«Легирование»

(нем. legieren — сплавлять, от лат. ligo — связываю, соединяю)

введение в состав металлических сплавов легирующих элементов (См. Легирующие элементы) для придания сплавам определённых физических, химических или механических свойств. Л. применялось ещё в глубокой древности (об этом свидетельствует исследование образцов холодного оружия, найденного при археологических раскопках). В России первые промышленные опыты Л. были проведены в 30-х гг. 19 в. на Златоустовском заводе П. П. Аносовым, который разработал основы теории и технологии выплавки легированной стали (См. Легированная сталь). Широкое промышленное значение Л. получило в годы 1-й мировой войны 1914—1918, когда для военных целей потребовалось большое количество хромоникелевой, молибденовой и др. сталей (для изготовления артиллерийских орудий, корабельной брони и т. д.).

Путём Л. создаются металлические сплавы с разнообразными свойствами, значительно отличающимися от свойств чистых металлов. От характера взаимодействия атомов различных элементов зависят кристаллическая структура и некоторые свойства (электрические, магнитные, тепловые) образующихся фаз. Л. приводит к изменению условий равновесия фаз, выражающихся диаграммой состояния (См. Диаграмма состояния). Легирующие элементы в сочетании с основным элементом (растворителем) в зависимости от соотношения их атомных диаметров и электрохимических свойств образуют новые фазы — твёрдые растворы, промежуточные фазы, химические соединения. В присутствии легирующих элементов изменяются температуры перехода одной модификации в другую (см. Полиморфизм).Л. меняет кинетику фазовых превращений. Легирующие элементы могут существенно понизить скорость распада твёрдых растворов, а в сталях — скорость распада Аустенита, распада Мартенсита при отпуске, коагуляции карбидов из-за понижения скорости диффузии атомов. (Эти обстоятельства широко используются в практике термической обработки (См. Термическая обработка) металлов.) Изменение свойств сплавов в результате Л. обусловлено, кроме того, изменением формы, размеров и распределения структурных составляющих, изменением состава и состояния границ зёрен. Л. может тормозить процессы рекристаллизации (См. Рекристаллизация).

Л. осуществляется, как правило, путём сплавления легирующих элементов с легируемым металлом (обычно в жидком виде). Термином «Л.» принято называть также введение посторонних атомов внутрь твёрдого тела путём бомбардировки его поверхности ионами (см. Ионное внедрение).

Лит.: Юм-Розер и В., Атомная теория для металлургов, пер. с англ., М., 1955; Бочвар Д. А., Металловедение, 5 изд., М., 1956.

P. И. Энтин.

ЛЕГИ́РОВАТЬ, -рую, -руешь; -анный; сов. и несов., что (спец.). Добавить (-влять) в состав металла другие металлы, сплавы для придания определённых свойств. Легирующие элементы. Легированная сталь.

-я, ср.

Действие по знач. глаг. легировать.

Легирование металлов.

ср.

1.

процесс действия по несов. гл. легировать

2.

Результат такого действия.

ЛЕГИРОВАНИЕ (нем. legieren - сплавлять - от лат. ligo - связываю, соединяю), 1) Введение в состав металлических сплавов т. н. легирующих элементов (напр., в сталь - Cr, Ni, Mo, W, V, Nb, Ti и др.) для придания сплавам определенных физических, химических или механических свойств.

2) Введение примесных атомов в твердое тело (напр., в полупроводники для создания требуемой электрической проводимости). Легирование диэлектриков обычно называют активированием.

