Легирующие добавки это: легирующие добавки | это… Что такое легирующие добавки?

Легирующие элементы. Легирующие элементы стали. Влияние легирующих элементов. Назначение легирующих элементов. Хромансиль.

Легирующие элементы – химические элементы, специально вводимые в сталь для получения заданных свойств. Улучшают механические, физические и химические свойства основного материала.

Маркировка сталей. Маркировка углеродистых сталей. Маркировка легированных сталей. Маркировка инструментальных сталей.
Легированные стали. Классификация легированных сталей. Классификация легированных сталей по микроструктуре. Маркировка легированных сталей.

Основным легирующим элементом является хром (0,8…1,2)%. Он повышает прокаливаемость, способствует получению высокой и равномерной твердости стали. Порог хладоломкости хромистых сталей — (0…-100)^oС.

Влияние углерода на сталь. Влияние углерода на свойства стали.
Влияние примесей на свойства. Влияние примесей на свойства сталей. Красноломкость. Флокены.

Дополнительные легирующие элементы:

• Бор — 0.003%. Увеличивает прокаливаемость, а такхе повышает порог хладоломкости (+20…-60 ^oС.
• Марганец – увеличивает прокаливаемость, однако содействует росту зерна, и повышает порог хладоломкости до (+40…-60)^oС.
• Титан (см. Титан и его сплавы) (~0,1%) вводят для измельчения зерна в хромомарганцевой стали.
• Введение молибдена (0,15…0,46%) в хромистые стали увеличивает прокаливаемость, снижает порог хладоломкости до –20…-120^oС. Молибден увеличивает статическую, динамическую и усталостную прочность стали, устраняет склонность к внутреннему окислению. Кроме того, молибден снижает склонность к отпускной хрупкости сталей, содержащих никель.
• Ванадий в количестве (0.
  1…0.3) % в хромистых сталях измельчает зерно и повышает прочность и вязкость.
• Введение в хромистые стали никеля, значительно повышает прочность и прокаливаемость, понижает порог хладоломкости, но при этом повышает склонность к отпускной хрупкости (этот недостаток компенсируется введением в сталь молибдена). Хромоникелевые стали, обладают наилучшим комплексом свойств. Однако никель является дефицитным, и применение таких сталей ограничено.Значительное количество никеля можно заменить медью, это не приводит к снижению вязкости.

При легировании хромомарганцевых сталей кремнием получают, стали – хромансиль (20ХГС, 30ХГСА). Стали обладают хорошим сочетанием прочности и вязкости, хорошо свариваются, штампуются и обрабатываются резанием.Кремний повышает ударную вязкость и температурный запас вязкости.

Добавка свинца, кальция – улучшает обрабатываемость резанием. Применение упрочнения термической обработки улучшает комплекс механических свойств.

Усталостная прочность. Предел выносливости. Живучесть материалов.
Ударная вязкость. Определение ударной вязкости. Испытания на ударную вязкость.

Распределение легирующих элементов в стали.

Легирующие элементы растворяются в основных фазах железоуглеродистых сплавов ( феррит, аустенит, цементит), или образуют специальные карбиды. Растворение легирующих элементов в Fe_α происходит в результате замещения атомов железа атомами этих элементов. Эти атомы создают в решетке напряжения, которые вызывают изменение ее периода. Изменение размеров решетки вызывает изменение свойств феррита – прочность повышается, пластичность уменьшается. Хром, молибден и вольфрам упрочняют меньше, чем никель, кремний и марганец. Молибден и вольфрам, а также кремний и марганец в определенных количествах, снижают вязкость.

Компоненты железоуглеродистых сплавов. Фазы железоуглеродистых сплавов.

В сталях карбиды образуются металлами, расположенными в таблице Менделеева левее железа (хром, ванадий, титан), которые имеют менее достроенную d – электронную полосу.

В процессе карбидообразования углерод отдает свои валентные электроны на заполнение d – электронной полосы атома металла, тогда как у металла валентные электроны образуют металлическую связь, обуславливающую металлические свойства карбидов.

