легирование

ЛЕГИРОВАНИЕ (от лат. ligo — связываю, соединяю)

введение добавок в металлы, сплавы и полупроводники для придания им определенных физ., хим. или мех. свойств. 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. Например, осн. легирующие элементы в сталях и чугунах — Cr, Ni, Mn, Si, Mo, W, V, Ti, Al, Nb, Co, Cu, 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, Cu, 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. Например, уральские железные руды содержат Cu, керченские — As, в сталях, полученных из этих руд, также имеются примеси соотв. Cu 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 растворы 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 температуру 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, электрич., магн., мех., технол. (напр., свариваемость, шлифуемость, обрабатываемость резанием), диффузионные и мн. др. свойства 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 поверхности металла. Л. сразу неск. элементами, определенное содержание и соотношение которых дает возможность получить требуемый комплекс свойств, наз. комплексным Л. и соотв. сплавы — комплекснолегированными. Например, 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 раствора 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. свойства. Для микролегирования используют элементы, обладающие заметной растворимостью в твердом состоянии (более 0,1 ат. %), для модифицирования обычно служат элементы с ничтожной растворимостью (< 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. реакции. Мех. Л. осуществляют в установках — аттриторах, представляющих собой барабан, в центре которого 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 CaH2, и нагревают. При этом CaH2 восстанавливает оксиды до металлов, одновременно протекает диффузия компонентов, приводящая к выравниванию состава сплава. Образовавшийся CaO отмывают водой, а сплав в виде порошка идет на дальнейшую переработку. При металлотермич. восстановлении в качестве восстановителей используют металлы — Ca, Mg, Al, Na и др. Поверхностное Л. осуществляют в слое до 1–2 мм и используют для создания особых свойств на поверхности 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 Al), науглероживание (С), планирование (CN), азотирование (N), борирование (В) и т. д. По твердофазному методу на поверхность металла наносят легирующий элемент или сплав в виде слоя нужной толщины, далее к.-л. источником энергии (лазерное облучение, плазменная горелка, ТВЧ и др.) поверхность оплавляется и на ней образуется новый сплав. Общее назв. перечисл. процессов — химико-термич. обработка. От всех выше приведенных методов отличается способ ионной имплантации, суть которого заключается в том, что поверхность 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, которые 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, Cu и др.

С. Б. Масленков

Источник: Химическая энциклопедия на Gufo.me


Значения в других словарях

  1. легирование — -я, ср. Действие по знач. глаг. легировать. Легирование металлов. Малый академический словарь
  2. легирование — Введение в состав металлических сплавов некоторых химических элементов для придания им определённых физических, химических или механических свойств. Техника. Современная энциклопедия
  3. легирование — Лег/и́р/ова/ни/е [й/э]. Морфемно-орфографический словарь
  4. Легирование — (нем. legieren — сплавлять, от лат. ligo — связываю, соединяю) введение в состав металлических сплавов легирующих элементов (См. Легирующие элементы) для придания сплавам определённых физических, химических или механических свойств. Большая советская энциклопедия
  5. легирование — орф. легирование, -я Орфографический словарь Лопатина
  6. легирование — ЛЕГИРОВАНИЕ см. Легировать. Толковый словарь Кузнецова
  7. ЛЕГИРОВАНИЕ — 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. Большой энциклопедический словарь
  8. легирование — легирование ср. 1. Процесс действия по гл. легировать 2. Результат такого действия. Толковый словарь Ефремовой