เหล็กคาร์ไบด์

แผ่นเหล็กคาร์ไบด์
ชื่อ
ชื่อ IUPAC เหล็กคาร์ไบด์
ชื่ออื่นๆ ซีเมนไทต์
ตัวระบุ
หมายเลข CAS	12011-67-5 วาย
โมเดล 3 มิติ ( JSmol )	ภาพแบบโต้ตอบ
บัตรข้อมูล ECHA	100.031.411
หมายเลข EC	234-566-7
แดชบอร์ด CompTox ( EPA )	DTXSID10894255
อินชิ InChI=1S/C.3Fe รหัส: TXAHJXBWFZQNQY-UHFFFAOYSA-N
รอยยิ้ม [Fe]=[C]=[Fe].[Fe]
คุณสมบัติ
สูตรเคมี	เฟ3ซี
มวลโมลาร์	179.546 กรัม/โมล
รูปร่าง	ผลึกสีเทาเข้มหรือดำ ไม่มีกลิ่น
ความหนาแน่น	7.694 กรัม/ซม³ของแข็ง[ 1 ]
จุดหลอมเหลว	1,227 °C (2,241 °F; 1,500 K) [ 1 ]
ความสามารถในการละลายในน้ำ	ไม่ละลาย
โครงสร้าง[ 2 ]
โครงสร้างผลึก	ออร์โธรอมบิก , oP16
กลุ่มอวกาศ	พีเอ็นเอ็มเอ ฉบับที่ 62
ค่าคงที่แลตติส	a  = 0.509 นาโนเมตร, b  = 0.6478 นาโนเมตร, c  = 0.4523 นาโนเมตร
หน่วยสูตร ( Z )	4
เทอร์โมเคมี[ 3 ]
ความจุความร้อน( C )	105.9 J·mol −1 ·K −1
เอนโทรปีโมลาร์มาตรฐาน( S ⦵ 298 )	104.6 J·mol −1 ·K −1
เอนทาลปีมาตรฐานของการเกิด(Δ f H ⦵ 298 )	25.1 กิโลจูล·โมล−1
พลังงานอิสระของกิบส์(Δ f G ⦵ )	20.1 กิโลจูล·โมล−1
เว้นแต่จะระบุไว้เป็นอย่างอื่น ข้อมูลที่ให้ไว้เป็นข้อมูลสำหรับวัสดุในสภาวะมาตรฐาน (ที่อุณหภูมิ 25 °C [77 °F] ความดัน 100 kPa) ข้อมูลอ้างอิงในกล่องข้อมูล

ซีเมนไทต์ (หรือเหล็กคาร์ไบด์ ) เป็นสารประกอบของเหล็กและคาร์บอนหรือกล่าวให้แม่นยำยิ่งขึ้นคือเป็นคาร์ไบด์ของโลหะทรานซิชัน ระดับกลาง ที่มีสูตร Fe₃C _โดยน้ำหนักประกอบด้วยคาร์บอน 6.67% และเหล็ก 93.3% มีโครงสร้างผลึกแบบออร์โธรอมบิก^{[ 4 ]}เป็นวัสดุที่แข็งและเปราะ^{[ 4 ]}โดยปกติจัดเป็นเซรามิกในรูปบริสุทธิ์ และเป็นส่วนประกอบที่พบได้บ่อยและสำคัญในโลหะวิทยาเหล็กแม้ว่าซีเมนไทต์จะมีอยู่ในเหล็กกล้าส่วนใหญ่^{[ 5 ]}และเหล็กหล่อ แต่ก็ผลิตเป็นวัตถุดิบในกระบวนการผลิตเหล็กคาร์ไบด์ ซึ่งอยู่ในกลุ่มเทคโนโลยีการผลิตเหล็กทางเลือก ชื่อซีเมนไทต์มีที่มาจากทฤษฎีของฟลอริส ออสโมนด์และเจ. เวอร์ธ ซึ่งโครงสร้างของเหล็กที่แข็งตัวประกอบด้วยเนื้อเยื่อเซลล์ชนิดหนึ่ง โดยมีเฟอร์ไรต์เป็นนิวเคลียสและ Fe₃C _เป็นเปลือกของเซลล์ ดังนั้นคาร์ไบด์จึงเชื่อมเหล็ก เข้าด้วยกัน

