Sementiitti
Sementiitti eli rautakarbidi on raudan ja hiilen muodostama välisijayhdiste, jonka kemiallinen kaava on Fe3C. Sen massasta on 6,67 % hiiltä ja 93,3 % rautaa. Sillä on ortorombinen kiderakenne.[2] Sementiitti on kovaa mutta haurasta ainetta,[2], joka puhtaana luokitellaan yleensä keraamiksi, mutta suurempi merkitys sillä on raudan metallurgiassa. Useimmat teräkset ja valuraudat sisältävät sementiittiä.[3] Eniten sitä on valkoisessa valuraudassa, jossa kaikki hiili on sementiittinä.[4][5]
| Sementiitti | |
|---|---|
 |
|
| Tunnisteet | |
| IUPAC-nimi | Trirautakarbidi |
| Muut nimet | Rautakarbidi, sementiitti |
| CAS-numero | |
| PubChem CID | |
| Ominaisuudet | |
| Molekyylikaava | Fe3C |
| Moolimassa | 179,55 g/mol |
| Ulkomuoto | tummanharmaata kiinteää ja kovaa ainetta |
| Sulamispiste | 1 250 °C (1 523 K)[1] |
| Tiheys | 7,69 g/cm3[1] |
| Liukoisuus veteen | g/100 ml tai kuvaus |
Metallurgia muokkaa
Teräksessä ja valuraudassa oleva hiili voi esiintyä pääasiassa kahdessa muodossa: joko pieninä pelkistä hiiliatomeista koostuvina grafiittikiteinä tai kemiallisena yhdisteenä, rautakarbidina eli sementiittinä.[6] Termodynaamisen tasapainon vallitessa sementiittiä ei esiinny, vaan kaikki hiili on grafiittina, kaikki rauta ferriittinä tai korkeissa lämpötiloissa austeniittina. Sementiitti on kuitenkin metastabiili yhdiste, ja kun sitä on muodostunut, se on varsin pysyvää, ellei lämpötila ole kovin korkea.[6] Sulan hiilipitoisen raudan jähmettyessä hiili sekoittuu tällöin muodostuvaa ferriittiin ja austeniittiin, mutta erkanee niistä seoksen jäähtyessä, jolloin seoksen hiilipitoisuudesta, jäähtymisnopeudesta ja muista seoksessa esiintyvistä aineista riippuen syntyy vaihtelevassa suhteessa sekä grafiittia että sementiittiä. Kun hiilipitoisuus on pieni, on epätodennäköistä, että tarpeeksi monta hiiliatomia sattuisi niin lähelle toisiaan, että ne voisivat muodostaa grafiittia, ja tällöin pääosa hiilestä sitoutuukin rautaan sementiitiksi. Pienen hiilipitoisuuden ohella grafiitin muodostumista edistävät myös suuri jäähtymisnopeus sekä muista seosaineista kromi ja mangaani, kun taas sementiitin muodostumista edistävät korkea hiilipitoisuus, hidas jäähtymisnopeus sekä seosaineista pii, nikkeli ja alumiini.[6]
Pitkäaikaisella lämpökäsittelyllä on mahdollista hajottaa raudassa oleva sementiitti kokonaan raudaksi ja grafiitiksi, jota sanotaan temperhiileksi. Tällä tavalla valmistetaan adusoitua rautaa, jollaista on esimerkiksi amerikkalainen mustaydin-temperrauta.[7]
Viime aikoina on myös kehitetty uusi teräksen valmistusmenetelmä, rautakarbidiprosessi, joissa malmi pelkistetään vedyn ja metaanin avulla. Tällöin saadaan rautakarbidijauhetta, jota voidaan edelleen käyttää teräksen raaka-aineena.[8]
Sementiitti puhtaana muokkaa
Sementiitillä on ortorombinen kiderakenne. Sen yksikkökopissa on 12 rauta- ja 4 hiiliatomia. Jokainen rauta-atomi on sitoutunut kolmeen hiiliatomiin ja jokainen hiiliatomi kahdeksaan rauta-atomiin.[9]
Tavallisissa lämpötiloissa sementiitti on ferromagneettinen aine. Sen Curie-piste on noin 480 K (207 °C), jota korkeammassa lämpötilassa se on paramagneettista.[10]
Luonnossa rautakarbidia, joka sisältää hieman myös nikkeliä ja kobolttia, esiintyy rautameteoriiteissa. Mineraalina sitä sanotaan coheniitiksi saksalaisen mineralogi Emil Cohenin mukaan, joka kuvasi sen ensimmäisenä.[11] Koska hiili on yksi planeettojen metallisissa ytimissä mahdollisesti esiintyvistä kevyemmistä alkuaineista, sementiitin ominaisuuksia korkeissa lämpötiloissa ja paineissa on tutkittu kokeellisesti ja sillä on mallinnettu coheniitin käyttäytymistä. Oheinen kaavio osoittaa sen kokoonpuristuvuuden ja tilavuuden riippuvuuden paineesta huoneenlämmössä.
