Легирование металлов это кратко

Обновлено: 08.01.2025

Развитие отождествляется с совершенствованием. Улучшение промышленных и бытовых возможностей осуществляется с помощью использования материалов с прогрессивными характеристиками. Это, в частности, легированные металлы. Их разнообразие определяется возможностями коррекции количественного и качественного состава легирующих элементов.

Природно-легированная сталь

Первое выплавленное железо, которое по своим свойствам отличалось от сородичей, было природно-легированным. В выплавляемом доисторическом метеоритном железе содержалось повышенное количество никеля. Его находили в древнеегипетских захоронениях 4-5 тысячелетий до н. э., из такого же сооружен памятник архитектуры Кутаб Минар в Дели (V век). Японские булатные мечи изготавливались из железа, насыщенного молибденом, а дамасская сталь содержала вольфрам, характерный для современной быстрорежущей. Это были металлы, руда для которых добывалась из определенных мест.

Сплавы современного производства могут содержать природные компоненты металлического и неметаллического происхождения, которые отражаются на их характеристиках и свойствах.

Исторический путь

Фундамент для развития легирования был заложен обоснованием тигельного способа плавления стали в Европе в XVIII веке. В более примитивном варианте тигли использовались еще в древние времена, в том числе для выплавки булатной и дамасской стали. В начале 18 века эта технология получила совершенствование в промышленных масштабах и позволяла корректировать состав и качество исходного материала.

• Одновременное открытие все новых и новых химических элементов, подталкивало исследователей на экспериментальные опыты выплавки.
• Установлено негативное влияние меди на качество стали.
• Открыта латунь, содержащая 6 % железа.

Проводились опыты с точки зрения качественного и количественного влияния на стальной сплав вольфрама, марганца, титана, молибдена, кобальта, хрома, платины, никеля, алюминия и прочих.

Первое промышленное производство стали, легированной марганцем, налажено в начале XIX века. Оно же получило развитие с 1856 года в рамках бессемеровского процесса выплавки.

Особенности легирования

Современные возможности позволяют выплавлять легированные металлы любого состава. Основные принципы рассматриваемой технологии:

1. Компоненты считаются легирующими только в том случае, если они вводятся целенаправленно и содержание каждого превышает 1 %.
2. Сера, водород, фосфор считаются примесями. В качестве неметаллических включений используются бор, азот, кремний, редко – фосфор.
3. Объемное легирование – это введение компонентов в расплавленную субстанцию в рамках металлургического производства. Поверхностное представляет собой способ диффузионного насыщения поверхностного слоя необходимыми химическими элементами под действием высоких температур.
4. В ходе процесса добавки изменяют кристаллическую структуру «дочернего» материала. Они могут создавать растворы проникновения или исключения, а также размещаться на границах металлической и неметаллической структур, создавая механическую смесь зерен. Большую роль тут играет степень растворимости элементов друг в друге.

Легирующие компоненты

Согласно общей классификации, все металлы делятся на черные и цветные. К черным относятся железо, хром и марганец. Цветные делятся на легкие (алюминий, магний, калий), тяжелые (никель, цинк, медь), благородные (платина, серебро, золото), тугоплавкие (вольфрам, молибден, ванадий, титан), легкие, редкоземельные и радиоактивные. К легирующим металлам относится значительное разнообразие легких, тяжелых, благородных и тугоплавких цветных, а также все черные.

В зависимости от соотношения этих элементов и основной массеы сплава последние делятся на низколегированные (3 %), среднелегированные (3-10 %) и высоколегированные (более 10 %).

Легированные стали

Технологически процесс не вызывает сложностей. Ассортимент очень широк. Основные цели для сталей следующие:

• Повышение прочности.
• Улучшение результатов термической обработки.
• Увеличение коррозионной стойкости, жаростойкости, жаропрочности, теплостойкости, устойчивости к агрессивным условиям работы, срока службы.

Основные составляющие – черные легирующие и тугоплавкие металлы, к которым относятся Cr, Mn, W, V, Ti, Mo, а также цветные Al, Ni, Cu.

Хром и никель – главные компоненты, определяющие нержавеющую сталь (Х18Н9Т), а также жаропрочную, условия работы которой характеризуются высокими температурами и ударными нагрузками (15Х5). В количестве до 1,5% используются для подшипников и деталей трения (15ХФ, ШХ15СГ)

Марганец – основополагающая составляющая износостойких сталей (110Г13Л). В небольших количествах способствует раскислению, снижению концентрации фосфора и серы.

Силиций и ванадий – элементы, которые в определенном количестве повышают упругость и используются для изготовления пружин и рессор (55С2, 50ХФА).

Алюминий применим для железа с большим электрическим сопротивлением (Х13Ю4).

Значительное содержание вольфрама характерно для быстрорежущих устойчивых инструментальных сталей (Р9, Р18К5Ф2). Легированное сверло по металлу из такого материала намного более производительное и стойкое к срабатыванию, чем тот же инструмент из углеродистой стали.

Легированные стали вошли в повседневное использование. Одновременно известны так называемые сплавы с удивительными свойствами, полученные также методами легирования. Так «деревянная сталь» содержит 1 % хрома и 35 % никеля, что определяет ее высокую теплопроводность, характерную для дерева. Алмазная же включает 1,5 % углерода, 0,5 % хрома и 5 % вольфрама, что характеризует ее как особо твердую, сродни алмазу.

Легирование чугуна

Чугуны отличаются от сталей значительным содержанием углерода (от 2,14 до 6,67 %), высокой твердостью и коррозионной стойкостью, однако незначительной прочностью. С целью расширения диапазона показательных свойств и сфер применения, его легируют хромом, марганцем, алюминием, силицием, никелем, медью, вольфрамом, ванадием.

В связи с особыми характеристиками данного железоуглеродистого материала, его легирование – более сложный процесс, чем для стали. Каждый из компонентов влияет на преобразование форм карбона в нем. Так марганец способствует формированию «правильного» графита, что повышает прочность. Введение других же имеет следствием переход углерода в свободное состояние, отбеливание чугуна и снижение его механических свойств.

