Самые дорогие легирующие элементы в сталях. Легирование сталей

24.09.2019

Легированная сталь - это сталь, содержащая специальные легирующие добавки, которые позволяют в значительной степени менять ряд ее механических и физических свойств. В данной статье мы разберемся, что из себя представляет классификация легированных сталей, а также рассмотрим их маркировку.

Классификация легированных сталей

(до 0,25% углерода);
среднеуглеродистые стали (до 0,25% до 0,65% углерода);
(более 0,65% углерода).

В зависимости от общего количества в их составе легирующих элементов, которые содержит легированная сталь, она может принадлежать к одной из трех категорий:

низколегированная (не более 2,5%);
среднелегированная (не более 10%);
высоколегированная (от 10% до 50%).

Свойства, которыми обладают легированные стали, определяет и их внутренняя структура. Поэтому признаку классификация легированных сталей подразумевает разделение на следующие классы:

доэвтектоидные — в составе присутствует избыточный феррит;
эвтектоидные — сталь имеет перлитную структуру;
заэвтектоидные — в их структуре присутствует вторичные карбиды;
ледебуритные — в структуре присутствует первичные карбиды.

По своему практическому применению легированные конструкционные стали могут быть: конструкционные (подразделяются на машиностроительные или строительные), а также стали с особыми свойствами.

Назначение конструкционных легированных сталей:

Машиностроительные — служат для производства деталей всевозможных механизмов, корпусных конструкции и тому подобного. Отличаются тем, что в подавляющем большинстве случаев проходят термическую обработку.
Строительные — чаще всего используются при изготовлении сварных металлоконструкций и термической обработке подвергаются в редких случаях.

Классификация машиностроительных легированных сталей выглядит следующим образом.

активно используются для производства деталей, предназначенных для работы в сфере энергетики (например, комплектующие паровых турбин), а также из них делают особо ответственный крепеж. В качестве легирующих добавок в них используют хром, молибден, ванадий. Жаропрочные относятся к среднеуглеродистым, среднелегированным, перлитным сталям.
Улучшаемые (из категорий среднеуглеродистых, низко- и среднелегированных) стали, при которых используют закалку, применяются для изготовления сильно нагруженных деталей, испытывающих нагрузки переменного характера. Отличаются чувствительностью к концентрации напряжения в рабочей детали.
Цементуемые (из категорий низкоуглеродистых, низко- и среднелегированных) стали, как можно понять по названию, подвергаются цементации и следующей после нее закалке. Их применяют для изготовления всевозможных шестерен, валов и других похожих по назначению деталей.

Классификация строительных легированных сталей подразумевает их разделение на следующие виды:

Массовая — низколегированные стали в виде труб, фасонного и листового проката.
Мостостроительная — для автомобильных и ж/д мостов.
Судостроительная хладостойкая, нормальная и повышенной прочности — хорошо противостоит хрупкому разрушению.
Судостроительная хладостойкая высокой прочности — для сварных конструкций, которым предстоит работать в условиях низких температур.
Для горячей воды и пара — допускается рабочая температура до 600 градусов.
Низкоопущенные высокой прочности — применяются в авиации, чувствительны к концентрации напряжений.
Повышенной прочности с применением карбонитритного упрочнения, создающим мелкозернистую структуру стали.
Высокой прочности с применением карбонитритного упрочнения.
Упрочненные прокаткой при температуре 700-850 градусов.

Инструментальная легированная сталь широко используется при производстве разнообразного инструмента. Но помимо явного превосходства над углеродистой сталью в плане твердости и прочности, у легированной стали есть и слабая сторона — более высокая хрупкость. Поэтому для инструмента, который активно подвергается ударным нагрузкам, такие стали не всегда подходят. Тем не менее при производстве огромного перечня режущего, ударно-штампового, измерительного и прочего инструмента именно инструментальные легированные стали остаются незаменимыми.

Никель

Добавление никеля повышает пластичность, вязкость стали и коррозионную стойкость.

Титан

Титан уменьшает зернистость внутренней структуры, повышая прочность и плотность, улучшает обрабатываемость и коррозионную стойкость.

Ванадий

Присутствие ванадия уменьшает зернистость внутренней структуры, что повышает текучесть и порог прочности на разрыв.

