钢中的碳化物

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Fe Mn C r V Mo W Ti Nb Zr

γc/γM 0.61 0.60 0.61 0.57 0.56 0.55 0.53 0.52 0.48 1、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Mo

2C、W

2

C、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Cr

23C

6

, Mn

23

C

6

, Fe

3

W

3

C, Fe

3

Mo

3

C

(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Ti V Cr Mn Fe Co Ni

3d电子数2345678

第五周期Zr Nb Mo

4d电子数245

第六周期Hf Ta W

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；

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。