Технология усложняется невысокой температурой плавления (в среднем, до 1000 ˚С), тогда как для большинства легирующих элементов она значительно превышает этот уровень.

Наиболее эффективно для чугунов комплексное легирование. Одновременно, следует учитывать повышение вероятности ликвации таких отливок, риска трещинообразования, дефектов литья. Осуществлять технологический процесс более рационально в электромагнитных и индукционных печах. Обязательным последовательным этапом является качественная термообработка.

Хромистые чугуны характеризуются высокой износостойкостью, прочностью, жаростойкостью, устойчивостью к старению и коррозии (ЧХ3, ЧХ16). Применяются в химическом машиностроении и в производстве металлургического оборудования.

Чугуны, легированные кремнием, отличаются высокой коррозионной стойкостью и устойчивостью к влиянию агрессивных химических соединений, хотя и удовлетворительными механическими свойствами (ЧС13, ЧС17). Формируют детали химической аппаратуры, трубопроводов и насосов.

Примером высокопродуктивного комплексного легирования являются жаропрочные чугуны. Они содержат в своем составе черные и легирующие металлы, такие как хром, марганец, никель. Для них характерна высокая стойкость к коррозии, износостойкость и устойчивость к высоким нагрузкам в условиях высокотемпературных воздействий – детали турбин, насосов, двигателей, аппаратуры химической промышленности (ЧН15Д3Ш, ЧН19Х3Ш).

Важным компонентом является медь, которая задействована в комплексе с другими металлами, при этом повышает литейные характеристики сплава.

Легированная медь

Используется в чистом виде и в составе медных сплавов, которые имеют широкое разнообразие в зависимости от соотношения основных и легирующих элементов: латуни, бронзы, мельхиоры, нельзийберы и другие.

Чистая латунь – сплав с цинком – не легируется. Если в ее состав входят легирующие цветные металлы в определенном количестве – она считается многокомпонентной. Бронзы – это сплавы с другими металлическими составляющими, могут быть оловянными и не содержащими олова, легируются во всех случаях. Улучшение их качества осуществляется с помощью Mn, Fe, Zn, Ni, Sn, Pb, Be, Al, P, Si.

Содержание кремния в медных соединениях повышает их коррозионную стойкость, прочность и упругость; олово и свинец – определяют антифрикционные качества и позитивные характеристики относительно обрабатываемости резанием; никель и марганец – составляющие, так называемых, деформируемых сплавов, которые также положительно влияют на устойчивость к коррозии; железо улучшает механические свойства, а цинк – технологические.

Применяются в электротехнике, как основное сырье для изготовления разнообразных проводов, материал для изготовления ответственных деталей для химического оборудования, в машиностроении и приборостроении, в трубопроводах и теплообменниках.

Легирование алюминия

Используется в виде деформируемых или литейных сплавов. Легированные металлы его основе представляют собой соединения с медью, марганцем или магнием (дуралюмины и другие), последние – соединения с силицием, так называемые силумины, при этом все их возможные варианты легируются с помощью Cr, Mg, Zn, Co, Cu, Si.

Медь повышает его пластичность; кремний – текучесть и качественные литейные свойства; хром, марганец, магний – улучшают прочность, технологические свойства обрабатываемости давлением и коррозионную стойкость. Также в качестве легирующих компонентов, способствующих устойчивости к старению и к агрессивным условиям работы, могут приниматься B, Pb, Zr, Ti, Bi.

Железо – нежелательный компонент, однако в небольших количествах применяется для производства алюминиевой фольги. Силумины используются для литья ответственных деталей и корпусов в машиностроении. Дуралюмины и штамповочные сплавы на основе алюминия – важное сырье для изготовления корпусных элементов, в том числе силовых конструкций, в авиастроении, судостроении и машиностроении.

Легированные металлы задействованы во всех сферах промышленности как те, которые имеют повышенные механические и технологические характеристики, в сравнении с исходным материалом. Ассортимент легирующих элементов и возможности современных технологий позволяют производить разнообразные модификации, расширяющие возможности в науке и технике.

Легирование

Леги́рование (нем. legieren — «сплавлять», от лат. ligare — «связывать») — добавление в состав материалов примесей для изменения (улучшения) физических и химических свойств основного материала. Легирование является обобщающим понятием ряда технологических процедур, различают объёмное (металлургическое) и поверхностное (ионное, диффузное и др.) легирование.

В разных отраслях применяются разные технологии легирования.

В металлургии легирование производится в основном введением в расплав или шихту дополнительных химических элементов (например, в сталь — хрома, никеля, молибдена), улучшающих механические, физические и химические свойства сплава. Для изменения различных свойств (повышения твёрдости, износостойкости, коррозионной стойкости и т. д.) приповерхностного слоя металлов и сплавов применяются также и разные виды поверхностного легирования. Легирование проводится на различных этапах получения металлического материала с целями повышения качества металлургической продукции и металлических изделий.

При изготовлении специальных видов стекла и керамики часто производится поверхностное легирование. В отличие от напыления и других видов покрытия, добавляемые вещества диффундируют в легируемый материал, становясь частью его структуры.

При изготовлении полупроводниковых приборов под легированием понимается внесение небольших количеств примесей или структурных дефектов с целью контролируемого изменения электрических свойств полупроводника, в частности, его типа проводимости.

Содержание

Легирование полупроводников

При производстве полупроводниковых приборов легирование является одним из важнейших технологических процессов (наряду с травлением и осаждением).

Цели легирования

Основная цель — изменить тип проводимости и концентрацию носителей в объёме полупроводника для получения заданных свойств (проводимости, получения требуемой плавности pn-перехода). Самыми распространёнными легирующими примесями для кремния являются фосфор Р и мышьяк As (позволяют получить n-тип проводимости) и бор В (p-тип).

Способы легирования

В настоящее время технологически легирование производится тремя способами: ионная имплантация, нейтронно-трансмутационное легирование (НТЛ) и термодиффузия.

