описание, список и особенности применения
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:
- 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 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.
fb.ru
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.
fb.ru
Легирование металлов
При некоторых условиях эксплуатации стальных изделий и конструкций обычные физико-механические характеристики материал не удовлетворяют поставленным требованиям. В таких случаях стали легируют – добавляют при выплавке к исходному составу другие химические элементы (в основном – тоже металлы, хотя как будет показано далее, есть и исключения). В результате сталь становится прочнее, твёрже, устойчивее к внешним неблагоприятным факторам, хотя и теряет в своей пластичности, что в большинстве ситуаций ухудшает её обрабатываемость.
Технические требования к легированным сталям регламентированы ГОСТ 4543 (применительно к тонколистовому стальному прокату действует ещё ГОСТ 1542). В то же время ряд комплексно и сложнолегированных сталей производится согласно ТУ металлургических предприятий.
Легирование и примеси – есть ли разница?
С формальной точки зрения, некоторые химические элементы, содержащиеся в обычных сталях, как конструкционных, так и обычного качества, тоже можно называть легирующими. К таким можно отнести, например, медь (до 0,2%), кремний (до 0,37%) и т.д.
Постоянными спутниками любой стали являются фосфор и сера. Тем не менее, металловеды относят их по большей части не к легирующим добавкам, а к примесям, хотя иногда процентное содержание другого легирующего элемента может быть даже меньшим.
Причина заключается в том, что любая примесь является следствием либо чистоты исходной руды (марганец), либо специфики металлургических процессов плавки (сера, фосфор). Теоретически выплавленная без меди, фосфора и серы сталь обладала бы такими же механическими свойствами. Легирование же имеет своей конечной целью именно повышение определённых технических характеристик стали. При этом фосфор и сера
Наличие химического элемента с концентрацией более 1% даёт основание вводить его условное обозначение в марку стали. Кроме вышеупомянутой стали 65Г, подобной чести удостаивается также и алюминий (присутствующий, в частности, в стали О8Ю). В данном случае алюминий вводится в обычную конструкционную сталь О8 с целью её раскисления, а то, что при этом несколько повышаются показатели её пластичности, является лишь удачным сопутствующим обстоятельством. Борирование стали обеспечивает ей повышенную последующую деформируемость, поэтому даже микродобавки бора в химический состав стали отмечаются соответственно изменённой её маркировкой (например, в стали 20Р присутствует всего 0,001…0,005 % бора).
В целом принято, что:
- Стали, содержащие только один, намеренно вводимый в состав элемент;
- Стали, в составе которых имеются иные, кроме углерода и марганца, химические элементы в количестве не более 1%
— легированными не считаются. С другой стороны, если в составе выплавляемого сплава процентное содержание железа не превышает 55%, то такой материал уже не может называться легированной сталью.
Общая классификация легирующих элементов в сталях
Преобладающее положение в списке легирующих элементов имеют металлы. Исключение составляют кремний и бор.
Наличие легирующих элементов оказывает преобладающее влияние на вид диаграммы состояния системы «железо-углерод», и на наличие/отсутствие химических соединений в конечном продукте (нитридов, карбидов и более сложных по формуле компонентов). Последние, в свою очередь существенно видоизменяют микроструктуру стали.
В связи с этим, легирующие сталь металлы подразделяются на две группы:
- Металлы, которые увеличивают область твёрдых растворов на основе γ-железа (аустенитная область на диаграмме состояния), что приводит к повышению разнообразия конечной микроструктуры легированной стали после её упрочняющей термообработки). К таким элементам относятся никель, марганец, кобальт, медь, а также азот.
- Металлы и химические элементы, наличие которых сужает γ-область, зато повышает прочность стали. К ним относят хром, вольфрам. ванадий, молибден, титан.
В процессе получения легированных сталей изменяются следующие закономерности в её свойствах.
Как известно, разные элементы обладают различной кристаллической структурой (для металлов это – гранецентрированная и объёмноцентрированная). Само же железо имеет объёмноцентрированную решётку.
При внедрении в сталь металла со сходным типом решётки область существования α-раствора (феррита) увеличивается за счёт соответствующего уменьшения аустенитной области. В результате микроструктура стабилизируется, что допускает более широкий выбор технологических процессов последующей термообработки.
Наоборот, при наличии в стали металла с другим типом решётки аустенитная область сужается. Такая сталь при своей последующей механической обработке будет более пластичной.
Легирование стали некоторыми металлами вообще невозможно. Это происходит, если разница в атомных диаметрах элементов превышает 15%.
Именно по этой причине такой металл как цинк вводят в качестве легирующей добавки только в цветные металлы и сплавы. Ограниченное применение для целей легирования стали находят также химические элементы, которые неспособны образовывать при выплавке устойчивые химические соединения с углеродом, железом и азотом.
Зависимость характеристик стали от насыщения её определёнными химическими элементами окончательно ещё не изучено. Это объясняется тем, что при комплексном легировании каждый компонент может взаимодействовать по разному с другими, причём такие изменения закономерному объяснению часто не поддаются. Поэтому вопросы целесообразности применения того либо иного легирующего элемента разрешаются экспериментальным путём.
