Знаймо

Додати знання

приховати рекламу

Цей текст може містити помилки.

Легування



План:


Введення

Легування ( ньому. legieren - " сплавляти ", від лат. ligare - "Зв'язувати") - додавання в склад матеріалів домішок для зміни (поліпшення) фізичних і хімічних властивостей основного матеріалу. Легування є узагальнюючим поняттям ряду технологічних процедур, розрізняють об'ємне (металургійне) і поверхневе (іонне, дифузне та ін) легування.

У різних галузях застосовуються різні технології легування.

В металургії легування проводиться в основному введенням в розплав або шихту додаткових хімічних елементів (наприклад, в сталь - хрому, нікелю, молібдену), поліпшують механічні, фізичні та хімічні властивості сплаву. Для зміни різних властивостей (підвищення твердості, зносостійкості, корозійної стійкості і т. д.) приповерхневого шару металів і сплавів застосовуються також і різні види поверхневого легування. Легування проводиться на різних етапах отримання металевого матеріалу з цілями підвищення якості металургійної продукції і металевих виробів.

При виготовленні спеціальних видів скла і кераміки часто проводиться поверхневе легування. На відміну від напилення та інших видів покриття, що додаються речовини дифундують в легіруемий матеріал, стаючи частиною його структури.

При виготовленні напівпровідникових приладів під легуванням розуміється внесення невеликих кількостей домішок або структурних дефектів з метою контрольованого зміни електричних властивостей напівпровідника, зокрема, його типу провідності.


1. Легування напівпровідників

При виробництві напівпровідникових приладів легування є одним з найважливіших технологічних процесів (поряд з травленням і осадженням).

1.1. Цілі легування

Основна мета - змінити тип провідності і концентрацію носіїв в об'ємі напівпровідника для отримання заданих властивостей (провідності, отримання необхідної плавності pn-переходу). Найпоширенішими легуючими домішками для кремнію є фосфор Р і миш'як As (дозволяють отримати n-тип провідності) і бор В (p-тип).


1.2. Способи легування

В даний час технологічно легування проводиться трьома способами: іонна імплантація, нейтронно-трансмутаціонное легування (НТЛ) і термодифузія.

1.2.1. Іонна імплантація

Іонна імплантація дозволяє контролювати параметри приладів більш точно, ніж термодифузія, і отримувати більш різкі pn-переходи. Технологічно проходить у декілька етапів:

  • Загонками (імплантація) атомів домішки з плазми (газу).
  • Активація домішки, контроль глибини залягання і плавності pn-переходу шляхом відпалу.

Іонна імплантація контролюється наступними параметрами:

  • доза - кількість домішки;
  • енергія - визначає глибину залягання домішки (чим вище, тим глибше);
  • температура відпалу - чим вище, тим швидше відбувається перерозподіл носіїв домішки;
  • час відпалу - чим довше, тим сильніше відбувається перерозподіл домішки.

1.2.2. Нейтронно-трансмутаціонное легування

При нейтронно-трансмутаціонном легуванні легуючі домішки не вводяться в напівпровідник, а утворюються ("трансмутіруют") з атомів вихідної речовини (кремній, арсенід галію) в результаті ядерних реакцій, викликаних опроміненням вихідної речовини нейтронами. НТЛ дозволяє отримувати монокристалічний кремній з особливо рівномірним розподілом атомів домішки. Метод використовується в основному для легування підкладки, особливо для пристроїв силової електроніки [1].

Коли опромінюваним речовиною є кремній, під впливом потоку теплових нейтронів з ізотопу кремнію 30 Si утворюється радіоактивний ізотоп 31 Si, який потім розпадається з утворенням стабільного ізотопу фосфору 31 P. Утворюють 31 P створює провідність n-типу.

У Росії можливість нейтронно-трансмутаціонного легування кремнію в промислових масштабах на реакторах АЕС і без шкоди для виробництва електроенергії була показана в 1980 році. До 2004 року була доведена до промислового використання технологія по легування злитків кремнію діаметром до 85 мм, зокрема, на Ленінградської АЕС. [2].


1.2.3. Термодифузія

Термодифузія містить наступні етапи:

  • Осадження легуючого матеріалу.
  • Термообробка (отжиг) для загонками домішки в легіруемий матеріал.
  • Видалення легуючого матеріалу.

2. Легування в металургії

2.1. Історія

Легування стало цілеспрямовано застосовуватися порівняно недавно. Частково це було пов'язано з технологічними труднощами. Легуючі добавки просто вигорали при використанні традиційної технології отримання сталі. Тому для отримання дамаської ( булатної) стали використовували досить складну на той час технологію.

Примітно те, що першими сталями, з якими познайомився чоловік було пріроднолегірованние сталі. Ще до початку залізного століття застосовувалося метеоритне залізо, що містить до 8,5% нікелю [3].

