаллидами. Рассмотрено влияние скорости охлаждения лигатур и нерастворимых примесей на дисперсность и размер первичных интерметаллидов. По каждой марке лигатур показана 
оптимальная микроструктура первичных интерметаллидов, позволяющая производить качественные слитки с оптимальной структурой.  
Приведены экспериментальные данные фазового состава лигатур Al-Hf, Al-Y, Al-Sm, Al-Gd и Al-Er и влияния их малых добавок 
на структуру сплава AlZr0, 2Sc0,1. 
Авторы монографии надеются на то, что книга будет полезена 
металлургам, специализирующимся в области литья алюминия и его 
сплавов, а также научным работникам при разработке новых алюминиевых сплавов. 

– 5 – 

Глава 1 
ОСНОВНЫЕ  ЗАКОНОМЕРНОСТИ  
КРИСТАЛЛИЗАЦИИ  ПЕРВИЧНЫХ   
ИНТЕРМЕТАЛЛИДОВ  В  ЛИГАТУРАХ 

 
 
 
1.1. ХАРАКТЕР ПЕРВИЧНОЙ  
КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ИНТЕРМЕТАЛЛИДОВ 
 
 
Кристаллы первично кристаллизующихся интерметаллидов 
образуются в расплаве по гетерогенному механизму, т. е. на твердых частицах примесей, присутствующих в жидких металлах или 
сплавах. Такими подложками являются активированные примеси, 
изоморфные частицы тугоплавких соединений и просто достаточно 
дисперсные твердые инертные частицы. 
Примером активированной примеси является взвешенный оксид алюминия, побывавший в контакте с затвердевшим металлом,  
в трещинах и углублениях которого сохраняется твердая фаза, близкая по составу к твердому раствору или интерметаллическому соединению. Поверхность твердых частиц может иметь контактный 
слой, близкий по своим кристаллографическим параметрам интерметаллической фазе. В качестве твердых частиц, изоморфных первичной интерметаллической фазе, выступают некоторые карбиды, 
нитриды, бориды и другие соединения. Реальный алюминиевый 
расплав является гетерогенной полидисперсной системой с размерами неметаллических включений, приближенными к коллоидным 
(0,01–1,0 мкм). Осаждения частиц практически не происходит. 
Дисперсные включения оксида алюминия имеют глобулярную 
форму и распределены по размерам: 45–55 % частиц имеют размер 
≤ 0,3 мкм, 28–30 %  0,3–0,7 мкм и 15–27 %  > 0,7 мкм. Основная 
масса включений имеет размер, близкий к 0,3 мкм. Включения распределены сравнительно равномерно и коагуляции практически  

– 6 – 

не наблюдается [1, 2]. Показано, что при температуре до 900 °С оксид алюминия не смачивается расплавом, но при более высоких 
температурах начинает смачиваться: чем выше температура, тем 
сильнее [2]. А.В. Курдюмов с сотрудниками считают, что различным температурным интервалам смачивания соответствуют оксиды 
Al2O3, AlO и Al2O, связанные с краевым углом смачивания следующей закономерностью: 
 
Оксид 
Al2O3 
AlO 
Al2O 
t, °С 
700–850 
800–1100 
1100–1200 
, град 
150–160 
80–100 
40–60 
 
Добавки цинка, магния, меди и титана при температуре 900–
1000 °С увеличивают краевой угол смачивания на 10 градусов.  
В большей мере ухудшает смачивание титан. Как было указано,  
в алюминиевом расплаве присутствуют также частицы нитридов  
и карбидов. 
В настоящее время можно с уверенностью говорить и о другой 
стороне механизма кристаллизации интерметаллидов [3]. Существует ряд экспериментальных данных, указывающих на то, что 
жидкие металлы и сплавы в области температур, не слишком превышающих линию ликвидуса, содержат атомные группировки, 
напоминающие по своему строению твердую фазу. Микроскопические скопления атомов (атомные группировки) рассматриваются 
либо как «сиботаксические группы» размером 10–6–10–7 см, не имеющие границ раздела с окружающей средой, либо как «квазимолекулы» с направленными связями между атомами компонентов сплава, способные взаимодействовать друг с другом и с атомами избыточного элемента, либо как кластеры.  
Пространственно-устойчивые атомные комплексы в жидком 
металле рассматриваются также как «макромолекулы», размеры которых определяются средней длиной свободного пробега электрона 
в решетке металла. 
Имеются экспериментальные данные об активности компонентов, поверхностной энергии, плотности, электропроводности  

– 7 – 

и вязкости жидких сплавов, подтверждающие возможность существования подобных устойчивых группировок в сплавах Al-Fе [4], 
Al-Ni [5], Al-Ti [6]. Достаточно четкие изломы на изотермах кинематической вязкости наблюдаются при содержаниях тугоплавкого 
компонента (Fе, Ni, Сr), близких к соответствующему алюминиду 
(рис. 1.1). 
По своим физико-химическим свойствам расплавы алюминия 
с тугоплавкими металлами резко отличаются от идеальных растворов. Расплавы Al-Fе, Al-Ni, Al-Ti и др. имеют большие отрицательные отклонения от идеальности; вязкость их увеличивается очень 
сильно при добавке компонента. Значительное химическое сродство 
и большая энергия взаимодействия атомов алюминия с атомами  
титана и железа позволяют предположить, что атомы алюминия  
закреплены в пределах первой координационной сферы растворенного атома. По степени влияния на вязкость алюминия металлы 
располагаются в ряд Mg, Cu, Fe, Ti, Zn и почти не влияют на вязкость, Mg увеличивает ее незначительно, Si, Bi, Sn уменьшают [4]. 
 