Ионная имплантация

Ионная имплантация позволяет контролировать параметры приборов более точно, чем термодиффузия, и получать более резкие pn-переходы. Технологически проходит в несколько этапов:

• Загонка (имплантация) атомов примеси из плазмы (газа).
• Активация примеси, контроль глубины залегания и плавности pn-перехода путем отжига.

Ионная имплантация контролируется следующими параметрами:

• доза — количество примеси;
• энергия — определяет глубину залегания примеси (чем выше, тем глубже);
• температура отжига — чем выше, тем быстрее происходит перераспределение носителей примеси;
• время отжига — чем дольше, тем сильнее происходит перераспределение примеси.

Нейтронно-трансмутационное легирование

При нейтронно-трансмутационном легировании легирующие примеси не вводятся в полупроводник, а образуются («трансмутируют») из атомов исходного вещества (кремний, арсенид галлия) в результате ядерных реакций, вызванных облучением исходного вещества нейтронами. НТЛ позволяет получать монокристаллический кремний с особо равномерным распределением атомов примеси. Метод используется в основном для легирования подложки, особенно для устройств силовой электроники [1] .

Когда облучаемым веществом является кремний, под воздействием потока тепловых нейтронов из изотопа кремния 30 Si образуется радиоактивный изотоп 31 Si, который затем распадается с образованием стабильного изотопа фосфора 31 P. Образующийся 31 P создаёт проводимость n-типа.

В России возможность нейтронно-трансмутационного легирования кремния в промышленных масштабах на реакторах АЭС и без ущерба для производства электроэнергии была показана в 1980 году. К 2004 году была доведена до промышленного использования технология по легированию слитков кремния диаметром до 85 мм, в частности, на Ленинградской АЭС. [2] .

Термодиффузия

Термодиффузия содержит следующие этапы:

легирующего материала.
• Термообработка (отжиг) для загонки примеси в легируемый материал.
• Удаление легирующего материала.

Легирование в металлургии

История

Легирование стало целенаправленно применяться сравнительно недавно. Отчасти это было связано с технологическими трудностями. Легирующие добавки просто выгорали при использовании традиционной технологии получения стали. Поэтому для получения дамасской (булатной) стали использовали достаточно сложную по тем временам технологию.

Примечательно то, что первыми сталями, с которыми познакомился человек были природнолегированные стали. Еще до начала железного века применялось метеоритное железо, содержащее до 8,5 % никеля [3] .

Высоко ценилось и природнолегированные стали, изготовленные из руд, изначально богатых легирующими элементами [4] . Повышенная твёрдость и вязкость японских мечей с возможностью обеспечить остроту кромки возможно объясняются наличием в стали молибдена [5] .

Современные взгляды о влиянии на свойство стали различных химических элементов начали складываться с развитием химии во второй четверти XIX века [5] .

По-видимому, первым удачным использованием целенаправленного легирования можно считать изобретение в 1858 г. Мюшеттом стали, содержащей 1,85 % углерода, 9 % вольфрама и 2,5 % марганца. Сталь предназначалась для изготовления резцов металлообрабатывающих станков и явилась прообразом современной линейки быстрорежущих сталей. Промышленное производство этих сталей началось в 1871 г.

Принято считать, что первой легированной сталью массового производства стала Сталь Гадфильда, открытая английским металлургом Робертом Эбботом Гадфильдом в 1882 г [5] . Сталь содержит 1,0 — 1,5 % углерода и 12 — 14 % марганца, обладает хорошими литейными свойствами и износостойкостью. Без особых изменений химического состава эта сталь сохранилась до настоящего времени.

Влияние легирующих элементов

Следует разрешить эти противоречия, используя более точные авторитетные источники или корректнее их цитируя. На странице обсуждения должны быть подробности.

Для улучшения физических, химических, прочностных и технологических свойств металлы легируют, вводя в их состав различные легирующие элементы. Для легирования сталей используются хром, марганец, никель, вольфрам, ванадий, ниобий, титан и другие элементы. Небольшие добавки кадмия в медь увеличивают износостойкость проводов, добавки цинка в медь и бронзу — повышают прочность, пластичность, коррозионную стойкость. Легирование титана молибденом более чем вдвое повышает температурный предел эксплуатации титанового сплава благодаря изменению кристаллической структуры металла. [6] Легированные металлы могут содержать один или несколько легирующих элементов, которые придают им специальные свойства.

Легирующие элементы вводят в сталь для повышения ее конструкционной прочности. Основной структурной составляющей в конструкционной стали является феррит, занимающий в структуре не менее 90 % по объему [7] . Растворяясь в феррите, легирующие элементы упрочняют его. Твердость феррита (в состоянии после нормализации) наиболее сильно повышают кремний, марганец и никель. Молибден, вольфрам и хром влияют слабее. Большинство легирующих элементов, упрочняя феррит и мало влияя на пластичность, снижают его ударную вязкость (за исключением никеля). Главное назначение легирования: повышение прочности стали без применения термической обработки путем упрочнения феррита, растворением в нем легирующих элементов; повышение твердости, прочности и ударной вязкости в результате увеличения устойчивости аустенита и тем самым увеличения прокаливаемости; придание стали специальных свойств, из которых для сталей, идущих на изготовление котлов, турбин и вспомогательного оборудования, особое значение имеют жаропрочность и коррозионная стойкость. Легирующие элементы могут растворяться в феррите или аустените, образовывать карбиды, давать интерметаллические соединения, располагаться в виде включений, не взаимодействуя с ферритом и аустенитом, а также с углеродом. В зависимости от того, как взаимодействует легирующий элемент с железом или углеродом, он по-разному влияет на свойства стали. В феррите в большей или меньшей степени растворяются все элементы. Растворение легирующих элементов в феррите приводит к упрочнению стали без термической обработки. При этом твердость и предел прочности возрастают, а ударная вязкость обычно снижается. Все элементы, растворяющиеся в железе, изменяют устойчивость феррита и аустенита. Критические точки легированных сталей смещаются в зависимости от того, какие легирующие элементы и в каких количествах присутствуют в ней. Поэтому при выборе температур под закалку, нормализацию и отжиг или отпуск необходимо учитывать смещение критических точек.

