Εξάρτηση της αντίστασης γκοφρέτας πυριτίου από το ντόπινγκ. Ντόπινγκ ημιαγωγών και παραγωγή p-n κόμβων. Δείτε τι είναι το «Ντόπινγκ» σε άλλα λεξικά

Ο δεύτερος τομέας εργασίας υψηλής τεχνολογίας που χρησιμοποιεί τον ερευνητικό πυρηνικό αντιδραστήρα VVR-ts είναι η πυρηνική (μεταστοιχείωση νετρονίων) ντόπινγκ και η τροποποίηση ακτινοβολίας υλικών ημιαγωγών.

Είναι ευρέως γνωστό ότι για να προσδοθούν οι επιθυμητές ηλεκτρικές ιδιότητες στο πυρίτιο ημιαγωγών, είναι απαραίτητο να εισαχθούν άτομα ακαθαρσίας στον κρύσταλλο. Απαραίτητη προϋπόθεσηΣτην περίπτωση αυτή, η κατανομή των ατόμων ακαθαρσίας σε όλο τον όγκο του κρυστάλλου είναι ομοιόμορφη, γεγονός που, με τη σειρά του, εξασφαλίζει την ομοιομορφία της κατανομής της ηλεκτρικής ειδικής αντίστασης. Οι συμβατικές μέθοδοι ντόπινγκ δεν μπορούν να παρέχουν το απαιτούμενο επίπεδο ομοιομορφίας της κατανομής του προσμίκτη στον όγκο ενός μόνο κρυστάλλου, ειδικά όταν αναπτύσσονται μεγάλοι μονοκρυστάλλοι. Μόνο η μέθοδος ντόπινγκ πυρηνικής (μετατροπής νετρονίων) καθιστά δυνατή την απόκτηση υψηλής ποιότητας μονοκρυσταλλικού πυριτίου που πληροί σύγχρονες απαιτήσειςηλεκτρονικά ισχύος και ηλεκτρομηχανική ηλεκτρικής ενέργειας όσον αφορά την ομοιογένεια, τη σταθερότητα και την αναπαραγωγιμότητα των ιδιοτήτων.

Η μέθοδος βασίζεται σε πυρηνικούς μετασχηματισμούς που συμβαίνουν κατά τη σύλληψη θερμικών νετρονίων από τους πυρήνες του ισοτόπου πυριτίου-30, που ακολουθείται από το σχηματισμό ενός ισοτροπικά κατανεμημένου φωσφόρου-31 σε έναν μονοκρύσταλλο πυριτίου.

Η εγχώρια τεχνολογία του πυρηνικού ντόπινγκ (μετατροπή νετρονίων) αναπτύχθηκε με βάση τον ερευνητικό αντιδραστήρα VVR-ts.

Έχουν αναπτυχθεί βασικές μέθοδοι για την ακτινοβόληση μακρών μονοκρυσταλλικών τεμαχίων επεξεργασίας πυριτίου, διασφαλίζοντας ομοιόμορφη και ακριβή «εισαγωγή» του προσμίκτη ανάλογα με το
παράμετροι της ζώνης ακτινοβολίας και σχεδιαστικά χαρακτηριστικά του τύπου του χρησιμοποιούμενου πυρηνικού αντιδραστήρα: στατική λειτουργία, παλινδρομική κίνηση του δοχείου με ταυτόχρονη περιστροφή, συνεχής διέλευση στήλης δοχείων κατά μήκος του πυρήνα με ταυτόχρονη περιστροφή, μέθοδοι μετα-επεξεργασίας και τρόποι ανόπτησης ακτινοβολημένοι κρύσταλλοι. Επί του παρόντος, υπάρχει μια γραμμή ακτινοβόλησης πλινθωμάτων πυριτίου με διάμετρο έως 85 mm με πλήρη κύκλο εργασιών μετά την επεξεργασία. Η απόκλιση από την ομοιόμορφη κατανομή των ατόμων ακαθαρσίας στη διάμετρο του πλινθώματος δεν υπερβαίνει το 3-5%. Η ηλεκτρική ειδική αντίσταση, ανάλογα με το βαθμό ντόπινγκ, που καθορίζεται από τη ροή νετρονίων, κυμαίνεται από 15 έως 600 Ohm*cm. Η διάρκεια ζωής των φορέων φορτίου μειοψηφίας υπερβαίνει τα 100 μs.

Το πυρηνικό ντοπαρισμένο πυρίτιο (YALS) του κλάδου NIFKhI είναι πιστοποιημένο από μια σειρά ξένων εταιρειών: Wacker, Freiberger (Γερμανία), Topsil (Δανία), SKD (Τσεχία). Για ορισμένα από αυτά, πραγματοποιούμε τακτικές παραδόσεις με σύμβαση.

Ταυτόχρονα, με βάση τον αντιδραστήρα VVR-ts, δημιουργούνται δύο νέες τεχνολογικές γραμμές για την παραγωγή πυρηνικών λέιζερ: μια γραμμή ντόπινγκ υψηλής καθαρότητας μονοκρυσταλλικού πυριτίου με διάμετρο έως 105 mm για φωτοανιχνευτές και ανιχνευτές πυρηνική και κοσμική ακτινοβολία και γραμμή παραγωγής πυρηνικών λέιζερ με διάμετρο έως 156 mm.

Το δεύτερο υλικό ημιαγωγών για το οποίο έχει αναπτυχθεί η τεχνολογία ντόπινγκ και τροποποίησης είναι το αρσενίδιο του γαλλίου. Η μέθοδος ντόπινγκ βασίζεται σε πυρηνικές αντιδράσεις:

Το αρσενίδιο του γαλλίου με πυρηνική πρόσμειξη χρησιμοποιείται στην ηλιακή ενέργεια και τη μικροηλεκτρονική, και χρησιμοποιείται επίσης για την κατασκευή ανιχνευτών ακτινοβολίας.