ЛЕГИРОВАНИЕ (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 химические свойства основного металла.

alloyage, alloying, doping

alloying, alloy addition, doping impurity doping, doping, impurity doping process

(от лат. ligo - связываю, соединяю), введение добавок в металлы, сплавы и полупроводники для придания им определенных физ., хим. или мех. св-в. Материалы, подвергнутые Л., наз. легированными. К ним относятся легированные стали и чугуны, легированные цветные металлы и сплавы, легированные полупроводники. Для Л. используют металлы, неметаллы (С, S, P, Si, В, N₂ и др.), ферросплавы (см. Железа сплавы) и лигатуры - вспомогат. сплавы, содержащие легирующий элемент. Напр., осн. легирующие элементы в сталях и чугунах - Сr, Ni, Mn, Si, Mo, W, V, Ti, Al, Nb, Co, Сu, в алюминия сплавах -Si, Cu, Mg, Ni, Cr, Co, Zn, в магния сплавах- Zn, Al, Mn, Si, Zr, Li, в меди сплавах-Zn, Sn, Pb, Al, Mn, Fe, Ni, Be, Si, P, в титана сплавах -Al,Mo, V, Mn, Сu, Si, Fe, Zn, Nb. Л. - качеств. понятие. В каждом металле или сплаве из-за особенностей производств. процесса или исходного сырья присутствуют неизбежные примеси. Их не считают легирующими, т. к. они не вводились специально. Напр., уральские железные руды содержат Сu, керченские - As, в сталях, полученных из этих руд, также имеются примеси соотв. Сu и As. Использование луженого, оцинкованного, хромированного и др. металлолома приводит к тому, что в получаемый металл попадают примеси Sn, Zn, Sb, Pb, Ni, Cr и др. При Л. металлов и сплавов могут образовываться твердые р-ры замещения, внедрения или вычитания, смеси двух и более фаз (напр., Ag в Fe), интерметаллиды, карбиды, нитриды, оксиды, сульфиды, бориды и др. соед. легирующих элементов с основой сплава или между собой. В результате Л. существенно меняются физ.-хим. характеристики исходного металла или сплава и, прежде всего, электронная структура. Легирующие элементы влияют на т-ру плавления, область существования аллотропич. модификаций и кинетику фазовых превращений, характер дефектов кристаллич. решетки, на формирование зерен и тонкой кристаллич. структуры, на дислокац. структуру (затрудняется движение дислокаций), жаростойкость и коррозионную стойкость, элсктрич., магн., мех., технол. (напр., свариваемость, шлифуемость, обрабатываемость резанием), диффузионные и мн. др. св-ва сплавов. Л. подразделяют на объемное и поверхностное. При объемном Л. легирующий элемент в среднем статистически распределяется в объеме металла. В результате поверхностного Л. легирующий элемент сосредоточивается на пов-сти металла. Л. сразу неск. элементами, определенное содержание и соотношение к-рых дает возможность получить требуемый комплекс св-в, наз. комплексным Л. и соотв. сплавы - комплекснолегированными. Напр., в результате Л. аустенитной хромоникелевой стали вольфрамом ее жаропрочность возрастает в 2-3 раза, а при совместном использовании W, Ti и др. элементов - в 10 раз. Условно различают понятия: Л., микролегирование и модифицирование. При Л. в сплав вводят 0,2-0,5% по массе и более легирующего элемента, при микролегировании - чаще всего до 0,1 %, при модифицировании - меньше, чем при микролегировании, или столько же, однако задачи, решаемые микролегированием и модифицированием, разные. Микролегирование эффективно влияет на строение и энергетич. состояние границ зерен, при этом предполагается, что в сплаве будут реализованы два механизма упрочнения - благодаря Л. твердого р-ра и в результате дисперсионного твердения. Модифицирование способствует в процессе кристаллизации измельчению структуры, изменению геом. формы, размеров и распределения неметаллич. включений, изменению формы эвтектич. выделений, в целом улучшая мех. св-ва. Для микролегирования используют элементы, обладающие заметной р-римостью в твердом состоянии (более 0,1 ат. %), для модифицирования обычно служат элементы с ничтожной р-римостью ([0,1 ат. %). Осн. способ объемного