При соотношении атомных радиусов углерода и металла более 0,59 образуются типичные химические соединения: Fe₃C, Mn₃C, Cr₂₃C₆, Cr₇C₃, Fe₃W₃C – которые имеют сложную кристаллическую решетку и при нагреве растворяются в аустените.

При соотношении атомных радиусов углерода и металла менее 0,59 образуются фазы внедрения: Mo₂C, WC, VC, TiC, TaC, W₂C – которые имеют простую кристаллическую решетку и трудно растворяются в аустените.

Все карбиды обладают высокой твердостью и температурой плавления.

ЛЕГИРОВАНИЕ • Большая российская энциклопедия

ЛЕГИ́РОВАНИЕ (нем. legieren – сплав­лять, от лат. ligo – свя­зы­вать, со­еди­нять), вве­де­ние до­ба­вок (ле­ги­рую­щих эле­мен­тов) в ме­тал­лы и спла­вы для при­да­ния им оп­ре­де­лён­ных фи­зич., хи­мич. или ме­ха­нич. свойств. Под­верг­ну­тые Л. ма­те­риа­лы на­зы­ва­ют­ся ле­ги­ро­ван­ны­ми (напр., ле­ги­ро­ван­ная сталь). Для Л. ис­поль­зу­ют ме­тал­лы, не­ме­тал­лы ($\ce{С, S, P, Si, В}$ и др.) и вспо­мо­гат. спла­вы, со­дер­жа­щие ле­ги­рую­щий эле­мент, – фер­ро­спла­вы и ли­га­ту­ры. Осн. ле­ги­рую­щие эле­мен­ты в ста­лях и чу­гу­нах – $\ce{Сr, Ni, Mn, Si, Mo, W, V, Ti}$; в алю­ми­ние­вых спла­вах – $\ce{Si, Mn, Mg, Cu, Zn, Li}$; в маг­ние­вых спла­вах – $\ce{Al, Mn, Zn, Zr, Cd}$; в мед­ных спла­вах – $\ce{Al, Mn, Fe, Ni, Zn, Pb, Be, Si, P}$; в ни­ке­ле­вых спла­вах – $\ce{Cr, Co, Ti, Al, W, Mo, V}$; в ти­та­но­вых спла­вах – $\ce{Al, Zr, Mo, V, Сr}$. Ле­ги­рую­щие эле­мен­ты це­ле­на­прав­лен­но вво­дят­ся в ме­талл (сплав) в оп­ре­де­лён­ном ко­ли­че­ст­ве, в от­ли­чие от при­ме­сей, ко­то­рые по­па­да­ют из ис­ход­но­го сы­рья или из-за осо­бен­но­стей про­из­водств. про­цес­са и не мо­гут быть уда­ле­ны про­цес­са­ми ра­фи­ни­ро­ва­ния.