Muut rautakarbidit muokkaa
Karkaistusta teräksestä on tunnistettu metastabiileja rautakarbideja, joilla on merkitystä teollisuudessa ja joita syntyy muun muassa erityisesti Fischer-Tropsch -prosessissa.[12] Sellaisia ovat Epsilon (ε) -karbidi, heksagonaalisena tiivispakkauksena kiteytyvä yhdiste Fe2-3C, jota esiintyy karkaistussa hiiliteräksessä, kun sen hiilipitoisuus on yi 0,2 % ja se on karkaistu 100–200 °C:n lämpötilassa. Ei-stoikiometrinen ε-karbidi hajoaa noin 200 °C:ssa, jolloin siitä alkaa muodostua Häggin karbidia ja sementiittiä. Häggin karbidi on monokliininen yhdiste, Fe5C2, ja sitä esiintyy 200–300 °C:n lämpötilassa karkaistuissa työkaluteräksissä.[13][14] Eri rautakarbidien tunnistaminen ei ole aivan helppoa, ja usein siihen on käytettävä röntgendiffraktion ohella myös Mössbauerin spektroskopiaa.[12]
Lähteet muokkaa
- ↑ a b c Web Elements: Triiron carbide webelements.com. Viitattu 30.1.2016.
- ↑ a b William F. Smith, Javad Hashemi: Foundations of Materials Science and Engineering (4. painos), s. 363. McGraw-Hill, 2006. ISBN 0-07-295358-6.
- ↑ Madeleine Durant-Charre: Microstructure of Steels and Cast Irons. Springer, 2004. ISBN 978-3-642-05897-4.
- ↑ Veikko Lindoos: ”Valuraudat”, Uudistettu Miekk'ojan Metallioppi, s. 519. Otava, 1986. ISBN 951-666-216-1.
- ↑ ”Rauta- ja terästeollisuus”, Otavan iso Fokus, 6. osa (Ra–Su), s. 3452–3459. Otava, 1973. ISBN 951-1-01236-3.
- ↑ a b c Veikko Lindoos: ”Rauta-hiili-seokset”, Uudistettu Miekk'ojan Metallioppi, s. 271. Otava, 1986. ISBN 951-666-216-1.
- ↑ Veikko Lindoos: ”Adusoitu rauta”, Uudistettu Miekk'ojan Metallioppi, s. 541. Otava, 1986. ISBN 951-666-216-1.
- ↑ Iron Carbide Process Industrial Efficiency Technology Database. Institute for Industrial Productivity. Arkistoitu 4.2.2016. Viitattu 30.1.2016.
- ↑ Crystal Structure of Cementite H. K. D. H. Bhadeshia.
- ↑ S.W.J. Smith: The Magnetic Transition Temperature of Cementite. Proc. Phys. Soc. London, 1911, 24. vsk, nro 1, s. 62–69. doi:10.1088/1478-7814/24/1/310.
- ↑ Vagn F. Buchwald: Handbook of Iron Meteorites. California University Press, 1975.
- ↑ a b G. Le Caer, J. M. Dubois, M. Pijolat, V. Perrichon, P. Bussiere: Characterization by Moessabuer Spectroscopy of Iron Carbides obtained by Fisher Tropsch Synthesis. J. Phys. Chem, 1982, 86. vsk, nro 24, s. 4799–4808. doi:10.1021/j100221a030. Artikkelin verkkoversio.
- ↑ G. Hägg: Z. Krist., 1934, 89. vsk, s. 92–94.
- ↑ W.F. Smith: Structure and Properties of Engineering Alloys, s. 61–62. McGraw-Hill Inc., 1981. ISBN 0-07-0585601.
Aiheesta muualla muokkaa
- Seija Meskanen, Pentti Toivonen: ValuAtlas, Valimotekniikan perusteet, Metallurgian perusteita (Arkistoitu – Internet Archive) (pdf)
- Thermodynamic calculation of cementite Pycalphad. Arkistoitu 4.3.2016. Viitattu 30.1.2016.
- Formation of Fe7C3 and Fe5C2 type metastable carbides during the crystallization of an amorphous Fe75C25 alloy sciencedirect.com.
Kirjallisuutta muokkaa
- L. J. E. Hofer: Bulletin 631, Nature of the Carbides of Iron. US Bureau of Mines, 1966. Teoksen verkkoversio.
- Ester Esna du Plessis: The Crystal Structures of the Iron Carbides. Väitöskirja. University of Johannesburg, 2006. Teoksen verkkoversio.