Л. - сплавление основного элемента с легирующими в печах (конвертеры, дуговые, индукционные, тигельные, отражательные, пламенные, плазменные, электроннолучевые, вакуумно-дуговые и др.). При этом часто возможны большие потери особенно активных элементов (Mg, Cr, Mo, Ti и др.), взаимодействующих с O₂ или N₂. С целью уменьшения потерь при выплавке и обеспечения более равномерного распределения легирующего элемента в объеме жидкой ванны используют лигатуры. Др. способы объемного Л. - механическое Л., совместное восстановление, электролиз, плазмохим. р-ции. Мех. Л. осуществляют в установках - аттриторах, представляющих собой барабан, в центре к-рого имеется вал с насаженными на него кулачками. В барабан засыпают порошки компонентов будущего сплава. При вращении и ударе кулачков по мех. смеси происходит постепенное "вбивание" легирующих элементов в основу. При многочасовой обработке удается получать равномерное распределение элементов в сплаве. При совместном восстановлении смешивают порошки оксидов компонентов сплава с восстановителем, напр. с СаН ₂, и нагревают. При этом СаН ₂ восстанавливает оксиды до металлов, одновременно протекает диффузия компонентов, приводящая к выравниванию состава сплава. Образовавшийся СаО отмывают водой, а сплав в виде порошка идет на дальнейшую переработку. При металлотермич. восстановлении в качестве восстановителей используют металлы - Са, Mg, Al, Na и др. Поверхностное Л. осуществляют в слое до 1-2 мм и используют для создания особых св-в на пов-сти изделия. В основе большинства процессов (в сочетании с термич. обработкой) лежит диффузионное насыщение из газовой или жидкой (напр., цементация) фазы, химическое осаждение из газовой фазы. К таким процессам относят алитирование (насыщающий элемент Аl), науглероживание (С), планирование (CN), азотирование (N), борирование (В) и т. д. По твердофазному методу на пов-сть металла наносят легирующий элемент или сплав в виде слоя нужной толщины, далее к.-л. источником энергии (лазерное облучение, плазменная горелка, ТВЧ и др.) пов-сть оплавляется и на ней образуется новый сплав. Общее назв. перечисл. процессов -химико-термич. обработка. От всех выше приведенных методов отличается способ ионной имплантации, суть к-рого заключается в том, что пов-сть металла (или полупроводника) бомбардируют в вакууме потоком ионов к.-л. элемента. Энергия ионов настолько велика, что они внедряются в кристаллич. решетку легируемого элемента, проникая на нужную глубину. Затем проводят отжиг для устранения дефектов в кристаллах. С помощью этого метода производят материалы со статистически равномерным распределением не растворяющихся друг в друге элементов и т. обр. получают структуры, к-рые нельзя получить никакими др. способами. Л. применялось уже в глубокой древности, в России - с 30-х гг. 19 в. Лит.: Металлургия стали, под ред. В. И. Японского и Ю. В. Кряковского, М.. 1983; Гуляев А. П., Металловедение, 6 изд., М., 1986. См. также лит. при статьях о сплавах Al, Fe, Сu и др. С. Б. Масленков.

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 A^IIIB^V 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 A^IIIB^V 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.

(нем. legieren - сплавлять, от лат. ligo - связываю, соединяю) - введение в состав металлич. сплавов т. н. легирующих элементов для изменения строения сплавов, придания нм определённых физ., хим. или механич. св-в. Легирующие добавки обычно вводят в расплавл. металл. Термином "Л." обозначается также введение посторонних атомов внутрь твёрдого тела (напр., ПП) путём бомбардировки его поверхности ионами (см. Ионное легирование).

ЛЕГИРОВАНИЕ — процесс контролируемого введения примесей (легирующих элементов) в металлы, сплавы и полупроводники с целью получения необходимых физ., хим., а также механических свойств материала или его слоя при бомбардировке поверхности ионами в случае ионного легирования.