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, N2 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 O2 или N2. 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..