Доказанными считаются следующие положения:
- Эффективность процесса повышается при увеличении растворимости азота и углерода в легирующей добавке, и в основном железе;
- Стабильность окончательных свойств стали повышается при увеличении размеров аустенитной зоны;
- Качество стали, легированной металлами и элементами с меньшим, чем у железа порядковым номером (в таблице химических элементов Д. Менделеева) хуже, чем в противоположном случае;
- Более тугоплавкие, по сравнению с железом, металлы повышают прочность стали при любых вариантах её дальнейшей термообработки.
Впрочем, вторичные взаимодействия, сильно зависящие от способа выплавки стали, могут существенно корректировать эти положения. Поэтому на данном этапе с уверенностью можно говорить лишь о влиянии конкретных легирующих элементов на свойства стали.
Влияние хрома
Хром – металл, особенно часто применяемый для целей легирования. Его добавляют как в конструкционные стали (например, 20Х, 40Х), так и в инструментальные (9ХС, Х12М). При этом конечные свойства легированной хромом стали сильно зависят от его содержания в ней. При низких (менее 0,5…0,7%) концентрациях структура стали становится боле грубой, и чувствительной к направлению её последующей обработки, особенно при прокатке и гибке в холодном состоянии. Ухудшается также равномерность распределения основных составляющих микроструктуры.
Как уже было отмечено выше, одной из главных целей легирования является формирование в стали карбидов металлов, прочность и твёрдость которых заметно выше, чем основного металла. Хром образует два вида карбидов: гексагональный Cr 7C3 и кубический Cr23С6, причём в обоих случаях прочность и хладостойкость стали возрастают. Особенностью карбидов хрома является присутствие в их структуре также и других элементов – железа и ванадия. В результате температура эффективного растворения снижается, что, в свою очередь, приводит к таким положительным особенностям сталей, легированных хромом, как прокаливаемость, возможность вторичного дисперсионного твердения и теплостойкость. Поэтому стали, легированные хромом, имеют увеличенную эксплуатационную стойкость при тяжёлых условиях своей эксплуатации.
Однако увеличение содержания хрома в стали приводит и к отрицательным последствиям. При его концентрации более 5…10% резко ухудшается карбидная однородность материала, что сопровождается нежелательными явлениями при её механической обработке
При чрезмерном карбидообразовании увеличивается также количество концентраторов напряжений, что негативно влияет на стойкость таких сталей к динамическим нагрузкам. Учитывая это, содержание хрома в сталях не должно превышать 5..6%.
Влияние вольфрама и молибдена
Действие этих легирующих добавок в сталях примерно одинаково, поэтому их рассматривают совместно. Вольфрам и молибден улучшают дисперсионное твердение сталей, что увеличивает их теплостойкость, особенно при длительной работе с повышенными температурами. Мартенситостареющие стали обладают уникальным комплексом свойств: они сочетают достаточную пластичность и вязкость с высокой поверхностной прочностью, а потому находят широкое применение в качестве инструментальных сталей, предназначенных для холодной объёмной штамповки с высокими степенями деформации. Причиной этому – формирование интерметаллидных соединений Fe 2W и Fe2Mo3, которые способствуют последующему появлению специальных карбидов (чаще – хрома и ванадия). Поэтому часто, совместно с вольфрамом и молибденом стали легируют также и этими металлами. Примером служат инструментальные стали типа Х4В2М1Ф1, конструкционные 40ХВМФА и т.п.
Наиболее эффективно такое легирование для сталей, содержащих сравнительно большое количество углерода. Именно этим объясняется преимущественное применение сталей, содержащих вольфрам и молибден, для производства ответственных шестерён, валов и других деталей машин, работающих при сложных, резко циклических нагрузках. Наличие рассматриваемых легирующих компонентов улучшает закаливаемость сталей и способствует более устойчивым конечным характеристикам изделий, изготовленных из них.
Имеются и
Влияние ванадия
Ванадий чаще применяется как компонент сложного легирования. Его наличие придаёт легированным сталям более равномерную и благоприятную структуру, которая мало изменяется даже с термообработкой. Кроме того, ванадий стабилизирует γ-фазу, что увеличивает стойкость стали к напряжениям сдвига (как известно, именно при сдвиговых деформациях металлы имеют наименьшую прочность).
На твёрдость стали ванадий практически не влияет, это особенно заметно для конструкционных сталей, содержащих меньше углерода, чем инструментальные. В комплекснолегированных сталях ванадий увеличивает теплостойкость, что повышает их устойчивость от хрупкого разрушения. В этом смысле влияние ванадия противоположно влиянию молибдена. Особенностью термообработки легированных сталей, содержащих ванадий, считается невозможность выполнения высокого отпуска после закалки, поскольку последующая пластичность стали снижается. Поэтому в сталях, предназначенных для изготовления крупных деталей или поковок, процентное содержание ванадия ограничивается 3..4%.
