Цементит

Химические свойства

Серый, относительно твёрдый, термически устойчивый. Не реагирует с водой, щелочами, гидратом аммиака.

разлагается при температуре выше 1650 °C:

Fe3C →>1650oC3Fe+C{\displaystyle {\mathsf {Fe_{3}C\ {\xrightarrow {>1650^{o}C}}3Fe+C}}}

Разлагается кислотами (конц.):

Fe3C+6HCl →3FeCl2+C↓+3H2↑{\displaystyle {\mathsf {Fe_{3}C+6HCl\ {\xrightarrow {}}3FeCl_{2}+C{\downarrow }+3H_{2}{\uparrow }}}}

Fe3C+22HNO3 →3Fe(NO3)3+CO2↑++13NO2↑+11H2O{\displaystyle {\mathsf {Fe_{3}C+22HNO_{3}\ {\xrightarrow {}}3Fe(NO_{3})_{3}+CO_{2}{\uparrow }++13NO_{2}{\uparrow }+11H_{2}O}}}

Реагирует с кислородом:

Fe3C+3O2 →600−700oCFe3O4+CO2{\displaystyle {\mathsf {Fe_{3}C+3O_{2}\ {\xrightarrow {600-700^{o}C}}Fe_{3}O_{4}+CO_{2}}}}

4Fe3C+Fe3O4 →1000−1100oC15Fe+4CO{\displaystyle {\mathsf {4Fe_{3}C+Fe_{3}O_{4}\ {\xrightarrow {1000-1100^{o}C}}15Fe+4CO}}}

Описание

Концентрация углерода в цементите — 6,67% по массе — предельная для железоуглеродистых сплавов. Цементит — метастабильная фаза; образование стабильной фазы — графита во многих случаях затруднено. Цементит имеет орторомбическую кристаллическую решётку, очень твёрд и хрупок, слабо магнитен до 210 °C.

В зависимости от условий кристаллизации и последующей обработки цементит может иметь различную форму — равноосных зёрен, сетки по границам зёрен, пластин, а также видманштеттову структуру.

Цементит в разных количествах, в зависимости от концентрации, присутствует в железоуглеродистых сплавах уже при малых содержаниях углерода. Формируется в процессе кристаллизации из расплава чугуна. В сталях выделяется при охлаждении аустенита или при нагреве мартенсита. Цементит является фазовой и структурной составляющей железоуглеродистых сплавов, составной частью ледебурита, перлита, сорбита и троостита.
Цементит — представитель так называемых фаз внедрения, соединений переходных металлов с лёгкими металлоидами. В фазах внедрения велики доля как ковалентной, так и металлической связи.

Твёрдость по Бринеллю больше 800 кг/мм2.
Первичный цементит кристаллизуется из жидкого сплава
Вторичный цементит — из аустенита
Третичный цементит — из феррита

Диаграмма состояния

Линия
ABCD
является ликвидусом системы, линия
AHJECF
—
солидусом.

Так как железо,
кроме того, что образует с углеродом
химическое соединение Fe₃C,
имеет две аллотропические формы α и γ,
то в системе существуют следующие фазы:

жидкость
(жидкий раствор углерода в железе),
существующая выше линии ликвидус,
обозначаемая везде буквой L;

цементит
Fe₃C
—
линия DFKL,
обозначаемая в дальнейшем химической
формулой или буквой Ц;

феррит
— структурная составляющая, представляющая
собой α-железо,
которое в незначительном количестве
растворяет углерод; обозначается буквой
Ф, α
или α-Fe.
Область феррита в системе
железо
— углерод расположена левее линии GPQ
и AHN;

аустенит
— структура, представляющая собой твердый
раствор углерода в γ-железе. Область
аустенита на диаграмме — NJESG.
Обозначается аустенит А,
или γ-Fe.

Три
горизонтальные линии на диаграмме (HJB,
ECF
и PSK)
указывают на протекание трех нонвариантных
реакций.

При
1499 °С (линия HJB)
протекает перитектическая реакция:

В
результате перитектической реакции
образуется аустенит. Реакция эта
наблюдается только у сплавов, содержащих
углерода от 0,1 до 0,5%. При 1147 °С (горизонталь
ECF)
протекает
эвтектическая реакция:

В
результате этой реакции образуется
эвтектическая смесь. Эвтектическая
смесь аустенита и цементита называется
ледебуритом
(немецкий ученый Ледебур)

Реакция
эта происходит у всех сплавов системы,
содержащих углерода более 2,14 %.