При Л. ме­тал­лов и спла­вов мо­гут об­ра­зо­вы­вать­ся твёр­дые рас­тво­ры, разл. фа­зы, ин­тер­ме­тал­ли­ды, кар­би­ды, нит­ри­ды, ок­си­ды, суль­фи­ды, бо­ри­ды и др. со­еди­не­ния ле­ги­рую­щих эле­мен­тов с ос­но­вой спла­ва или ме­ж­ду со­бой. В ре­зуль­та­те Л. су­ще­ст­вен­но ме­ня­ют­ся как фи­зи­ко-хи­мич. ха­рак­те­ри­сти­ки ис­ход­но­го ме­тал­ла или спла­ва, так и элек­трон­ная струк­тура. Ле­ги­рую­щие эле­мен­ты влия­ют на темп-ру плав­ле­ния, об­ласть су­ще­ст­во­ва­ния по­ли­морф­ных мо­ди­фи­ка­ций и ки­не­ти­ку фа­зо­вых пре­вра­ще­ний, ха­рак­тер де­фек­тов кри­стал­лич. ре­шёт­ки, дис­ло­кац. струк­ту­ру (за­труд­ня­ет­ся дви­же­ние дис­ло­ка­ций), а так­же на фор­ми­ро­ва­ние зёрен и тон­кой кри­стал­лич. струк­ту­ры, жа­ро­стой­кость и кор­ро­зи­он­ную стой­кость, тех­но­ло­ги­че­ские (напр., сва­ри­вае­мость, шли­фуе­мость, об­ра­ба­ты­вае­мость ре­за­ни­ем) и др. свой­ст­ва спла­вов. Л. не­сколь­ки­ми эле­мен­та­ми, оп­ре­де­лён­ное со­дер­жа­ние и со­от­но­ше­ние ко­то­рых по­зво­ля­ет по­лу­чить тре­буе­мый ком­плекс свойств, на­зы­ва­ет­ся ком­плекс­ным Л., а спла­вы – со­от­вет­ст­вен­но ком­плекс­но-ле­ги­ро­ван­ны­ми. Напр., в ре­зуль­та­те Л. ау­сте­нит­ной хро­мо­ни­ке­ле­вой ста­ли вольф­ра­мом её жа­ро­проч­ность воз­рас­та­ет в 2–3 ра­за, а при со­вме­ст­ном ис­поль­зо­ва­нии $\ce{W, Ti}$ и др. эле­мен­тов – в 10 раз.

Раз­ли­ча­ют (ус­лов­но) соб­ст­вен­но Л., мик­ро­ле­ги­ро­ва­ние и мо­ди­фи­ци­ро­ва­ние. При соб­ст­вен­но Л. в сплав вво­дят от 0,2% и бо­лее (по мас­се) ле­ги­рую­ще­го эле­мен­та, при мик­ро­ле­ги­ро­ва­нии – обыч­но до 0,1%, при мо­ди­фи­ци­ро­ва­нии – мень­ше (или столь­ко же), чем при мик­ро­ле­ги­ро­ва­нии. Од­на­ко мик­ро­ле­ги­ро­ва­ние и мо­ди­фи­ци­ро­ва­ние ока­зы­ва­ют разл. воз­дей­ст­вие на струк­ту­ру и свой­ст­ва спла­вов. Мик­ро­ле­ги­ро­ва­ние эф­фек­тив­но влия­ет на строе­ние и энер­ге­тич. со­стоя­ние гра­ниц зё­рен, при этом пред­по­ла­га­ет­ся, что в спла­ве бу­дут реа­ли­зо­ва­ны два ме­ха­низ­ма уп­роч­не­ния – бла­го­да­ря Л. твёр­до­го рас­тво­ра и в ре­зуль­та­те дис­пер­си­он­но­го твер­де­ния. Мо­ди­фи­ци­ро­ва­ние спо­соб­ст­ву­ет в про­цес­се кри­стал­ли­за­ции из­мель­че­нию струк­ту­ры, из­ме­не­нию гео­мет­рич. фор­мы, раз­ме­ров и рас­пре­де­ле­ния не­ме­тал­лич. вклю­че­ний, из­ме­не­нию фор­мы эв­тек­тич. вы­де­ле­ний, в це­лом улуч­шая ме­ха­нич. свой­ст­ва. Для мик­ро­ле­ги­ро­ва­ния ис­поль­зу­ют эле­мен­ты, об­ла­даю­щие за­мет­ной рас­тво­ри­мо­стью в твёр­дом со­стоя­нии (бо­лее 0,1 атом­но­го %), для мо­ди­фи­ци­ро­ва­ния обыч­но слу­жат эле­мен­ты с мень­шей рас­тво­ри­мо­стью.