Влияние кремния, марганца и кобальта
Кремний – единственный из неметаллов, «допущенный» к процессам легирования. Объясняется это двумя факторами – дешевизной элемента и однозначной зависимостью твёрдости от процентного содержания кремния в стали. Именно поэтому кремний часто применяется при выплавке недорогих низколегированных строительных сталей, а также сталей, для эксплуатационной долговечности которых важно оптимальное сочетание прочности и упругости. Чаще всего совместно с кремнием используется и марганец – примерами могут быть стали 09Г2С, 10ГС, 60С2 и т.д.
В инструментальных сталях кремний как легирующий компонент используется редко, и притом только в сочетании с другими металлами, которые нейтрализуют его отрицательные свойства – малую эксплуатационную пластичность и вязкость. Из таких сталей – в частности, 9ХС, 6Х3С и т.п. — изготавливают режущий и штамповый инструмент, для которого требуется сочетание высокой твёрдости и стойкости при резких нагрузках.
Как и кремний, кобальт при внедрении в структуру стали не образует собственных карбидов, зато в сложнолегированных сталях интенсифицирует их образование при отпуске. Поэтому кобальт применяется не самостоятельно, а в сочетании с такими металлами, как ванадий, хром, вольфрам, при этом, ввиду дефицитности кобальта его содержание обычно не превышает 2,5…3%.
Влияние никеля
Никель – единственный из легирующих компонентов сталей, который повышает её пластичность и снижает твёрдость. Поэтому одним никелем стали не легируют. Зато в сочетании с марганцем никель приводит к заметному повышению прокаливаемости стали, что очень важно при изготовлении крупных деталей машин, для которых важна высокая эксплуатационная долговечность. При этом наличие никеля снижает требования к точности соблюдения температурных интервалов термообработки.
Легирование никелем имеет и ряд особенностей. В частности, никель, не образуя собственных карбидов, способствует увеличению скоплений «чужих» карбидов по границам зёрен, в результате снижается теплостойкость, и повышается хрупкость в диапазоне 20…4000С. Поэтому процентное содержание никеля в легированных сталях строго увязывается с наличием в них марганца и хрома: при их наличии предельная концентрация никеля составляет 2%, а при их отсутствии – не более 0,5…1%.
Легированные стали для специальных областей использования содержат в себе и ряд других металлов (например, титан, алюминий и др.). Выбор вида стали диктуется эксплуатационными и финансовыми соображениями.
www.m-deer.ru
Легирование металла — Справочник химика 21
Легирование металлов. Методы защиты, связанные с изменением свойств корродирующего металла, осуществляются при помощи легирования. Легирование — эффективный (хотя обычно дорогой) метод повышения коррозионной стойкости металлов. При легировании в состав сплава обычно вводят компоненты, вызывающие пассивирование металла. В качестве таких компонентов применяются хром, никель, вольфрам и др. Широкое применение нашло легирование для защиты от газовой коррозии. При этом используют сплавы, обладающие высокой жаростойкостью и жаропрочностью. [c.217]Рассмотренные три теории жаростойкого легирования металлов не исключают, а дополняют друг друга и дают возможность не только теоретически» обосновать существующие сплавы, но и более рационально подойти к разработке рецептуры новых жаростойких сплавов. [c.116]
Жаростойкость — стойкость по отношению к газовой коррозии при высоких температурах. Жаропрочность — свойства конструкционного материала сохранять высокую механическую прочность при значительном повышении температуры. Жаростойкость обычно обеспечивается легированием металлов и сплавов, например стали хромом, алюминием и кремнием. Эти элементы при высоких температурах окисляются энергичнее, чем железо, и образуют при этом плотные защитные пленки оксидов. Хром и кремний улучшают также жаропрочность сталей. Стали, легированные 4—9 % хрома, молибденом или кремнием, применяют, например, в парогенераторе- и турбостроении. Сплав, содержащий 9—12% хрома, применяют для изготовления лопаток газовых турбин, деталей реактивных двигателей, в производстве двигателей внутреннего сгорания и т. п. [c.235]
Коррозию металлов можно затормозить изменением потенциала металла, пассивированием металла, снижением концентрации окислителя, изоляцией поверхности металла от окислителя, изменением состава металла и др. При разработке методов защиты от коррозии используют указанные способы снижения скорости коррозии, которые меняются в зависимости от характера коррозии и условий ее протекания. Выбор того или иного способа определяется его эффективностью, а также экономической целесообразностью. Все методы защиты условно делятся на следующие группы а) легирование металлов, б) защитные покрытия (металлические, неметаллические), [c.217]Вертикальные трубчатые печи получили широкое распространение за рубежом и в настоящее время применяются в отечественной промышленности. Обусловлено это двумя их существенными преимуществами по сравнению с печами с горизонтальным расположением труб змеевика 1) значительное сокращение расхода легированного металла на подвески и опоры труб змеевика в связи с уменьшением числа этих креплений и вынесением их за пределы обогреваемой зоны [c.107]
