Какие фазы называются карбидами и какими свойствами они обладают

В сталях карбиды образуются только металлами, расположенными в периодической системе элементов левее железа (см. рис. 279). Эти металлы, как и железо, относятся к элементам переходных групп, имеют менее достроенную -электронную полосу. Чем левее расположен в периодической системе карбидообразующий элемент, тем менее достроена его -полоса.

Имеется достаточно оснований предполагать, что в процессе карбидообразования углерод отдает свои валентные электроны на заполнение электронной полосы атома металла, тогда как у металла валентные электроны образуют металлическую связь, обусловливающую металлические свойства карбидов.

Многочисленные опыты показывают, что чем левее в периодической системе расположен элемент, т. е. чем менее достроена у него электронная полоса, тем более устойчив карбид. Эти обстоятельства позволяют сформулировать положения, характеризующие в общем виде условия карбидообразования в сталях: только элементы с -электронной полосой, заполненной меньше, чем у железа, являются карбидообразующими; активность их как карбидообразователей тем сильнее и устойчивость образующихся карбидных фаз тем больше, чем менее достроена -полоса у металлического атома.

Это положение позволяет указать условия образования карбидов в стали при наличии нескольких карбидообразующих элементов, последовательность растворения в аустените различных карбидов и другие факторы, важные для теории легирования, практики производства и применения легированных сталей.

В соответствии со сказанным карбиды в сталях будут образовывать следующие элементы: титан, ванадий, хром, марганец, цирконий, ниобий, молибден, гафний, тантал, вольфрам.

В природе известны карбиды никеля и кобальта, но в сталях, т. е. в сплавах на основе железа, эти металлы карбидов не образуют, так как на -полосе кобальт

1 Из курса физики известно, что электроны располагаются вокруг ядра атома в виде отдельных электронных оболочек. Чем дальше от ядра отстоит оболочка, тем выше уровень энергии электронов этой оболочки. Каждая оболочка в свою очередь расщепляется на ряд уровней энергии или полос, получивших обозначения (по направлению от ядра атома) На каждой полосе может располагаться ограниченное число электронов. Так, например, на -полосе может разместиться не более 10 электронов. При последовательном переходе от атома водорода к другим элементам периодической системы число электронов возрастает в соответствии с их атомным номером, причем электроны сначала занимают все места с наименьшими уровнями энергии, т. е. последовательно все места в первой оболочке, затем во второй и т. д. Однако у некоторых элементов, получивших наименование элементов переходных групп, на внешней (валентной) оболочке уже появляются 1 или 2 электрона еще до того, как достроена -полоса предыдущей оболочки. К этим элементам относятся многие металлы, в том числе железо и карбидообразующие элементы.

Сформулированное выше положение является частным случаем условий образования карбидов или нитридов в сплавах. Карбидо- и нитридообразующим элементом в сплаве является такой элемент, у которого менее достроена -полоса, чем у основного металла.

Иногда, правда очень редко, в металлических сплавах образуются карбиды бора, алюминия, кремния и других элементов, по приведенной классификации относящихся к «некарбидообразующим» элементам. Дело в том, что карбиды совершенно отличны от рассматриваемых карбидов. Это соединения с ковалентной связью, не обладающие металлическими свойствами.

имеет 7, а никель 8 электронов, т. е. больше чем железо, имеющее на d-полосе 6 электронов. Поэтому углерод отдает свои электроны железу и карбиды никеля или кобальта не образуются.

Элементы с полностью заполненной -полосой (медь, цинк, серебро и т. д.) ни при каких условиях карбидов в сплавах не образуют.

Вместе с тем в соответствии с высказанным выше положением, активность карбидообразования и устойчивость карбидов в легированных сталях будет возрастать при переходе от элементов марганца и хрома к элементам молибден, ванадий, вольфрам и титан и др. имеющим менее достроенные -полосы, чем у марганца и хрома. Это значит, например, что при наличии в стали одновременно хрома и ванадия следует ожидать в первую очередь образования карбидов ванадия.

Приняв атомный радиус углерода равным 0,079 нм легко подсчитать, что у всех карбидообразующих элементов, кроме железа, марганца и хрома, отношения атомных радиусов углерода к металлу меньше 0,59.

Выше указывалось (гл. IV, что если у металла переходной группы и у металлоида с малым атомным радиусом (углерод, азот, водород) отношение атомных радиусов меньше 0,59, то возможно образование особых видов соединений, которые называются «фазами внедрения» (см. с. 99).

У большинства карбидообразующих элементов соотношение поэтому между ними и углеродом возможно образование фаз внедрения.

