第五章金属材料分析

气体容量法定碳装置
l.氧气瓶，2.氧气表，3.缓冲瓶，4、5.洗气瓶，6.干
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燥塔，7.玻璃磨口塞,8.管式炉，9.燃烧管，10.除硫 管,11.容量定碳仪(包括: 冷凝管a 、量气管b、水准瓶c、 吸收瓶d、小旋塞e、三通旋塞f、），l2.球形干燥管， 13.瓷舟,14.温度自动控制器. 15. 供氧旋塞
例： 特种钢： 若适当提高钢中Si或Mn含量，或加入一定 量的Ni，Cr，W，Mo，V，Ti等金属，成为特种 钢（铁合金或合金钢）。
加Ni、Cr、W、Ti等又分别称为Ni钢、Cr钢、 W钢、Ti钢。 加Ni增强钢的强度及韧性多用于承受冲击或 强大压力的制件含Ni 36%铸钢受热时几乎不膨胀 可制精密仪器 加Cr耐热耐腐蚀性较强，多用于制造滚珠轴 承或工具含Cr 12.5 – 18%的铬钢或含铬 0.6 – 1.75%、Ni 1.25%的镍铬钢，又称不锈钢，可 制高压锅。
第一节
钢铁分析
概述 碳的测定 硫的测定 磷的测定 锰的测定
硅的测定
其它测定法介绍
概述
了解钢的生产过程， 从而进一步理解五大元素 在钢中的作用，证明测定 的意义 。 钢铁是铁和碳的合金， 其化学成分中大多数元素 是铁，还含有碳、硅、锰、 磷、硫等元素。
一、钢的生产过程
铁矿石 石灰石 焦炭
配比 高温燃烧 生铁 辅助材料 熔炼
1.氢氧化钾吸收剂溶液(400g/L)； 2.除硫剂 活性二氧化锰(粒状)或钒酸银。 2.1 钒酸银； 2.2 活性氧化锰； 3. 酸性氯化钠溶液（250g/L）； 4.助熔剂 锡粒(或锡片)、铜、氧化铜、 纯铁粉。 5.高锰酸钾溶液（40g/L）； 6.甲基橙指示剂（2g/L）。
（三）仪器
图1
• 如含锰0.8% - 14%为各种型号的高锰 钢，具有良好的弹性及耐腐蚀性。用于 制造弹簧、齿轮、转轴、铁路道岔等。 • 含Mn 12% - 20%的铁合金为镜铁 • 含Mn 60% - 80%的铁合金为锰铁 • 上两种主要用于炼钢做脱硫剂
（四）硫
1 来源 主要由焦炭或原料矿石引入钢铁
2 形态 主要以MnS或FeS状态存在 若： 生成 S Mn
4. 类型 :
生铁 P<0.3% 一般碳素钢 <0.06% 优质钢<0.03% 特殊用途：轧辊钢高达 0.4 –
0.5%
炼 钢 或 铸 钢 用 的 磷 铁 15 – 20%之间. 以上归纳成如下表：
各元素在钢中的形态和作用表
C 固溶体 形 碳化物Fe3C, 态 Mn3C, Cr3C, WC, MoC. 游离石墨碳 Si 主要硅化物： FeSi,MnSi 高碳钢部分 SiC 有时固熔体或 硅酸盐 Mn MnC, MnS, FeMnSi 固 熔体 S MnS , P Fe2P ,
第五章
金属材料分析
钢铁分析 铝及铝合金分析
金属材料简介 金属材料是由金属元素或以金属元素为主构成的具 有金属特性的材料的统称，具体可分为包括黑色金属 材料、有色金属材料和特种金属材料等。 黑色金属材料又称钢铁材料，包括含铁90％以 上的工业纯铁，含碳2％～4％的铸铁，含碳小于 2％ 的碳钢，以及各种用途的钢结构、不锈钢、耐热钢、 高温合金、精密合金等。 有色金属材料是指除铁、铬、锰以外的所有金 属及其合金，通常分为轻金属、重金属、贵金属、半 金属、稀有金属和稀土金属等。 特种金属材料包括不同用途的结构金属材料和 功能金属材料。其中有通过快速冷凝工艺获得的非晶 态金属材料，以及准晶、微晶、纳米晶金属材料等； 还有隐身、抗氢、超导、形状记忆、耐磨、减振阻尼 等特殊功能合金，以及复合金属材料等。
碳素钢 C控制在一定限度 Si Mn 很低 S P 杂质< 0.05%
铁矿石和焦炭、石灰石按一定比例配合，经过高温煅烧、冶炼，则 铁矿石被焦炭还原，生成粗制的铁，称生铁。反应历程较复杂，可用下式 代表：
2Fe2O3 + 3C
4Fe + 3CO2
CaCO3 + SiO2
CaSiO3 + CO2
除掉SiO2