Η τροποποίηση με ακτινοβολία του ημιμονωτικού αρσενιδίου του γαλλίου βασίζεται σε έναν βέλτιστο συνδυασμό συνθηκών ακτινοβόλησης και επακόλουθης θερμικής επεξεργασίας. Ταυτόχρονα, η ετερογένεια των ηλεκτρικών και οπτικών ιδιοτήτων σε σχέση με τον όγκο του κρυστάλλου μειώνεται αρκετές φορές και δεν υπερβαίνει το 5%, και αυξάνεται η θερμική σταθερότητα και η σταθερότητα της ακτινοβολίας του υλικού. Με την ίδια μέθοδο, είναι δυνατό να ληφθεί αρσενίδιο του γαλλίου με συντελεστή οπτικής απορρόφησης μικρότερο από 60 σε μήκος κύματος 10,6 μm, που είναι δύο φορές μικρότερο από αυτό του αρχικού. Αυτό το υλικό χρησιμοποιείται για οπτικά συστήματα λέιζερ. Δείγματα αυτού του υλικού έχουν πιστοποιηθεί από μια σειρά αμερικανικών εταιρειών, με τις οποίες έχει συναφθεί σύμβαση για τη δημιουργία τεχνολογίας παραγωγής με επόμενες παραδόσεις προϊόντων.

Τεχνικά χαρακτηριστικά του YALK, που παράγεται με την τεχνολογία που αναπτύχθηκε στο παράρτημα του NIFHI που φέρει το όνομά του. L.Ya. Κάρποβα.

Η ιδιότητα των ημιαγωγών που τους καθιστά πιο χρήσιμους για τη δημιουργία ηλεκτρονικών συσκευών είναι ότι η αγωγιμότητά τους μπορεί εύκολα να αλλάξει με την εισαγωγή ακαθαρσιών στο κρυσταλλικό τους πλέγμα. Η διαδικασία προσθήκης ακαθαρσιών σε έναν ημιαγωγό είναι γνωστή ως ντόπινγκ. Η ποσότητα της ακαθαρσίας ή του στοιχείου κράματος που προστίθεται σε έναν εγγενή (καθαρό) ημιαγωγό αλλάζει το επίπεδο αγωγιμότητάς του. Οι ντοπαρισμένοι ημιαγωγοί ονομάζονται συχνά ντοπαρισμένοι ημιαγωγοί.

Στοιχεία κράματος

Τα υλικά που επιλέγονται ως στοιχείο κράματος εξαρτώνται από τις ατομικές ιδιότητες τόσο του στοιχείου κράματος όσο και του υλικού προς κράμα. Γενικά, τα στοιχεία κράματος που παράγουν τις επιθυμητές ελεγχόμενες αλλαγές ταξινομούνται ως δέκτες ηλεκτρονίων ή δότες ηλεκτρονίων. Ένα άτομο δότη που ενεργοποιείται δωρίζει ασθενώς συνδεδεμένα ηλεκτρόνια σθένους στο υλικό, δημιουργώντας υπερβολικούς φορείς αρνητικού φορτίου. Αυτά τα χαλαρά συνδεδεμένα ηλεκτρόνια μπορούν να κινηθούν μέσα κρυσταλλικού πλέγματοςσχετικά ελεύθερο και μπορεί να διευκολύνει την ηλεκτρική αγωγιμότητα παρουσία ηλεκτρικού πεδίου. Αντίθετα, ένας ενεργοποιημένος δέκτης αφήνει μια τρύπα. Οι ημιαγωγοί που έχουν προσμείξεις με ακαθαρσίες δότη ονομάζονται ημιαγωγοί n-τύπου, και αυτοί που έχουν προσμείξεις με ακαθαρσίες δέκτη είναι γνωστοί ως ημιαγωγοί R-τύπος. Ονομασίες nΚαι Π- οι τύποι υποδεικνύουν ποιος φορέας φορτίου ενεργεί ως ο κύριος φορέας στο υλικό. Ο αντίθετος φορέας ονομάζεται μειοψηφικός φορέας, ο οποίος υπάρχει ως αποτέλεσμα θερμικής διέγερσης σε πολύ χαμηλότερη συγκέντρωση σε σύγκριση με τον πλειοψηφικό φορέα.

Για παράδειγμα, το καθαρό πυρίτιο ημιαγωγών έχει τέσσερα ηλεκτρόνια σθένους. Για το πυρίτιο, τα καταλληλότερα στοιχεία κράματος είναι η ομάδα IUPAC 13 (γνωστή ως ομάδα III) και η ομάδα IUPAC 15 (γνωστή ως ομάδα V). Όλα τα στοιχεία της ομάδας 13 περιέχουν τρία ηλεκτρόνια σθένους, γεγονός που τα κάνει να συμπεριφέρονται ως δέκτες όταν εμποτίζονται με πυρίτιο. Τα στοιχεία της ομάδας 15 έχουν πέντε ηλεκτρόνια σθένους, τα οποία τους επιτρέπουν να ενεργούν ως δότες. Επομένως, ένας κρύσταλλος πυριτίου εμποτισμένος με βόριο δημιουργεί έναν ημιαγωγό οπής και ένας ημιαγωγός με φώσφορο δημιουργεί έναν ηλεκτρονικά αγώγιμο ημιαγωγό.

Συγκέντρωση φορέα φορτίου

Η συγκέντρωση των στοιχείων κράματος που εισάγονται στον εγγενή ημιαγωγό καθορίζει τη συγκέντρωσή του και επηρεάζει έμμεσα πολλές από τις ηλεκτρικές του ιδιότητες. Ο πιο σημαντικός παράγοντας που επηρεάζεται άμεσα από το ντόπινγκ είναι η συγκέντρωση των φορέων φορτίου στο υλικό. Σε έναν καθαρό ημιαγωγό σε θερμική ισορροπία, η συγκέντρωση ηλεκτρονίων και οπών είναι η ίδια. Αυτό είναι n=Π=nΕγώ.