Основное преимущество котла с трубчаткой состоит в том, что материал трубок может быть отличным от материала корпуса аппарата. Это особенно важно для сосудов, изготовленных из цветных и легированных металлов. Трубчатка изготовляется для давления до 250 ата. [c.191]
Второй способ защиты — введение в металл компонентов, повышающих его коррозионную стойкость в-данных условиях, или удаление вредных примесей, ускоряющих коррозию. Он применяется на стадии изготовления металла, а также при термической и механической обработке металлических деталей. Во многих случаях легирование металла, мало склонного к пассивации, металлом, легко пассивируемым в данной среде, приводит к образованию сплава, обладающего той же (или почти той же) пассивируемостью, что и легирующий металл. Таким путем получены многочисленные коррозионно-стойкие сплавы, например нержавеющие стали, легированные хромом и никелем. Однако широкое внедрение этого способа сдерживается высокой стоимостью нержавеющих металлов. [c.15]
Легирование металлов. Для улучшения свойств металлов, в том числе для обеспечения их коррозионной стойкости, в состав сплавов вводят различные вещества (легирующие добавки). Так, коррозионная стойкость стали может быть повышена введением хрома, никеля, молибдена. Коррозионная стойкость меди возрастает при добавлении к ней бериллия и алюминия. Легирование с целью повышения коррозионной стойкости применяется также для алюминия, к которому добавляют молибден, хром или никель. [c.219]
Таким образом, изложенную выше теорию жаростойкого легирования металлов можно представить в виде следующих требований, предъявляемых к легирующему элементу Ме [c.112]
Имеется способ уменьшения коррозии металлов, который строго нельзя отнести к защите, — это легирование металлов, т. е. получение сплавов. Например, в настоящее время создано большое число нержавеющих сталей путем присадок к железу никеля, хрома, кобальта и др. Такие стали, действительно, не покрываются ржавчиной, но их поверхностная коррозия хотя и с малой скоростью, но имеет место. Оказалось, что при добавлении легирующих добавок коррозионная стойкость меняется скачкообразно. Установлено правило (правило Таммана), согласно которому резкое повышение устойчивости к коррозии железа наблюдается при введении легирующей добавки в количестве /в атомной доли, т. е. один атом легирующей добавки приходится на восемь атомов железа. Считается, что при таком соотношении атомов происходит их упорядоченное расположение в кристаллической решетке твердого раствора, что и затрудняет коррозию. [c.140]
А. Н. Мень и А. Н. Орлов дополняют эту теорию жаростойкого легирования металлов некоторыми рекомендациями (см. с. 103) [c.116]
Легирование металлов. Легирование стали небольшими количествами меди, фосфора, никеля и хрома особенно эффективно для защиты от атмосферной коррозии. Добавление меди более эффективно в умеренном, чем в тропическом морском климате добавки хрома и никеля в сочетании с медью и фосфором повышают стойкость как в умеренном, так и в тропическом климате (табл. 8.5). Скорость коррозии конструкционных сталей в тропиках (например, в Панаме) в два и более раза выше, чем в умеренном климате (например, Кюр Бич), главным образом вследствие более высоких средних температур и относительной влажности. [c.180]
Железо, кобальт и никель поглощают водород, но определенных соединений с ними не дают. Нитриды их неустойчивы, ио, образуясь на поверхности стальных изделий при насыщении их азотом в атмосфере аммиака, делают эти изделия более коррозионно устойчивыми и более твердыми. Стали, легированные металлами, имеющими большое сродство к азоту (титан, ванадий, хром, марганец), лучше азотируются. [c.346]
Для сокращения расхода дорогостоящих легирующих добавок получило распространение поверхностное катодное легирование металлов и сплавов в условиях возможного возникновения пассивности. [c.77]
Основными способами защиты от газовой коррозии являются легирование металлов, создание защитных покрытий и замена агрессивной газовой среды. Для изготовления аппаратуры, подвергающейся действию коррозионно-активных газов, применяют жаростойкие сплавы. Для придания жаростойкости стали и чугуну в их состав вводят хром, кремний, алюминий применяются также сплавы на основе никеля или кобальта. Защита от газовой коррозии осуществляется, кроме того, насыщением в горячем состоянии поверхности изделия некоторыми металлами, обладающими защитным действием. К таким металлам принадлежат алюминий и хром. Защитное действие этих металлов обусловлено образованием на их поверхности весьма тонкой, но прочной оксидной пленки, препятствующей взаимодействию металла с окружающей средой. В случае алюминия этот метод носит название алитирования, в случае хрома — термохромирования. Для защиты используют и неметаллические покрытия, изготовленные из керамических и керамико-металлических (керметы) материалов. [c.687]
При легировании металла шва и выборе присадочных материалов в металле шва при прочих равных условиях стремятся создать двухфазную аустенитно-ферритную структуру. Эта структура, как показано выше, устойчива против межкристаллитной коррозии и снижает чувствительность к образованию горячих трещин. [c.367]