二、各元素在钢中的形态和作用 主要讲述C 、S 、Si 、Mn 、P （一）碳 1、钢铁中的C来源： 碳是钢铁的主要成分之一，它直接影响着钢铁 的性能。碳是区别铁与钢，决定钢号、品级的主 要标志。
游离态
2、形态：两种
化合态 Fe3C, Mn3C, Cr3C2,WC, MoC等
碳是对钢性能起决定作用的元素。碳在钢 中可作为硬化剂和加强剂，正是由于碳的存在， 才能用热处理的方法来调节和改善其机械性能。 对存在状态的影响 灰口生铁，石墨C多，软而韧 白口生铁，化合物C多，硬而脆 碳素钢据C 含量分三类，低、中、高碳素钢
（四）分析步骤
将炉温升至1200～1350℃，检查管路及活塞是 否漏气，装置是否正常，燃烧标准样品，检查仪器 及操作。 称取适量试样置于瓷舟中，将适量助熔剂覆盖于 试样上面，打开玻璃磨口塞，将瓷舟放入瓷管内， 用长钩推至高温处，立即塞紧磨口塞。预热lmin， 按照定碳仪操作规程操作，测定其读数(体积或含 量)。打开磨口塞，用长钩将瓷舟拉出，即可进行下 一试样分析。
铁矿石主要含有硅酸盐状态存在的其他 金属或非金属杂质的氧化铁，经冶炼大部分 杂质转化成炉渣，分离除去，有少量杂质C、 Mn、Si、S、P等残存在生铁中。 如果将生铁的其他辅助材料配合，进一步 冶炼，则杂质被进一步氧化除去，同时控制 含碳量降至一定限度，硅猛等元素含量很低， 硫磷等杂质降至0.05%以下，则成为铁及碳的 合金碳素钢。
（五）测定条件
1．试样的燃烧程度 燃烧温度 ;助熔剂降低燃烧温度;通O2速度 2．硫的干扰及消除 在高温O2气流中燃烧时，试样中硫也转化为 SO2：
如果生成的SO2，在吸收前未能除去，同样 被KOH溶液吸收，干扰碳的测定。常用MnO2除 去混合气体中的SO2
3.测定中应注意的问题 1. 助熔剂中含碳量一般不超过0.005% ; 2.样品的放臵要均匀地铺在燃烧舟中; 3.定碳仪应装臵在室温较正常的地方(距离高温炉约 300～500mm)
生铁
C 2.5 - 4% Mn 0.5 - 6% Si 0.5 - 3% S,P(少量)
白口生铁 （硬而脆） Si<0.5% ,Mn> 4% C以化合态存在（如Fe3C, Mn阻止以游离态存在） mp=1100o 断口银白色 C Mn高硬难加工 多用于炼钢
据Mn Si 量生铁一般分为 灰口生铁 （软而韧） Si>2%,Mn< 2% Si促使C以游离态石墨状存在 o mp=1200 C 断口灰色 Si高流动性强，软易加工 用于铸造
↑
流动性 ↑易于铸造 （促使C 以游离态） ↑ 决定钢铁型号及 用途主要指标
↑易于铸造 防止轧辊 轧件间粘 合
抗酸碱性 检测意义
直接影响钢铁性 有害成分严格降至一定量 能控制一定量
三 、 检测意义
综上所述，C是确定钢铁型号及用途→主要指标 Si、Mn直接影响钢铁性能(有益的)→控制一定量
S、P有害成分
燃烧-气体容积法(气体容量法)
燃烧-气体容积法是目前国内外广泛 采用的标准方法。本法成本低，有较高 的准确度，测得结果是总碳量的绝对值。 其缺点是要求有较熟练的操作技巧，分 析时间较长，对低碳试样测定误差较大。
（一）方法原理
试样在1200～1300℃的高温O2 气流 中燃烧，钢铁中的碳被氧化生成CO2: C + O2 = CO2 4Fe3C + 13O2 = 4CO2 + 6Fe2O3 Mn3C +3O2 = CO2 + Mn3O 3FeS +5O2 = Fe3O4 +3SO2 3MnS + 5O2= Mn3O4 + 3SO2
(三)锰 1、来源 少量由原料矿石中引入，主要是在冶炼 钢铁过程中作为脱硫脱氧剂有意加入。 2 、形态 钢铁中主要以MnS状态存在，如S含量较 低，过量的锰可能组成MnC、MnSi、 FeMnSi等，成固熔体状态存在。
3、性能 增强钢的硬度，减弱延展性。 4、类型 生 铁 Mn 0.5% - 6% 锰 钢 中 Mn>0.8% 碳素钢 Mn 0.3 – 0.8% 高锰钢高达13% - 14%
用脱硫剂(活性MnO2)吸收SO2生成的CO2与过剩的O2 经导管引入量气管，测定容积，然后通过装有KOH 溶液的吸收器，吸收其中的CO2 CO2十2KOH = K2CO3十H2O 剩余的O2再返回量气管中，根据吸收前后容积之 差，得到CO2的容积，据此计算出试样中碳的质量分 数。