Οπου n - συγκέντρωση αγώγιμων ηλεκτρονίων, Π - συγκέντρωση τρύπας, και n i είναι η συγκέντρωση των φορέων σε καθαρό υλικό. Η συγκέντρωση των φορέων σε έναν εγγενή ημιαγωγό ποικίλλει ανάλογα με τη θερμοκρασία του υλικού. n i του πυριτίου είναι περίπου 1×10 10 cm -3 στους 300 Kelvin (θερμοκρασία δωματίου).

Γενικά, η αύξηση της συγκέντρωσης του προσμίκτη επιτρέπει αυξημένη ηλεκτρική αγωγιμότητα λόγω της υψηλότερης συγκέντρωσης φορέων φορτίου που είναι διαθέσιμοι για αγωγή. Οι ημιαγωγοί με μεγάλη πρόσμειξη έχουν επίπεδα αγωγιμότητας συγκρίσιμα με τα μέταλλα και χρησιμοποιούνται συχνά σε σύγχρονα ολοκληρωμένα κυκλώματα ως αντικατάσταση μετάλλου. Οι εκθέτες συν και πλην χρησιμοποιούνται συχνά για να υποδείξουν τη σχετική συγκέντρωση μιας ακαθαρσίας στους ημιαγωγούς. Για παράδειγμα, το n+ σημαίνει ημιαγωγός n-τύπου με υψηλή συγκέντρωση προσμίξεων. Ομοίως, το p − υποδηλώνει ένα ελαφρά ντοπαρισμένο υλικό με αγωγιμότητα οπής. Θα πρέπει επίσης να σημειωθεί ότι ακόμη και τα υψηλά επίπεδα ντόπινγκ συνεπάγονται χαμηλές συγκεντρώσεις ακαθαρσιών σε σχέση με τον ημιαγωγό ξενιστή. Στο εγγενές κρυσταλλικό πυρίτιο υπάρχουν περίπου 5×1022 άτομα/cm3. Η συγκέντρωση ρύπανσης για ημιαγωγούς πυριτίου μπορεί να κυμαίνεται από 10 13 cm -3 έως 10 18 cm -3. Μια συγκέντρωση ακαθαρσιών πάνω από 10 18 cm -3 θεωρείται υψηλή σε θερμοκρασία δωματίου. Το πυρίτιο με υψηλή πρόσμιξη περιέχει αναλογία προσμίξεων προς πυρίτιο μερών ανά χίλια. Αυτή η αναλογία μπορεί να μειωθεί σε μέρη ανά δισεκατομμύριο σε ελαφρώς εμποτισμένο πυρίτιο. Οι τυπικές τιμές συγκέντρωσης βρίσκονται σε αυτό το εύρος και προσαρμόζονται για να πραγματοποιηθούν οι επιθυμητές ιδιότητες στη συσκευή για την οποία προορίζεται ο ημιαγωγός.

Οι καθαροί ημιαγωγοί αποτελούν αντικείμενο κυρίως θεωρητικού ενδιαφέροντος. Η μεγάλη έρευνα ημιαγωγών αφορά τις επιπτώσεις της προσθήκης ακαθαρσιών σε καθαρά υλικά. Εάν δεν υπήρχαν αυτές οι ακαθαρσίες, οι περισσότερες συσκευές ημιαγωγών δεν θα υπήρχαν.

Τα καθαρά υλικά ημιαγωγών όπως το γερμάνιο και το πυρίτιο περιέχουν μικρούς αριθμούς ζευγών ηλεκτρονίων-οπών σε θερμοκρασία δωματίου και επομένως μπορούν να μεταφέρουν πολύ λίγο ρεύμα. Μια διαδικασία που ονομάζεται ντόπινγκ χρησιμοποιείται για την αύξηση της αγωγιμότητας των καθαρών υλικών.

Κραματοποίησηείναι η διαδικασία προσθήκης ακαθαρσιών σε ένα ημιαγωγικό υλικό. Χρησιμοποιούνται δύο τύποι ακαθαρσιών. Το πρώτο, που ονομάζεται πεντασθενές, αποτελείται από άτομα με πέντε ηλεκτρόνια σθένους. Παραδείγματα είναι το αρσενικό και το αντιμόνιο. Το δεύτερο, που ονομάζεται τρισθενές, αποτελείται από άτομα με τρία ηλεκτρόνια σθένους. Παραδείγματα είναι το ίνδιο και το γάλλιο.

Όταν ένα καθαρό υλικό ημιαγωγού είναι ντοπαρισμένο με ένα πεντασθενές υλικό όπως το αρσενικό (As), ορισμένα άτομα του ημιαγωγού αντικαθίστανται από άτομα αρσενικού. Το άτομο αρσενικού τοποθετεί τέσσερα από τα ηλεκτρόνια σθένους του σε ομοιοπολικούς δεσμούς με γειτονικά άτομα. Το πέμπτο ηλεκτρόνιό του είναι ασθενώς συνδεδεμένο με τον πυρήνα και μπορεί εύκολα να γίνει ελεύθερο.

Το άτομο αρσενικού ονομάζεται άτομο δότη, γιατί δωρίζει το επιπλέον ηλεκτρόνιό του. Ένα ντοπαρισμένο υλικό ημιαγωγών περιέχει πολλά άτομα δότη. Αυτό σημαίνει ότι υπάρχουν πολλά ελεύθερα ηλεκτρόνια διαθέσιμα για να υποστηρίξουν το ρεύμα.

Σε θερμοκρασία δωματίου, ο αριθμός των επιπλέον ελεύθερων ηλεκτρονίων υπερβαίνει τον αριθμό των ζευγών ηλεκτρονίων-οπών. Αυτό σημαίνει ότι το υλικό έχει περισσότερα ηλεκτρόνια από οπές. Ως εκ τούτου, τα ηλεκτρόνια ονομάζονται πλειοψηφικοί φορείς. Οι τρύπες λέγονται μη σημαντικά μέσα ενημέρωσης. Δεδομένου ότι οι κύριοι μεταφορείς έχουν αρνητικό φορτίο, το υλικό ονομάζεται ημιαγωγός n-τύπου.

