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시멘타이트

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1. 개요

시멘타이트는 철-탄소 합금에서 발견되는 금속간 화합물로, 주로 탄소강과 주철의 구성 성분이다. 열역학적으로 불안정하여 고온에서 분해되지만, 특정 온도 이하에서는 안정하며, 강도와 경도, 굽힘 강성 등의 기계적 특성을 나타낸다. 시멘타이트의 형태는 강에서의 상변태 속도에 영향을 미치며, 코일링 온도와 냉각 속도에 따라 미세하거나 조대한 형태로 형성될 수 있다. 또한, 니켈과 코발트를 소량 함유하는 천연 탄화철인 코헤나이트와 템퍼링 과정에서 생성되는 입실론 탄화물, 헤그 탄화물과 같은 다른 철 탄화물도 존재한다.

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시멘타이트 - [화학 물질]에 관한 문서
개요
철 카바이드 플레이트
철 카바이드 플레이트
IUPAC 명칭철 카바이드
다른 이름시멘타이트
식별
CAS 등록번호12011-67-5
EINECS234-566-7
SMILES'[Fe]=[C]=[Fe].[Fe]'
InChI1S/C.3Fe
표준 InChIKeyTXAHJXBWFZQNQY-UHFFFAOYSA-N
특성
화학식Fe3C
몰 질량179.546 g/mol
외형냄새가 없는 짙은 회색 또는 검은색 결정
밀도7.694 g/cm3, 고체
용해도불용성
녹는점1227 °C
구조
사방정계 Fe3C. 철 원자는 파란색이다.
사방정계 Fe3C. 철 원자는 파란색이다.
결정 구조사방정정계, oP16
공간군Pnma, No. 62
격자 상수 a0.509 nm
격자 상수 b0.6478 nm
격자 상수 c0.4523 nm
단위 세포 분자 수4
열화학
열용량105.9 J·mol−1·K−1
엔트로피104.6 J·mol−1·K−1
생성 엔탈피25.1 kJ·mol−1
자유 에너지 변화20.1 kJ·mol−1
위험성
관련 화합물

2. 야금학적 특성

(Fe)-탄소(C)계 합금에서 페라이트는 탄소를 거의 포함할 수 없기 때문에, 탄소강과 주철에서 탄소는 시멘타이트 형태로 존재한다.[6][7] 시멘타이트는 열역학적으로 불안정하여 고온에서 오스테나이트(저탄소 함량)와 흑연(고탄소 함량)으로 전환되지만, 준안정 철-탄소 상태도의 공석점 온도(723°C) 이하에서는 분해되지 않는다.

철-탄소 상태도

2. 1. 형성 과정

탄소강과 주철에서 시멘타이트는 일반적인 성분이다. 백주철의 경우 시멘타이트는 용융물에서 직접 생성된다. 탄소강에서는 오스테나이트가 서냉 시 페라이트로 변태될 때 오스테나이트에서 시멘타이트가 석출되거나, 담금질 중 마텐자이트에서 석출된다.[7] 오스테나이트와 페라이트의 밀접한 혼합물은 판상 조직인 펄라이트를 형성한다.

코일링 온도와 냉각 속도는 시멘타이트 형성에 큰 영향을 미친다. 낮은 코일링 온도에서는 시멘타이트가 미세한 펄라이트 집락을 형성하는 반면, 높은 온도에서는 입계에 조대 입자로 석출된다. 이러한 형태학적 차이는 오스테나이트 생성 및 분해 속도에 영향을 미치는데, 미세 시멘타이트는 표면적 증가와 탄화물-페라이트 계면의 근접성으로 인해 더 빠른 변태를 촉진한다. 또한, 어닐링 중 조대 탄화물의 시멘타이트 용해 속도는 느리기 때문에 열처리 중 미세구조 변화에 영향을 미친다.[9]

저탄소강에서는 탄소를 많이 고용한 오스테나이트 조직을 냉각하면, 먼저 오스테나이트의 결정입계에 탄소를 거의 고용하지 않는 페라이트가 석출된다. 이 페라이트는 '''초석 페라이트'''라고 불린다. 그리고 727°C 이하가 되면, 남아 있던 오스테나이트는 공석 변태를 일으켜 페라이트와 시멘타이트의 2상 혼합물인, 층상 구조를 가진 펄라이트 조직이 형성된다. 따라서 저탄소강은 초석 페라이트+펄라이트 조직이 된다.

Fe-C계 2원 합금에서 C=0.77[질량%]일 때 (공석강일 때), 오스테나이트 조직에서 727°C 이하로 서냉하면, 펄라이트가 생성된다.

고탄소강에서는 오스테나이트 조직에서 냉각하면, 오스테나이트의 결정입계에 '''초석 시멘타이트'''가 석출된다. 그리고 727°C 이하가 되면, 남아 있던 오스테나이트는 펄라이트로 변태한다. 따라서 고탄소강은 초석 시멘타이트+펄라이트 조직이 된다.