Во избежание легирования металла шва углеродом в покрытиях и флюсах не применяют вещества, содержащие углерод. По тем же причинам на поверхности электродной проволоки недопустимы даже следы графитной и иной смазки. [c.367]
Сопротивление изнашиванию легированного металла обычно характеризуется двумя главными параметрами способностью металлической матрицы и карбидной фазы претерпевать превращения в поверхностных слоях, приспосабливаться к условиям трения и иметь минимальный износ. [c.28]
Важнейшим параметром в уравнении (15) является допускаемое напряжение 3 в металле, которое в весьма сильной степени зависит от точного значения температуры металла трубы. Следовательно, обязательной предпосылкой для надежной работы радиант-ных нечей является существование достаточно точного и надежного метода расчета температуры металла печных труб. Важное значение температуры металла отчетливо видно из рис. 5, где показана типичная зависимость между температурой и допускаемым напряжением (ведущим к деформации ползучести 1% за 10 тыс. час.) для легированной стали, содержащей 4—6% хрома и 0,5% молибдена. Быстрое падение допускаемого напряжения в металле с повышением температуры характерно для большинства легированных металлов, применяемых для высокотемпературных процессов. [c.56]
Легированный металл должен иметь высокую температуру плавления, по крайней мере на 100 — 150°С выше заданной рабочей температуры. [c.14]
Вертикальные трубчатые печи менее дороги, чем печи с горизонтальным распололвертикальные печи только там, где нагреваемая среда не склонна к коксованию и где нет необходимости быстро удалять продукт в случае аварии. С целью снижения стоимости строительства во всех случаях, когда нагреваемый продукт не образует коксовых или зольных отложений, используют безретурбендные змеевики. [c.116]
ЗАЩИТА ОТ КОРРОЗИИ, осуществляется след. осн. методами 1) созданием условий для образования на пов-сти металла при взаимод. с агрессивной средой защитных слоев (оксидов, солей), обеспечивающих пассивность металлов. Формирование таких слоев достигается легированием металла, введением в среду пассиваторов и ингибиторов коррозии или с помощью анодной электрохим. защиты. Защитные слои могут образовываться также при адсорбции орг. ингибиторов из среды 2) нанесением лакокрасочных, эмалевых, пластмассовых и др. защитных покрытий на пов-сть металлич. изделий 3) понижением содержания в среде в-в, вызывающих или ускоряющн с коррозию, путем спец. очистки или введением добавок, реагирующих со стимуляторами коррозии 4) электрохим. защитой 5) гомогенизирующей термич. обработкой металлов и сплавов с целью получ. возможно более однородной структуры 6) рациональным конструированием, исключающим наличие или сокращающим число и размеры особо опасных с точки зрения корро,зии зон в изделиях и конструкциях (щелей, сварных швов, застойных участков, электрич. контактов разнородных металлов и др.) илн обеспечивающим усиленную защиту таких зон (см. Контактная коррозия. Коррозионная усталость, Коррозия под напряжением, Фреттинг-коррозия)] 7) повышением термодинамич. стабильности сист. металл — среда, напр, использ. благородных и полублагородных металлов, подбором равновесного состава газовых атмосфер, в к-рых производится обработка металлов и т. д. Часто использ. комбинированные методы 3. о. к. В кач-ве нер защиты рассматривают также замену металлич. конструкц. материалов химически стойкими неметаллическими. [c.205]
Чтобы увеличить срок службы оборудования, на наиболее опасных его участках применяются стойкие против коррозии материалы— легированные стали Х5М, 0X13, латунь, сплав никеля и меди, называющийся моиель-металлом. Для снижения стоимости аппаратуры ее изготавливают из двухслойного металла внутренняя поверхность, подверженная действию вредных соединений, делается из легированных металлов, нарул[c.153]
Некоторые из цветных металлов обладают устойчивостью к действию ряда агрессивных сред. Поэтому при изготовлении аппаратуры для промышленности органических полупродуктов и красителей наряду со сталью, чугуном и легированными металлами и сплавами применяют некоторые цветные металлы. Наибольшее применение имеют алюминий и никел)). [c.86]
Антикоррозионное легирование металла. Способ состоит в в преднамеренном изменении состава металла путем введения в него специальных легирующих добавок (лат. ligare — связывать, соединять). Подобные добавки подбирают с таким расчетом, чтобы при их помощи повысить коррозионную стойкость основного металла. Иногда для тех же целей из металла, наоборот, удаляют примеси, своим присутствием убыстряющие коррозию. Например, медистые стали в своем составе содержат 0,2—0,5% Си и уже одно это в l /a— 3 раза повышает стойкость металла по сравнению с обычной углеродистой сталью. С другой стороны, необходимо стремиться к максимально полному освобождению алюминия от примесей железа, так как последнее, даже при малом своем присутствии в техническом металле, во много раз убыстряет его коррозию. [c.369]
Легирование металлов — эффективный (хотя и дорогой) метод повышения коррозионной стойкости металлов. При легировании в состав сплава вводят компоненты, вызывающие пассивацию металла. В качестве таких компош итов применяют хром, никель, вольфрам и др. Широкое применение нашло легирование [c.234]
