钢中的碳化物

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1、第二节钢中的碳化物一、一般特点：   碳化物是钢中的重要组成相之一，碳化物的类型、数量、大小、形状及分布对钢的性能有极重要的影响。 碳化物具有高硬度和脆性，并具有高熔点。这表明它具有共价键特点；   碳化物具有正的电阻温度系数，具有导电特性。这表明它具有金属键特点；碳化物具有金属键和共价键的特点，以金属键占优。二、碳化物的结构   过渡族金属的碳化物中，金属原子和碳原子可形成简单点阵或复杂点阵结构，金属原子处于点阵结点上，而尺寸较小的碳原子在点阵的间隙位置。   如果金属原子间的间隙足够大，可以容纳碳原子时，碳化物就可以形成简单密排结构。   若这种间隙

2、还不足容纳碳原子时，就得到比简单结构稍有变形的复杂密排结构。   因此过渡族金属的原子半径(γM)和碳原子半径(γC)的比值(γC/γM)决定了可以形成简单密排还是复杂结构的碳化物。金属元素的γC/γM值如下：金属FeMnCrVMoWTiNbZrγc/γM0.610.600.610.570.560.550.530.520.481、当γC/γM<0.59时，形成简单点阵的碳化物(1)形成NaCl型简单立方点阵的碳化物。   如VC、NbC、TiC、ZrC等，这种MeC相不具备严格的化学计算成分和化学式，一般形式将是MeC，其中0.5≤C≤1。碳化物中碳浓度

3、的下降使碳化物硬度下降，点阵常数减小。(2)形成六方点阵的碳化物如Mo2C、W2C、MoC、WC。2、当γC/γM>0.59,形成复杂点阵的碳化物(1)复杂立方点阵如Cr23C6,Mn23C6,Fe3W3C,Fe3Mo3C(2)复杂六方点阵如Cr7C3，Mn7C3；(3)正交晶系点阵如Fe3C，Mn3C。三、碳化物的稳定性   钢中各种碳化物的相对稳定性，对于其形成和转变、溶解、析出和聚集、长大有着极大的影响。   碳化物在钢中的相对稳定性取决于合金元素与碳的亲和力的大小，即取决于合金元素d层电子数。   金属元素的d层电子数越少，它与碳的亲和力就越

4、大，所析出的碳化物在钢中就越稳定。         下面给出部分合金元素的d层电子数第四周期TiVCrMnFeCoNi3d电子数2345678第五周期ZrNbMo    4d电子数245    第六周期HfTaW    5d电子数234     从第四周期合金元素来看：   与碳的亲和力钛>钒>铬>锰,而钴和镍的3d层电子数比铁多，与碳的亲和力比铁弱，故在钢中不形成碳化物。 在钢中碳化物相对稳定性的顺序如下：  Hf>Zr>Ti>Ta>Nb>V>W>Mo>Cr>Mn>Fe>Co>Ni   铪、锆、钛、铌、钒是强碳化物形成元素，形成最稳定的MC型碳化物； 

5、钨、钼、铬是中等强碳化物形成元素； 锰、铁是弱碳化物形成元素。 合金碳化物在钢中的行为与其自身的稳定性有关，   强碳化物形成元素它所形成的碳化物比较稳定，其溶解温度较高，溶解速度较慢，析出和聚集长大速度也较低。   弱碳化物形成元素的碳化物稳定性较差，很容易溶解和析出，并有较大的聚集长大速度。碳化物的稳定性可由下式来归纳表示：合金元素种类d层电子数稳定性溶解温度溶解速度聚集长大速度强碳化物元素较少较好较高较慢较慢弱碳化物元素较多较差较低较快较快四、碳化物的相互溶解   钢中往往同时存在着多种碳化物形成元素，在一种碳化物中可溶解其它元素，形成含有多种合金

6、元素的复合碳化物。各种碳化物之间可以完全溶解或部分溶解。 影响不同类型碳化物溶解度的因素是：(1)碳化物的点阵类型；(2)合金元素的尺寸因素；(3)合金元素的电化学因素。1.完全互溶 各种碳化物具有相同的点阵类型， 碳化物中的金属原子的外层价电子结构相近，原子半径差<8-10%，这些碳化物彼此能够完全互溶，（即碳化物中的金属原子可以任意彼此互相置换）。例如：(1)Mn3C-Fe3C-(Fe,Mn)3C(2)VC-TaC-NbC-(V,Nb,Ta)C(3)Mo2C-W2C(4)Fe3W3C-Fe3Mo3C-Fe3(W,Mo)3C2.有限溶解： 如果三个因

7、素中任意一个不合适，则碳化物之间就形成有限溶解。例如：(1)Fe3C中可溶解<28%Cr,<14%Mo,<2%W,<3%V,形成合金渗碳体。(2)(Fe,Cr)3C中铬含量超过28%，则合金渗碳体转换形成以铬为主的碳化物(Cr,Fe)7C3。(3)Cr23C6→(Cr,Fe,Ni,Mn,W,Mo)23C6(4)W2C-W0.5Cr1.5C各种碳化物的互溶影响了它们各自的稳定性。强碳化物形成元素溶解于弱碳化物中，可提高弱碳化物的稳定性；反之，则降低强碳化物的稳定性。