Εάν εφαρμοστεί μια τάση σε έναν ημιαγωγό τύπου n, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια που προστίθενται από τα άτομα δότη θα αρχίσουν να κινούνται προς το θετικό τερματικό. Επιπλέον, τα ηλεκτρόνια θα αρχίσουν να κινούνται προς το θετικό τερματικό, το οποίο μπορεί να σπάσει τους ομοιοπολικούς δεσμούς τους. Αυτά τα ηλεκτρόνια, σπάζοντας ομοιοπολικούς δεσμούς, θα δημιουργήσουν ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών. Οι αντίστοιχες οπές θα κινηθούν προς τον αρνητικό ακροδέκτη.

Όταν ένα υλικό ημιαγωγών είναι ντοπαρισμένο με ένα τρισθενές υλικό όπως το ίνδιο (In), τα άτομα του ινδίου θα κατανείμουν τα τρία ηλεκτρόνια σθένους μεταξύ τριών γειτονικών ατόμων. Αυτό θα δημιουργήσει μια τρύπα στον ομοιοπολικό δεσμό.

Η παρουσία πρόσθετων οπών θα επιτρέψει στα ηλεκτρόνια να μετατοπίζονται εύκολα από τον έναν ομοιοπολικό δεσμό στον άλλο. Δεδομένου ότι οι οπές δέχονται εύκολα ηλεκτρόνια, τα άτομα που εισάγουν πρόσθετες οπές σε έναν ημιαγωγό ονομάζονται άτομα δέκτη.

Υπό κανονικές συνθήκες, ο αριθμός των οπών σε ένα τέτοιο υλικό υπερβαίνει σημαντικά τον αριθμό των ηλεκτρονίων. Επομένως, οι οπές είναι οι πλειοψηφικοί φορείς και τα ηλεκτρόνια είναι φορείς μειοψηφίας. Επειδή οι περισσότεροι φορείς έχουν θετικό φορτίο, το υλικό ονομάζεται ημιαγωγός τύπου p.

Αν σε ημιαγωγό τύπου pεφαρμόζεται τάση, οι οπές αρχίζουν να κινούνται προς το αρνητικό τερματικό και τα ηλεκτρόνια αρχίζουν να κινούνται προς το θετικό τερματικό. Εκτός από τις οπές που δημιουργούνται από τα άτομα δέκτη, εμφανίζονται οπές λόγω της ρήξης ομοιοπολικών δεσμών, δημιουργώντας ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών.

Υλικά ημιαγωγών Το p-type και το p-type έχουν σημαντικά υψηλότερη αγωγιμότηταπαρά τα καθαρά υλικά ημιαγωγών. Αυτή η αγωγιμότητα μπορεί να αυξηθεί ή να μειωθεί αλλάζοντας την ποσότητα των ακαθαρσιών. Όσο περισσότερο ντοπαρισμένο είναι ένα υλικό ημιαγωγών, τόσο μικρότερη είναι η ηλεκτρική του αντίσταση.

Τα υλικά ημιαγωγών έχουν μισογεμισμένα κελύφη σθένους. Οι κρύσταλλοι σχηματίζονται από άτομα που μοιράζονται τα ηλεκτρόνια σθένους σχηματίζοντας ομοιοπολικούς δεσμούς.

Τα υλικά ημιαγωγών έχουν αρνητικό συντελεστή αντίστασης θερμοκρασίας: καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία, η αντίστασή τους μειώνεται. Η θερμότητα δημιουργεί προβλήματα στα ημιαγωγικά υλικά επιτρέποντας στα ηλεκτρόνια να σπάσουν τους ομοιοπολικούς δεσμούς. Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, τα ηλεκτρόνια σε ένα υλικό ημιαγωγών μετακινούνται από το ένα άτομο στο άλλο.

Μια οπή αντιπροσωπεύει την απουσία ηλεκτρονίου στο κέλυφος σθένους.

Μια διαφορά δυναμικού που εφαρμόζεται σε ένα καθαρό υλικό ημιαγωγών δημιουργεί μια ροή ηλεκτρονίων που κινούνται προς το θετικό τερματικό και μια ροή οπών που κινούνται προς το αρνητικό τερματικό. Το ρεύμα στα υλικά ημιαγωγών αποτελείται από την κατευθυνόμενη κίνηση των ηλεκτρονίων και την κατευθυνόμενη κίνηση των οπών.

Κραματοποίησηείναι η διαδικασία προσθήκης ακαθαρσιών σε ένα ημιαγωγικό υλικό.

Τα τρισθενή υλικά έχουν άτομα με τρία ηλεκτρόνια σθένους και χρησιμοποιούνται για την κατασκευή ημιαγωγών τύπου p.

Τα πεντασθενή υλικά έχουν άτομα με πέντε ηλεκτρόνια σθένους και χρησιμοποιούνται για την κατασκευή ημιαγωγών τύπου n.

Σε ημιαγωγό n-τύπουΤα ηλεκτρόνια είναι οι πλειοψηφικοί φορείς και οι τρύπες είναι φορείς μειοψηφίας. Σε ημιαγωγό τύπου pΟι οπές είναι οι πλειοψηφικοί φορείς και τα ηλεκτρόνια είναι οι φορείς μειοψηφίας. Τα υλικά ημιαγωγών τύπου P και τύπου p έχουν σημαντικά υψηλότερη αγωγιμότητα από τα καθαρά ημιαγωγικά υλικά.