Установлено, что в сталях могут образовываться следующие карбидные соединения:

Однако в сталях в чистом виде перечисленные карбиды не существуют. Карбиды всех легирующих элементов содержат в растворе железо, а при наличии нескольких карбидообразующих элементов — и эти элементы. Так, в хромомарганцовистой стали вместо чистого карбида хрома образуется карбид содержащий в растворе железо и марганец.

Так как карбиды, имеющие одинаковую химическую формулу, взаимно растворяются, то, например, при наличии в стали одновременно титана и ниобия будут образовываться не два разделенных вида карбидов, а один общий карбид, в который «на равных основаниях» входят и титан и ниобий. Поэтому возможных вариантов карбидообразования меньше, чем это указано выше, и фактически мы встречаемся в сталях лишь с карбидами шести видов:

где под М подразумевается сумма карбидообразующих элементов (металлических). Соотношения между металлическими элементами и углеродом (для недефектной решетки) указываются формулой.

Карбиды, отнесенные в I группу, имеют сложную кристаллическую структуру. Типичным представителем карбидов этого типа

является цементит, кристаллическая структура которого была показана на рис. 133.

Следует отметить, что фазы внедрения трудно растворимы в аустените. Это значит, что при нагреве (даже очень высоком) они могут не перейти в твердый раствор. В этом их отличие от карбидов

I группы, которые при нагреве легко растворяются в аустените.

Рис. 283. Диаграммы изотермического распада аустенита: а — углеродистая (1) и легированная некарбидообразующими элементами (2) стали; б — углеродистая (1) и легированная карбидообразующими элементами (2) стали

Все карбидные фазы обладают высокой температурой плавления и высокой твердостью. Фазы внедрения в этом отношении превосходят карбиды I группы.

Источник

Карбиды — это соединения металлов и неметаллов с углеродом. Обычно в таких соединениях углерод имеет большую электроотрицательность, чем второй элемент, что позволяет исключить из группы оксиды, галогены и другие углеродные соединения.

Это твердые тугоплавкие вещества, нелетучие и нерастворимые. В основном они обладают разнообразными свойствами: некоторые, например, карбид золота, может взорваться при попытке пересыпать его, а некоторые из соединений, например, бора, циркония, титана, кремния и вольфрама, по твердости превосходят алмаз и не поддаются действию кислот и растворителей.

Историческая справка

Первое необычное углеродное соединение, похожее на карбид, было получено в начале XIX века англичанином Дэви. Это был карбид калия. Далее в 1863 году был найден неустойчивый карбид меди, через 15 лет — карбид железа.

Официально соединения «появились» только в конце XIX века — к ним приложил руку француз Анри Муассон. Он получал соединения при помощи вольтовой дуги в электрической печи, которую он сам и придумал. Для этого использовались нагретый до раскаленного состояния древесный уголь, чистые металлы и их оксиды.

Однако за несколько лет до Муассона в метеоритах был обнаружен минерал когенит — смесь карбидов кобальта, железа и никеля. В некотором смысле эта находка помогла ответить на вопрос «Что такое карбиды?».

Свойства соединений

Как и другие элементы, карбиды обладают определенным набором свойств, которые делают их популярным материалом на рынке строительства и машиностроения.

Высокая твердость — в отличие от чистого металла соединения являются наиболее твердыми, что позволяет использовать их в самых разных областях;
Высокая температура плавления — они существенно выше, чем температуры плавления аналогичных металлов;
Устойчивость к коррозиям. Некоторые варианты довольно устойчивы к кислотам и внешним факторам.
Хорошая теплопроводимость и термостойкость, позволяющие использовать смесь и при высоких, и при низких температурах;
Повышенная износоустойчивость не дает деталям из материала испортиться раньше времени.

В зависимости от металла и неметалла элементы обладают разнообразными свойствами, которые меняются в зависимости от начальных данных.

Виды карбидов

Все вещества можно разделить на три группы:

Ковалентные образуют бромом и кремнием; химически инертны, атомы углерода находится в состоянии sp-, sp2-, sp3 -гибридизации. Образуется путем частичного замещения в алмазе атомов углерода на атомы брома и кремния. Обладают прочной межатомной связью, высокими температурой плавления, жаропрочностью, химической инертностью, являются полупроводниками. Карбид брома при этом довольно тверд, может даже поцарапать алмаз. Карбид кремния получается более хрупким, но химически стойким, окисляется при воздействии кислорода только при температуре больше 1000 градусов Цельсия, растворяется в царской водке и концентрированных азотной кислоте и плавиковой.
Солеобразные или ионные — это соединения, образованные металлами I и II групп, а также алюминием, РЗЭ и актиноидами. Их получают непосредственно из элементов или путем восстановления оксидов углерода Обычно они разлагаются водой и кислотами, при этом происходит выделение углеводорода и остается гидроксид металла. Обладают высокой температурой плавления.
Металлоподобные или ионно-ковалентно-металлические — это соединения, которые образуются переходными металлами IV–VII групп, а также никелем, железом и кобальтом; имеют промежуточную химическую активность. В таких соединениях небольшие атомы углерода расположены в пустотах между атомами металлов. Отсюда пошло название карбиды внедрения. Они отличаются высокими прочностью и температурой плавления.