Високо цінувалося і пріроднолегірованние стали, виготовлені з руд, спочатку багатих легуючими елементами [4]. Підвищена твердість і в'язкість японських мечів з можливістю забезпечити гостроту кромки можливо пояснюються наявністю в сталі молібдену [5].

Сучасні погляди про вплив на властивість сталі різних хімічних елементів почали складатися з розвитком хімії у другій чверті XIX століття [5].

Мабуть, першим вдалим використанням цілеспрямованого легування можна вважати винахід в 1858 р. Мюшеттом сталі, що містить 1,85% вуглецю, 9% вольфраму і 2,5% марганцю. Сталь призначалася для виготовлення різців металообробних верстатів і стала прообразом сучасної лінійки швидкорізальних сталей. Промислове виробництво цих сталей почалося в 1871 р.

Прийнято вважати, що першою легованої сталлю масового виробництва стала Сталь Гадфільда ​​, відкрита англійським металургом Робертом Еббот Гадфільдом в 1882 г [5]. Сталь містить 1,0 - 1,5% вуглецю і 12 - 14% марганцю, володіє хорошими ливарними властивостями і зносостійкістю. Без особливих змін хімічного складу ця сталь збереглася до нашого часу.


2.2. Вплив легуючих елементів

Для поліпшення фізичних, хімічних, міцнісних і технологічних властивостей метали легують, вводячи в їх склад різні легуючі елементи. Для легування сталей використовуються хром, марганець, нікель, вольфраму, ванадію, ніобію, титану та інші елементи. Невеликі добавки кадмію в мідь збільшують зносостійкість проводів, добавки цинку в мідь і бронзу - підвищують міцність, пластичність, корозійну стійкість. Легування титану молібденом більш ніж удвічі підвищує температурний межа експлуатації титанового сплаву завдяки зміні кристалічної структури металу. [6] Леговані метали можуть містити один або кілька легуючих елементів, які надають їм спеціальні властивості.

Легуючі елементи вводять в сталь для підвищення її конструкційної міцності. Основною структурною складовою в конструкційної сталі є ферит, що займає в структурі не менше 90% за обсягом [7]. Розчиняючись в ферит, легуючі елементи упрочняют його. Твердість фериту (у стані після нормалізації) найбільш сильно підвищують кремній, марганець і нікель. Молібден, вольфрам і хром впливають слабкіше. Більшість легуючих елементів, зміцнюючи ферит і мало впливаючи на пластичність, знижують його ударну в'язкість (за винятком нікелю). Головне призначення легування: підвищення міцності сталі без застосування термічної обробки шляхом зміцнення фериту, розчиненням в ньому легуючих елементів; підвищення твердості, міцності і ударної в'язкості в результаті збільшення стійкості аустеніту і тим самим збільшення прокаливаемости; надання стали спеціальних властивостей, з яких для сталей, що йдуть на виготовлення котлів, турбін і допоміжного обладнання, особливе значення мають жароміцність і корозійна стійкість. Легуючі елементи можуть розчинятися в ферит або аустеніт, утворювати карбіди, давати интерметаллические з'єднання, розташовуватися у вигляді включень, не взаємодіючи з феритом і аустенітом, а також з вуглецем. Залежно від того, як взаємодіє легуючий елемент із залізом або вуглецем, він по-різному впливає на властивості сталі. У фериті більшою чи меншою мірою розчиняються всі елементи. Розчинення легуючих елементів в фериті призводить до зміцнення стали без термічної обробки. При цьому твердість і межа міцності зростають, а ударна в'язкість звичайно знижується. Всі елементи, що розчиняються в залозі, змінюють стійкість фериту і аустеніту. Критичні точки легованих сталей зміщуються в залежності від того, які легуючі елементи і в яких кількостях присутні в ній. Тому при виборі температур під загартування, нормалізацію і відпал або відпустку необхідно враховувати зсув критичних точок.

Марганець і кремній вводяться в процесі виплавки стали для розкислення, вони є технологічними домішками. Марганець вводять в сталь до 2%. Він розподіляється між феритом і цементитом. Марганець помітно підвищує межу текучості, поріг хладноломкости, прокаливаемость стали, але робить сталь чутливою до перегріву. У зв'язку з цим для подрібнення зерна з марганцем в сталь вводять карбидообразующие елементи. Так як у всіх сталях вміст марганцю приблизно однаково, то його вплив на сталь різного складу залишається невідчутним. Марганець підвищує міцність, не знижуючи пластичності сталі.