Марганец и кремний вводятся в процессе выплавки стали для раскисления, они являются технологическими примесями. Марганец вводят в сталь до 2 %. Он распределяется между ферритом и цементитом. Марганец заметно повышает предел текучести, порог хладноломкости, прокаливаемость стали, но делает сталь чувствительной к перегреву. В связи с этим для измельчения зерна с марганцем в сталь вводят карбидообразующие элементы. Так как во всех сталях содержание марганца примерно одинаково, то его влияние на сталь разного состава остается неощутимым. Марганец повышает прочность, не снижая пластичности стали.

Альтернативная версия написанного выше:

Марганец и кремний являются постоянными спутниками практически в любой стали, поскольку их специально вводят при её производстве. Кремний, наряду с марганцем и алюминием является основным раскислителем стали. Марганец также используется для «связывания» находящейся в стали серы и устранения явления красноломкости. Содержание элементов обычно находится в пределах 0,30 — 0,70 % Mn, 0,17-0,37 % Si и порядка 0,03 % Al. В этих пределах они называются технологическими примесями и не являются легирующими элементами. Специальное введение марганца, кремния и алюминия выше указанных диапазонов для придания стали определённых потребительских свойств уже будет являться легированием [8] .

Кремний не является карбидообразующим элементом, и его количество в стали ограничивают до 2 %. Он значительно повышает предел текучести и прочность стали и при содержании более 1 % снижает вязкость, пластичность и повышает порог хладноломкости. Кремний структурно не обнаруживается, так как полностью растворим в феррите, кроме той части кремния, которая в виде окиси кремния не успела всплыть в шлак и осталась в металле в виде силикатных включений.

Маркировка легированных сталей

Пример: 03Х16Н15М3Б — высоколегированная качественная сталь, которая содержит 0,03 % C, 16 % Cr, 15 % Ni, до 3 % Mo, до 1,0 % Nb

Отдельные группы сталей обозначаются несколько иначе:

• Шарикоподшипниковые стали маркируют буквами (ШХ), после которых указывают содержания хрома в десятых долях процента;
• Быстрорежущие стали (сложнолегированые) обозначаются буквой (Р), следующая цифра обозначает содержание вольфрама в процентах;
• Автоматные стали обозначают буквой (А) и цифрой обозначают содержание углерода в сотых долях процента.

Примеры использования

• Стали
  • Хромистые стали;
  • Хорошо известные стали ШХ15 (устаревшее обозначение марки), используемые в качестве материала для подшипников;
  • Так называемые «нержавеющие стали»;
  • Стали и сплавы, легированные молибденом, вольфрамом, ванадием;
  • Жаростойкие стали и сплавы.

  См. также

  Примечания

  1. ↑Технологии модифицирования полупроводниковых материалов
  2. ↑Радиационные технологии на Ленинградской атомной станции
  3. ↑ Мезенин Н. А. Занимательно о железе. Гл. «Железо в космосе» М. «Металлургия», 1972. 200 с.
  4. ↑ Гуревич Ю. Г. Загадка булатного узора. Гл. «Японский булат и колонна в Дели». — М.: 3нание, 1985.
  5. ↑ 123 Мезенин Н. А. Занимательно о железе. Гл. «Спутники железа» М. «Металлургия», 1972. 200 с.
  6. ↑Популярная библиотека химических элементов. «Наука», 1977.
  7. ↑ Неверная точка зрения: ГОСТ 1050 88 Прокат сортовой, калиброванный со специальной отделкой поверхности из углеродистой качественной конструкционной стали. Сталь марки 60. Содержание углерода в стали 0,57 — 0,65 %. Согласно диаграммы Железо — Углерод, в этой стали после нормализации будет около 25 % феррита и 75 % перлита.
  8. ↑ А. П. Гуляев Металловедение
  9. ↑Общая технология кузнечно-штамповочного производства

  Ссылки

  — статья в «Химической энциклопедии» — статья в «Металлургическом словаре» — статья в «Энциклопедии Кирилла и Мефодия»
  • Добавить иллюстрации.
  • Найти и оформить в виде сносок ссылки на авторитетные источники, подтверждающие написанное.
  • Переработать оформление в соответствии с правилами написания статей.
  • Металлургия
  • Производственные процессы и операции

  Wikimedia Foundation . 2010 .

  Полезное

  Смотреть что такое "Легирование" в других словарях:

  ЛЕГИРОВАНИЕ — (нем. legieren сплавлять от лат. ligo связываю, соединяю), 1) Введение в состав металлических сплавов т. н. легирующих элементов (напр., в сталь Cr, Ni, Mo, W, V, Nb, Ti и др.) для придания сплавам определенных физических, химических или… … Большой Энциклопедический словарь

  ЛЕГИРОВАНИЕ — (нем. Legirung, от лат. ligare связывать). Сплавливание благородного металла с каким либо другим. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Чудинов А.Н., 1910. ЛЕГИРОВАНИЕ нем. Legirung, от лат. ligare, связывать. Сплавление… … Словарь иностранных слов русского языка

  ЛЕГИРОВАНИЕ — (немецкое legieren сплавлять, от латинского ligo связываю, соединяю), введение в металлический расплав или шихту элементов (например, в сталь хрома, никеля, молибдена, вольфрама, ванадия, ниобия, титана), повышающих механические, физические и… … Современная энциклопедия

  легирование — ЛЕГИРОВАТЬ, рую, руешь; анный; сов. и несов., что (спец.). Добавить ( влять) в состав металла другие металлы, сплавы для придания определённых свойств. Легирующие элементы. Легированная сталь. Толковый словарь Ожегова. С.И. Ожегов, Н.Ю. Шведова.… … Толковый словарь Ожегова

  легирование — сущ., кол во синонимов: 1 • микролегирование (1) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин. 2013 … Словарь синонимов

