Легирование
Леги́рование (нем. legieren – сплавлять, от лат. ligo – связывать, соединять), введение добавок (легирующих элементов) в металлы и сплавы для придания им определённых физических, химических или механических свойств. Подвергнутые легированию материалы называются легированными (например, легированная сталь). Для легирования используют металлы, неметаллы (C, S, P, Si, B и др.) и вспомогательные сплавы, содержащие легирующий элемент, – ферросплавы и лигатуры. Основные легирующие элементы:
в алюминиевых сплавах (Si, Mn, Mg, Cu, Zn, Li);
в магниевых сплавах (Al, Mn, Zn, Zr, Cd);
в медных сплавах (Al, Mn, Fe, Ni, Zn, Pb, Be, Si, P);
в никелевых сплавах (Cr, Co, Ti, Al, W, Mo, V);
в титановых сплавах (Al, Zr, Mo, V, Cr).
Легирующие элементы целенаправленно вводятся в металл (сплав) в определённом количестве, в отличие от примесей, которые попадают из исходного сырья или из-за особенностей производственного процесса и не могут быть удалены процессами рафинирования.
При легировании металлов и сплавов могут образовываться твёрдые растворы различной фазы, интерметаллиды, карбиды, нитриды, оксиды, сульфиды, бориды и другие соединения легирующих элементов с основой сплава или между собой. В результате легирования существенно меняются как физико-химические характеристики исходного металла или сплава, так и электронная структура. Легирующие элементы влияют на температуру плавления, область существования полиморфных модификаций и кинетику фазовых превращений, характер дефектов кристаллической решётки, дислокационную структуру (затрудняется движение дислокаций), а также на формирование зёрен и тонкой кристаллической структуры, жаростойкость и коррозионную стойкость, технологические (например, свариваемость, шлифуемость, обрабатываемость резанием) и другие свойства сплавов. Легирование несколькими элементами, определённое содержание и соотношение которых позволяет получить требуемый комплекс свойств, называется комплексным легированием, а сплавы, соответственно, комплексно-легированными. Например, в результате легирования аустенитной хромоникелевой стали вольфрамом её жаропрочность возрастает в 2–3 раза, а при совместном использовании W, Ti и других элементов – в 10 раз.
Различают (условно) собственно легирование, микролегирование и модифицирование. При собственно легировании 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 различное воздействие на структуру и свойства сплавов. Микролегирование эффективно влияет на строение и энергетическое состояние границ зёрен, при этом предполагается, что в сплаве будут реализованы два механизма упрочнения – благодаря легированию твёрдого раствора и в результате дисперсионного твердения. Модифицирование способствует в процессе кристаллизации измельчению структуры, изменению геометрической формы, размеров и распределения неметаллических включений, изменению формы эвтектических выделений, в целом улучшая механические свойства. Для микролегирования используют элементы, обладающие заметной растворимостью в твёрдом состоянии (более 0,1 атомного %), для модифицирования обычно служат элементы с меньшей растворимостью.
Легирование подразделяют на объёмное и поверхностное. При объёмном легировании легирующий элемент распределён во всём объёме металла, при поверхностном – сосредоточен на поверхности металла. Основной способ объёмного легирования – сплавление основного металла сплава с легирующими элементами в печах (конвертеры, дуговые, индукционные, плазменные, электронно-лучевые и другие печи). При этом возможны большие потери активных элементов (Mg, Cr, Mo, Ti и др.), взаимодействующих с кислородом O2 или азотом 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 других способов объёмного легирования широко применяют механическое легирование, совместное восстановление, электролиз, плазмохимические реакции.
Поверхностное легирование осуществляют в слое до 1–2 мм и используют для создания особых свойств на поверхности изделия. В основе большинства процессов (в сочетании с термической обработкой) лежит диффузионное насыщение из газовой или жидкой (например, цементация) фазы, химическое осаждение из газовой фазы. К таким процессам относят алитирование (насыщающий элемент Al), азотирование (N), борирование (B) и др. По твердофазному методу на поверхность металла наносят легирующий элемент или сплав в виде слоя нужной толщины, далее каким-либо источником энергии (лазерное облучение, плазменная горелка и др.) поверхность оплавляется и на ней образуется новый сплав.
Особое место среди методов легирования занимает ионная имплантация, основанная на бомбардировке поверхности металла (или полупроводника) в вакууме потоком ионов какого-либо элемента. С помощью ионной имплантации производят материалы с равномерным распределением не растворяющихся друг в друге элементов и таким образом получают структуры, которые нельзя получить никакими другими способами. Наиболее широко используется для легирования полупроводников.
Легирование применялось уже в глубокой древности (о чём свидетельствуют исследования образцов холодного оружия, найденного при археологических раскопках), в России – с 1830-х гг. Широкое промышленное значение легирование получило в годы Первой мировой войны, когда для военных целей (изготовления артиллерийских орудий, корабельной брони) потребовалось большое количество хромоникелевой, молибденовой и других сталей.