Л. под­раз­де­ля­ют на объ­ём­ное и по­верх­но­ст­ное. При объ­ём­ном Л. ле­ги­рую­щий эле­мент рас­пре­де­лён во всём объ­ё­ме ме­тал­ла, при по­верх­но­ст­ном – со­сре­до­то­чен на по­верх­но­сти ме­тал­ла. Осн. спо­соб объ­ём­но­го Л. – сплав­ле­ние осн. ме­тал­ла спла­ва с ле­ги­рую­щи­ми эле­мен­та­ми в пе­чах (кон­вер­те­ры, ду­го­вые, ин­дук­ци­он­ные, плаз­мен­ные, элек­трон­но-лу­че­вые и др. пе­чи). При этом воз­мож­ны боль­шие по­те­ри ак­тив­ных эле­мен­тов ($\ce{Mg, Cr, Mo, Ti}$ и др.), взаи­модей­ст­вую­щих с $\ce{O2}$ или $\ce{N2}$. С це­лью умень­ше­ния по­терь при вы­плав­ке и обес­пе­че­ния бо­лее рав­но­мер­но­го рас­пре­де­ле­ния ле­ги­рую­ще­го эле­мен­та в рас­пла­ве (в объ­ё­ме жид­кой ван­ны) ис­поль­зу­ют ли­га­ту­ры и фер­ро­спла­вы. Сре­ди др. спо­со­бов объ­ём­но­го Л. ши­ро­ко при­ме­ня­ют ме­ха­нич. Л., со­вме­ст­ное вос­ста­нов­ле­ние, элек­тро­лиз, плаз­мо­хи­ми­че­ские ре­ак­ции. По­верх­но­ст­ное Л. осу­ще­ст­в­ля­ют в слое до 1–2 мм и ис­поль­зу­ют для соз­да­ния осо­бых свойств на по­верх­но­сти из­де­лия. В ос­но­ве боль­шин­ст­ва про­цес­сов (в со­че­та­нии с тер­мич. об­ра­бот­кой) ле­жит диф­фу­зи­он­ное на­сы­ще­ние из га­зо­вой или жид­кой (напр., це­мен­та­ция) фа­зы, хи­ми­че­ское оса­ж­де­ние из га­зо­вой фа­зы. К та­ким про­цес­сам от­но­сят али­ти­ро­ва­ние (на­сы­щаю­щий эле­мент $\ce{Al}$), азо­ти­ро­ва­ние ($\ce{N}$, бо­ри­ро­ва­ние ($\ce{B}$) и др. По твер­до­фаз­но­му ме­то­ду на по­верх­ность ме­тал­ла на­но­сят ле­ги­рую­щий эле­мент или сплав в ви­де слоя нуж­ной тол­щи­ны, да­лее к.-л. ис­точ­ни­ком энер­гии (ла­зер­ное об­лу­че­ние, плаз­мен­ная го­рел­ка и др.) по­верх­ность оп­лав­ля­ет­ся и на ней об­ра­зу­ет­ся но­вый сплав.

Осо­бое ме­сто сре­ди ме­то­дов Л. за­ни­ма­ет ион­ная им­план­та­ция, ос­но­ван­ная на бом­бар­ди­ров­ке по­верх­но­сти ме­тал­ла (или по­лу­про­вод­ни­ка) в ва­куу­ме по­то­ком ио­нов к.-л. эле­мен­та. С по­мо­щью ион­ной им­план­та­ции про­из­во­дят ма­те­риа­лы с рав­но­мер­ным рас­пре­де­ле­ни­ем не рас­тво­ряю­щих­ся друг в дру­ге эле­мен­тов и т. о. по­лу­ча­ют струк­ту­ры, ко­то­рые нель­зя по­лу­чить ни­ка­ки­ми др. спо­со­ба­ми; наи­бо­лее ши­ро­ко ис­поль­зу­ет­ся для ле­ги­ро­ва­ния по­лу­про­вод­ни­ков.