Альтернативна версія написаного вище:

Марганець і кремній є постійними супутниками практично в будь стали, оскільки їх спеціально вводять при її виробництві. Кремній, поряд з марганцем і алюмінієм є основним розкислювачем сталі. Марганець також використовується для "зв'язування" знаходиться в сталі сірки та усунення явища красноломкость. Вміст елементів зазвичай знаходиться в межах 0,30 - 0,70% Mn, 0,17-0,37% Si і порядку 0,03% Al. У цих межах вони називаються технологічними домішками і не є легуючими елементами. Спеціальна введення марганцю, кремнію і алюмінію вище зазначених діапазонів для додання стали певних споживчих властивостей вже буде легуванням [8].

Кремній не є карбидообразующие елементом, і його кількість в сталі обмежують до 2%. Він значно підвищує межу текучості і міцність сталі і при вмісті більше 1% знижує в'язкість, пластичність і підвищує поріг хладноломкости. Кремній структурно не виявляється, оскільки повністю розчинний у фериті, окрім тієї частини кремнію, яка у вигляді окису кремнію не встигла спливти в шлак і залишилася в металі у вигляді силікатних включень.


2.3. Маркування легованих сталей

Марка легованої якісної сталі в Росії складається з поєднання букв і цифр, що позначають її хімічний склад. Легуючі елементи мають такі позначення: хром (Х), нікель (Н), марганець (Г), кремній (С), молібден (М), вольфрам (В), титан (Т), тантал (ТТ), алюміній (Ю) , ванадій (Ф), мідь (Д), бор (Р), кобальт (К), ніобій (Б), цирконій (Ц), селен (Е), рідкісноземельні метали (Ч). Цифра, що стоїть після букви, вказує на зміст легуючого елемента у відсотках. Якщо цифра не вказана, то легуючого елемента міститься 0,8-1,5%, за винятком молібдену і ванадію (вміст яких в солях зазвичай до 0.2-0.3%) А також бору (в сталі з буквою Р його має бути до 0.010% ). В конструкційних якісних легованих сталях дві перші цифри показують вміст вуглецю в сотих частках відсотка. [9]

Приклад: 03Х16Н15М3Б - високолегована якісна сталь, яка містить 0,03% C, 16% Cr, 15% Ni, до 3% Mo, до 1,0% Nb

Окремі групи сталей позначаються трохи інакше:

  • Шарикопідшипникових стали маркують літерами (ШХ), після яких вказують вмісту хрому в десятих частках відсотка;
  • Швидкорізальної сталі (сложнолегірование) позначаються буквою (Р), наступна цифра позначає зміст вольфраму в відсотках;
  • Автоматні стали позначають буквою (А) і цифрою позначають вміст вуглецю в сотих частках відсотка.



3. Приклади використання

  • Стали
    • Хромисті сталі;
    • Добре відомі стали ШХ15 (застаріле позначення марки), що використовуються в якості матеріалу для підшипників;
    • Так звані " нержавіючі стали ";
    • Сталі й сплави, леговані молібденом, вольфрамом, ванадієм;
    • Жаростійкі сталі і сплави.
  • Алюміній
  • Бронзи
  • Латуні
  • Скло

Примітки

  1. Технології модифікування напівпровідникових матеріалів - karpovipc.ru / index.php? id_Subitem_Page = 19 # kremniy
  2. Радіаційні технології на Ленінградській атомній станції - www.lnpp.ru / content / proizv / tehnology / ort / ort.htm # 03
  3. Мезенін Н. А. Цікаво про залізо. Гол. "Залізо в космосі" - www.termist.com/bibliot/popular/mezenin/mezenin_005.htm # spaga М. "Металургія", 1972. 200 с.
  4. Гуревич Ю. Г. Загадка булатної візерунка. Гол. "Японський булат і колона в Делі" - www.termist.com/bibliot/popular/gurev/gur_036.htm. - М.: 3нание, 1985.
  5. 1 2 3 Мезенін Н. А. Цікаво про залізо. Гол. "Супутники заліза" - www.termist.com/bibliot/popular/mezenin/mezenin_011.htm # hadfield М. "Металургія", 1972. 200 с.
  6. Популярна бібліотека хімічних елементів. "Наука", 1977. - nt.ru / ri / ps /
  7. Невірна точка зору: ГОСТ 1050 88 Прокат сортовий, калібрований зі спеціальною обробкою поверхні з вуглецевої якісної конструкційної сталі. Сталь марки 60. Зміст вуглецю в сталі 0,57 - 0,65%. Згідно діаграми Залізо - Вуглець, у цій стали після нормалізації буде близько 25% фериту і 75% перліту.
  8. А. П. Гуляєв Металознавство
  9. Загальна технологія ковальсько-штампувального виробництва - delta-grup.ru/bibliot/8/3.htm

Цей текст може містити помилки.

Схожі роботи | скачати

Схожі роботи:
Сильне легування
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru