Cementite
La cementite, nota anche come carburo di ferro, è un composto chimico di ferro e carbonio, con formula Fe3C a cui è attribuito tale nome da Floris Osmond e J. Werth che notarono che l’acciaio solidificato è costituito da una sorta di tessuto cellulare, con la ferrite come nucleo e il carburo di ferro come involucro che quindi “cementava” il ferro.
La cementite è un composto intermetallico di ferro e carbonio composta dal 6.67% di carbonio e dal 93,3% di ferro in peso che ha una struttura cristallina ortorombica che si trova negli acciai, nelle meteoriti che si sono raffreddati di pochi gradi per milione di anni e forse nel nucleo della Terra.
A causa della sua durezza e fragilità, nella sua forma pura è di solito è classificata come materiale ceramico a causa del suo elevato punto di fusione e della sua durezza come tutti i carburi e i nitruri dei metalli di transizione ed è un componente comune e importante nel campo della metallurgia essendo uno dei componenti di base degli acciai al carbonio e della ghisa bianca.
Proprietà della cementite
La cementite si presenta sotto forma di polvere cristallina di colore grigio scuro o nero, ed è solida e inerte e può resistere alla forza di schiacciamento, all’erosione chimica, all’abrasione e a temperature fino a 1600 C. Ha una densità di 7.694 g/cm3 .
A seguito di riscaldamento, al suo punto di Curie di circa 207 °C da ferromagnetica diviene paramagnetica. È insolubile in acqua sia calda che fredda e in acidi diluiti mentre è solubile, a caldo, in acido cloridrico concentrato.
La cementite mostra un effetto magnetocalorico fenomeno per il quale avviene una variazione di temperatura dell’oggetto in risposta ad una variazione del campo magnetico esterno. Il coefficiente di dilatazione termica della cementite policristallina varia da 6.8 · 10-6 K-1 a 1.62 · 10-5 K-1 quando il campione viene riscaldato al punto di Curie
Non mostra nessuna interazione con l’aria secca ma mentre si ossida in presenza di aria umida per produrre ossido di ferro e carbonio. La cementite si solubilizza nel ferro fuso e questo è uno dei motivi per cui il carbonio si accumula nel prodotto del processo di altoforno per la riduzione dei minerali di ferro.
Tale solubilità costituisce un vantaggio in quanto il punto di fusione della miscela ferro-cementite è abbassato a circa 1100 °C e ciò consente l’accumulo del prodotto nella base del forno a temperature notevolmente inferiori ai 1.535 °C che è la temperatura di fusione del ferro puro.
Al contempo, tuttavia, la solubilità della cementite nel ferro fuso costituisce uno svantaggio in quanto nel processo, si scioglie una quantità di cementite nel ferro fuso maggiore rispetto a quella necessaria per la maggior parte degli usi.
Preparazione
La cementite è una delle fasi più importanti negli acciai, che svolge un ruolo critico nelle loro proprietà meccaniche. Tuttavia, poiché la cementite è metastabile a tutte le temperature rispetto alla grafite e alla sua soluzione satura nel ferro, è difficile ottenere campioni di cementite monofase con dimensioni ragionevoli per test meccanici. Sebbene la cementite sia presente nella maggior parte degli acciai e delle ghise, viene prodotta come materia prima.
La riduzione termica del carbonio è un metodo comunemente utilizzato per preparare il carburo di ferro, che consiste nel far reagire coke o grafite con ossido di ferro in un’atmosfera priva di ossigeno o debolmente ossidante in condizioni di alta temperatura secondo la reazione:
Fe2O3(s) + 3 C(s) → 2 Fe3C(s)
Metodo elettrotermico
La cementite può essere ottenuta tramite metodo elettrotermico che utilizza l’energia elettrica per produrre alte temperature in modo che la reazione di riduzione dell’ossido di ferro produca carburo di ferro. Nel metodo elettrotermico, la grafite è solitamente utilizzata come elettrodo in modo che l’ossido di ferro sulla superficie dell’elettrodo di grafite produca carburo di ferro tramite reazione di riduzione elettrochimica. La reazione che avviene secondo questo metodo è:
2 Fe2O3(s) + 3 C(s) + 3 O2(g) → 4 Fe3C(s) + 3 CO2(g)
Il vantaggio del metodo elettrotermico è il possibile utilizzo diretto dell’energia elettrica per ottenere alte temperature, quindi la temperatura e il tempo di reazione possono essere facilmente controllati. Allo stesso tempo, poiché la reazione viene eseguita sulla superficie dell’elettrodo, è possibile ottenere carburo di ferro ad alta purezza sebbene ciò comporta un costo è più elevato a causa della necessità di utilizzare molta elettricità.
Deposizione da vapore
Un altro metodo di produzione della cementite è la deposizione da vapore in cui viene depositato carburo di ferro sulla superficie di una matrice mediante reazione chimica o deposizione fisica. Questo metodo utilizza di solito gas come metano, idrogeno e azoto come materie prime per reagire chimicamente con l’ossido di ferro ad alte temperature e pressioni per generare carburo di ferro e depositarlo sulla superficie della matrice secondo la reazione
2 Fe2O3(s) + 3 CH4(g) → 2 Fe3C(s) + 9 H2O(g)
Il vantaggio del metodo di deposizione da vapore, oltre che al basso costo, è dovuto al fatto che lo strato di carburo di ferro può essere depositato direttamente sulla superficie del substrato, quindi è possibile ottenere un rivestimento in carburo di ferro ad alta purezza e alta densità.