  легирование — Целенаправл. изменение состава металлич. сплавов введением легир. эл тов для изменения структуры и физ. хим. и механич. св в. Л. применялось еще в глубокой древности. В России первые промышл. опыты были проведены П. П. Аносовым, к рый разработал… … Справочник технического переводчика

  Легирование — – введение в состав металлических (в том числе стальных) сплавов т. н. легирующих элементов (хром, никель, молибден и др.) для придании сплавам определенных физико химических или механических свойств. [Терминологический словарь по бетону и… … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов

  Легирование — (немецкое legieren сплавлять, от латинского ligo связываю, соединяю), введение в металлический расплав или шихту элементов (например, в сталь хрома, никеля, молибдена, вольфрама, ванадия, ниобия, титана), повышающих механические, физические и… … Иллюстрированный энциклопедический словарь

  ЛЕГИРОВАНИЕ — процесс контролируемого введения примесей (легирующих элементов) в металлы, сплавы и полупроводники с целью получения необходимых физ., хим., а также механических свойств материала или его слоя при бомбардировке поверхности ионами в случае… … Большая политехническая энциклопедия

  легирование — см. Легировать. * * * легирование (нем. legieren сплавлять, от лат. ligo связываю, соединяю), 1) введение в состав металлических сплавов так называемых легирующих элементов (например, в сталь Cr, Ni, Мо, W, V, Nb, Ti и др.) для придания… … Энциклопедический словарь

  (нем. legieren — сплавлять, от лат. ligo — связываю, соединяю), 1) введение в состав металлических сплавов так называемых легирующих элементов (например, в сталь — Cr, Ni, Мо, W, V, Nb, Ti и др.) для придания сплавам определенных физических, химических или механических свойств. 2) Введение примесных атомов в твердое тело (например, в полупроводники для создания требуемой электрической проводимости). Легирование диэлектриков обычно называется активированием.

