Węgliki w stali

Węgliki w stali – typowy składnik strukturalny występujący w stali.

Rozpuszczalność węgla w ferrycie wynosi do 0,02% wagowo, w związku z tym zarówno w stalach węglowych, jak i w stalach stopowych wydzielają się różnego rodzaju węgliki, z których najpowszechniejszym jest cementyt.

Pierwiastki węglikotwórcze w stali

Niektóre pierwiastki stopowe dodawane do stali mają większe powinowactwo do węgla niż żelazo, stąd dość często w stalach występują węgliki stopowe, często oznaczane jako M_AC_B, gdzie C oznacza węgiel, A i B – stechiometrię otrzymywanej fazy, a M oznacza mieszaninę metali wchodzących w skład komórki elementarnej tego węgliku. Często w skład jednej komórki elementarnej mogą wchodzić różne pierwiastki stopowe skłonne tworzyć daną stechiometrię, jak również żelazo. Stosunek atomów poszczególnych pierwiastków zależny jest od składu chemicznego stali i temperatury jej obróbki, jak również temperatury wydzielania danego węgliku. W stopach żelaza największą rolę odgrywają węgliki chromu, wanadu, wolframu, tytanu i niobu.

Rodzaje węglików

W stalach mogą występować następujące rodzaje węglików:

Rodzaj	Sieć krystalograficzna	Stosunek Fe, M/C
κ	heksagonalna, a=6,9 c=4,8 Å	1,37
ε	heksagonalna, a=2,737 c=4,339 Å	2,4-3
χ / węglik Hagga	jednoskośna, a=11,536 b=3,573 c=5,058 Å β=97,44°	2,2 lub 2,5
η / M2C	rombowa, a=4,704 b=4,318 c=2,830 Å	2
Fe3C	rombowa, a= 4,525 b=5,087 c=6,743 Å	3
M7C3	rombowa, a=4,526 b=7,010 c=12,142 Å	7/3
(Fe, Si)CX	rombowa, a=8,8 b=9,0 c=6,743 Å
(Fe, Si)CX	rombowa, a=6,5 b=7,7 c=10,4 Å
(Fe, Si, Mn)CX	rombowa, a=14,8 b=11,4 c=8,5 Å
M23C6	regularna ściennie centrowana, a=10,621 Å	23/6
M6C	regularna ściennie centrowana, a=11,082 Å	6
Węglik C	trójskośna, a=6,38 b=5,05 c=4,59 Å α=90° β=70,1° γ=84,7°

Rodzaj powstających węglików zależy od temperatury. W niskich temperaturach ograniczona jest dyfuzja pierwiastków stopowych, w związku z czym powstają węgliki bogate w węgiel, o niskim współczynniku M/C. Wraz ze wzrostem temperatury dyfuzja przyśpiesza, umożliwiając powstanie węglików o większym nasyceniu pierwiastkami stopowymi.

Jednocześnie ze względu na etap obróbki, w którym wydzielają się węgliki, wyróżnia się podział na węgliki pierwotne, powstałe w trakcie odlewania i bezpośrednio po (z reguły o dużych rozmiarach), i węgliki wtórne, powstałe w trakcie późniejszej obróbki cieplnej.

Rola węglików

Węgliki powstające w stali są fazą twardą i kruchą. Ponieważ ich powstawanie wynika ze zmieniającej się wraz z temperaturą rozpuszczalności węgla w austenicie i ferrycie, można uznać, że umacniają stal w sposób wydzieleniowy. Obecność węglików w stali najczęściej podnosi jej twardość, granicę plastyczności i wytrzymałości, a także odporność na zużycie ścierne. Węgliki wolframu i wanadu, ze względu na dużą trwałość, stabilizują właściwości stali w podwyższonych temperaturach. Węgliki odpowiedzialne są także za efekt twardości wtórnej, czyli zwiększenia twardości stali w trakcie odpuszczania. Jednocześnie obecność węglików może niekorzystnie wpływać na udarność, ciągliwość i odporność na pękanie stali.

Węgliki często powstają na granicach ziaren – miejscach łatwego zarodkowania. W niewielkich ilościach struktura taka jest korzystna, ponieważ ogranicza rozrost ziarna w trakcie austenityzowania lub odpuszczania, jednak wzrost liczby węglików na granicach powoduje powstanie siatki węglików i gwałtowny spadek udarności oraz odporności na pękanie. Również w stalach odpornych na korozje, ze względu na duże powinowactwo chromu do węgla, powstające na granicach ziaren węgliki mogą prowadzić do lokalnego zubożenia składu chemicznego, co powoduje rozwój korozji międzykrystalicznej.