Metodo al plasma
Nel metodo al plasma, gas come idrogeno, azoto e metano sono solitamente utilizzati come materie prime per ionizzare e accelerare il bombardamento sulla superficie del substrato attraverso alta temperatura e alta velocità del plasma in modo che la reazione di riduzione dell’ossido di ferro generi carburo di ferro
Il vantaggio del metodo al plasma, rispetto alla deposizione da vapore, è che il rivestimento in carburo di ferro può essere formato direttamente sulla superficie del substrato, quindi è possibile ottenere un rivestimento in carburo di ferro ad alta purezza e alta densità. Allo stesso tempo, poiché la temperatura e la velocità del plasma sono regolabili, le condizioni di reazione e lo spessore del rivestimento possono essere facilmente controllati.
Un metodo per ottenere monocristalli di cementite consiste nell’incorporare particelle di cementite estratte elettroliticamente in una resina che viene poi sottoposta a un campo magnetico di 10 Tesla per circa 24 ore. Nel corso di questo tempo il composito viene ruotato periodicamente per allineare magneticamente le particelle mentre la resina si solidifica.
Le nanoparticelle di cementite possono essere preparate mediante la decomposizione termica del ferro pentacarbonile Fe(CO)5. Queste nanoparticelle possono essere utilizzate in biomedicina per la somministrazione di farmaci in punti specifici del corpo, con la localizzazione ottenuta tramite un campo magnetico esterno.
Diagramma di fase ferro-carbonio
Il diagramma di fase ferro-carbonio ottenuto nel 1897 dallo scienziato inglese Sir William Chandler Roberts-Austen indica le fasi presenti nell’acciaio in funzione del contenuto di carbonio e della temperatura. Ogni regione all’interno del diagramma di fase indica la fase o le fasi presenti per una particolare composizione e temperatura della lega.
In esso i campi di fase ferrite, austenite e cementite sono campi monofase. Indicano l’intervallo di contenuto di carbonio e temperature per cui la lega è composta da una fase singola. I campi di fase ferrite + cementite, ferrite + austenite e austenite + cementite sono campi bifase. Indicano l’intervallo di contenuto di carbonio e temperature per cui la lega è composta da due fasi.
I confini tra i campi di fase sono chiamati confini del campo di fase. I campi bifase sono sempre delimitati sul lato sinistro e destro da campi monofase e contengono le fasi indicate dai campi monofase confinanti. Le tre fasi principali ferrite, cementite e perlite dominano la microstruttura quando sottoposti a basse velocità di raffreddamento, impedendo la formazione di fasi metastabili.
Trasformazioni di fase
Le trasformazioni di fase avvengono a seguito di riscaldamento o raffreddamento. Quando l’acciaio è riscaldato a una temperatura superiore alla temperatura tra 850°C e 950°C le fasi presenti nell’acciaio, ferrite e cementite, si trasformano in austenite.
Dopo aver mantenuto la temperatura di austenitizzazione per un tempo sufficiente a garantire la trasformazione completa, l’acciaio è raffreddato in presenza di aria. Come si può vedere nel diagramma ferro-carbonio mentre l’acciaio si raffredda, passa attraverso il campo di fase ferrite + austenite e l’austenite inizia a trasformarsi in ferrite.
Quindi, quando l’acciaio si raffredda nel campo di fase ferrite + cementite, qualsiasi austenite rimanente si trasforma in ferrite + cementite. La microstruttura finale è costituita da grani di ferrite e
regioni di perlite, che è cementite lamellare + ferrite.
Usi
La cementite, per la sua durezza e resistenza all’usura e può essere utilizzata in varie parti meccaniche e utensili. Ad esempio, l’uso del carburo di ferro sulla benna di un escavatore può migliorarne la resistenza all’usura e la durata. Inoltre, il carburo di ferro può anche essere utilizzato per produrre utensili di precisione come utensili da taglio, trapani e strumenti di misurazione.
La cementite è un costituente importante del carburo cementato che può essere miscelato con cobalto, cromo e altri metalli per realizzare una varietà di carburi cementati con elevata durezza, elevata resistenza, elevata resistenza all’usura e altri vantaggi.
Il carburo di ferro è ampiamente utilizzato nella produzione per elaborare leghe ad alta temperatura, acciaio inossidabile e altri materiali difficili per migliorarne l’efficienza di lavorazione e la qualità del prodotto. Nella fusione delle polveri, metodo di fusione e solidificazione mediante riscaldamento della polvere di metallo o della polvere di ossido di metallo al di sopra del punto di fusione, il carburo di ferro può essere aggiunto come additivo alla polvere metallica per migliorarne la durezza e la resistenza all’usura.
Il carburo di ferro può essere utilizzato nell’industria elettronica per produrre componenti elettronici di precisione come chip di circuiti integrati e dispositivi di memoria magnetica. Grazie alla sua elevata durezza, elevata densità ed elevata resistenza all’usura, la cementite può essere utilizzata come elettrodo e materiale conduttivo nei dispositivi elettronici per migliorarne le prestazioni e la stabilità.
Il carburo di ferro può essere utilizzato come catalizzatore nelle reazioni chimiche, come materiale strutturale nella costruzione e nella produzione di automobili e come rivestimento protettivo per il trattamento delle superfici metalliche.
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il 27 Gennaio 2025