  ЛЕГИ́РОВАНИЕ (нем. legieren — сплавлять, от лат. ligo — связываю, соединяю), введение в состав твердых веществ (металлов (см. МЕТАЛЛЫ) , сплавов (см. СПЛАВЫ) , полупроводников (см. ПОЛУПРОВОДНИКИ) и диэлектриков (см. ДИЭЛЕКТРИКИ) ) легирующих элементов для придания им определенных физических, химических или механических свойств.
  Введение легирующей примесей может существенным образом изменить свойства твердых тел. От характера взаимодействия атомов легирующих элементов и атомов основного вещества, от типа образованных дефектов структуры, от характера взаимодействия легирующих и фоновых примесей, легирующих примесей и дефектов структуры, от способности легирующей примеси образовывать соединения в матрице вещества и т.д. зависят свойства (электрические, магнитные, тепловые) легируемого вещества.
  Легирование широко применятся в технологии получения металлов и сплавов, полупроводниковых кристаллов и пленок, а также диэлектрических материалов с заданными свойствами.
  Легирование металлов и сталей
  Легирования металлов, сталей и сплавов позволяет получить металлические сплавы с разнообразными свойствами, значительно отличающимися от свойств чистых металлов. Например, коррозионная стойкость циркония (см. ЦИРКОНИЙ) существенно зависит от его чистоты. Сотые доли процента углерода и азота снижают его коррозионную стойкость, но введение ниобия нейтрализует действие углерода, а введение олова — азота. Легирование ряда металлов и сплавов на их основе редкоземельными элементами позволило значительно улучшить прочностные характеристики этих веществ и т. д.
  При легировании стали можно получить заданные свойства, в том числе отсутствующие у исходных углеродистых сталей. Стали считаются легированными при содержании примесей в них, например, кремния — более 0,8% , марганца — не более 1%. Но при введении легирующих примесей в сталь необходимо учитывать, что все элементы, которые растворяются в железе, влияют на температурный интервал его аллотропических модификаций, оказывая влияние на свойства сталей. Температура полиморфных превращений железа зависит от всех растворенных в нем элементов. В их присутствии изменяется область существования g-железа. Ряд легирующих примесей (Ni, Mn и др.) расширяют область существования g-железа от комнатной температуры до температуры плавления (см. аустенит (см. АУСТЕНИТ) ), А такие примеси, как V, Si, Mo и др. делают ферритную фазу устойчивой вплоть до температуры плавления (см. феррит (см. ФЕРРИТ) ). Легирующие примеси в промышленных сталях могут преимущественно растворяются именно в основных фазах железоуглеродистых сплавов — феррите, аустените, цементите (см. ЦЕМЕНТИТ) ). При наличии в сплаве железа большой концентрации элемента, который сужает g-область, превращение g ¬® a отсутствует, образуются ферритные стали. Класс аустенитных сталей можно получить при легировании элементами, расширяющими g-область.
  Если легирующие примеси в g-железе находятся в свободном состоянии, то они как правило, являются примесями замещения, занимая позиции атомов железа. Но легирующие примеси могут образовывать химические соединения с железом, между собой, образовывать оксиды или карбиды. В этом случае карбидообразующие элементы (молибден, ванадий, вольфрам, титан) задерживают выделение карбидов железа при отпуске и увеличивают конструкционную прочность стали.
  Легирующие примеси изменяют свойства феррита. Молибден, вольфрам, марганец и кремний снижают вязкость феррита, а никель — не снижает. Но никель интенсивно снижает порог хладоломкости, уменьшая склонность железа к хрупким разрушениям.
  Все легирующие элементы (за исключением марганца и бора), уменьшают склонность аустенитного зерна к росту. Никель, кремний, кобальт, медь (элементы, не образующие карбиды), относительно слабо влияют на рост зерна. Легирующие элементы замедляют процесс распада мартенсита. Т. е. в общем случае легирование существенным образом меняет кинетику фазовых превращений (см. ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ ВТОРОГО РОДА) .
  Для повышения качества сталей некоторые примеси, например, марганец и кремний, добавляют в заданном количестве. При содержании марганца от 0,25 до 0,9% прочность стали повышается без значительного снижения ее пластичности. Кремний, содержание которого в обыкновенных сталях не превышает 0,35%, не оказывает существенного влияния на свойства стали. А такие примеси, как фосфор и сера являются нежелательными загрязняющими примесями. Фосфор делает сталь хрупкой (хладноломкой), а присутствие серы в количестве более 0,07 % вызывает красноломкость стали, снижает ее прочность и коррозионную стойкость.
  Изменение свойств сплавов в результате легирования обусловлено, кроме того, изменением формы, размеров и распределения структурных составляющих, изменением состава и состояния границ зерен. Легирование стали может тормозить процессы рекристаллизации (см. РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ) .
  Легирование полупроводников
  Под легированием полупроводников подразумевается не только дозированное введение в полупроводники (см. ПОЛУПРОВОДНИКИ) примесей, но и структурных дефектов (см. ДЕФЕКТЫ) с целью изменения их свойств, главным образом электрофизических. Наиболее распространенным методом легирования является легирование различными примесями.
  Для получения кристаллов n- и p- типа проводимости кристаллы легируют электрически активными примесями (чаще всего – водородоподобными, валентность которых отличается от валентности основных замещаемых атомов на единицу). Электрически активные водородоподобные примеси являются примесями замещения. Например, для элементарных полупроводниковых материалов (см. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ) германия или кремния такими легирующими примесями являются атомы элементов III или V групп таблицы Менделеева. Примеси такого типа создают мелкие (вблизи дна зоны проводимости (см. ПРОВОДИМОСТИ ЗОНА) или вблизи потолка валентной зоны (см. ВАЛЕНТНАЯ ЗОНА) ) энергетические уровни: соответственно, примеси III группы (B, Al, In, Ga) будут акцепторами (см. АКЦЕПТОР) , а примеси V группы (P, Sb, As) — донорами (см. ДОНОР (в физике)) . У полупроводниковых соединений A III B V элементы V группы замещаются примесями VI группы (S, Se, Te), которые являются донорами, а элементы II группы (Zn, Cd), замещая, соответственно, атомы III группы в соединении, будут проявлять акцепторные свойства. Такое легирование позволяет управлять типом проводимости и концентрацией носителей заряда в полупроводнике.
  Некоторые примеси, введенные в кристалл, способны проявлять как донорные, так и акцепторные свойства. Если проявление донорных или акцепторных свойств таких примесей зависит от их размещения в кристаллической матрице, например, от того, находится ли атом легирующей примеси в узле кристаллической решетки или в междоузлии, примеси называются амфотерными. Некоторые примеси, размещаясь в узлах решетки, являются акцепторами, а в междоузлии — донорами. А в случае легирования соединений A III B V примесями IV группы, проявление донорных или акцепторных свойств будет зависеть от того, в узлах какой подрешетки расположен атом примеси. При замещении таким атомом катионного узла он будет проявлять донорные свойства, а при замещении анионного узла — акцепторные.
  В некоторых случаях используют легирование изовалентными примесями, т.е. примесями, принадлежащими той же группе Периодической системы, что и замещаемые им атомы. Такое легирование используется для формирования свойств косвенным путем. Например, легирование кристаллов GaAs изовалентной примесью In способствует проявлению эффекта примесного упрочнения (снижения плотности дислокаций) и формированию в кристалле полуизолирующих свойств.
  Иногда для легирования используют примеси, образующие глубокие уровни в запрещенной зоне, что позволяет воздействовать на диффузионную длину носителей заряда и регулировать степень компенсации электрически активных центров.
  Путем введения тех или иных легирующих добавок можно эффективно влиять на состояние ансамбля собственных точечных дефектов (см. ТОЧЕЧНЫЕ ДЕФЕКТЫ) в кристалле, в особенности на поведение в них дислокаций и фоновых примесей и таким образом управлять свойствами полупроводникового материала.
  Легирование полупроводников обычно осуществляется непосредственно в процессе выращивания монокристаллов и эпитаксиальных структур. Легирующая примесь в элементарной форме или в виде соединения вводится в расплав, раствор или газовую фазу. В связи с особенностями процессов на фронте кристаллизации при выращивания кристаллов и пленок, примесь распределяется неравномерно как по длине, так и в объеме кристалла. Чтобы добиться равномерного распределения, используются различные технологические приемы.
  Еще одним способом легирования полупроводников является радиационное легирование. В этом случае доноры и акцепторы не вводятся в кристалл, а возникают в его объеме в результате ядерных реакций при его облучении. Наибольший практический интерес представляют реакции, возникающие в результате облучения тепловыми нейтронами, которые обладают большой проникающей способностью. При таком способе легирования распределение электрически активных примесей более равномерно. Но в процессе облучения в кристалле образуются радиационные дефекты, снижающие качество материала.
  Для создания p-n-переходов может использоваться диффузионный метод введения легирующей примеси. В этом случае примесь в объем вводят либо из газовой фазы, либо из специально нанесенного покрытия, которым может служить, например, в случае кремния, оксидная пленка. Для получения тонких легированных слоев широко используется метод ионной имплантации (см. ИОННАЯ ИМПЛАНТАЦИЯ) , позволяющей вводить практически любую примесь и управлять ее концентрацией и профилем ее распределения.

  Энциклопедический словарь . 2009 .