В свою очередь ионные соединения делятся на:

Метаниды — обычно прозрачны, не имеют цвета, в разбавленных кислотах и воде разлагаются и образуют метан. К ним относятся карбид магния, алюминия и бериллия.
Ацетилениды — активно гидролизируются и образуют ацетилен или этин. Наиболее известен карбид кальция.

Применение

Элементы используют, чтобы придать чугуну и разного вида сталям твердость, повысить их износоустойчивость. Карбиды вольфрама и титана, как наиболее твердые и тугоплавкие варианты, применяют для изготовление режущих инструментов, а также для получения сверхтвердых материалов. Благодаря хорошим химическим и физическим свойствам, вещества используют в качестве компонента огнеупорных материалов, стержней сопротивления электронагревательных приборов и в качестве абразивного материала.

Карбид кальция также называют карбидом для сварки. Это идеальное вещество для сварочных работ: при контакте с водой оно выделяет ацетилен — летучий газ, являющийся основой кислородной сварки, металлизации, резки и напайки.

Иначе говоря, при обработке металла соединение вступает в реакцию и начинает выделять огромное количество тепла и ацетилена, который поддерживает горение. Температура при этом может достигать 3150 градусов Цельсия. При работе с веществом необходимо строго придерживаться правил безопасности: правильно хранить смесь, помнить о том, что он легко загорается, стараться не контактировать с ядовитой полью.

Вывод

В зависимости от металла соединения обладают внушительным рядом свойств, которые используют в разных видах производства, в основном, в машиностроении, металлообработке и тому подобных отраслях.

Автор: Николай Иванович Матвеев
Распечатать

Оцените статью:

(4 голоса, среднее: 3.3 из 5)

Источник

Основой большинства современных легированных сталей является феррит, легированный одним или несколькими элементами. Легирование феррита сопровождается его упрочнением.

С достаточной долей точности можно утверждать, что при легировании феррита несколькими элементами их влияние на его упрочнение суммируется:
Влияние легирующих элементов на температуру А

Какие фазы называются карбидами и какими свойствами они обладают

Рис. 6.14. Влияние легирующих элементов на температуру Ау

где С. — концентрация /-го легирующего элемента, растворенного в феррите, % по массе; А. — коэффициент (табл. 6.2) упрочнения феррита, т.е. прирост от при растворении в феррите 1% по массе /-го легирующего элемента.

Таблица 6.2

Значения коэффициента упрочнения феррита

Легирующий элемент	C + N	Р	Si	Ti	A1
к. 1	4670	690	85	80	60
Легирующий элемент	Мп; Сг	Ni	Mo	V	—
к. 1	35-30	30	10	3	—

Наиболее сильно повышают от марганец и кремний, а хром, находящийся в твердом растворе, по данным разных исследователей, снижает или несколько повышает его прочность (рис. 7.4, а). Чем мельче зерно феррита, тем выше его прочность. Все легирующие элементы, за исключением никеля, при содержании их в растворе выше определенного предела снижают ударную вязкость KCU, тре- щиностойкость и повышают порог хладноломкости. Содержание легирующих элементов, выше которого ударная вязкость KCU снижается, а порог хладноломкости повышается: для ванадия и хрома — ~1%, для кремния—0,8%, для марганца—1,5%.

При высоком содержании в стали никеля или марганца аустенит может существовать при комнатной температуре. Он является основой (матрицей) коррозионно-стойких, жаростойких и немагнитных сталей. Аустенит наиболее сильно упрочняют углерод и азот. Легирующие элементы, растворяясь в у-железе, повышают прочность аустенита при нормальной и высокой температурах. Для легированного аустенита характерны низкий предел текучести при сравнительно высоком пределе прочности. Аустенит легко наклепывается при холодном деформировании, он парамагнитен и обладает большим коэффициентом теплового расширения.

По отношению к углероду все легирующие элементы подразделяют на две группы:

1) графитизирующие элементы, находящиеся в твердом растворе (Si; Ni; Си; А1);
2) карбидообразующие элементы (Fe -» Мп —> Cr —> Mo -»W -» —» Nb —> V -> Та —> Ti —> Zr —> Hf).

