La cementite, conosciuta anche come carburo di ferro, è un composto chimico costituito da ferro e carbonio, con la formula chimica Fe3C. Questo nome deriva dagli studi di Floris Osmond e J. Werth, che osservarono la presenza di una struttura cellulare nell’acciaio solidificato, dove la ferrite funge da nucleo e il carburo di ferro agisce come involucro, “cementando” così il ferro stesso.
Composizione e struttura della cementite
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Composta dal 6,67% di carbonio e dal 93,3% di ferro in peso, la cementite presenta una struttura cristallina di tipo ortorombico. Si può trovare sia negli acciai sia nei meteoriti, che hanno subito un lento raffreddamento, e potrebbe anche essere presente nel nucleo della Terra.
Questo composto è considerato di natura ceramica a causa della sua durezza e fragilità. La cementite è caratterizzata da un elevato punto di fusione e rappresenta un componente fondamentale nella metallurgia, costituendo uno degli elementi base degli acciai al carbonio e della ghisa bianca.
Proprietà fisiche
La cementite si presenta come una polvere cristallina, di colore grigio scuro o nero, dotata di solidità e inertità. È capace di resistere a compressioni, erosioni chimiche, abrasioni e temperature che possono raggiungere i 1600 °C. La sua densità è di 7,694 g/cm³.
Quando riscaldata, la cementite subisce una transizione: al di sopra del punto di Curie (circa 207 °C) perde il suo comportamento ferromagnetico e diventa paramagnetica. Non si scioglie in acqua, né calda né fredda, e risulta insolubile in acidi diluiti, mentre può dissolversi in acido cloridrico concentrato quando è caldo.
Metodologie di preparazione
La cementite è cruciale per le caratteristiche meccaniche degli acciai. Tuttavia, la sua metastabilità rispetto alla grafite rende difficile l’ottenimento di campioni monofase con dimensioni adeguate per analisi meccaniche. Sebbene sia spesso presente negli acciai e nelle ghise, la sua produzione come materia prima è di vitale importanza.
La riduzione termica del carbonio rappresenta un metodo comune per ottenere carburo di ferro. Questa procedura implica la reazione tra coke o grafite e ossido di ferro in un ambiente privo di ossigeno, secondo l’equazione:
Fe2O3(s) + 3 C(s) → 2 Fe3C(s).
In alternativa, si può utilizzare un metodo elettrotermico, in cui l’energia elettrica genera temperature elevate affinché si verifichi la riduzione dell’ossido di ferro e si formi carburo di ferro. In questo caso, la grafite è solitamente utilizzata come elettrodo.
La reazione risultante è:
2 Fe2O3(s) + 3 C(s) + 3 O2(g) → 4 Fe3C(s) + 3 CO2(g).
Un’altra strategia per produrre cementite è la deposizione da vapore, che prevede la depositazione del carburo di ferro sulla superficie di una matrice attraverso reazioni chimiche o fisiche, impiegando gassosi come metano e idrogeno. Questo approccio presenta il vantaggio di consentire uno rivestimento in carburo di ferro di alta purezza e densità. Infine, vi è il metodo al plasma, in cui gas come azoto e metano vengono ionizzati per bombardare la superficie del substrato.
Il diagramma di fase ferro-carbonio
Il diagramma di fase ferro-carbonio, realizzato nel 1897 dallo scienziato inglese Sir William Chandler Roberts-Austen, illustra le fasi presenti nell’acciaio in relazione al contenuto di carbonio e alla temperatura. Ogni zona del diagramma rappresenta una fase o una combinazione di fasi in determinate condizioni.
Le principali fasi del diagramma includono ferrite, austenite e cementite. Le zone monofase indicano aree con una singola fase, mentre le zone bifase mostrano la presenza di due fasi. Le trasformazioni di fase avvengono sia con il riscaldamento che con il raffreddamento, e il comportamento dell’acciaio cambia a temperature comprese tra 850 °C e 950 °C, quando ferrite e cementite si trasformano in austenite.
Applicazioni della cementite
Grazie alla sua durezza e resistenza all’usura, la cementite trova applicazione in diverse parti meccaniche e utensili. Ad esempio, sull’escavatore, l’uso del carburo di ferro migliora la resistenza e la durevolezza della benna. Inoltre, è utilizzata nella produzione di utensili di precisione, come trapani e strumenti per misurare.
Il carburo di ferro è anche un componente fondamentale nei carburi cementati, che possono includere metalli come cobalto e cromo, realizzando materiali dalle elevate prestazioni meccaniche. Nell’industria elettronica, il carburo di ferro viene utilizzato per realizzare dispositivi elettronici precisi, come chip di circuiti integrati e componenti per la memoria magnetica. Infine, trova impiego come catalizzatore nelle reazioni chimiche e nella costruzione di materiali per l’industria automobilistica.