Молибден

Добавка молибдена дает возможность улучшить прокаливаемость, повысить коррозионную устойчивость и снизить хрупкость.

Вольфрам

Вольфрам повышает твердость, не дает зернам увеличиваться при нагреве и снижает хрупкость при отпуске.

Кремний Кобальт

Введение кобальта увеличивает ударопрочность и жаропрочность.

Алюминий

Добавление алюминия способствует повышению окалиностойкости.

Отдельно стоит упомянуть примеси и их влияние на свойства сталей. Любая сталь всегда содержит технологические примеси, так как полностью удалить их из состава стали чрезвычайно трудно. К такого рода примесям относятся углерод, серу, марганец, кремний, фосфор, азот и кислород.

Углерод

Оказывает на свойства стали очень значительное влияние. Если его содержится до 1,2%, то углерод способствует повышению твердости, прочности, предела текучести металла. Превышение указанного значения способствует тому, что начинает значительно ухудшаться не только прочность, но и пластичность.

Марганец

Если количество марганца не превышает 0,8%, то он считается технологической примесью. Он призван повысить степень раскисления, а также противостоять негативному влиянию серы на сталь.

Сера

При превышении содержания серы выше 0,65% механические свойства стали существенно снижаются, речь идет об уменьшении уровня пластичности, коррозионной стойкости, ударной вязкости. Также высокое содержание серы негативно влияет на свариваемость стали.

Фосфор

Даже незначительное превышение содержания фосфора выше необходимого уровня чревато повышением хрупкости и текучести, а также снижением вязкости и пластичности стали.

Азот и кислород

При превышении определенных количественных значений в составе стали вкрапления данных газов повышают хрупкость, а также способствуют понижению ее выносливости и вязкости.

Водород

Слишком большое содержание водорода в стали ведет к увеличению ее хрупкости.

Маркировка легированных сталей

К категории легированных относится большое разнообразие сталей, что и вызвало необходимость в систематизации их буквенно-цифрового обозначения. Требования к их маркировке оговаривает ГОСТ 4543-71, согласно которому сплавы, наделенные особыми свойствами, обозначаются маркировкой, где на первой позиции стоит буква. По этой букве как раз и можно определить, что сталь по своим свойствам относится к определенной группе.

Так, если начинается с букв «Ж», «Х» или «Е» - перед нами сплав нержавеющей, хромистой или магнитной группы. Сталь, которая относится к нержавеющей хромоникелевой группе, обозначается буквой «Я» в ее маркировке. Сплавы, относящиеся к категории шарикоподшипниковых и быстрорежущих инструментальных, обозначаются буквами «Ш» и «Р».

Стали, относящиеся к легированным, могут принадлежать к категории высококачественных, а также особо высококачественных. В таких случаях в конце их марки ставится буква «А» или «Ш» соответственно. Стали, которые обладают обычным качеством, таких обозначений в своей маркировке не имеют. Специальное обозначение также имеют сплавы, которые получены прокатным методом. В таком случае в маркировке присутствует буква «Н» (нагартованный прокат) или «ТО» (термически обработанный прокат).

Точный химический состав любой легированной стали можно посмотреть в нормативных документах и справочной литературе, но получить такую информацию позволяет и умение разбираться в ее маркировке. Первая цифра позволяет понять, сколько углерода (в сотых долях процента) содержит легированная сталь. После этой цифры в марке перечисляются буквенные обозначения легирующих элементов, которые содержатся дополнительно.

Легированная сталь представляет собой сталь, которая кроме обычных примесей оснащена еще и дополнительными добавочными веществами, которые необходимы для того, чтобы она соответствовала тем или иным химическим и физическим требованиям.

Обычная сталь состоит из железа, углерода и примесей, без которых невозможно себе представить данный материал. В легированную сталь добавляются дополнительные вещества, которые получили название легирующих. Они используются для того, чтобы сталь стала обладать такими свойствами, которые необходимы в тех или иных ситуациях.

В большинстве случаев в качестве легирующих элементов к железу, примесям и углероду добавляются: никель, ниобий, хром, марганец, кремний, ванадий, вольфрам, азот, медь, кобальт. Также не редко в таком материале отмечаются такие вещества, как молибден и алюминий. Для придания прочности материалу в большинстве случаев добавляется титан.