（二）主要试剂
FeS
Fe3P
来 源
焦炭
原料矿石；脱 原料矿 焦炭或 原料引 氧或特殊需 石；作 入；特 要加入 脱硫脱 原料矿 殊需要 氧剂 石引入 加入
硬度 延展性韧性 熔点
高 ↑ ↓ ↓
低 ↑ ↓ ↑ ↑
↑ 产生热脆 性
产生冷脆性
↓
弹性强度抗 氧化性
↑
↑ ↑
生铁P<0.3% 钢中 一般碳素 S<0.05% 钢<0.06% 生铁 优质钢 <0.35 <0.03%轧 ↑ % 辊钢高达 0.4 – 0.5%磷铁 15 – 20% 之间
加W有极强的耐热性，受热至白热化仍 不软化常制运转的机件或刀具。 高速切削钢：含W 15–18% V 1–3% Cr 2–5%合金钢
含Mo、V、Ti等合金钢和钨钢性能相似。
各种合金钢具有独特的性能而用于特殊用途。
含有一定量V、Ti，而C又是以球状存在的， 称“球墨铸铁”。具有和某些合金钢类似的特 殊性能，可代替合金钢使用。
低碳钢 < 0.2% 称纯铁或熟铁 按含碳量分钢 中碳钢 0.2 - 1.7% (称钢) 高碳钢 >1.7% （1.7 - 4%）
（二）硅
1、来源
由原料矿石引入或脱氧及特殊需要而有意加入。
2、形态
主要以硅化物：FeSi 、MnSi 、FeMnSi 存在
在高硅钢中，一部分以SiC存在，也有时形成固熔
10.炉子升温应开始慢，逐步加速，以延长硅碳 棒寿命。 11.分析前，应先检查仪器各部分是否漏气。工 作开始前及工作中，均应燃烧标准样品，判定 工作过程中仪器的准确性。 12.吸收前后观察刻度的时间应一致。吸收后观 察刻度时，量气管及水准瓶内液面与视线应处 在同一水平线上。 13.吸收器中氢氧化钾溶液使用久后也应进行更 换，一般在分析2000次后更换，否则吸收效率 降低，使测定结果偏低。
体或硅酸盐。
3、性能
(1) 增 强 钢 的 硬 度 、 弹
性及强度，提高抗氧化
能力及耐酸性。
(2) 促 使 C 以 游 离 态 石
墨状态，使钢高于流动
性，易于铸造。
(3)类型 a 一般生铁或碳素钢Si含量<1% b 电器用硅钢Si含量可达4% c 特殊用途的硅铁、硅钢等合金， Si含量 高达12 – 95% 如： 含Si 12 – 14%的铁合金称硅铁 含Si 12%，Mn 20%的铁合金称硅镜铁， 主要用于炼钢脱氧剂
反之 过量S和Fe
MnS FeS
3 性能
使钢产生“热脆性”——有害成分
原因：为什么产生热脆性？ FeS的熔点较低，最后凝固，夹杂于钢铁的
晶格之间。当加热压制钢铁时，FeS熔融，钢铁
的晶粒失去连接作用而脆裂。
（五）磷 1 来源 ：由原料中引入，有时也为 了特殊需要而有意加入 2 形态：以Fe2P或Fe3P状态存在 3 性能：磷化铁硬度较强，以至钢 铁难于加工，并使钢铁产生“冷脆性”也是 有害杂质作用(事物都有其另一面) P↑ → 流动性↑ →易铸造 并 可避免在轧钢时轧辊与压件粘合 在特殊情况下常有意加入一定量P达 此目的。
4.更换水准瓶所盛溶液、玻璃棉、除硫剂、氢氧化钾 溶液后，均应作几次高碳试样，使二氧化碳饱和后， 才可进行试样测定。
5.对测定含硫量较高的试样(大于0.2%)，应增加 除硫剂量或增加一个除硫管。 6.吸收器、水准瓶内溶液以及混合气体三者的温 度应基本相同，否则将产生正负空白值。 7.如分析完高碳试样后，应空通一次，才可以接 着做低碳试样分析。 8.当洗气瓶中硫酸体积显著增加及二氧化锰变白 时，说明已失效，应及时更换。 9.观察试样是否完全燃烧，如燃烧不完全，需重 新分析。
→严格降至一定量
因此，对于生铁和碳素钢：C、Si、Mn、S、P等五
种元素的含量是冶金或机械工业化验室日常生产控
制的重要指标.
碳的测定
测定各种形态的碳属于相分析；在 成分分析中，一般钢样只测定总碳量。 生铁试样除测定总碳量外，常分别测定 游离碳和化合碳的含量。
总碳量的测定方法
方法有很多，但通常都是将试样置于高温氧 气流中燃烧，使之转化为二氧化碳再用适当方法 测定。 归纳起来可分为三大类： 物理法 化学法 物理化学法