合金元素在钢铁中的存在形式及其影响

合金元素在钢铁中的存在形式及其影响

一、碳

碳是钢铁中的重要元素，它是区分钢铁的主要标志之一。在决定钢号时，往往注意到碳的含量，碳对钢铁的性能起决定性的作用。由于碳的存在，才能将钢进行热处理，才能调节和改变其机械性能。当碳含量在一定范围内时，随着碳含量的增加，钢的硬度和强度得到提高，其塑性韧性下降；反之，则硬度和强度下降，而塑性和韧性提高。

碳在钢铁中的存在形式可分为下列两种：

1、化合碳：即碳以化合形态存在。在钢中主要以铁的碳化物（如Fe3C）和合金

元素的碳化物形态存在。在合金钢中常见的碳化物，如：Mn3C、Cr3C2、

WC、W2C、VC、MoC、TiC等，统称为化合碳。

2、游离碳：铁碳固溶体中的碳、无定形碳、石墨碳、退火碳等统称为游离碳。

高碳钢经退火处理时也会有部分游离碳析出。在铸铁中的碳，除了

极少量固溶于铁素体外，常常以游离形态或化合形态，或二者并存

的形态存在。化合碳与游离碳总和称为总碳量。在分析游离碳较多

的铸铁等试样时，应特别注意样品的代表性和均匀性。

游离碳一般不和酸起作用，而化合碳能溶于酸中，借此性质可分离游离碳。碳化铁容易溶解在各种酸中，并容易被空气所氧化，但是碳化铁不溶于冷的和稀的非氧化性酸（硫酸、盐酸）内，大部分碳化物以黑色或深褐色的沉淀而沉降下来，但是，这种沉淀在氧化剂甚至于在空气中的氧参与下都很易溶解，受到浓硫酸、浓硝酸作用时，碳化铁即被分解而析出不同组分的挥发性碳。

大多数合金元素的碳化物难溶于酸内，为使其完全分解，需采取适当的措施，例如：

1、在加热的情况下，将钢样用盐酸或硫酸处理，直至金属部分完全溶解，然后

小心加入硝酸使碳化物破坏。

2、钢样内如含有稳定的碳化物时，在用硝酸氧化以前，先行蒸发至开始冒硫酸

烟（或蒸发硫磷酸至冒硫酸白烟），然后再仔细地滴加浓硝酸。

3、在钢样中含有极稳定的碳化物，用上述方法不能溶解时，可将钢样用热盐酸、

硝酸或盐—硝混合酸处理后，再用高氯酸处理。在高氯酸蒸发的温度（约

200℃）下加热，这时全部碳化物即会分解。

二、硅

硅在钢铁中主要以固溶体形式存在，还可形成硅化物，其形式有MnSi或FeMnSi等；也有少许以硅酸盐以及游离SiO2的形式成为钢铁中非金属夹杂物而存在，在高碳钢中可能有少量SiC形式存在。

硅和氧的亲和力仅次于铝和钛，而强于铬、锰和钒。所以在炼钢过程中，硅用作还原剂和脱氧剂。硅能增强钢的抗张力、弹性、耐酸性和耐热性，又能增大钢的电阻系数。故钢中含硅量一般不小于0.10%，作为一种合金元素，一般不低于0.4%，耐酸耐热钢及弹簧钢中含硅量较高，而硅钢中含硅量可高达4%以上。

单质硅只能与氢氟酸作用，与其它无机酸不起作用，但能溶解于强碱的溶液中。钢中大多数的硅化物是能溶于酸的。但如遇周期表Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ副族元素和部分过渡元素的难溶性硅化物时，则只有用硝酸—氢氟酸或硫酸—磷酸混合酸才能分解。

硅对化学分析的影响，主要表现为当钢中硅含量较高时，在溶解的过程中容易产生硅酸沉淀。此外，在测定其它元素时，为了消除硅酸的影响，有以下两种方法：一是加氢氟酸成SiF4气体逸出（可以在铂皿、黄金皿、刚玉器皿或聚四氟乙烯器皿中进行）；二是脱水后成SiO2沉淀滤去。

三、磷

磷在钢中以固溶体和磷化物形态存在。磷化物形态有Fe3P、Fe2P等，极少量有时呈磷酸盐夹杂物存在。磷在钢中的分布具有不同程度的偏析现象，所以取样时应注意代表性。

Fe3P是一种很硬而脆性大的物质，当磷含量高时易形成Fe3P，增加钢的冷脆敏感性、增加钢的回火脆性以及焊接裂纹敏感性。一般认为在钢中含磷量高于0.1%时，便会发生上述的危害性。通常的情况下认为磷是钢中有害的元素，但是它也有可利用的一面。例如：磷和铜联合作用时，能提高钢的抗蚀性；它和锰、硫联合作用时，能改善钢的切削加工性。例如：我国易切结构钢Y12含磷0.08-0.15%。

钢中绝大部分磷化物是能溶于酸的，但是，用非氧化性酸溶解时会以PH3形态逸出。在氧化性酸中，大部分生成正磷酸H3PO4，也有一部分生成焦磷酸H4P2O7、偏磷酸HPO3或次磷酸H3PO2状态。因此在分析磷时，除了一定要用氧化性酸溶样外，还要用强氧化剂氧化，使之全部成H3PO4形态，方可继续测定。

四、硫

硫主要以硫化物的形态存在于钢中。在钢中有大量锰存在时，主要形成MnS 和FeS，而很少形成其它硫化物，如：CrS、FeS·Cr2S3、VS、TiS等等。一般认为硫是钢中有害元素之一。硫在钢中易于偏析，恶化钢的质量。如以熔点较低的FeS的形式存在时，将导致钢的热脆现象。此外，硫存在于钢内能使钢的机械性能降低，同时对钢的耐蚀性、可焊性也不利。

由于硫在钢中易于偏析，因此取样时必须注意代表性。钢中硫化物一般易溶于酸中，在非氧化性酸中生成硫化氢逸出，在氧化性酸中转化成硫酸盐。硫化物在高温下（1250-1350℃）通氧燃烧大部分转化为SO2气体，转化为SO2的作用并不完全。

硫在化学分析中的影响，通常表现在气体容量法定碳时，必须考虑要有良好的脱硫剂，否则会使碳的结果偏高。

五、锰

锰在钢中除了形成固溶体外，还能形成MnS、Mn3C以及少量的MnSi、FeMnSi、氧化物（如MnO、MnO·SiO2等）和氮化物等。

锰在冶炼钢铁过程中，通常作为脱氧剂及脱硫剂而特意加入。锰与硫能形成熔点较高的MnS，可防止因FeS而导致的热脆现象，并因此提高了钢的可锻性，锰还能使钢铁的硬度和强度增加。

锰溶于稀酸中，生成二价锰离子，锰化物也都很活泼，容易溶解和氧化。由于锰的价态较多（有2、3、4、6、7价），这就为测定锰提供了有利的因素。

锰对化学分析的影响，主要有两个方面：一是锰含量高时，在低酸度介质中遇强氧化剂产生棕色混浊；二是锰含量高时，使溶液中其它元素的氧化难于完全，如高锰钢中磷的氧化就是如此。遇此情况需考虑适当的氧化方法。