ในระบบเหล็ก-คาร์บอน (เช่นเหล็กกล้าคาร์บอนธรรมดาและเหล็กหล่อ ) ถือเป็นส่วนประกอบทั่วไป เนื่องจากเฟอร์ไรต์สามารถมีคาร์บอนที่ไม่รวมตัวกันได้มากที่สุด 0.02% โดยน้ำหนัก^{[ 6 ]}ดังนั้น ในเหล็กกล้าคาร์บอนและเหล็กหล่อที่เย็นตัวอย่างช้าๆ คาร์บอนส่วนหนึ่งจึงอยู่ในรูปของซีเมนไทต์^{[ 7 ]}ซีเมนไทต์เกิดขึ้นโดยตรงจากโลหะหลอมเหลวในกรณีของเหล็กหล่อขาวในเหล็กกล้า คาร์บอน ซีเมนไทต์ จะตกตะกอนจากออสเทนไนต์เมื่อออสเทนไนต์เปลี่ยนเป็นเฟอร์ไรต์ในระหว่างการเย็นตัวอย่างช้าๆ หรือจากมาร์เทนไซต์ในระหว่างการอบคืนตัวการผสมผสานอย่างใกล้ชิดกับเฟอร์ไรต์ ซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์อีกอย่างหนึ่งของออสเทนไนต์ จะก่อให้เกิดโครงสร้างแบบแผ่นที่เรียกว่าเพิร์ลไลต์

แม้ว่าซีเมนไทต์จะไม่เสถียรทางอุณหพลศาสตร์ และจะเปลี่ยนไปเป็นออสเทนไนต์ (ระดับคาร์บอนต่ำ) และกราไฟต์ (ระดับคาร์บอนสูง) ที่อุณหภูมิสูงขึ้น แต่จะไม่สลายตัวเมื่อได้รับความร้อนที่อุณหภูมิต่ำกว่า อุณหภูมิ ยูเทคทอยด์ (723 °C) ในแผนภาพเฟสเหล็ก-คาร์บอนที่ไม่เสถียร

คุณสมบัติทางกลมีดังนี้: ความแข็งระดับไมโครที่อุณหภูมิห้อง 760–1350 HV; ความแข็งแรงดัด 4.6–8 GPa, โมดูลัสของยัง 160–180 GPa, ความเหนียวแตกหักจากการกด 1.5–2.7 MPa√m ^{[ 8 ]}

ลักษณะทางสัณฐานวิทยาของซีเมนต์ไทต์มีบทบาทสำคัญในจลนศาสตร์ของการเปลี่ยนแปลงเฟสในเหล็ก อุณหภูมิการม้วนและอัตราการเย็นตัวมีผลอย่างมากต่อการก่อตัวของซีเมนต์ไทต์ ที่อุณหภูมิการม้วนต่ำ ซีเมนต์ไทต์จะก่อตัวเป็นกลุ่มเพิร์ลไลต์ละเอียด ในขณะที่ที่อุณหภูมิสูงขึ้น ซีเมนต์ไทต์จะตกตะกอนเป็นอนุภาคหยาบที่ขอบเกรน ความแตกต่างทางสัณฐานวิทยานี้ส่งผลต่ออัตราการก่อตัวและการสลายตัวของออสเทนไนต์ โดยซีเมนต์ไทต์ละเอียดจะส่งเสริมการเปลี่ยนแปลงที่เร็วขึ้นเนื่องจากมีพื้นที่ผิวเพิ่มขึ้นและความใกล้ชิดของส่วนต่อประสานคาร์ไบด์-เฟอร์ไรต์ นอกจากนี้ จลนศาสตร์การละลายของซีเมนต์ไทต์ระหว่างการอบอ่อนจะช้าลงสำหรับคาร์ไบด์หยาบ ซึ่งส่งผลกระทบต่อวิวัฒนาการของโครงสร้างจุลภาคในระหว่างการอบชุบความร้อน^{[ 9 ]}

