Глава V – КАРБИДЫ И НИТРИДЫ

Основными фазами-упрочнителями в сталях являются кар­биды, нитриды и комплексные соединения на их основе — карбонитриды. Физическая природа и свойства этих фаз во многом определяют их поведение в стали.

^Pil

Sr ^ I § ^

Ss §

I

^ ч.

«о

X 4=

J? ^

>1

Il Il

Ч я

Il ‘И

О

E

S

И

U-

А

1

FlfO

О

"<

IM _

S ф

?0

^ ^ с; ч И ? <Ш О

? f

?

Г И Sj

О

А Ч

ЛИ ?

И $

?

?

?

?

S

¦4

А

Z

С-З

В

<

H

F-J

Q

I

Ё 5

P

Ci Iri о.

<5&

I

AS I

1

1Ss

G

•а

I

?

?

? ?

I

I

? ?

Муле карбидов и нитридов, образуемых этими элементами в сталях.[4]

Прочность связи в карбидах и нитридах между атома­ми металла и неметалла (межатомные силы взаимодей­ствия) определяется строением s – и d-электронных оболо­чек. Для d-переходных металлов характерна (по Полин – гу) «гибридизация» электронов между d – и s-орбиталями, т. е. взаимопереходы электронов с одного уровня на дру­гой. Незавершенность строения этих электронных оболо­чек способствует тому, что эти металлы восприимчивы к приобретению электронов из других источников. Такими источниками — донорами электронов для переходных ме­таллов становятся атомы внедрения углерода и азота, име­ющие соответственно четыре или три электрона. Эти элект­роны усиливают «гибридизацию» и увеличивают связь металл Me — неметалл X: Me — XB каждом периоде при увеличении атомного номера d-переходного металла (сле­ва направо, например, от Ti к Ni) увеличивается запол­ненность электронных оболочек металла и, следовательно, силы связи или прочность связи Me — X будет умень­шаться.

Прочность связи между атомами металла и неметалла в карбидах и нитридах характеризуют теплотой образова­ния Д#298к, кДж/(г-атом) и свободной энергией образова­ния (AG298 k. кДж/(г-атом) фаз, температурой их плавле­ния и структурно-нечувствительными упругими свойства­ми (табл. 1). Наиболее высокие значения из указанных свойств имеют карбиды и нитриды элементов IV и V групп. По мере увеличения номера группы свойства изменяются в сторону уменьшения прочности связи атомов в карбиде и нитриде или, как говорят, прочности или стойкости карби­дов и нитридов.

Следовательно, переходные металлы по их сродству к • углероду и азоту, прочности и стойкости карбидов и нит­ридов, их устойчивости к распаду можно расположить в следующий убывающий ряд: Hf, Zr, Ti, Та, Nb, V, W, Mo, Cr, Mn, Fe.

При образовании фаз внедрения ионизации атомов в карбидах и нитридах не наблюдается, между атомами со-

Таблица 1. Некоторые свойства карбидов и нитридов

Фаза

Группа

ЛЯ298 К

^298 К

HV, МПа.

Карбиды

TiC

IV

3140

—183,6

—180,0

29

ZrC

3550

—184,6

—181,3

27

HfC

—226,9

VC

V

2830

—83,7

—83,7

24

NbC

3480

—140,6

— 139,2

TaC

3880

—161,2

— 159,5

18

Cr1C3

VI

1665

-26,4

—26,0

16

Cr23C6

1580

-17,9

—18,4

10

MoC

—10,0

‘ ¦—

Mo2C

2410

—22,8

—23,5

14,79

WC

2755

—35,2

—35,2

20,85

W2C

2800

—23,0

—24,5

14,5

Mn3C

VII

1520

—5,0

Mn23C6

1010

-0,15

Fe3C

VIII

1650

+8,3

+6,6

8,4

Нитриды

TiN

IV

2950

—336,8

—308,2

19

ZrN

2980

—365,4

—337,0

15,1

HfN

—369,4

—340,0

VN

V

2050

—175,8

—157,8

15,2

NbN

2050

—237,8 •

—209,3

13,69

TaN

3090

—251,2

—222,7

10,6

CrN

VI

1450

—118,0

—85,8

10,83

Mo2N

895

—69,5

—50,2

W2N

—35,6

—23,0

Fe4N

VIII

—¦

-4,6

+7,3

Храняется металлический характер связи и эти фазы об­ладают металлическими свойствами.

Анализ данных рис. 29 показывает, что кристалличес­кие решетки карбидов и нитридов во всех случаях отлича­ются от кристаллических решеток соответствующих пере­ходных металлов, при этом можно отметить ряд закономер­ностей.

Для чистых переходных металлов при движении вдоль периода слева направо (от Ti к Ni), т. е. по мере заполне­ния внешних d – и s-электронных оболочек, происходит пе­реход от о. д. к. решетки к г. д. к. и г. п. у. решетке. Кар­биды и нитриды металлов IV и V групп имеют простые г. д. к. решетки типа NaCl1 у карбидов и нитридов VI пе­риода преобладают гексагональные решетки. Карбид хро­ма Сг2зС6, все карбиды марганца и железа (VII—VIII груп­пы) имеют сложные гранецентрированные, гексагональные и ромбические решетки.

^ k —ft OXOXO

С<——Y————– 1 XOXOX

О ! ¦ * 1 о 1 OXOXO

Следовательно, по мере движения слева направо наблю­дается тенденция к усложнению решетки и многообразию форм карбидов и нитридов.