間隙相和間隙化合物應(yīng)用及特性？
間隙相和間隙化合物應(yīng)用及特性？
間隙化合物主要受組元的原子尺寸因素控制，通常由過渡族金屬與原子甚小的非金屬元素H、N、C、B形成化合物，它們具有金屬的性質(zhì)、很高的熔點和極高的硬度。如FeC、Cr23C6、Cr7C3、WC、Mo2C、VC 等都是間隙化合物。根據(jù)非金屬元素(以X 表示)與金屬元素(以M 表示)原子半徑的比值，可將其分為兩類：當(dāng)rX/rM＜0.59時，化合物具有比較簡單的晶體結(jié)構(gòu)，稱為簡單間隙化合物(或間隙相)；當(dāng)rX/rM＞0.59 時，其結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，稱為復(fù)雜間隙化合物(或間隙化合物)。由于H、N 的原子半徑較小，所以過渡族金屬的氫化物和氮化物都是間隙相。B 的原子*大，所以過渡族金屬的硼化物都是間隙化合物。C 的原子半徑比H、N大，但比B小，所以一部分碳化物是間隙相，另一部分是間隙化合物。
間隙相
間隙相具有比較簡單的晶體結(jié)構(gòu)，間隙相具有面心立方、體心立方、簡單六方、密排六方四種晶格類型，多數(shù)為面心立方和密排六方結(jié)構(gòu)，少數(shù)具有體心立方和簡單六方結(jié)構(gòu)。金屬原子位于晶格的正常位置上，非金屬原子則位于該晶格的間隙位置，從而構(gòu)成了一種新的晶體結(jié)構(gòu)。間隙相的化學(xué)成分可以用簡單的分子式表示，如M4X、M2X、MX、MX2。但是它們的成分可以在一定的范圍內(nèi)變動，這是由于間隙相的晶格中的間隙未被填滿，即某些本應(yīng)為非金屬原子占據(jù)的位置出現(xiàn)空位，相當(dāng)于以間隙相為基的固溶體，這種以缺位方式形成的固溶體稱為缺位固溶體。
在面心立方結(jié)構(gòu)中，八面體間隙數(shù)與金屬原子數(shù)相同，四面體間隙數(shù)是金屬原子數(shù)的2 倍。所以當(dāng)非金屬原子填滿所有八面體間隙或占據(jù)一半的四面體間隙位置時，形成MX間隙相。它們的晶體結(jié)構(gòu)分別具有NaCl 型和ZnS 型。當(dāng)非金屬原子完全填滿四面體間隙時，則形成MX2間隙相。它具有CaF3型結(jié)構(gòu)。非金屬原子也可能是成對地填入八面體間隙，此時，M:X=1:2，仍符合MX2化學(xué)分子式。在這種情況下，金屬原子點陣將產(chǎn)生不對稱畸變。晶胞由立方變成四方，故得到變形的NaCl 結(jié)構(gòu)。間隙相M2X 中金屬原子通常按密排六方結(jié)構(gòu)排列，但也有形成面心立方的。非金屬原子填入密排六方點陣中的八面體間隙。
間隙相不但可以溶解組元元素，而且可以溶解其他間隙相，有些具有相同結(jié)構(gòu)的間
隙相甚至可以形成無限固溶體，如TiC-ZrC、TiC-VC、TiC-NbC、TiC-TaC、ZrC-NbC、
VC-TaC、VC-NbC、VC-TaC 等。
應(yīng)當(dāng)指出，間隙相與間隙固溶體之間有著本質(zhì)的區(qū)別，間隙相是一種化合物，它具有與其組元完全不同的晶體結(jié)構(gòu)，而間隙固溶體則仍保持著溶劑組元的晶格類型。
間隙相具有極高的熔點和硬度，但很脆。許多間隙相具有明顯的金屬特性，如金屬的光澤、較高的導(dǎo)電性、正的電阻溫度系數(shù)等。這些特性表明，間隙相的結(jié)合既具有共價鍵性質(zhì)，又帶有金屬鍵性質(zhì)。