Л. при­ме­ня­лось уже в глу­бо­кой древ­но­сти (о чём сви­де­тель­ст­ву­ют ис­сле­до­ва­ния об­раз­цов хо­лод­но­го ору­жия, най­ден­но­го при ар­хео­ло­гич. рас­коп­ках), в Рос­сии – с 1830-х гг. Ши­ро­кое пром. зна­че­ние Л. по­лу­чи­ло в го­ды 1-й ми­ро­вой вой­ны, ко­гда для во­ен. це­лей (из­го­тов­ле­ния арт. ору­дий, ко­ра­бель­ной бро­ни) по­тре­бо­ва­лось боль­шое ко­ли­че­ст­во хро­мо­ни­ке­ле­вой, мо­либ­де­но­вой и др. ста­лей.

Допант — Энергетическое образование

Энергетическое образование

Меню навигации

ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ

ИНДЕКС

Поиск

Легирование — это практика введения очень небольших количеств определенных посторонних атомов в кристаллическую решетку полупроводника для изменения его электрических свойств. Эти чужеродные атомы называются примеси . Часто они добавляют в полупроводник носители заряда, создавая либо избыток, либо недостаток электронов вокруг чужеродного атома.

^[1] Это приводит к двум различным типам легирования: p-типу и n-типу. Легирование P-типа и n-типа позволяет создавать важные компоненты схемы, такие как диоды и транзисторы. ^[2]

Легирование N-типа

Рис. 1. Упрощенная схема полупроводника n-типа. ^[3] Только четыре валентных электрона атома фосфора используются для связи, оставляя один свободный электрон.

Добавление атомов с большим числом валентных электронов, чем у кремния, в решетку кремния приводит к созданию свободных электронов. Поскольку кремний имеет четыре валентных электрона, наиболее распространенными примесями n-типа являются атомы с пятью валентными электронами, такие как фосфор, сурьма и мышьяк. Когда эти атомы включаются в решетку кремния, четыре валентных электрона используются для связи с окружающими атомами кремния, оставляя один валентный электрон свободным для перемещения в зону проводимости (см. рис. 1). ^[4] Легирование N-типа поэтому резко увеличивает электропроводность полупроводника за счет увеличения количества свободных носителей заряда. ^[5]

Легирование p-типа

Рис. 2. Упрощенная схема полупроводника p-типа, легированного бором. ^[3] Обратите внимание на отсутствующий электрон с правой стороны атома бора. Этот недостаток представляет собой «дыру».

Когда атом с одним валентным электроном меньше, чем у кремния, добавляется в кремниевую решетку, создается дефицит электронов (см. рис. 2). Эти недостатки часто называют «дырами». ^[6] Эти дырки легко принимают свободные электроны и дополняют полупроводники n-типа, поскольку избыточные электроны n-типа могут быть поглощены p-типом. Это свойство является неотъемлемой частью p-n перехода, жизненно важного компонента в работе диода. Легирующие примеси P-типа имеют три валентных электрона и включают бор, алюминий и галлий.

[7]

Дополнительную информацию о легировании полупроводников см. в гиперфизике.

Для дополнительной информации

Для получения дополнительной информации см. соответствующие страницы ниже:

• Проводник
• Металл
• Фотогальванический элемент
• Адаптер переменного тока в постоянный
• Или исследуйте случайную страницу!

Ссылки

1. ↑ Легирование полупроводников [Онлайн]. Доступно: http://www.mrl.ucsb.edu/~seshadri/old/MATRL100A/class12.pdf
2. ↑ Полупроводники и легирование [Онлайн]. Доступно: https://www.pa.msu.edu/courses/1997spring/PHY232/lectures/semiconductors/semiconductors.html
3. ↑ ^{3.0 3.1} Это изображение было создано частью группы Energy Education.
4. ↑ Допинг [Онлайн]. Доступно: http://www.pveducation.org/pvcdrom/pn-junction/doping
5. ↑ N-type Semiconductor [Онлайн]. Доступно: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/solids/dope.html#c3
6. ↑ P-type Semiconductor [Онлайн]. Доступно: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/solids/dope.html#c4
7. ↑ Легирование полупроводников [Онлайн]. Доступно: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/solids/dope.html

Легирование: n- и p-полупроводники. Основы. Технология полупроводников от А до Я

• Deutsch
• Скачать в формате PDF

• Легирование
• n-легирование
• p-легирование
• Электронная зонная структура в легированных полупроводниках

Легирование означает введение примесей в полупроводниковый кристалл с определенной модификацией проводимости.

