Карбиды и нитриды в сталях.

Основными упрочняющими фазами в сталях являются карбиды, нитриды и карбонитриды.

Они относятся к фазам внедрения и образуются при взаимодействии d-переходных металлов с углеродом или азотом.

Прочность связи в карбидах и нитридах между атомами металла и неметалла определяется строением s- и d-электронных оболочек. Для d-переходных металлов характерны взаимопереходы электронов между s- и d-орбиталями, т.н. гибридизация.

Незавершенность строения этих электронных оболочек способствует тому, что эти металлы восприимчивык приобретению электронов из других источников. Такими источниками являются атомы внедрения углерода и азота, имеющие соответственно 4 или 3 электрона. Эти электроны усиливают гибридизацию и увеличивают связь металл Ме-неметалл Х. В каждом периоде при увеличении атомного номера d-переходного металла увеличивается заполненность электронных оболочек металла и, следовательно, прочность связи Ме-Х будет уменьшаться.

Наиболее высокие свойства имеют карбиды и нитриды IV и V групп. Переходные металлы по их сродству к углероду и азоту, прочность и стойкости карбидов и нитридов, их устойчивости к распаду располагаются в следующей последовательности: Hf, Zr, Ti, Ta, Nb, V, W, Mo, Cr, Mn, Fe.

При образовании фаз внедрения ионизации атомов в карбидах и нитридах не наблюдается, между атомами сохраняется металлический характер связи и эти фазы обладают металлическими свойствами.

Кристаллические решетки карбидов и нитридов отличаются от кристаллических решеток соответствующих металлов. При этом при движении вдоль периода слева направо (от Ti к Ni) наблюдается тенденция к усложнению решетки и многообразию форм карбидов и нитридов.

Металлы IV-V групп образуют монокарбиды, мононитриды типа МеС (МеN) с ГЦК решеткой типа NaCl. Эта решетка представляет собой две ГЦК подрешетки: металлическую и неметаллическую, которые как бы вставлены одна в другую со смещением на половину параметра (рисунок слева). Атомы углерода заполняют октаэдрические поры. Некоторые поры остаются вакантными. Поэтому фазы МеС не имеют строго стехиометрического состава и формулы в общем виде имеют вид МеС_х, где _х1. Такие фазы имеют область гомогенности, т.е. их кристаллическая решетка и тип фазы сохраняются в определенной области концентраций, отличающейся от стехиометрического состава. Например: TiC_1,0…0,28; ZrC_1,0…0,28; VC_0,96…0,75; TiN_1,2…0,38; ZrN_1,0…0,55 и т.д.

Вакантные места в решетке таких соединений могут быть заняты другими атомами внедрения (в частности кислородом). В этих случаях карбиды и нитриды будут комплексными соединения – карбооксидами, оксинитридами.

Почти все монокарбиды и мононитриды образуют друг с другом неограниченные твердые растворы, поэтому в сталях обнаруживается формирование комплексных карбонитридных фаз. Карбонитриды обозначаются формулой, в которую входят все элементы, входящие в состав: V(C, N), а если известно соотношение между углеродом и азотом, то V(C_0,6N_0,4).

Переходные металлы VI-VIII групп образуют в стали по 2…3 карбида с различной сложной кристаллической структурой. Карбиды WC и MoC и карбиды W₂C и Mo₂C имеют соответственно простую и плотноупакованную гексагональные решетки. Область гомогенности этих карбидов невелика, они могут взаимно растворяться. Наиболее важное значение эти карбиды имеют в быстрорежущих сталях.

Карбид Cr₇C₃ образуется обычно в конструкционных сталях с содержанием хрома до 3…4%. Этот карбид имеет сложную гексагональную решетку с 80 атомами на одну элементарную ячейку (56 атомов Ме и 24 атома С). В сталях этот карбид может содержать от 30 до 50% Cr. Его обозначают Fe₄Cr₃C₃ или Me₇C₃.

Карбид Cr₂₃C₆ образуется в высоколегированных хромистых сталях при высоком содержании хрома – выше 5…8%. Он имеет сложную ГЦК решетку, элементарная ячейка которой содержит 116 атомов, в том числе металла 92 и углерода 24. В сталях карбид Cr₂₃C₆ в чистом виде не встречается, а часть атомов металла в нем замещается легирующими элементами (Fe, Mo, W).

Карбиды железа относятся к наименее стойким по сравнению с карбидами легирующих элементов. Основной карбид железа – цементит, промежуточные карбиды в сталях - -карбид, иногда - и -карбиды. Цементит имеет сложную ромбическую решетку, элементарная ячейка которой содержит 96 атомов (Fe – 72, С – 24). Атомы железа в цементите могут замещаться атомами некоторых легирующих элементов: марганца, хрома, которые повышают устойчивость цементита в стали.

Нитрид CrN образуется в сталях с азотом (аустенитные нержавеющие), имеет ГЦК решетку типа NaCl, аналогичную решетке нитридов IVи V групп.