間隙相的高硬度在一些合金工具鋼和硬質(zhì)合金中得到了應(yīng)用。間隙相作為其顯微組織中的第二相，不僅具有強化效果而且可以保證工具的耐磨性要求。生產(chǎn)中，通過制備的間隙相粉末及其與黏結(jié)劑混合加壓燒結(jié)，獲取硬質(zhì)合金或具有特殊性能的粉末冶金制品。另外，利用沉積、濺射等涂層方法，使工具和零件表面形成含有間隙相的薄層，可顯著增加鋼的表面硬度和耐磨性，延長零件的使用壽命。
間隙化合物
間隙化合物一般具有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)，Cr、Mn、Fe的碳化物均屬此類。間隙化合物的類型很多，合金鋼中常遇到的間隙化合物有M3C型(如Fe3C、Mn3C)、M7C3型(如Cr7C3)、M23C6型(如Cr23C6)、M6C 型(如Fe3W3C、Fe4W2C)等，在這些碳化物中，基體金屬原子M可表示一種金屬元素，也可以表示有幾種金屬元素固溶在內(nèi)。式中Fe3C是鋼鐵材料中一種基本組成相，稱為滲碳體，其中Fe 原子可被Mn、Cr、Mo、W 等原子所置換，形成以間隙化合物為基的固溶體，如(Fe、Mn)3C、(Fe、Cr)3C 等，而當(dāng)合金中含有某些原子半徑較小的非金屬元素時，也可處于C 原子的位置上，如Fe3(C、N)等，這種以滲碳體為基的金屬間化合物稱為合金滲碳體。滲碳體的硬度為950HV~1050HV。
M23C6 多是以鉻為主的碳化物Cr23C6 形式存在，常存在于高合金工具鋼、不銹鋼以及鐵基、鎳基高溫合金中，此時，部分Cr 可被Fe、Mo、W等原子所置換，如(Cr、Fe)23C6、Cr21Mo2C6或(Cr、Mo、W)23C6等。Cr23C6的熔點較低，與Fe 的熔點在同一數(shù)量級，硬度約為1050HV。
M6C 也是一種常見的碳化物類型，通常為多元，即由兩種以上的金屬元素M′、M′′與C 組合而成。例如M′為Fe、Co、Ni 等元素，M′′為Mo、W 等元素。M6C 的成分一般為M′4M′2′C6或 3 3 6 M′M′′C ，是高速工具鋼中的重要組成相，在一些含 W和 Mo 的耐熱鋼或高溫合金中也會出現(xiàn)，具有較高的硬度，約為1000HV。
拓撲密堆相
在單元素組成的晶體中，由等徑剛球模型堆積所能得到的*密集結(jié)構(gòu)就是面心立方和密排六方結(jié)構(gòu)，致密度0.74 及配位數(shù)12 已是*大值了，結(jié)構(gòu)中存在著較大的八面體間隙和較小的四面體間隙。當(dāng)組成合金的異類原子尺寸不同時，采用大、小兩種剛球的適當(dāng)配合，可得到主要為四面體間隙而八面體間隙很少或沒有的復(fù)雜相結(jié)構(gòu)，即按拓撲學(xué)的配合規(guī)律形成空間利用率很高和配位數(shù)超過12(如12、14、15、16 等)的一類化合物，由于其結(jié)構(gòu)具有拓撲學(xué)特點而被稱之為拓撲密堆(Topologically Close-Packed)相，簡稱TCP 相，以區(qū)別于通常的幾何密堆相。它的空間利用率和原子配位數(shù)比由純金屬原子構(gòu)成的面心立方和密排六方構(gòu)的幾何密堆結(jié)構(gòu)還要高。TCP 相的類型很多，常見的有拉氏(Laves)相，σ 相、μ相以及χ相、P 相、R相、M 相等。
TCP 相結(jié)構(gòu)的共同特征是半徑較小的原子構(gòu)成密排層，半徑較大的原子嵌鑲于這些密排層之間，以達到高度密堆。
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