Такой вид стали имеет три основные категории. Отношение легированной стали к той или иной группе обусловлено тем, сколько в ней содержится стали и примесей, а также легированных добавок.

Виды легированной стали

Есть три основных вида стали с легирующими элементами:

Низколегированная сталь.

Она характеризуется тем, что в ней содержится около двух с половиной процентов легирующих дополнительных элементов.

Среднелегированная сталь.

Данный материал имеет в своем составе от 2.5 до 10 процентов легирующих дополнительных веществ.

Высоколегированная сталь.

К данному виду относятся стальные материалы, количество легирующих добавок в которых превышает десяти процентов. Количество этих компонентов в такой стали может достигать пятидесяти процентов.

Назначение легированной стали

Легированную сталь широко применяют в современной промышленности. Она обладает высоким уровнем прочности, что позволяет изготовлять из нее оборудование для резки и рубки металлического проката самых разных видов.

По своему назначению стали легированного типа могут быть представлены большим количеством групп.

Основными из них являются:

конструкционная легированная сталь,
инструментальная легированная сталь,
легированная сталь с особыми химическими и физическими свойствами.

Характеристики легированных сталей могут быть разнообразными. Они их приобретают благодаря соотношению основных элементов. Стали такого типа являются в любом случае более прочными и устойчивыми к образованию коррозии.

Свойства легированных сталей являются разнообразными. Они главным образом определяются теми добавками, которые применяются в качестве легирующих при производстве отдельных видов стальных материалов.

В зависимости от добавленных легирующих компонентов сталь приобретает следующие качества:

Прочность. Данное свойство приобретает после добавления в ее состав хрома, марганца, титана, вольфрама.
Устойчивость к образованию коррозии. Это качество появляется под воздействием хрома, молибден.
Твердость. Сталь становится боле твердой благодаря хрому, марганцу и другим элементам.

Внимание: Стоит отметить, что для того, чтобы легированная сталь была более прочной и устойчивой к внешнему влиянию окружающей среды необходимое содержание хрома не должно быть менее двенадцати процентов.

Сталь легированного типа при правильном процентном соотношении всех входящий в нее элементов не должна менять свои качестве при температуре нагревания до шестисот градусов Цельсия.

Производство легированной стали.

Марки легированной стали являются различными. Они представлены в большом многообразии. В зависимости от назначения стали определяется ее маркировка.

Сегодня имеется большое количество требований к маркировке легированной стали. Для данного процесса используются цифровые и буквенные обозначения. Сначала при маркировке используются цифры. Они являются показателями того, сколько содержится в том или ином виде легированной стали сотых долей углерода. После цифр стоят буквы, которые являются обозначением того, какие легирующие добавки были использованы при производстве того или иного легированного типа стали.

После букв могут стоять цифры, обозначающие количество легирующего вещества в составе стального материала. Если после обозначения какого-либо легирующего элемента не стоит цифровое обозначение, то его в составе имеется минимальное количество, не достигающее даже одного процента.

Таблица 1. Сопоставление марок стали типа Cm и Fе по международным стандартам ИСО 630-80 и ИСО 1052-82.

Марки стали
Ст	Fe	Ст	Fe
СтО	Fe310-0	Ст4кп	Fe430-A
Ст1кп		Ст4пс	Fe430-B
Ст1пс		Ст4сп	Fe430-C
Ст1сп	—	—	Fe430-D
Ст2кп		Ст5пс	Fe510-B, Fe490
Ст2пс		Ст5Гпс	Fe510-B, Fe490
Ст2сп		Сг5сп	Fe510-C, Fe490
СтЗкп	Fe360-A
СтЗпс	Fe360-B	Ст6пс	Fe590
СтЗГпс	Fe360-B	Стбсп	Fe590
СтЗсп	Fe360-C		Fe690
СтЗГсп	Fe360-C	—
	Fe360-D