 

 
Рис. 1.1. Кинематическая вязкость расплавов  
системы Al-Cr при t, °С: 1 – 1300;  
2 – 1400; 3 – 1550; 4 – 1700 

– 8 – 

В расплавах Al-Ni наличие пика на концентрационной зависимости кинематической вязкости свидетельствует о сохранении в эквиатомном расплаве структуры ближнего порядка соответственно 
твердому соединению NiAl [5]. Можно полагать, что в подобном 
расплаве взаимодействие между разнородными атомами настолько 
велико, что в жидком состоянии образуются термически устойчивые 
атомные группировки. Об этом говорят и высокая температура плавления NiAl, и большая теплота его образования как из твердых, так  
и из жидких компонентов. В отличие от данных исследования [7],  
согласно которым кинематическая вязкость расплавов никеля с ростом содержания алюминия сравнительно монотонно возрастает 
вплоть до NAl = 0,5; в работе [8] установлено, что низшим алюминидам присуща минимальная вязкость. Полученные данные о вязкости 
жидких алюминидов никеля находятся в соответствии с результатами исследования их плотностей и поверхностных энергий [2]. Комплекс полученных физико-химических свойств жидких сплавов  
никеля с алюминием свидетельствует о сильном взаимодействии 
разнородных атомов (рис. 1.2). 
 

 

 
 
Рис. 1.2. Кинематическая вязкость 
расплавов системы Al-Ni  
при 1700 °С 

Рис. 1.3. Изотермы активности 
компонентов в жидких сплавах Al-Fe: 
1 – экспериментальные данные; 
2 – расчетные значения при 1873 К 

– 9 – 

На рис. 1.3 приведены изотермы активности компонентов  
в жидких сплавах алюминия с железом [9]. Сопоставление данных 
по активности при разных температурах показывает, что с ростом 
температуры отрицательные отклонения от закона Рауля уменьшаются незначительно. Результаты свидетельствуют, что для жидких 
растворов алюминия с железом характерны большие отрицательные 
отклонения от идеальных растворов. Эти отклонения согласуются  
с диаграммой состояния системы Al-Fe. В твердом состоянии эта 
система характеризуется сильным химическим взаимодействием 
компонентов, тенденция сохраняется и в жидких сплавах даже при 
значительных перегревах над линией ликвидуса. 
В работе [10] измерена активность бериллия в жидких алюминиевых расплавах при 680–800 °С. Установлены положительные отклонения активности от закона Рауля, что говорит об отсутствии соединений в системе. В области составов, превышающих растворимость, 
сосуществуют насыщенный раствор и металлический бериллий. 
Изотермы активности магния в жидких сплавах Мg-Ni и Мg-Si, 
по Б.М. Липинских, О.А. Есину и А.А. Ананьину, приведены  
на рис. 1.4. Концентрационная зависимость термодинамических 
характеристик системы Мg-Ni характеризуется умеренным отрицательным отклонением от идеального состояния: кривые почти симметричны, что хорошо согласуется с наличием в системе двух  
инконгруэнтно плавящихся соединений Мg2Ni и Мg-Ni2. 
 

 
Рис. 1.4. Изотермы активности магния в жидких сплавах систем:  
Mg-Ni (1) при 1100 °С и Mg-Si (2) при 1150 °С 

– 10 – 

В системе Mg-Si наблюдаются большие отрицательные отклонения от закона Рауля. Асимметричное положение кривых термодинамических свойств, наличие на них максимума, отвечающего 
составу NMg  0,66, указывают на сильное взаимодействие компонентов в жидком состоянии, что хорошо согласуется с существованием в этой системе прочного соединения Mg2Si. Л.К. Ламихов  
и Г.В. Самсонов полагают, что при добавлении к алюминию какоголибо активного, реакционно способного по отношению к алюминию 
переходного металла, например титана, в расплаве образуются 
устойчивые атомные группировки, образованные прочными гибридными spd-связями, способные при определенных температурных и концентрационных условиях достичь критической величины 
равновесного зародыша кристаллизации [11]. Оценить реакционную 
способность (или сродство к алюминию) металлов переходной 
группы можно критерием степени недостроенности d-электронных 
оболочек их атомов. Л.К. Ламихов и Г.В. Самсонов в качестве такого критерия берут вероятностный критерий, который называется 
акцепторной способностью (табл. 1.1) d-оболочки и выражается 
формулой 
 
 = 1 / Nn, 
(1) 
 
где N – главное квантовое число недостроенной d-оболочки;  
n – число электронов на d-оболочке. 
 
 
Таблица 1.1 

 
Значения акцепторной способности тугоплавких металлов 

 
Элемент 
Sc 
Ti 
V 
Cr 
Mn 
Fe 

N 
1/Nn 
1 
0,333 
2 
0,167 
3 
0,111 
4 
0,067 
5 
0,067 
6 
0,055 

Элемент 
Co 
Ni 
Zr 2 
Nb 
Mo 5 
– 

N 
1/Nn 
7 
0,047 
8 
0,041 
2 
0,125 
4 
0,062 
5 
0,05 
– 
–