ЛЕГИ́РОВАНИЕ

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.