Карбиды и нитриды металлов IV, V групп – это фазы внедрения

Исходя из геометрических соображений считается, что фазы внедрения образуются, если отношение атомного радиуса неметалла (r_Н) к атомному радиусу металла (r_Ме) равно или менее 0,59 (r_Н/r_Ме0,59).

Такое же соотношение характерно и для твердых растворов внедрения, но при образовании твердых растворов внедрения сохраняется кристаллическая решетка растворителя, а атомы растворенного вещества располагаются в ней, изменяя параметр решетки. Когда же образуется фаза внедрения, то создается совершенно новая кристаллическая решетка и сильно меняются свойства. Все фазы внедрения обладают очень высокой теплотой образования, что свидетельствует о высокой энергии межатомного взаимодействия. Поэтому они характеризуются высокой твердостью, растворяются в аустените при высоких температурах, а некоторые вообще не растворяются. Это используется на практике. Чтобы затруднить рост зерна аустенита при нагреве сталь легируют элементами (V, Nb, Zr, Ti), образующими карбиды и нитриды, трудно растворимые в аустените, которые блокируют границы зерен, затрудняя их миграцию. От стойкости карбидов, определяемой прочностью межатомной связи в их решетке, зависят условия их выделения и коагуляции при отпуске закаленной стали.

Карбиды и нитриды металлов VI группы

Переходые металлы этой группы (Cr, Мо, W) образуют по 2-3 карбида с различной сложной кристаллической структурой. Хром в зависимости от содержания его в стали может образовывать несколько карбидов. При содержании в стали менее 3 % хром образует карбид цементитного типа (Fe,Cr)₃C со сложной ромбической решеткой. От цементита он отличается тем, что часть атомов хрома в решетке несколько повышает температуру растворения карбида и затрудняет его коагуляцию, но основные характеристики близки к характеристикам цементита. При содержании стали 3-4 % хрома может образовываться карбид (Fe,Cr)₇C₃со сложной гексагональной кристаллической решеткой с 80 атомами на одну элементарную ячейку (56 атомов металла и 24 атома углерода).

В сталях этот карбид может содержать от 30 до 50 % Сr, т.е. его формула должна быть в пределах Fе₄Сr₃С₃и Fe₂Cr₅C₃. Обычно такой карбид обозначают (Fe,Cr)₇C₃или Ме₇С₃.

Карбид Сr₂₃С₆образуется в высоколегированных хромистых сталях при высоком содержании хрома (выше 5...8 %). Он имеет сложную г.ц.к. решетку, элементарная ячейка которой содержит 116 атомов, в том числе металла 92 атома и углерода 24. В сталях этот карбид в чистом виде не встречается, а часть атомов металла в нем будет замещаться элементами, входящими в состав стали (Fe, Mo, W), тогда карбид можно записать в сложной форме (Fe,Cr,Mo,W)₂₃C₆. При отпуске карбиды хрома могут усложняться даже при малом содержании хрома: (Fe,Cr)₃С(Fe,Cr)₇C₃(Fe,Cr)₂₃C₆по мере диффузии хрома в карбид. При этом изменяется кристаллическая решетка карбида и свойства. Такой процесс образования карбидов называется «на месте». В карбиде (Fe,Cr)₃С может содержаться до 20 % хрома.

Нитрид CrN образуется в сталях с азотом (аустенитные нержавеющие), имеет г.ц.к. решетку типа NaCl, аналогичную решетке нитридов IV и V групп и соответственно подобные им свойства.

Вольфрам и молибден в небольшом количестве могут растворяться в цементите, замещая атомы железа. Растворимость молибдена и вольфрама в цементите мала, так как более крупные по сравнению с хромом атомы этих элементов способны лишь к неустойчивому замещению атомов железа. Чаще всего эти элементы образуют свои карбиды МоС, Мо₂С, WC, W₂C, а также могут входить в комплексный карбид Ме₆С (η-карбид), который имеет сложную растянутую гранецентированную кубическую решетку, элементарная ячейка которой содержит 112 атомов, из них 96 атомов металла и 16 углерода. Обычно η-карбид образуется в высоколегированных быстрорежущих сталях с высоким содержанием молибдена и вольфрама. В сложнолегированных сталях атомы металла могут замещаться различными легирующими элементами (Me-W, Mo, Cr, Mn, Fe, Co и др.), поэтому они чаще обозначаются как Ме₆С, а в более конкретных случаях, например, (W, Mo, Fe)₆C.

Карбиды WC и МоС и карбиды W₂C и Мо₂С имеют соответственно простую и плотноупакованную гексагональные решетки. Область гомогенности этих карбидов невелика, они могут взаимно растворяться. Особо важное значение эти карбиды имеют в быстрорежущих сталях.

Вольфрам и молибден образуют нитриды W₂N и Mo₂N.