Κάτω από ορισμένες συνθήκες λειτουργίας προϊόντων και κατασκευών από χάλυβα, τα συνήθη φυσικά και μηχανικά χαρακτηριστικά του υλικού δεν πληρούν τις απαιτήσεις. Σε τέτοιες περιπτώσεις, οι χάλυβες κραματώνονται - άλλα χημικά στοιχεία προστίθενται στην αρχική σύνθεση κατά τη διάρκεια της τήξης (κυρίως και μέταλλα, αν και όπως θα φανεί παρακάτω, υπάρχουν εξαιρέσεις). Ως αποτέλεσμα, ο χάλυβας γίνεται ισχυρότερος, σκληρότερος, πιο ανθεκτικός στα εξωτερικά δυσμενείς παράγοντες, αν και χάνει την ολκιμότητα του, η οποία στις περισσότερες περιπτώσεις βλάπτει την εργασιμότητά του.

Οι τεχνικές απαιτήσεις για τους κραματοποιημένους χάλυβες ρυθμίζονται από το GOST 4543 (για χάλυβα έλασης λεπτού φύλλου ισχύει επίσης το GOST 1542). Ταυτόχρονα, ένας αριθμός σύνθετων και σύνθετων κραματοποιημένων χάλυβων παράγεται σύμφωνα με τις προδιαγραφές των μεταλλουργικών επιχειρήσεων.

Από τυπική άποψη, ορισμένα χημικά στοιχεία που περιέχονται σε συνηθισμένους χάλυβες, τόσο δομικής όσο και συνήθους ποιότητας, μπορούν επίσης να ονομαστούν κράματα. Αυτά περιλαμβάνουν, για παράδειγμα, χαλκό (έως 0,2%), πυρίτιο (έως 0,37%) κ.λπ.

Μόνιμοι σύντροφοι οποιουδήποτε χάλυβα είναι φώσφορο και θείο. Παρ 'όλα αυτά, οι μεταλλουργοί αποδίδουνως επί το πλείστον όχι σε πρόσθετα κραμάτων, αλλά σε ακαθαρσίες, αν και μερικές φορές το ποσοστό ενός άλλου στοιχείου κράματος μπορεί να είναι ακόμη μικρότερο.

Ο λόγος είναι ότι οποιαδήποτε ακαθαρσία είναι συνέπεια είτε της καθαρότητας του αρχικού μεταλλεύματος (μαγγάνιο) είτε των ειδικών μεταλλουργικών διεργασιών τήξης (θείο, φώσφορος). Θεωρητικά, ο χάλυβας που τήκεται χωρίς χαλκό, φώσφορο και θείο θα έχει τις ίδιες μηχανικές ιδιότητες. Το κράμα έχει ως απώτερο στόχο ακριβώς την αύξηση ορισμένων τεχνικά χαρακτηριστικάγίνομαι. Εν φώσφορο και θείοοπωσδηποτε ανήκουν σε επιβλαβείς αλλά αναπόφευκτες ακαθαρσίες. Η παρουσία χαλκού αυξάνει την ολκιμότητα, αλλά προωθεί το κόλλημα της μεταλλικής επιφάνειαςέχοντας υπερβολική (πάνω από 0,3%) συγκέντρωση χαλκού στην επιφάνεια του παρακείμενου τμήματος. Όταν η κατασκευή λειτουργεί υπό συνθήκες έντονης τριβής, αυτό είναι ένα σημαντικό μειονέκτημα.

Η παρουσία ενός χημικού στοιχείου με συγκέντρωση μεγαλύτερη από 1% παρέχει λόγους για την εισαγωγή του συμβόλου του στην ποιότητα του χάλυβα. Εκτός από τον προαναφερθέντα χάλυβα 65G, το αλουμίνιο (που υπάρχει, ειδικότερα, στον χάλυβα O8Yu) λαμβάνει επίσης παρόμοια τιμή. ΣΕ σε αυτήν την περίπτωση εισάγεται αλουμίνιοσυμβατικό δομικό χάλυβας Ο8 για το σκοπό της αποξείδωσής του, και το γεγονός ότι ταυτόχρονα οι δείκτες της πλαστικότητάς του αυξάνονται ελαφρώς είναι μόνο μια ευτυχής συνοδευτική περίσταση. Το boiding του χάλυβα παρέχεισε αυτή αυξήθηκεμεταγενέστερος παραμορφωσιμότητα, επομένως ακόμη και μικροπρόσθετα του βορίου σε χημική σύνθεσηοι χάλυβες επισημαίνονται ανάλογα αλλάζοντας τα σημάδια τους (για παράδειγμα, στον χάλυβα 20P υπάρχει μόνο 0,001...0,005% βόριο).

Γενικά γίνεται αποδεκτό ότι:

• Χάλυβες που περιέχουν μόνο ένα στοιχείο που εισάγεται σκόπιμα στη σύνθεση.
• Χάλυβες που περιέχουν χημικά στοιχεία εκτός από άνθρακα και μαγγάνιο σε ποσότητα που δεν υπερβαίνει το 1%

- δεν θεωρούνται ντοπαρισμένοι. Από την άλλη πλευρά, εάν το ποσοστό σιδήρου στο λιωμένο κράμα δεν υπερβαίνει το 55%, τότε ένα τέτοιο υλικό δεν μπορεί πλέον να ονομάζεται κράμα χάλυβα.

Γενική ταξινόμηση στοιχείων κραματοποίησης σε χάλυβες

Τα μέταλλα κατέχουν κυρίαρχη θέση στη λίστα των στοιχείων κράματος. Εξαιρούνται το πυρίτιο και το βόριο.

Η παρουσία στοιχείων κράματος έχει κυρίαρχη επίδραση στην εμφάνιση του διαγράμματος φάσης του συστήματος σιδήρου-άνθρακα και στην παρουσία/απουσία χημικών ενώσεων στο τελικό προϊόν (νιτρίδια, καρβίδια και πιο πολύπλοκα συστατικά). Τα τελευταία, με τη σειρά τους, τροποποιούν σημαντικά τη μικροδομή του χάλυβα.