Карбидообразующие элементы — это переходные металлы с недостроенным до устойчивого (10 электронов) ^-подуровнем. Чем более меньше электронов на af-подуровене, тем легче элемент вступает в соединение с углеродом, заимствуя у него электроны для достройки своего ^-подуровня. Самые слабые карбидообразователи в этом ряду — железо и марганец, а самые сильные — титан, цирконий, гафний. Если легированная сталь содержит несколько карбидообразующих элементов, то в процессе ее выплавки в первую очередь образуются карбиды тех элементов, сродство которых к углероду больше.

Экспериментально установлено, что в сталях могут образовываться следующие карбидные соединения: Fe3C; Мп3С; Сг23С6; Сг7С3; Fe3Mo3C; Fe3W3C (карбиды I группы) и Мо2С; W2C; WC; VC; TiC; NbC; TaC; Ta2C; ZrC (карбиды II группы, фазы внедрения).

В чистом виде вышеперечисленные карбиды в сталях не присутствуют. Они содержат в растворе железо, а при наличии нескольких карбидообразующих — и эти элементы. Например, в хромомарганцовистой стали вместо чистого карбида хрома Сг23С6 образуется карбид (Cr, Mn, Fe)23C6, содержащий в растворе железо и марганец.

Так как карбиды, имеющие одинаковую химическую формулу, взаимно растворяются, то, например, при наличии в стали несколько карбидообразующих элементов образуется один общий карбид, в который на равных условиях входят все элементы. Следовательно, ва1

риантов карбидообразования меньше, чем показано выше. Фактически в сталях можно встретить карбиды шести видов: М3С; М„С6; МуС3; М6С (карбиды I группы) и МС; М2С (карбиды II группы) .

Карбиды, отнесенные к I группе, имеют сложную кристаллическую структуру. При нагреве они сравнительно легко растворяются в аустените.

Особенность строения карбидов II группы как фаз внедрения заключается в том, что они имеют простую кристаллическую решетку и кристаллизуются обычно со значительным дефицитом по углероду. При этом фазы внедрения труднорастворимы в аустените, и при нагреве они могут не перейти в твердый раствор.

При высоком содержании в стали легирующих элементов они образуют с железом или друг с другом интерметаллические соединения. Примером таких соединений могут служить Fe?Mo6, FeyW6, Fe3Nb2, Fe3Ti и др. В хромистых сталях, легированных ванадием, образуется твердая и хрупкая о-фаза, отвечающая соединениям FeCr и FeV.

В сталях Fe-Cr-Mo, Fe-Cr-Ni-Mo может образовываться хрупкая /-фаза состава Fe3CrMo. Присутствие этих фаз отрицательно сказывается на конструктивной прочности, поэтому режимы термической обработки таких сталей нужно выбирать так, чтобы предотвратить образование этих фаз. Нужно особо подчеркнуть, что чаще всего такому дефекту подвержены специальные сложнолегированные авиационные стали.

СТРУКТУРНЫЕ КЛАССЫ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

В условиях равновесия легированные стали по структуре делят на следующие классы: доэвтектоидные стали, содержащие в структуре эвтектоид и легированный феррит, эвтектоидные стали и заэв- тектоидные, структура последних состоит из эвтектоида и избыточных карбидов Ме3С. Все эти стали объединяют в один класс — перлитные стали.

Карбидные стали (ледебуритные) имеют в литом состоянии эвтектику типа ледебурит. Хотя по структуре эти стали больше соответствуют белым чугунам, но относительно небольшое количество углерода (менее 2%) позволяет подвергать их пластической деформации (ковке) и отнести их к сталям ледебуритного класса.

При низком содержании углерода и большом количестве легирующего элемента, ограничивающего область существования аустенита, структура состоит из легированного феррита с небольшим количеством карбидов — сталь ферритного класса. При высоком содержании легирующего элемента, расширяющего область существования аустенита, можно при нормальной температуре получить чисто аустенитную структуру — стали аустенитного класса.

В сталях с частичным превращением Fe—Fe3C можно получить полуферритную или полуаустенитную структуры.

Таким образом, основываясь на фазовом равновесии, легированные стали подразделяют на перлитный, ферритный, аустенитный, полуферритный, полуаустенитный и ледебуритный классы.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что характеризует диаграмма состояния Fe—Fe3C?
2. Какую структуру имеют сплавы с содержанием углерода 0,002—0,02%?
3. Как называются сплавы с содержанием углерода 0,02-0,8%?
4. Что такое графитная эвтектика?
5. Как влияет углерод на свойства стали?
6. Как влияют легирующие элементы на структуру стали?
7. Какие элементы являются для стали карбидообразующими?
8. Какие структурные классы стали вы знаете?

Источник