Sementiitti eli rautakarbidi on raudan ja hiilen muodostama välisijayhdiste, jonka kemiallinen kaava on Fe3C. Sen massasta on 6,67 % hiiltä ja 93,3 % rautaa. Sillä on ortorombinen kiderakenne. Sementiitti on kovaa mutta haurasta ainetta,, joka puhtaana luokitellaan yleensä keraamiksi, mutta suurempi merkitys sillä on raudan metallurgiassa. Useimmat teräkset ja valuraudat sisältävät sementiittiä. Eniten sitä on valkoisessa valuraudassa, jossa kaikki hiili on sementiittinä.
Metallurgia thumb|Rauta- ja hiiliseosten faasidiagrammi, joka osoittaa faasien riippuvuuden lämpötilasta ja seoksen hiilipitoisuudesta. Vaaka-akselilla hiilipitoisuus, pystyakselilla lämpötila.
Teräksessä ja valuraudassa oleva hiili voi esiintyä pääasiassa kahdessa muodossa: joko pieninä pelkistä hiiliatomeista koostuvina grafiittikiteinä tai kemiallisena yhdisteenä, rautakarbidina eli sementiittinä. Termodynaamisen tasapainon vallitessa sementiittiä ei esiinny, vaan kaikki hiili on grafiittina, kaikki rauta ferriittinä tai korkeissa lämpötiloissa austeniittina. Sementiitti on kuitenkin metastabiili yhdiste, ja kun sitä on muodostunut, se on varsin pysyvää, ellei lämpötila ole kovin korkea. Sulan hiilipitoisen raudan jähmettyessä hiili sekoittuu tällöin muodostuvaa ferriittiin ja austeniittiin, mutta erkanee niistä seoksen jäähtyessä, jolloin seoksen hiilipitoisuudesta, jäähtymisnopeudesta ja muista seoksessa esiintyvistä aineista riippuen syntyy vaihtelevassa suhteessa sekä grafiittia että sementiittiä. Kun hiilipitoisuus on pieni, on epätodennäköistä, että tarpeeksi monta hiiliatomia sattuisi niin lähelle toisiaan, että ne voisivat muodostaa sementiittiä, ja tällöin pääosa hiilestä sitoutuukin rautaan grafiittina. Pienen hiilipitoisuuden ohella grafiitin muodostumista edistävät myös suuri jäähtymisnopeus sekä muista seosaineista kromi ja mangaani, kun taas sementiitin muodostumista edistävät korkea hiilipitoisuus, hidas jäähtymisnopeus sekä seosaineista pii, nikkeli ja alumiini.
Pitkäaikaisella lämpökäsittelyllä on mahdollista hajottaa raudassa oleva sementiitti kokonaan raudaksi ja grafiitiksi, jota sanotaan temperhiileksi. Tällä tavalla valmistetaan adusoitua rautaa, jollaista on esimerkiksi amerikkalainen mustaydin-temperrauta.
Viime aikoina on myös kehitetty uusi teräksen valmistusmenetelmä, rautakarbidiprosessi, joissa malmi pelkistetään vedyn ja metaanin avulla. Tällöin saadaan rautakarbidijauhetta, jota voidaan edelleen käyttää teräksen raaka-aineena.
Sementiitti puhtaana thumb|left|Ortorombinen Fe3C-kide. Rauta-atomit on merkitty sinisellä. Sementiitillä on ortorombinen kiderakenne. Sen yksikkökopissa on 12 rauta- ja 4 hiiliatomia. Jokainen rauta-atomi on sitoutunut kolmeen hiiliatomiin ja jokainen hiiliatomi kahdeksaan rauta-atomiin.
Tavallisissa lämpötiloissa sementiitti on ferromagneettinen aine. Sen Curie-piste on noin 480 K (207 °C), jota korkeammassa lämpötilassa se on paramagneettista.
thumb|Sementtitin moolitilavuuden riippuvuus paineesta huoneenlämmössä Luonnossa rautakarbidia, joka sisältää hieman myös nikkeliä ja kobolttia, esiintyy rautameteoriiteissa. Mineraalina sitä sanotaan coheniitiksi saksalaisen mineralogi Emil Cohenin mukaan, joka kuvasi sen ensimmäisenä. Koska hiili on yksi planeettojen metallisissa ytimissä mahdollisesti esiintyvistä kevyemmistä alkuaineista, sementiitin ominaisuuksia korkeissa lämpötiloissa ja paineissa on tutkittu kokeellisesti ja sillä on mallinnettu coheniitin käyttäytymistä. Oheinen kaavio osoittaa sen kokoonpuristuvuuden ja tilavuuden riippuvuuden paineesta huoneenlämmössä.
Muut rautakarbidit Karkaistusta teräksestä on tunnistettu metastabiileja rautakarbideja, joilla on merkitystä teollisuudessa ja joita syntyy muun muassa erityisesti Fischer-Tropsch -prosessissa. Sellaisia ovat Epsilon (ε) -karbidi, heksagonaalisena tiivispakkauksena kiteytyvä yhdiste Fe2-3C, jota esiintyy karkaistussa hiiliteräksessä, kun sen hiilipitoisuus on yi 0,2 % ja se on karkaistu 100–200 °C:n lämpötilassa. Ei-stoikiometrinen ε-karbidi hajoaa noin 200 °C:ssa, jolloin siitä alkaa muodostua Häggin karbidia ja sementiittiä. Häggin karbidi on monokliininen yhdiste, Fe5C2, ja sitä esiintyy 200–300 °C:n lämpötilassa karkaistuissa työkaluteräksissä. Eri rautakarbidien tunnistaminen ei ole aivan helppoa, ja usein siihen on käytettävä röntgendiffraktion ohella myös Mössbauerin spektroskopiaa.
Lähteet
Aiheesta muualla Seija Meskanen, Pentti Toivonen: ValuAtlas, Valimotekniikan perusteet, Metallurgian perusteita (pdf)
Kirjallisuutta
Luokka:Rautayhdisteet Luokka:Karbidit Luokka:Metallurgia