Από αυτή την άποψη, τα μέταλλα κραμάτων χάλυβα χωρίζονται σε δύο ομάδες:

1. Μέταλλα που αυξάνουν την περιοχή των στερεών διαλυμάτων με βάση το γ σίδηρο(ωστενιτική περιοχή στο διάγραμμα φάσης), η οποία οδηγεί σε αύξηση της ποικιλομορφίας της τελικής μικροδομής του κραματοποιημένου χάλυβα μετά τη θερμική επεξεργασία της σκλήρυνσης). Αυτά τα στοιχεία περιλαμβάνουν νικέλιο, μαγγάνιο, κοβάλτιο, χαλκό και άζωτο.
2. Μέταλλα και χημικά στοιχεία, η παρουσία των οποίων στενεύει την περιοχή γ, αλλά αυξάνει την αντοχή του χάλυβα. Αυτά περιλαμβάνουν χρώμιο και βολφράμιο. βανάδιο, μολυβδαίνιο, τιτάνιο.

Κατά τη διαδικασία παραγωγής κραματοποιημένων χάλυβων, τα ακόλουθα σχέδια στις ιδιότητές του αλλάζουν.

Ως γνωστόν, διαφορετικά στοιχείαέχουν διαφορετικά κρυσταλλική δομή(για τα μέταλλα αυτό είναι με επίκεντρο το πρόσωπο και το σώμα). Ο ίδιος ο σίδηρος έχει ένα πλέγμα με κέντρο το σώμα.

Όταν ένα μέταλλο με παρόμοιο τύπο πλέγματος εισάγεται στον χάλυβα, η περιοχή ύπαρξης ενός διαλύματος α (φερρίτης) αυξάνεται λόγω της αντίστοιχης μείωσης στην ωστενιτική περιοχή. Ως αποτέλεσμα, η μικροδομή σταθεροποιείται, επιτρέποντας περισσότερες επιλογές τεχνολογικές διαδικασίεςεπακόλουθη θερμική επεξεργασία.
Αντίθετα, εάν ο χάλυβας περιέχει ένα μέταλλο με διαφορετικό τύπο πλέγματος, η ωστενιτική περιοχή στενεύει. Αυτός ο χάλυβας θα είναι πιο όλκιμος κατά την επόμενη κατεργασία.
Η κράμα χάλυβα με ορισμένα μέταλλα είναι γενικά αδύνατη. Αυτό συμβαίνει εάν η διαφορά στις ατομικές διαμέτρους των στοιχείων υπερβαίνει το 15%.

Αυτός είναι ο λόγος που ένα μέταλλο όπως ο ψευδάργυρος εισάγεται ως πρόσθετο κράματος μόνο σε μη σιδηρούχα μέταλλα και κράματα. Τα χημικά στοιχεία που δεν είναι σε θέση να σχηματίσουν σταθερές ιδιότητες κατά την τήξη είναι επίσης περιορισμένης χρήσης για σκοπούς κράματος χάλυβα. χημικές ενώσειςμε άνθρακα, σίδηρο και άζωτο.

Η εξάρτηση των χαρακτηριστικών του χάλυβα από τον κορεσμό του με ορισμένα χημικά στοιχεία δεν έχει ακόμη μελετηθεί πλήρως. Αυτό εξηγείται από το γεγονός ότι με πολύπλοκο ντόπινγκ, κάθε συστατικό μπορεί να αλληλεπιδράσει διαφορετικά με άλλα, και τέτοιες αλλαγές συχνά δεν μπορούν να εξηγηθούν φυσικά. Επομένως, τα ερωτήματα σχετικά με την καταλληλότητα της χρήσης ενός ή άλλου στοιχείου κράματος επιλύονται πειραματικά.

Οι ακόλουθες διατάξεις θεωρούνται αποδεδειγμένες:

• Η αποτελεσματικότητα της διαδικασίας αυξάνεται με την αύξηση της διαλυτότητας του αζώτου και του άνθρακα στο πρόσθετο κράματος και στον κύριο σίδηρο.
• Η σταθερότητα των τελικών ιδιοτήτων του χάλυβα αυξάνεται με την αύξηση του μεγέθους της ωστενιτικής ζώνης.
• Η ποιότητα του χάλυβα κραματοποιημένου με μέταλλα και στοιχεία με χαμηλότερο σειριακό αριθμό από τον σίδηρο (στον πίνακα χημικά στοιχεία D. Mendeleev) χειρότερα από την αντίθετη περίπτωση.
• Μέταλλα που είναι πιο πυρίμαχα από τον σίδηρο αυξάνουν την αντοχή του χάλυβα σε οποιαδήποτε παραλλαγή της περαιτέρω θερμικής επεξεργασίας του.

Ωστόσο, οι δευτερεύουσες αλληλεπιδράσεις, οι οποίες εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από τη μέθοδο τήξης του χάλυβα, μπορούν να διορθώσουν σημαντικά αυτές τις διατάξεις. Επομένως, σε αυτό το στάδιο μπορούμε να μιλήσουμε με σιγουριά μόνο για την επίδραση συγκεκριμένων στοιχείων κράματος στις ιδιότητες του χάλυβα.

Επίδραση χρωμίου

Το χρώμιο είναι ένα μέταλλο που χρησιμοποιείται ιδιαίτερα συχνά για σκοπούς κράματος. Προστίθεται τόσο σε δομικούς χάλυβες (για παράδειγμα, 20Χ, 40Χ) όσο και σε χάλυβες εργαλείων (9ХС, Х12М). Επιπλέον, οι τελικές ιδιότητες του κραματοποιημένου με χρώμιο χάλυβα εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από την περιεκτικότητά του σε αυτό. Σε χαμηλές (λιγότερες από 0,5...0,7%) συγκεντρώσειςμεταλλική δομή γίνεται πιο τραχύ και ευαίσθητο στην κατεύθυνση της μετέπειτα επεξεργασίας του, ειδικά κατά την ψυχρή έλαση και την κάμψη. Η ομοιομορφία κατανομής των κύριων συστατικών της μικροδομής επιδεινώνεται επίσης.