Двумя наиболее важными материалами, которыми можно легировать кремний, являются бор (3 валентных электрона = 3-валентный) и фосфор (5 валентных электронов = 5-валентный). Другими материалами являются алюминий, индий (3-валентный) и мышьяк, сурьма (5-валентный).

Легирующая добавка интегрируется в структуру решетки полупроводникового кристалла, количество внешних электронов определяет тип легирования. Элементы с 3 валентными электронами используются для легирования p-типа, 5-значные элементы для n-легирования. Проводимость преднамеренно загрязненного кристалла кремния можно увеличить в 10 9 раз.0019 6 .

Пятивалентная примесь имеет на один внешний электрон больше, чем атомы кремния. Четыре внешних электрона соединяются с одним атомом кремния, а пятый электрон свободен в движении и служит носителем заряда. Этот свободный электрон требует гораздо меньше энергии для подъема из валентной зоны в зону проводимости, чем электроны, которые вызывают собственную проводимость кремния.

Легирующая примесь, испускающая электрон, известна как донор электронов (donare, лат. = отдавать).

Легирующие примеси заряжены положительно за счет потери отрицательных носителей заряда и встроены в решетку, двигаться могут только отрицательные электроны. Легированные полуметаллы, проводимость которых основана на свободных (отрицательных) электронах, относятся к n-типу или n-легированным. Из-за большего количества свободных электронов они также называются основными носителями заряда, а свободные подвижные дырки называются неосновными носителями заряда.

n-легирование фосфором

Мышьяк используется в качестве альтернативы фосфору, так как его коэффициент диффузии ниже. Это означает, что диффузия примеси во время последующих процессов меньше, чем у фосфора, и, таким образом, мышьяк остается в том положении, в котором он был первоначально введен в решетку.

В отличие от свободного электрона из-за легирования фосфором эффект трехвалентной легирующей примеси прямо противоположен. Трехвалентные примеси могут захватывать дополнительный внешний электрон, оставляя дырку в валентной зоне атомов кремния. Поэтому электроны в валентной зоне становятся подвижными. Дырки движутся в направлении, противоположном движению электронов. Энергия, необходимая для подъема электрона на энергетический уровень индия в качестве легирующей примеси, составляет всего 1 % энергии, необходимой для подъема валентного электрона кремния в зону проводимости.

При включении электрона легирующая примесь заряжается отрицательно, такие примеси называются акцепторами (acceptare, лат. = прибавлять). Опять же, примесь закреплена в кристаллической решетке, двигаться могут только положительные заряды. Из-за положительных дырок эти полупроводники называются p-проводящими или p-легированными. По аналогии с n-легированными полупроводниками дырки являются основными носителями заряда, свободные электроны являются неосновными носителями заряда.

р-легирование бором

Легированные полупроводники электрически нейтральны. Термины легированные n- и p-типа относятся только к основным носителям заряда. Каждый положительный или отрицательный носитель заряда принадлежит фиксированной отрицательно или положительно заряженной легирующей примеси.

Полупроводники, легированные N и p, ведут себя примерно одинаково по отношению к протекающему току. С увеличением количества примесей в полупроводниковом кристалле увеличивается число носителей заряда. Здесь требуется только очень небольшое количество легирующих примесей. Слаболегированные кристаллы кремния содержат только 1 примесь на 1 000 000 000 атомов кремния, высоколегированные полупроводники, например, содержат 1 посторонний атом на 1000 атомов кремния.

При введении легирующей примеси с пятью внешними электронами в n-легированных полупроводниках электрон в кристалле не связан и, следовательно, может перемещаться с относительно небольшой энергией в зону проводимости. Таким образом, в n-легированных полупроводниках уровень энергии донора близок к краю зоны проводимости, ширина запрещенной зоны, которую необходимо преодолеть, очень мала.