  Легирование — Не следует путать с с лигированием в медицине и биохимии. Легирование (нем. legieren «сплавлять», от лат. ligare «связывать») добавление в состав материалов примесей для изменения (улучшения) физических и химических… … Википедия

  ЛЕГИРОВАНИЕ (от лат. ligo - связываю, соединяю), введение добавок в металлы, сплавы и полупроводники для придания им определенных физ., хим. или мех. св-в. Материалы, подвергнутые Л., наз. легированными. К ним относятся легированные стали и чугуны, легированные цветные металлы и сплавы, легированные полупроводники. Для Л. используют металлы, неметаллы (С, S, P, Si, В, N 2 и др.), ферросплавы (см. Железа сплавы) и лигатуры - вспомогат. сплавы, содержащие легирующий элемент. Напр., осн. легирующие элементы в сталях и чугунах - Сr, Ni, Mn, Si, Mo, W, V, Ti, Al, Nb, Co, Сu, в алюминия сплавах -Si, Cu, Mg, Ni, Cr, Co, Zn, в магния сплавах- Zn, Al, Mn, Si, Zr, Li, в меди сплавах-Zn, Sn, Pb, Al, Mn, Fe, Ni, Be, Si, P, в титана сплавах -Al,Mo, V, Mn, Сu, Si, Fe, Zn, Nb. Л. - качеств. понятие. В каждом металле или сплаве из-за особенностей производств. процесса или исходного сырья присутствуют неизбежные примеси. Их не считают легирующими, т. к. они не вводились специально. Напр., уральские железные руды содержат Сu, керченские - As, в сталях, полученных из этих руд, также имеются примеси соотв. Сu и As. Использование луженого, оцинкованного, хромированного и др. металлолома приводит к тому, что в получаемый металл попадают примеси Sn, Zn, Sb, Pb, Ni, Cr и др. При Л. металлов и сплавов могут образовываться твердые р-ры замещения, внедрения или вычитания, смеси двух и более фаз (напр., Ag в Fe), интерметаллиды, карбиды, нитриды, оксиды, сульфиды, бориды и др. соед. легирующих элементов с основой сплава или между собой. В результате Л. существенно меняются физ.-хим. характеристики исходного металла или сплава и, прежде всего, электронная структура. Легирующие элементы влияют на т-ру плавления, область существования аллотропич. модификаций и кинетику фазовых превращений, характер дефектов кристаллич. решетки, на формирование зерен и тонкой кристаллич. структуры, на дислокац. структуру (затрудняется движение дислокаций), жаростойкость и коррозионную стойкость, элсктрич., магн., мех., технол. (напр., свариваемость, шлифуемость, обрабатываемость резанием), диффузионные и мн. др. св-ва сплавов. Л. подразделяют на объемное и поверхностное. При объемном Л. легирующий элемент в среднем статистически распределяется в объеме металла. В результате поверхностного Л. легирующий элемент сосредоточивается на пов-сти металла. Л. сразу неск. элементами, определенное содержание и соотношение к-рых дает возможность получить требуемый комплекс св-в, наз. комплексным Л. и соотв. сплавы - комплекснолегированными. Напр., в результате Л. аустенитной хромоникелевой стали вольфрамом ее жаропрочность возрастает в 2-3 раза, а при совместном использовании W, Ti и др. элементов - в 10 раз. Условно различают понятия: Л., микролегирование и модифицирование. При Л. в сплав вводят 0,2-0,5% по массе и более легирующего элемента, при микролегировании - чаще всего до 0,1 %, при модифицировании - меньше, чем при микролегировании, или столько же, однако задачи, решаемые микролегированием и модифицированием, разные. Микролегирование эффективно влияет на строение и энергетич. состояние границ зерен, при этом предполагается, что в сплаве будут реализованы два механизма упрочнения - благодаря Л. твердого р-ра и в результате дисперсионного твердения. Модифицирование способствует в процессе кристаллизации измельчению структуры, изменению геом. формы, размеров и распределения неметаллич. включений, изменению формы эвтектич. выделений, в целом улучшая мех. св-ва. Для микролегирования используют элементы, обладающие заметной р-римостью в твердом состоянии (более 0,1 ат. %), для модифицирования обычно служат элементы с ничтожной р-римостью ([0,1 ат. %). Осн. способ объемного Л. - сплавление основного элемента с легирующими в печах (конвертеры, дуговые, индукционные, тигельные, отражательные, пламенные, плазменные, электроннолучевые, вакуумно-дуговые и др.). При этом часто возможны большие потери особенно активных элементов (Mg, Cr, Mo, Ti и др.), взаимодействующих с O 2 или N 2 . С целью уменьшения потерь при выплавке и обеспечения более равномерного распределения легирующего элемента в объеме жидкой ванны используют лигатуры. Др. способы объемного Л. - механическое Л., совместное восстановление, электролиз, плазмохим. р-ции. Мех. Л. осуществляют в установках - аттриторах, представляющих собой барабан, в центре к-рого имеется вал с насаженными на него кулачками. В барабан засыпают порошки компонентов будущего сплава. При вращении и ударе кулачков по мех. смеси происходит постепенное "вбивание" легирующих элементов в основу. При многочасовой обработке удается получать равномерное распределение элементов в сплаве. При совместном восстановлении смешивают порошки оксидов компонентов сплава с восстановителем, напр. с СаН 2 , и нагревают. При этом СаН 2 восстанавливает оксиды до металлов, одновременно протекает диффузия компонентов, приводящая к выравниванию состава сплава. Образовавшийся СаО отмывают водой, а сплав в виде порошка идет на дальнейшую переработку. При металлотермич. восстановлении в качестве восстановителей используют металлы - Са, Mg, Al, Na и др. Поверхностное Л. осуществляют в слое до 1-2 мм и используют для создания особых св-в на пов-сти изделия. В основе большинства процессов (в сочетании с термич. обработкой) лежит диффузионное насыщение из газовой или жидкой (напр., цементация) фазы, химическое осаждение из газовой фазы. К таким процессам относят алитирование (насыщающий элемент Аl), науглероживание (С), планирование (CN), азотирование (N), борирование (В) и т. д. По твердофазному методу на пов-сть металла наносят легирующий элемент или сплав в виде слоя нужной толщины, далее к.-л. источником энергии (лазерное облучение, плазменная горелка, ТВЧ и др.) пов-сть оплавляется и на ней образуется новый сплав. Общее назв. перечисл. процессов -химико-термич. обработка. От всех выше приведенных методов отличается способ ионной имплантации, суть к-рого заключается в том, что пов-сть металла (или полупроводника) бомбардируют в вакууме потоком ионов к.-л. элемента. Энергия ионов настолько велика, что они внедряются в кристаллич. решетку легируемого элемента, проникая на нужную глубину. Затем проводят отжиг для устранения дефектов в кристаллах. С помощью этого метода производят материалы со статистически равномерным распределением не растворяющихся друг в друге элементов и т. обр. получают структуры, к-рые нельзя получить никакими др. способами. Л. применялось уже в глубокой древности, в России - с 30-х гг. 19 в. Лит.: Металлургия стали, под ред. В. И. Японского и Ю. В. Кряковского, М.. 1983; Гуляев А. П., Металловедение, 6 изд., М., 1986. См. также лит. при статьях о сплавах Al, Fe, Сu и др. С. Б. Масленков.
  