Όπως σημειώθηκε παραπάνω, Ένας από τους κύριους σκοπούς της κραματοποίησης είναι ο σχηματισμός καρβιδίων μετάλλων στον χάλυβα, η αντοχή και η σκληρότητα του οποίου είναι αισθητά υψηλότερη από αυτή του βασικού μετάλλου. Το χρώμιο σχηματίζει δύο τύπους καρβιδίων: το εξαγωνικό Cr 7 C 3 και το κυβικό Cr 23 C 6, και και στις δύο περιπτώσεις αυξάνεται η αντοχή και η αντίσταση στο κρύο του χάλυβα. Ένα ιδιαίτερο χαρακτηριστικό των καρβιδίων του χρωμίου είναι η παρουσία άλλων στοιχείων στη δομή τους - σιδήρου και βαναδίου. Ως αποτέλεσμα, η θερμοκρασία αποτελεσματικής διάλυσης μειώνεται, η οποία, με τη σειρά της, οδηγεί σε τέτοια θετικά χαρακτηριστικά των κραματοποιημένων με χρώμιο χάλυβες όπως η σκληρυνσιμότητα, η δυνατότητα δευτερογενούς σκλήρυνσης διασποράς και η αντίσταση στη θερμότητα. Επομένως, οι χάλυβες σε κράμα με χρώμιο έχουν αυξημένη λειτουργική αντίσταση κάτω από δύσκολες συνθήκες λειτουργίας.

Ωστόσο, η αύξηση της περιεκτικότητας σε χρώμιο στον χάλυβα οδηγεί επίσης σε αρνητικές συνέπειες.Με αυτόν συγκεντρώσεις πάνω από 5...10%η ομοιογένεια καρβιδίου του υλικού επιδεινώνεται απότομα, γεγονός που συνοδεύεται ανεπιθύμητα φαινόμενα κατά τη μηχανική επεξεργασία του: ακόμη και όταν θερμαίνεται, η ολκιμότητα του χάλυβα είναι χαμηλή, επομένως, όταν σφυρηλατούνται με μεγάλους βαθμούς παραμόρφωσης, οι χάλυβες με υψηλή περιεκτικότητα σε χρώμιο είναι επιρρεπείς σε ρωγμές.

Σε περίπτωση υπερβολικού σχηματισμού καρβιδίου ο αριθμός των συγκεντρωτών στρες αυξάνεται επίσης, το οποίο επηρεάζει αρνητικά την αντίσταση τέτοιων χάλυβων σε δυναμικά φορτία. Λαμβάνοντας αυτό υπόψη, το περιεχόμενο το χρώμιο στους χάλυβες δεν πρέπει να υπερβαίνει το 5,6%.

Η επίδραση του βολφραμίου και του μολυβδαινίου

Η επίδραση αυτών των πρόσθετων κραμάτων στους χάλυβες είναι περίπου η ίδια, επομένως εξετάζονται μαζί. Το βολφράμιο και το μολυβδαίνιο βελτιώνουν τη σκλήρυνση διασποράς των χάλυβων, γεγονός που αυξάνει την αντοχή τους στη θερμότητα, ειδικά κατά την παρατεταμένη λειτουργία σε υψηλές θερμοκρασίες. Οι χάλυβες Maraging έχουν ένα μοναδικό σύνολο ιδιοτήτων: συνδυάζουν επαρκή ολκιμότητα και σκληρότητα με υψηλή επιφανειακή αντοχή και επομένως είναι Χρησιμοποιείται ευρέως ως χάλυβες εργαλείων, που προορίζεται για σφυρηλάτηση ψυχρής μήτρας με υψηλούς βαθμούςπαραμόρφωση. Ο λόγος για αυτό είναι ο σχηματισμός διαμεταλλικών ενώσεων Fe 2 W και Fe 2 Mo 3, οι οποίες συμβάλλουν στη μετέπειτα εμφάνιση ειδικών καρβιδίων (συνήθως χρωμίου και βαναδίου). Ως εκ τούτου, οι χάλυβες συχνά κραματώνονται με αυτά τα μέταλλα μαζί με το βολφράμιο και το μολυβδαίνιο. Παραδείγματα είναι οι χάλυβες εργαλείων τύπου Kh4V2M1F1, οι δομικοί χάλυβες 40KhVMFA κ.λπ.

Αυτό το κράμα είναι πιο αποτελεσματικό για χάλυβες που περιέχουν σχετικά μεγάλη ποσότητα άνθρακα. Αυτό εξηγεί το κυρίαρχο τη χρήση χάλυβα που περιέχουν βολφράμιο και μολυβδαίνιο για την παραγωγήυπεύθυνος γρανάζια, άξονες και άλλα μέρημηχανές που λειτουργούν κάτω από πολύπλοκα, έντονα κυκλικά φορτία. Η παρουσία των υπό εξέταση συστατικών κράματος βελτιώνει τη σκληρυνσιμότητα των χάλυβα και συμβάλλει σε πιο σταθερά τελικά χαρακτηριστικά των προϊόντων που κατασκευάζονται από αυτούς.

Υπάρχουν επίσης μειονεκτήματα της υπερβολικής δόσηςαυτά τα μέταλλα. Για παράδειγμα, αύξηση συγκέντρωση μολυβδαινίου πάνω από 3%προάγει την απανθράκωση του χάλυβα όταν θερμαίνεται, προκαλώντας εύθραυστο κάταγμα(ειδικά εάν ένας τέτοιος χάλυβας περιέχει αυξημένη – πάνω από 2% – ποσότητα πυριτίου). Η μέγιστη περιεκτικότητα σε βολφράμιο στον χάλυβα - 10...12% - συνδέεται κυρίως με μια απότομη αύξηση του κόστους του τελικού προϊόντος.