ซีเมนไทต์จะเปลี่ยนจากเฟอร์โรแมกเนติกเป็นพาราแมกเนติกเมื่อได้รับความร้อนจนถึงอุณหภูมิคิวรีประมาณ 480 K (207 °C) ^{[ 10 ]}

เหล็กคาร์ไบด์ธรรมชาติ (ประกอบด้วยนิกเกลและโคบอลต์ในปริมาณเล็กน้อย) พบได้ในอุกกาบาตเหล็กและเรียกว่าโคเฮนไนต์ตามชื่อของนักแร่ชาวเยอรมันเอมิล โคเฮนซึ่งเป็นผู้บรรยายถึงมันเป็นครั้งแรก^{[ 11 ]}

มี คาร์ไบด์เหล็กชนิด เมตาเสถียร รูปแบบอื่นๆ ที่ได้รับการระบุในเหล็กกล้าอบชุบและในกระบวนการ Fischer–Tropsch ทางอุตสาหกรรม ซึ่งรวมถึง คาร์ไบ ด์เอปซิลอน (ε) Fe _{2–3 C} แบบหกเหลี่ยมอัดแน่นตกตะกอนในเหล็กกล้าคาร์บอนธรรมดาที่มีปริมาณคาร์บอน > 0.2% อบชุบที่อุณหภูมิ 100–200 °C คาร์ไบด์ ε ที่ไม่เป็นไปตามสัดส่วนจะละลายที่อุณหภูมิสูงกว่า ~200 °C ซึ่งเป็นจุดเริ่มต้นของการก่อตัวของคาร์ไบด์แฮกก์และซีเมนต์ไทต์คาร์ไบด์แฮกก์ Fe 5 _C 2 _แบบ โมโนคลินิก ตกตะกอนในเหล็กกล้าเครื่องมือ ชุบแข็ง ที่อบชุบที่อุณหภูมิ 200–300 °C ^{[ 12 ] [ 13 ]}นอกจากนี้ยังพบได้ตามธรรมชาติในรูปของแร่EdscottiteในอุกกาบาตWedderburn ^{[ 14 ]}

• เฮนส์, วิลเลียม เอ็ม., บรรณาธิการ (2016). คู่มือเคมีและฟิสิกส์ CRC (ฉบับที่ 97). สำนักพิมพ์ CRC . ISBN 9781498754293.
• Smith, William F.; Hashemi, Javad (2006). พื้นฐานของวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมวัสดุ (ฉบับที่ 4). McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-295358-9.

• โครงสร้างผลึกของซีเมนไทต์ที่ NRL
• ฮอลสเตดท์, เบงต์; ยอโรวิช, เดยัน; ฟอน อัพเพน, ยอร์ก; ดรอนสโคฟสกี้, ริชาร์ด; ดิ๊ก, อเล็กซ์; คอร์มันน์, ฟริตซ์; ฮิคเคล, ทิลมันน์; Neugebauer, Jörg (มีนาคม 2010) "สมบัติทางอุณหพลศาสตร์ของซีเมนไทต์ (Fe ₃ C)" คาลพัด . 34 (1): 129– 133. ดอย : 10.1016/j.calphad.2010.01.004 .
• Le Caer, G.; Dubois, JM; Pijolat, M.; Perrichon, V.; Bussiere, P. (พฤศจิกายน 1982). "การจำแนกลักษณะโดยสเปกโทรสโกปี Moessbauer ของเหล็กคาร์ไบด์ที่เกิดขึ้นจากการสังเคราะห์ Fischer–Tropsch" วารสารเคมีฟิสิกส์ 86 ( 24): 4799– 4808. doi : 10.1021/j100221a030 .
• Bauer-Grosse, E.; Frantz, C.; Le Caer, G.; Heiman, N. (มิถุนายน 1981). "การก่อตัวของคาร์ไบด์ชนิด Fe ₇ C ₃และ Fe ₅ C ₂ที่ไม่เสถียรระหว่างการตกผลึกของโลหะผสมอสัณฐาน Fe ₇₅ C ₂₅ ". Journal of Non-Crystalline Solids . 44 ( 2– 3): 277– 286. Bibcode : 1981JNCS...44..277B . doi : 10.1016/0022-3093(81)90030-2 .