Для решения этой задачи большое значение приобретает разработка оптимальных методов поверхностного легирования, таких, как термодиффузионная обработка, электроискровое легирование, ионная имплантация, электронно-лучевая обработка, которые позволяют обрабатывать поверхности, непосредственно соприкасающиеся с рабочими средами, расширяют возможности и эффективность использования катодных покрытий. Перспективным методом поверхностного легирования металлов и сплавов является ионная имплантация. Она позволяет регулировать толщину легированного слоя, концентрацию вводимых компонентов, их распределение по глубине за счет изменения энергии и рпзы внедрения. Толщина имплантированного слоя в зависимости от энергии может составлять от 0,1 до 3 мкм. Изменение коррозионной стойкости после ионной имплантаций происходит за счет обеспечивания пассивного состояния при имплантации металлами, разупрочнения структуры, приводящего к повышению сродства поверхности к кислороду, изменения дефект-но сти решетки. При этом важно, что для повышения защитных свойств вводимый элемент может образовывать с защищаемым металлом или сплавом метастабильный твердый раствор внедрения или замещения в широком диапазоне концентраций. [c.73]
Легирование металла шва осуществляют в соответствии со свариваемой сталью, технологической прочностью и свойствами металла шва. Легируюпще компоненты вводят в электродную проволоку. [c.367]
Неуклонное повышение температуры технологического потока в сочетании с более жесткими требованиями к эксплуатационным показателям печи вызвало необходимость создания экспериментальных конструкций с использованием необычных и весьма ценных легированных металлов и сплавов. Успехи в области металлургии привели к разработке новых преспективных сплавов для работы при высоких и сверхвысоких температурах (980° С и выше). В настоящее время трубопрокатные заводы выпускают трубы центробежной отливки из жароупорных и высокопрочных материалов для весьма жестких условий работы по цене, допускающей их широкое применение. Предельные допускаемые напряжения (из расчета ползучести 1% после 10 000 час. работы) для некоторых литых жароупорных сплавов показаны на рис. 18. [c.70]
На авторемонтных предприятиях при восстановлении стальных коленчатых валов автоматической наплавкой широко применяется способ легирования металла через плавленый флюс марки АН-348А с добавкой компонентов. [c.62]
При автоматической сварке под флюсом в качестве присадочного материала применяют необмазанную сварочную проволоку в катушках. Шлаковый покров, образующийся из расплавившихся флюса и окислов, предохраняет сварочную ванну от воздействия кислорода и азота воздуха. Многие флюсы способны передавать некоторые входящие в их состав элементы ванне расплавленного металла. Поэтому легирование металла шва можно осуществлять как применением присадочной проволоки из легированной стали, так и переводом в металл шва примесей, входящих в состав флюса. [c.137]
В реальных условиях наблюдаются все рассмотренные виды А.к. Защитные св-ва слоя продуктов А.к., предохраняющего металл от дальнейшего разрушения, можно усилить легированием металла Ni, u, Сг (низколегированные атмосферостойкие стали, сплавы на основе Си, А и др.). Для А,к. характерны все виды коррозионного разрушения равномерное, язвенное, питтинговое, щелевое, межкристал-литное, коррозионное растрескивание и др. По стойкости к А.к. металлы и сплавы образуют ряд в такой же последовательности, как и по стойкости к коррозии в нейтральных электролитах, а именно благородные металлы, легко пассивирующиеся металлы (Ti, AI Zr), конструкц. сплавы на основе Fe, Ni, u, d. [c.213]
Для изучения закономерностей процессов концентрирования, извлечения, получетшя, рафинирования и легирования металлов, а также процессов, связанных с изменением состава, структуры и св-в сплавов и материалов, полуфабрикатов и изделий из них в М. используют физ., хим., физ.-хим. и мат. методы исследования. [c.50]
В современных трубчатых печах в основном применяют гладкие трубы. Однако некоторые модели трубчатых печей, например печи конвекционного типа для деструктивной гидрогенизации топлив, имеют змеевики из толстостенных легированных труб с ребристой насадкой из углеродистой сталп. Насадка предста вляет приварные ребра диаметром 270 мм, толш иной 4 мм. Расстояние между ребрами около 14 мм. Трубы с ребристой насадкой резко увеличивают размеры поверхности нагрева при сравнн-тельно небольшом расходе легированного металла. [c.423]
chem21.info
легирование — это… Что такое легирование?
ЛЕГИ́РОВАНИЕ см. Леги́ровать.
(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 AIIIBV 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 AIIIBV 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.
dic.academic.ru
Легирование стали — особенности технологического процесса + Видео
Для изготовления некоторых инструментов и ножей применяются специальные стали с добавлением легирующих добавок. Легирование стали осуществляется на металлургических производствах. При этом некоторые добавки позволяют не только улучшить характеристики стали, но и существенно упростить процесс плавки. Технологический процесс легирования довольно сложен, требует особой точности и поэтому практически невозможен в домашних условиях.