Επιρροή βαναδίου

Το βανάδιο χρησιμοποιείται συχνότερα ως συστατικό σύνθετων κραμάτων. Η παρουσία του δίνεικράμα χάλυβες πιο ομοιόμορφη και ευνοϊκή δομή, το οποίο αλλάζει ελάχιστα ακόμη και με θερμική επεξεργασία. Επιπλέον, το βανάδιο σταθεροποιεί τη φάση γ, η οποία αυξάνει την αντίσταση του χάλυβα στη διατμητική τάση (όπως είναι γνωστό, κατά τις διατμητικές παραμορφώσεις τα μέταλλα έχουν τη χαμηλότερη αντοχή).

Το βανάδιο δεν έχει ουσιαστικά καμία επίδραση στη σκληρότητα του χάλυβα, αυτό είναι ιδιαίτερα αισθητό για δομικούς χάλυβες, οι οποίοι περιέχουν λιγότερο άνθρακα από τους χάλυβες εργαλείων. Στους σύνθετους κραματοποιημένους χάλυβες, το βανάδιο αυξάνει την αντίσταση στη θερμότητα, γεγονός που αυξάνει την αντοχή τους σε εύθραυστη θραύση. Με αυτή την έννοια, η επίδραση του βαναδίου είναι αντίθετη από αυτή του μολυβδαινίου. Ένα χαρακτηριστικό της θερμικής επεξεργασίας των κραματοποιημένων χάλυβων που περιέχουν βανάδιο είναι η αδυναμία εκτέλεσης υψηλής σκλήρυνσης μετά τη σκλήρυνση, καθώς η επακόλουθη ολκιμότητα του χάλυβα μειώνεται. Επομένως, στους χάλυβες που προορίζονται για την κατασκευή μεγάλων εξαρτημάτων ή σφυρηλάτησης, το ποσοστό βαναδίου περιορίζεται στο 3,.4%.

Επίδραση πυριτίου, μαγγανίου και κοβαλτίου

Το πυρίτιο είναι το μόνο μη μέταλλο που «επιτρέπεται» για διεργασίες κράματος. Αυτό εξηγείται από δύο παράγοντες - το χαμηλό κόστος του στοιχείου και τη σαφή εξάρτηση της σκληρότητας από το ποσοστό πυριτίου στον χάλυβα. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο το πυρίτιο χρησιμοποιείται συχνά στην τήξη φθηνών δομικών χάλυβων χαμηλού κράματος, καθώς και χάλυβων για τους οποίους ο βέλτιστος συνδυασμός αντοχής και ελαστικότητας είναι σημαντικός για τη λειτουργική ανθεκτικότητα. Τις περισσότερες φορές, το μαγγάνιο χρησιμοποιείται μαζί με το πυρίτιο - παραδείγματα περιλαμβάνουν χάλυβα 09G2S, 10GS, 60S2 κ.λπ.

Στους χάλυβες εργαλείων, το πυρίτιο χρησιμοποιείται σπάνια ως συστατικό κράματος και, επιπλέον, μόνο σε συνδυασμό με άλλα μέταλλα που εξουδετερώνουν Οι αρνητικές του ιδιότητες είναι η χαμηλή λειτουργική ολκιμότητα και το ιξώδες.Από αυτούς τους χάλυβες - ειδικότερα, 9ХС, 6Х3С κ.λπ. — κατασκευή εργαλείων κοπής και σφράγισης, που απαιτεί συνδυασμό υψηλής σκληρότητας και αντοχής σε ξαφνικά φορτία.

Όπως το πυρίτιο, κοβάλτιοΌταν εισάγεται στη δομή του χάλυβα, δεν σχηματίζει τα δικά του καρβίδια, αλλά σε σύνθετους κραματοποιημένους χάλυβες εντείνει τον σχηματισμό τους κατά τη διάρκεια της σκλήρυνσης. Να γιατί Το κοβάλτιο δεν χρησιμοποιείται μόνο του, αλλά σε συνδυασμό με μέταλλα όπως βανάδιο, χρώμιο, βολφράμιο, όμως, λόγω της σπανιότητας του κοβαλτίου, η περιεκτικότητά του συνήθως δεν ξεπερνά το 2,5...3%.

Επίδραση νικελίου

Νικέλιοείναι το μόνο κράμα συστατικό των χάλυβων που αυξάνει την ολκιμότητα του και μειώνει τη σκληρότητα. Επομένως, οι χάλυβες δεν κραματώνονται μόνο με το νικέλιο. Αλλά σε συνδυασμό με το μαγγάνιο, το νικέλιο οδηγεί σε αξιοσημείωτη αύξηση της σκληρυνσιμότητας του χάλυβα, κάτι που είναι πολύ σημαντικό για την κατασκευή μεγάλων εξαρτημάτων μηχανών για τα οποία είναι σημαντική η υψηλή λειτουργική αντοχή. Ταυτόχρονα, η παρουσία νικελίου μειώνει τις απαιτήσεις για την ακρίβεια συμμόρφωσης με τα εύρη θερμοκρασίας της θερμικής επεξεργασίας.

Το κράμα με νικέλιο έχει μια σειρά από χαρακτηριστικά. Συγκεκριμένα, το νικέλιο, χωρίς να σχηματίζει δικά του καρβίδια, συμβάλλει στην αύξηση της συσσώρευσης «ξένων» καρβιδίων κατά μήκος των ορίων των κόκκων, με αποτέλεσμα να μειώνεται η αντίσταση στη θερμότητα και να αυξάνεται η ευθραυστότητα στην περιοχή των 20...400 0 C Ως εκ τούτου, το ποσοστό νικελίου σε κράμα χάλυβες συνδέεται αυστηρά με την παρουσία μαγγανίου και χρωμίου: εάν υπάρχουν, η μέγιστη συγκέντρωση νικελίου είναι 2%, και εάν απουσιάζουν - όχι περισσότερο από 0,5...1%. .

Οι κραματοποιημένοι χάλυβες για ειδικούς χώρους χρήσης περιέχουν επίσης μια σειρά από άλλα μέταλλα (για παράδειγμα, τιτάνιο, αλουμίνιο κ.λπ.). Η επιλογή του τύπου χάλυβα υπαγορεύεται από λειτουργικούς και οικονομικούς λόγους.