  Химическая энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия . Под ред. И. Л. Кнунянца . 1988 .

  Что представляют собой легирующие металлы

  Легирующие металлы имеют значение в современной промышленности. Проанализируем некоторые из них, выделим их отличительные и сходные характеристики.

  
  

  Примеры легирующих металлов

  Титан является элементом, широко распространенным в природе. Существует около 60 минералов титана, имеющих промышленное значение, но лидерство принадлежит ильмениту и рутилу.

  Рутил в своем составе имеет около 60 процентов титана. Плотность минерала 4,3, твердость равна 6. Своим названием он обязан Ильменским горам, где его впервые обнаружили. В наши дни данный минерал представлен в виде основного источника выделения титана.

  
  

  Характеристика титана

  В середине прошлого века были обнаружены уникальные характеристики данного элемента. Он имеет высокую температуру плавления при низкой плотности. Все легирующие металлы, включая и титан, имеют высокую прочность, коррозионную стойкость. Именно механические и химические характеристики титана сделали его востребованным в ракетной, самолетной, авиационной промышленности.

  В наши дни разработаны десятки разнообразных марок прочных, жаропрочных, коррозионностойких сплавов титана с хромом, кремнием, алюминием, марганцем, медью, железом.

  
  

  Особенности материалов

  Отмечая на вопрос о том, что такое легирующие металлы, отметим, что речь идет о тех добавках, которые позитивно влияют на технические и эксплуатационные характеристики получаемых сплавов.

  Титановые сплавы показали свою устойчивость к морской воде, воздушной среде, агрессивным средам. Минимальная коррозия сделала титан одним из самых востребованных в качестве добавок при создании сплавов.

  Распространение в природе

  Высоко легирующие металлы в природе находятся в виде руд. Например, в железных малкинских рудах (Северный Кавказ) содержится достаточное количество титана. Он также обнаружен в базальтовых породах Карачая. Перспективными считают титано-магнезитовые руда в Армении.

  Характеристика ванадия

  Перечисляя легирующие металлы, необходимо назвать и ванадий. В земной коре он находится в горных породах, а также в рудах в рассеянном виде. Для выделения в промышленных масштабах используют такие минералы, как карнотит, патронит, ванадинит. Чистый ванадий имеет серый цвет, обладает металлическим блеском.

  Применяют ванадий в металлургической промышленности, с его помощью изготавливают высококачественные стали. У материалов, получаемых с добавлением ванадия, повышенные механические свойства.

  Такие легирующие металлы нужны для получения материалов в металлургии, автомобилестроении. Оксиды ванадия применяют в химической промышленности как катализатор, востребованы они в фотографии, живописи, красильном производстве.

  Какие еще можно использовать легирующие металлы? Список включает тантал, хром, ниобий, титан, ванадий. Они нужны для получения коррозионностойких и жаропрочных сплавов, применяемых в различных областях техники.

  В чистом виде ванадий применяют в атомной энергетике для выпуска электронных приборов.

  
  

  Характеристика никеля

  Отвечая на вопрос о том, какие металлы являются легирующими для сплавов алюминия, выделим никель. Этот серебристо-белый металл повышает механическую стойкость и магнитные свойства. Это актуально для реактивной техники и при производстве газотурбинных установок. Хромоникелевые сплавы отличаются повышенными жаростойкими и жаропрочными характеристиками, поэтому востребованы в атомных реакторах, антикоррозионных покрытиях, создании щелочных аккумуляторов.

  Из сплавов с добавкой данного металла в химической промышленности создают химическую аппаратуру, применяют их в виде катализаторов.

  Никелевые руды встречаются на территории Армении, Грузии, на Северном Кавказе.

  Характеристика кобальта

  В земной коре его содержание не превышает 0,004 процентов. Из минералов, которые востребованы в промышленности, отметим: асболан, кобальтин, линнеит, смальтин.

  Кобальт используют для изготовления сплавов, отличающихся повышенной магнитной индукцией, создания жаропрочных и жаростойких сталей. В керамической, стекольной промышленности из соединений кобальта создают качественный минеральный пигмент синего цвета.

  Выявлено месторождение кобальта в Азербайджане, именно здесь его добывают в промышленных объемах.

  Характеристика молибдена

  Данный металл обладает физическими свойствами, делающими его сходным со свинцом. Для промышленного производства применяют молибденит, содержащий около 70 процентов металла. В промышленности его начали использовать в тридцатых годах прошлого века для создания специальных сплавов. При добавлении молибдена существенно повышается прочность и пластичность стали.

  Это необходимо для авиации, машиностроения. Твердые сплавы его с хромом, ванадием, никелем, вольфрамом, применяют для изготовления кислотоупорных и инструментальных сталей. В чистом виде молибден необходим для создания нитей накаливания электрических плит, а также в радио- и электротехнике. Его оксид проявляет каталитические свойства при переработке нефти, востребован при создании красок, химических реактивов.

  
  

  Заключение

  Разнообразные легирующие металлы, применяемые в настоящее время при изготовлении сталей, позволяют придавать сплавам определенные характеристики. В завсимости от того, какие требования предъявляются к выпускаемым сталям, предполагается применение определенных добавок металлов. Например, добавление вольфрама позволяет получать жаропрочные стали, в которых нуждается космическая промышленность.

  Читайте также:

    
  • Косоуры для лестниц из металла
    
  • Металл 6 на 6
    
  • Какие металлы есть в двигателе
    
  • Фундамент для металлической беседки
    
  • Дверь противопожарная металлическая однопольная дпм 01 60 размером 1000х2100 мм