Таблица 2. Условные обозначения легирующих элементов в металлах и сплавах

Элемент	Символ			Элемент	Символ	Обозначение элементов в марках металлов и сплавов
Элемент	Символ	черные	цветные	Элемент	Символ	черные	цветные
Азот	N	А	-	Неодим	Nd	-	Нм
Алюминий	А1	Ю	А	Никель	Ni	-	Н
Барий	Ва	-	Бр	Ниобий	Nb	Б	Нп
Бериллии	Be	Л		Олово	Sn	-	О
Бор	В	р	-	Осмий	Os	-	Ос
Ванадии	V	ф	Вам	Палладий	Pd	-	Пд
висмут	Bi	Ви	Ви	Платина	Pt	-	Пл
Вольфрам	W	В	-	Празеодим	Pr	-	Пр
Гадолиний	Gd	-	Гн	Рений	Re	-	Ре
Галлий	Ga	Ги	Ги	Родий	Rh	-	Rg
Гафнии	Hf	-	Гф	Ртуть	Hg	-	Р
Германий	Ge	-	Г	Рутений	Ru	-	Pv
Гольмий	Но	-	ГОМ	Самарий	Sm	-	Сам
Диспрозий	Dv	-	ДИМ	Свинец	Pb	-	С
Европий	Eu	-	Ев	Селен	Se	К	СТ
Железо	Fe	-	Ж	Серебро	Ag	-	Ср
Золото	Au	-	Зл	Скандий	Sc	-	С км
Индий	In	-	Ин	Сурьма	Sb	-	Cv
Иридий	Ir	-	И	Таллий	Tl	-	Тл
Иттербий	Yb	-	ИТН	Тантал	Та	-	ТТ
Иттрий	Y	-	ИМ	Теллур	Те	-	Т
Кадмий	Cd	Кд	Кд	Тербий	Tb	-	Том
Кобальт	Co	К	К	Титан	Ti	Т	ТПД
Кремний	Si	С	Кр(К)	Т\"лий	Tm	-	ТУМ
Лантан	La	-	Ла	Углерод	С	У	-
Литий	Li	-	Лэ	Фосфор	P	п	Ф
Лютеций	Lu	-	Люн	Хром	Cr	х	Х(Хр)
Магний	Mg	Ш	Мг	Церий	Ce	-	Се
Марганец	Mn	Г	Мц(Мр)	Цинк	Zn	-	Ц
Медь	Cu	Д	М	Цирконий	Zr	Ц	ЦЭВ
Молибден	Mo	М	-	Эрбий	Er	-	Эрм

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

Природно-легированная сталь

Первое выплавленное железо, которое по своим свойствам отличалось от сородичей, было природно-легированным. В выплавляемом доисторическом 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:

Компоненты считаются легирующими только в том случае, если они вводятся целенаправленно и содержание каждого превышает 1 %.
Сера, водород, фосфор считаются примесями. В качестве неметаллических включений используются бор, азот, кремний, редко - фосфор.
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.
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 Легированное сверло по металлу из такого материала намного более производительное и стойкое к срабатыванию, чем тот же инструмент из углеродистой 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.

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.

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.

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 .

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 . .

Термодиффузия

Термодиффузия содержит следующие этапы:

Осаждение 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 .

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

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

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 . 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

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. 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 . 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:

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

Марка легированной качественной стали в России состоит из сочетания букв и цифр, обозначающих её химический состав. Легирующие элементы имеют следующие обозначения: хром (Х), никель (Н), марганец (Г), кремний (С), молибден (М), вольфрам (В), титан (Т), тантал (ТТ), алюминий (Ю), ванадий (Ф), медь (Д), бор (Р), кобальт (К), ниобий (Б), цирконий (Ц), селен (Е), редкоземельные металлы (Ч). Цифра, стоящая после буквы, указывает на содержание легирующего элемента в процентах. Если цифра не указана, то легирующего элемента содержится 0,8-1,5 %, за исключением молибдена и ванадия (содержание которых в солях обычно до 0.2-0.3 %) А также бора (в стали с буквой Р его должно быть до 0.010 %). В конструкционных качественных легированных сталях две первые цифры показывают содержание углерода в сотых долях процента.

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.
Алюминий
Бронзы
Латуни
Стекла

См. также

Примечания

Ссылки

«Легирование» - статья в «Химической энциклопедии»
«Легирование» - статья в «Металлургическом словаре»
«Легирование» - статья в «Энциклопедии Кирилла и Мефодия»

Wikimedia Foundation . 2010 .

Синонимы :

Смотреть что такое "Легирование" в других словарях:

- (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

- (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

- (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