Химическое соединение железа с углеродом в определённых пропорциях приводит к появлению карбида железа, который называется цементит. Обладая низкой растворимостью в любой фракции железа этот процесс возможен только при высокой температуре. Это обусловлено низкой растворимостью углерода в железе.Структура цементита имеет форму правильного ромба. Химическая формула цементита указывает на наличие в молекуле трёх атомов железа и одного атома углерода. Она записывается следующим образом Fe3C.
Кристаллическая решётка такого соединения выглядит достаточно сложно. Она состоит из нескольких геометрических фигур, которые называются октаэдрами. У каждого из октаэдров в одной из вершин расположен атом углерода. Общая связь атомов железа и углерода получается достаточно сложной. Как показала металлургия, отдельный атом углерода находится в окружении восьми атомов железа. У каждого атома железа имеет связь с тремя атомами углерода. Их главные оси ориентированы относительно друг друга под некоторыми углами. Проведенный нейтронографический анализ наглядно подтвердил, что решётка цементита имеет именно такую форму.
Химические свойства
Как химическое соединение цементит обладает своими физическими, химическими и механическими характеристиками. Он имеет серый кристаллический вид на изломе, относительно твёрдый с высокой термической устойчивостью. Основные химические свойства цементита выражаются в следующих показателях:
- химическая формула Fe3C;
- разложение структуры происходит при температуре более 1650°С;
- подвержен воздействию различных кислот (особенно высоко концентрированных);
- быстро вступает в реакцию с кислородом.
На основании существующих химических свойств сформированы физические и механические свойства. К основным физическим свойствам относятся:
- температура плавления равняется 1700 °С;
- молекулярная масса составляет 179,55 а.е.м.;
- плотность цементита равна 7,7 г/см3 при температуре равной 20 °С.
К основным механическим свойствам относятся:
- твердость;
- стойкость к ударным воздействиям (хрупкость);
- сопротивление на излом;
- пластичность.
Твёрдость этого соединения достигает больших значений и равна НВ 8000 МПа или HRC 70. Однако он обладает достаточной хрупкостью и низкой пластичностью.
Обладая перечисленными свойствами, цементит активно используется при производстве литых деталей различного назначения. Образование различного вида цементита и его соединений с другими формами приводит к изменению характеристик получаемой стали или чугуна, следовательно, к улучшению или снижению отдельных потребительских свойств.
Например, для получения белого чугуна и придания ему высокой прочности и пластичности стараются перевести цементит в графит. Это достигается при проведении операции отжига. При возрастании температуры он распадается на две составляющие: феррит и графит.
Иногда вместо феррита в чугуне образуется перлит. В этих случаях получается две формы чугуна. Первая называется ферритным, вторая – перлитным.
В зависимости от требуемых свойств в чугуне стараются сохранить требуемое количество цементита. Особенно это касается так называемого свободной фракции этого соединения. Для снижения его концентрации применяют различные способы химической и термической обработки. Для решения этой задачи применяют раствор азотной кислоты в чистом спирте. Структурно свободный цементит выпадает в осадок в результате кипячения чугунной болванки в этом растворе. Кроме этого применяют три вида обработки: отжиг, нормализацию и закалку.
Техническое железо содержит третичный цементит в сочетании с ферритом. Он проявляется по границе феррита при содержании углерода от 0,01% до 0,025%. Для повышения качества стали стараются снизить содержание свободного цементита. Особенно его концентрация наблюдается в мягких марках стали. Большое влияние на качество штамповки оказывает содержание этой смеси и перлита в единице объёма. Излишнее присутствие третичного цементита, особенно в форме продолжительной цепочки или сетки приводит к образованию разрывов во время штамповки. Поэтому для получения хорошей ковочной стали стараются снизить количество третичного цементита. Структура таких образований не должна превышать второго балла по установленной шкале. Получаемая твёрдость не должна превышать HB 50 единиц.
Первичный, вторичный и третичный цементит
По способу и области образования он подразделяется на три основных вида:
- первичный;
- вторичный;
- третичный.
Образование первичного цементита наблюдается в процессе кристаллизации заэвтектического чугуна. В этот момент образуются кристаллы вытянутой формы. Они образовывают первичный карбид. Первичное образование может проявляться в доэвтектическом чугуне в составе ледебурита в процессе кристаллизации расплава. Проведенные исследования показали, что такая смесь железа и углерода присутствует не только в белом чугуне. Она может проявиться в сером чугуне после завершения операции так называемой графитизации.
Процесс образования вторичного вида наблюдается в основном при охлаждении аустенита. Это явление наблюдается при снижении температуры ниже 1147 °С. При такой температуре происходит снижение концентрации углерода в аустените. Освободившиеся атомы углерода вступают в новые связи, и образуется цементит, который называется вторичным. При дальнейшем снижении температуры до эвтектоидной продолжается его формирование. Даже при комнатной температуре он встречается в составе перлита. В этих условиях его можно обнаружить в заэвтектоидной стали. Он образовывается на границах зернистой структуры.
Процесс охлаждения феррита формирует так называемый третичный цементит. Данный вид достаточно сложно зафиксировать, и проводит дальнейшее наблюдение за его образованием. Эта проблема связана с появлением третичного цементита в небольших количествах. Исследования образования данной фракции показали, что он приобретает несколько форм: пластинки, прожилки или в форме иголок. Все эти элементы формируются в зёрнах феррита. Третичное образование достаточно сложно получить, потому что при повышении процентного содержания углерода третичный цементит соединяется с перлитом. При повышении скорости охлаждения содержание углерода сохраняется в растворе металла и образование третичной фракции прекращается. Явным признаком образования является результат постепенного старения феррита. В этом случае в содержании феррита изменяется концентрация углерода.
Из приведенного выше описания можно сделать следующие выводы:
- первичная фракция образовывается в результате кристаллизации расплава;
- вторичный – в результате последовательного охлаждения аустенита;
- третичный – после охлаждения феррита.
В различных марках стали и чугуна цементит первичный обладает высокой вариативностью формы. Это могут быть пластины правильной формы полоски или образования в форме иголок. При проведении операции отжига он может принимать форму округлых образований. Как результат трансформируется в зернистый перлит.
Источник: