Легирование (от лат. ligo - связываю, соединяю), введение добавок в металлы, сплавы и полупроводники для придания им определенных физических, химических или механических свойств. Материалы, подвергнутые легированию, называют легированными. К ним относятся легированные стали и чугуны, легированные цветные металлы и сплавы, легированные полупроводники, Для легирования используют металлы, неметаллы (С, S, P, Si, В, N2 и др.), ферросплавы (см. Железа сплавы) и лигатуры - вспомогательные сплавы, содержащие легирующий элемент. Например, основные 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. Легирование - качественное понятие. В каждом металле или сплаве из-за особенностей производственного процесса или исходного сырья присутствуют неизбежные примеси. Их не считают легирующими, так как они не вводились специально. Например, уральские железные руды содержат Сu, керченские - As, в сталях, полученных из этих руд, также имеются примеси соответственно 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 легирование металлов и сплавов могут образовываться твердые растворы замещения, внедрения или вычитания, смеси двух и более фаз (напр., Ag в Fe), интерметаллиды, карбиды, нитриды, оксиды, сульфиды, бориды и других соединений легирующих элементов с основой сплава или между собой.
В результате легирование существенно меняются физико-химические характеристики исходного металла или сплава и, прежде всего, электронная структура. Легирующие элементы влияют на температуру плавления, область существования аллотропич. модификаций и кинетику фазовых превращений, характер дефектов кристаллической решетки, на формирование зерен и тонкой кристаллической структуры, на дислокационную структуру (затрудняется движение дислокаций), жаростойкость и коррозионную стойкость, электрические, магнитные, механические, технолегирование (например, свариваемость, шлифуемость, обрабатываемость резанием), диффузионные и многие другие свойства сплавов. Легирование подразделяют на объемное и поверхностное. При объемном легировании легирующий элемент в среднем статистически распределяется в объеме металла. В результате поверхностного легирования легирующий элемент сосредоточивается на поверхности металла. Легирование сразу несколькими элементами, определенное содержание и соотношение которых дает возможность получить требуемый комплекс свойств, наз. комплексным легирование и соотв. сплавы - комплекснолегированными. Напр., в результате легирование 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: легирование, микролегирование и модифицирование. При легировании 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 энергетическое состояние границ зерен, при этом предполагается, что в сплаве будут реализованы два механизма упрочнения - благодаря легированию твердого раствора и в результате дисперсионного твердения. Модифицирование способствует в процессе кристаллизации измельчению структуры, изменению геом. формы, размеров и распределения неметаллических включений, изменению формы эвтектических выделений, в целом улучшая механические свойства. Для микролегирования используют элементы, обладающие заметной растворимостью в твердом состоянии (более 0,1 ат. %), для модифицирования обычно служат элементы с ничтожной растворимостью ([0,1 ат. %).
Основный способ объемного легирование - 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. Другие способы объемного легирование - механическое легирование, совместное восстановление, электролиз, плазмохимической реакции. Механическое легирование осуществляют в установках - аттриторах, представляющих собой барабан, в центре которого имеется вал с насаженными на него кулачками. В барабан засыпают порошки компонентов будущего сплава. При вращении и ударе кулачков по механической 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, например с СаН2, и нагревают. При этом СаН2 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 металлотермическом восстановлении в качестве восстановителей используют металлы - Са, Mg, Al, Na и др.
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 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 поверхность металла наносят легирующий элемент или сплав в виде слоя нужной толщины, далее каким-либо источником энергии (лазерное облучение, плазменная горелка, ТВЧ и др.) поверхность оплавляется и на ней образуется новый сплав. Общее название перечисленных процессов - химико-термическая обработка.
От всех выше приведенных методов отличается способ ионной имплантации, суть которого заключается в том, что поверхность металла (или полупроводника) бомбардируют в вакууме потоком ионов какого-либо элемента. Энергия ионов настолько велика, что они внедряются в кристаллическую 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, которые нельзя получить никакими другими способами. Легирование 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.