1 Описание процесса, цели
Нужно различать легирование стали, которая применяется для изготовления инструментов, и той, которая применяется для изготовления полупроводников. Так, в первом случае требуется повышение именно механических характеристик, а во втором случае требуется повышение токопроводящих свойств. Для этого применяются различные легирующие добавки, а также существенно отличается технологический процесс. Для того, чтобы иметь понятие о процессах, в данном материале будут вкратце рассмотрены основы легирования металлов для различных технических нужд.
Под легированием понимают добавление в состав металла различных примесей (добавок), которые изменяют характеристики и свойства металла. При этом процессы легирования разделяют на:
- Металлургическое легирование (по-другому — объемное).
- Поверхностное. Оно может быть выполнено несколькими способами: диффузией, ионным «обстрелом» и т.д.
В зависимости от того, для какой отрасли производят легирование стали, могут применяться различные технологии. Так, на металлургических производствах для легирования стали в расплавленный металл в качестве добавки применяется металл для легирования.
Добавление добавок в расплавленный металл
Рекомендуем ознакомиться
Легирование хромом, молибденом, никелем, ниобием (ниобий применяется редко) и т.д. Такие добавки позволяют существенно улучшить физико-химические свойства материала. Чтобы стальная заготовка обладала определенными свойствами (например, сопротивляемость коррозии, увеличение твердости и уменьшение износа), применяется поверхностное легирование. Технологический процесс легирования может производиться на различных этапах плавки для получения различных характеристик готового проката.
Поверхностное легирование часто применяют для изготовления стекол и керамических изделий. Это гораздо лучше, чем напыление, потому что происходит диффузия легирующей добавки и основного материала.
Главной целью легирования полупроводников является изменение проводимости, а также концентрации носителей в заданном количестве материала, при этом получая необходимые свойства (например, плавность pn-перехода). Для этих целей наиболее часто применяются добавки фосфора или мышьяка, иногда добавляют бор.
На данный момент существует несколько технологических способов легирования. Подробнее о них рассказано в следующем разделе.
2 Различные способы
Первый способ — ионное легирование (ионная имплантация) Такой способ позволит осуществлять контроль приборов с максимальной точностью. Эта технология применяется в основном для легирования полупроводников. Ионное легирование условно можно разделить на 2 этапа: загонка легирующих атомов в материал и активация загнанной в материал добавки. Проконтролировать процесс можно дозировкой (кол-вом добавки), энергей (от нее зависит глубина вхождения добавки), температурой (от нее зависит распределение добавки в материале), а также временем протекания процесса.
Следующим идет нейтронно-трансмутационный процесс легирования. Он тоже применяется для легирования полупроводников. Принципы технологического процесса следующие: добавки не вводятся, а «мутируют» из исходного материала при протекании ядерных реакций, которые вызываются при облучении материала нейтронами. В результате выходит монокристаллический материал, в котором атомы распределены равномерно. Подобный способ впервые был применен на территории СССР в 1980 году. Отечественными учеными была доказана возможность легирования силиция в больших количествах на энергоблоках АЭС, при этом не снижалась выработка электроэнергии и не ухудшались параметры безопасности. С 1988 по 2004 года технология была внедрена почти на всех АЭС России и усовершенствована, что позволило увеличить диаметр слитков Si до 85 мм. На данный момент Россия лидирует в этой технологии.
Другим способом легирования полупроводников является термодиффузионный способ. Он условно разделяется на несколько этапов: осаждение добавки, отжиг (при котором происходит загонка добавки в материал), удаление добавки.
Процесс легирования стали
Электроискровое легирование происходит при обработке готовых изделий из металла при использовании дуговых разрядов, при которых происходит перенос добавки с электрода на поверхность изделия. Часто применяют для форм и других изделий, которые используются в цветной и черной металлургии (в процессе разливки), поскольку обработанные детали и конструкции устойчивы к высокой температуре. Электроискровое легирование применяется только для специальных изделий и механизмов.
А вот в металлургии специальное легирование начало использоваться не так давно — примерно с начала 20 века. Основными причинами этого являются технологические сложности, связанные с процессом и с тем, что частично происходило природное обогащение компонентами (так, используемое метеоритное железо имело в своем составе никель, а на рудниках — свои примеси серы, кремния и т.д.). Некоторые месторождения (например, на юге Японии) имели в составе руды и молибден, поэтому японское оружие считалось очень надежным и прочным. В Европе уделили особое внимание процессу легирования во второй половине 19 века, первый лабораторный образец легированной стали был получен в 1858 году, первая пробная партия получена в 1871-м, однако технологически не подготовленное оборудование не позволяло быстро внедрить эту технологию. Поэтому массово легировать сталь стали только к 1890-м годам.
Отдельно стоит рассказать о технологии взрывного насыщения. Взрывное легирование используется при насыщении углеродистой стали медью. Это один из подвидов ионного способа, основное назначение — защита металлических изделий от коррозии.
3 На что влияют добавки
Первое, что следует выделить — наиболее часто применяемые добавки к стали. Таковыми являются: хром, никель, марганец, молибден, титан, ванадий. Медь легируют кадмием, что существенно увеличивает ее износостойкость. Установка небольшого количества присадок кадмия позволяет повысить прочность, гибкость и износостойкость проводов и кабелей. В титан добавляют молибден, что позволяет существенно повысить температурный диапазон эксплуатации. При этом некоторые металлы могут легировать сразу несколькими добавками.
Легирующие добавки для стали вводят для повышения именно механических характеристик.
4 Расшифровка наименований
Часто возникает необходимость узнать состав металла. Маркировка материала осуществляется при помощи букв и цифр, согласно ГОСТу 4543-71. Первыми идут цифры, показывающие кол-во C в процентах (сотых), затем идут буквы, показывающие добавку. Возможные обозначения: Х — Cr, Н — Ni, К — Co, М — Mo, Т — Ti, В — W, А — N, Б — Nb, Д — Cu, Г — Mn, Р — B, Ю — Al, Ф — V, С — Si. В маркировке за буквой, обозначающей добавку, ставится цифровое обозначение, которое указывает кол-во добавки в %, при этом цифра может округляться согласно правилам округления (т.е. реальное содержание добавки 0,88% будет округлено до 1%). Если кол-во добавки около 1 %, то цифровое обозначение после добавки не ставится совсем. При этом необходимо обратить внимание, что важно расположение буквы в наименовании.
Так, обозначение, содержащее «А», находящееся не в конце наименования стали, является обозначением добавки N как легирующей добавки, в случае, когда она последняя в наименовании, обозначает сталь высокого качества.
Например, распишем сталь 65Х13Н2МА. Установка расшифровки такова: кол-во углерода — 0,65%, 13% хрома, 2% никеля, 1% молибдена, сталь высококачественная.
В заключении стоит отметить, что необходимо четко следить за соотношением компонентов в стали.
tutmet.ru
Легирующий металл — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1
Легирующий металл
Cтраница 1
Легирующие металлы улучшают механические свойства стали, изменяют ее физические и химические свойства. [1]
Легирующие металлы: никель, кобальт в гидроокиси и металлический. [2]
Вышеуказанные легирующие металлы образуют более стойкие, чем цементит ( Fe3C), карбиды, препятствующие обезуглероживанию сталей. [3]
Обычно легирующими металлами бывают металлы более дорогие, чем металл-основа. [4]
Если легирующий металл не стоек в данной агрессивной среде, то коррозионная стойкость сплава титана будет ниже, чем нелегированного титана. [5]
Если легирующие металлы содержатся в сплаве в достаточном количестве, то возможно образование когерентных пленок двуокисей титана и циркония. Кроме того, окислы обоих этих металлов являются полупроводниками п-ти-па с вакансиями в решетках ионов О2 -, так что при насыщении этих окислов ионами Nb5 число вакансий значительно уменьшается. Затем объемные отношения TiO2 / Ti и ZrCb / Zr гораздо меньше объемного отношения Nb2O5 / 2Nb, так что окисный слой должен быть менее подвержен растрескиванию. [6]
S-электроны легирующего металла заполняют вакансии cf — полосы палладия, снижая % А, причем действие добавки увеличивается по мере перехода от Ag к Sb и особенно резко при замене серебра на кадмий. [7]
Введение легирующих металлов имеет целью снижение температуры, отвечающей точке Кюри. Так, если 78-процентный пермаллой ( 78 Ni) имеет точку Кюри при температуре 580 С, то так называемый супермаллой, содержащий 79 % никеля и 5 % молибдена, имеет точку Кюри при 400 С. Применение легирующих добавок дает возможность избежать сложного процесса охлаждения и одновременно повышает магнитные свойства материала. [9]
Влияние активных легирующих металлов на процесс образования пассивирующей пленки отличается От того влияния, которое они оказывают на процесс активного растворения. Хром и титан в сильных средах окисляются при более высоком потенциале, чем железо, кобальт или никель, являющиеся основами сплавов типа металл — металлоид, и при своем охлаждении образуют пассивирующиеся пленки с высокими защитными характеристиками. В сплавах, содержащих хром и титан, пассивация наступает только тогда, когда концентрация хрома и ( или) титана в образующейся поверхностной пленке превышает определенную величину. Это подтверждается и результатами анализа химического состава пленки, возникающей на поверхности аморфного сплава Со-Cr — 20B при различном содержании хрома. [10]
В качестве легирующего металла чистый лантан почти не применяют, используя для этого более дешевый и доступный церий или мишметалл — легирующее действие лантана и лантаноидов практически одинаково. [11]
В качестве легирующего металла чистый лантан почти не применяют, используя для этого более дешевый и доступный церий или мишметалл, — легирующее действие лантана и лантаноидов практически одинаково. [12]
Сплавы меди, содержащие легирующие металлы, окрашиваются труднее, чем чистая медь. [13]
Карбиды железа и легирующих металлов, особенно тугоплавких — вольфрама, титана существенно определяют свойства легированных сталей, придавая им твердость, износостойкость. [14]
Значительно расширить производство легирующих металлов и добычу природных алмазов. [15]
Страницы: 1 2 3 4
www.ngpedia.ru