2. 2. 열역학적 안정성

시멘타이트는 열역학적으로 불안정하여 고온에서 오스테나이트(저탄소 함량)와 흑연(고탄소 함량)으로 전환되지만, 준안정 철-탄소 상태도의 공석점 온도(723 °C) 이하에서는 분해되지 않는다.[8]

2. 3. 기계적 성질

시멘타이트는 상온 미세경도 760–1350 HV, 굽힘 강도 4.6–8 GPa, 영률 160–180 GPa, 압입 파괴 인성 1.5–2.7 MPa√m의 기계적 성질을 가진다.[8]

시멘타이트의 형태는 강에서 상변태 속도에 중요한 역할을 한다. 코일링 온도와 냉각 속도는 시멘타이트 형성에 큰 영향을 미친다. 낮은 코일링 온도에서는 시멘타이트가 미세한 펄라이트 집락을 형성하는 반면, 높은 온도에서는 입계에 조대 입자로 석출된다. 미세 시멘타이트는 표면적 증가와 탄화물-페라이트 계면의 근접성으로 인해 더 빠른 변태를 촉진한다. 반면 어닐링 중 조대 탄화물의 시멘타이트 용해 속도는 느리기 때문에 열처리 중 미세구조 변화에 영향을 미친다.[9]

3. 순수 형태

시멘타이트는 약 48만°C의 퀴리 온도에서 강자성에서 상자성으로 변한다.[10]

3. 1. 코헤나이트

코헤나이트는 니켈과 코발트를 소량 함유하는 천연 탄화철의 한 형태로, 철 운석에서 발견된다. 이는 이를 최초로 기술한 독일 광물학자 에밀 코헨의 이름을 따서 명명되었다.[11]

4. 다른 철 탄화물

강에 의해 템퍼링된 강 및 산업적 피셔-트롭슈 공정에서 확인된 다른 형태의 준안정 탄화철이 있다. 여기에는 '''입실론(ε) 탄화물''' (육방밀집구조 Fe2–3C)이 포함되며, 0.2% 이상의 탄소 함량을 가진 일반 탄소강에 100°C~200°C에서 템퍼링 시 석출된다. 비화학량론적 ε-탄화물은 약 200°C 이상에서 용해되며, 이 온도에서 헤그 탄화물과 시멘타이트가 형성되기 시작한다. '''헤그 탄화물''' (단사정계 Fe5C2)은 200°C~300°C에서 템퍼링된 경화된 공구강에 석출된다.[12][13] 웨더번 운석에서 발견된 광물 에드스코타이트도 헤그 탄화물과 같은 Fe5C2 조성을 가진다.[14]

5. 열처리에 따른 시멘타이트 석출의 차이 (일본어 문서 내용)

저탄소강, 공석강, 고탄소강에서 오스테나이트 조직을 냉각할 때, 온도와 탄소 함량에 따라 초석 페라이트, 펄라이트, 초석 시멘타이트 등 다양한 조직이 형성된다. 저탄소강은 초석 페라이트와 펄라이트, 공석강(탄소 함량 0.77%)은 펄라이트, 고탄소강은 초석 시멘타이트와 펄라이트 조직을 가진다.

5. 1. 저탄소강

저탄소강에서는 탄소를 많이 고용한 오스테나이트 조직을 냉각하면, 먼저 오스테나이트의 결정 입계에 탄소를 거의 고용하지 않는 페라이트가 석출된다. 이 페라이트는 '''초석 페라이트'''라고 불린다. 그리고 727°C 이하가 되면, 남아 있던 오스테나이트는 공석 변태를 일으켜 페라이트와 시멘타이트의 2상 혼합물인, 층상 구조를 가진 펄라이트 조직이 형성된다. 따라서 저탄소강은 초석 페라이트+펄라이트 조직이 된다.

5. 2. 공석강

Fe-C계 2원 합금에서 탄소(C) 함량이 0.77% (질량 기준)일 때, 오스테나이트 조직에서 727℃ 이하로 천천히 냉각하면 페라이트와 시멘타이트의 2상 혼합물인 층상 구조의 펄라이트가 생성된다.[1]

5. 3. 고탄소강

오스테나이트 조직에서 냉각하면, 오스테나이트의 결정 입계에 '''초석 시멘타이트'''가 석출된다. 이후 727℃ 이하가 되면, 남아 있던 오스테나이트는 펄라이트로 변태한다. 따라서 고탄소강은 초석 시멘타이트와 펄라이트 조직이 혼합된 형태로 나타난다.

참조

[1] 서적 Haynes
[2] 논문 Comparison of X-ray and neutron-diffraction refinements of the structure of cementite Fe3C
[3] 서적 Haynes
[4] harvnb
[5] 서적 Steel Metallurgy for the Non-Metallurgist https://books.google[...] ASM International
[6] 논문 Cementite Formation from Hematite–Graphite Mixture by Simultaneous Thermal–Mechanical Activation https://www.research[...]
[7] harvnb
[8] 논문 Cementite
[9] 논문 The Kinetics of Formation and Decomposition of Austenite in Relation to Carbide Morphology https://doi.org/10.1[...] 2017-02-01
[10] 논문 The Magnetic Transition Temperature of Cementite https://zenodo.org/r[...]
[11] 서적 Handbook of Iron Meteorites University of California Press
[12] 논문 Pulverphotogramme eines neuen Eisencarbides
[13] 서적 Structure and properties of engineering alloys McGraw-Hill
[14] 뉴스 This meteorite came from the core of another planet. Inside it, a new mineral https://www.theage.c[...] The Age 2019-08-31
[15] 서적 熱処理のおはなし 日本規格協会



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