При
727 °С (горизонталь PSK)
протекает эвтектоидная реакция

Продуктом
превращения является эктектоидная
смесь. Эвтектоидная смесь феррита и
цементита называется перлитом,
имеет
вид перламутра, почему эта структура и
получила такое название.

У
всех сплавов, содержащих свыше 0,02 %
углерода, т. е. практически у всех
промышленных железоуглеродистых
сплавов, происходит перлитное
(эвтектоидное) превращение.

Различают
три группы сталей: эвтектоидные,
содержащие около 0,8%С, структура которых
состоит только из перлита; доэвтектоидные,
содержащие меньше 0,8 % С. структура
котопых состоит из феррита и перлита,
и заэвтектоидные,
содержащие от
0,8
до 2,14 %С, структура которых состоит из
перлита и цементита.

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.

Термическая обработка Общие положения термической обработки

Термическая
обработка состоит в том, чтобы нагревом
до определенной температуры и последующим
охлаждением вызвать желаемое изменение
структуры металла.

Основные факторы
воздействия при термической обработке
— температура и время, поэтому режим
любой термической обработки можно
представить графиком в координатах t
(температура)— 
(время).

Режим термической
обработки характеризуют следующие
основные параметры:

— температура
нагрева t_max,
т.е. максимальная температура, до которой
был нагрет сплав при термической
обработке;

— время выдержки
сплава при температуре нагрева _в,;

— скорость нагрева
V_нагр;

— скорость
охлаждения V_охл.

Если нагрев (или
охлаждение) происходит с постоянной
скоростью, то это в координатах температура
— время
характеризуется прямой линией с
определенным, постоянным углом наклона.

Термическая
обработка может быть сложной, состоящей
из многочисленных нагревов, прерывистого
или ступенчатого нагрева (охлаждения),
охлаждения в область отрицательных
температур и т. д. Такая термическая
обработка может быть изображена в
координатах
температура — время.

Графиком
температура — время может быть
охарактеризован любой процесс термической
обработки.

Свободный цементит

Свободный цементит ( Fe3C), который образуется при недостаточном количестве кремния, слишком большом содержаний марганца и серы.

Химический состав и характеристика пористых подшипников на бронзовой и железной основе.

Структурно свободный цементит нежелателен.

Структурно свободный цементит, X 500: а — до деформации, 6 — после деформации.

Разложение структурно свободного цементита достигается при нагреве и выдержке отливки выше критического интервала; температура нагрева и длительность выдержки зависят от состава белого чугуна по содержанию углерода ( фиг.

Количество структурно свободного цементита. Включения структурно свободного цементита, расположенные по границам зерен феррита ( фиг. Скоагулированные и расположенные внутри зерен феррита включения структурно свободного цементита менее опасны. Шкала построена по возрастанию размеров включений цементита и по развитию распределения его в виде сетки или цепочки.

Частицы структурно свободного цементита должны быть мелкими, по возможности равномерно рассеянными ( фиг. Мелкие частички цементита получаются при пониженных температурах смотки горячекатаной полосы в рулон, а крупные — при высоких, когда они успевают не — только выделиться из твердого раствора в феррите, но и достигнуть крупных размеров вследствие коагуляции и роста.

Количество структурно свободного цементита в стали определяется баллами по эталонным образцам микроструктур.

Кроме структурно свободного цементита, на границах ферритных зерен имеется еще третичный цементит. Помешать его выделению при конечной термической обработке нельзя, так как для этого листы для глубокой вытяжки нужно охлаждать медленно.

Не допускается структурно свободный цементит. Эвтектический графит и феррит допускаются в виде отдельных мелких включений в количестве не более 5 % площади шлифа для каждого включения. Излом отливки должен иметь однородное мелкозернистое строение с матовым оттенком.

SE) имеющийся в ней свободный цементит до конца растворится в аустените и структура станет однородной.

В доэвтектоидных сталях нет структурно свободного цементита.

В) Чугуны со структурно свободным цементитом относятся к белым чугунам. Феррит в них может появиться в результате отжига, но такой чугун не относится к ферритным.

В низкоуглеродистой стали не допускается структурно свободный цементит. Он образуется в результате замедленного охлаждения после прокатки или термической обработки и, располагаясь по границам зерен, резко снижает пластические свойства. Это вызывает большой брак при холодной высадке.

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.

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.