工业分析化学(第二版)第七章 金属材料分析

生铁
C 2.5～4% Mn 0.5～6% Si 0.5～3% S 、P（少量）
通常按用途(碳的存在形式)分为炼钢生铁(白口 铁)和铸造生铁(灰口铁)。
炼钢生铁(白口铁) ：含硅低而含硫高，多用于 炼钢；碳以化合态存在。
铸造生铁(灰口铁)：含硅高而含硫低，多用于 铸造；碳以游离态存在。
碳素钢： 合金钢：
生成氢氧化物，就是因为碳酸铁在水溶液中水解。
（2）铁的氧化还原性质
铁的价态有0、+2、+3和+6，Fe3+比Fe2+稳定。 在研磨试样时试样中的Fe(Ⅱ)和溶液中的Fe2+可 能被氧化。提高酸度或使Fe2+形成稳定络合物有利于 其稳定性增加。
Fe3+是弱氧化剂，只有较强的还原剂如SnCl2、 TiCl3、盐酸羟胺等才能将它还原。
1.2.3 铁的分析化学性质
（1）铁化合物酸碱性质
铁的氧化物均可溶于酸；铁盐、亚铁盐与碱作
用生成相应的氢氧化物沉淀：Fe(OH)3沉淀完全的 pH4.1，Fe(OH)2沉淀完全的pH9.7(有铵盐存在时可 能沉淀不完全)。
新沉淀的Fe(OH)3 与强碱作用形成可溶性铁酸 盐：
Fe(OH)3 + OH-＝FeO2- + 2H2O 而 Fe(OH)2 + 2OH-＝[Fe(OH)4]2-
Fe2+，再用TiCl3将剩余的Fe3+还原，用Na2WO4为指示 剂[W(Ⅵ)无色 →W(Ⅴ)蓝色]，再用K2Cr2O7将过量的 TiCl3还原至钨蓝消失。
氧化过量的TiCl3，也可在 Cu2+的催化下，利用空气中的O2 进行，使钨蓝褪色。
滴定： 向预处理完的试液加硫磷 混酸，以二苯胺磺酸钠为指示 剂，用K2Cr2O7标准溶液滴定。 高锰酸钾法、间接碘量法 和EDTA络合滴定法也能用于铁 的测定。
单独测定全铁：多采用酸溶，以HCl为佳。如不能 全分解，可用硫磷混酸分解，但须注意加热时间不能 过长，冒白烟1-3min即可，否则会生成焦磷酸盐，使 结果偏低。
测定铁矿石中的Al2O3：用NaOH熔融分解。 测定S和P：Na2CO3-ZnO半熔法。 铁矿石全分析：Na2O2或NaOH熔融分解。
（2）全分析项目
工业纯铁（含碳量≤0.04%） 低碳钢 （含碳量≤0.25%） 中碳钢 （含碳量=0.25～0.60%） 高碳钢 （含碳量＞0.60%）
低合金钢 （合金元素≤5%） 中合金钢 （合金元素=5%～10%） 高合金钢 （合金元素＞10%）
1.1.2 各元素在钢中的形态和作用
（1）碳 碳是钢铁的主要成分之一，它直接影响着钢铁的
铁的氧化还原性质是建立铁的测定方法的依据。
1.2.4 铁的测定方法
（1）滴定法 重铬酸钾法是主要测定方法。 预处理： 有汞法：试样用酸分解后，加稍过量的SnCl2将
Fe3+全部还原为Fe2+，过量的SnCl2用HgCl2除去： SnCl42- + HgCl2 ＝ SnCl62- + Hg2Cl2↓ 无汞法：试样分解后用SnCl2将大部分Fe3+还原为
全分析：即系统分析 分析项目按该钢材种类牌号的国家标准或行 业标准进行。 重点成分分析： C、Si、Mn、S、P五种元素及相应钢材的特定 功能元素。 情况不明材料分析： 先定性或半定量分析，再确定所需分析项目。
（2）分析特点
样品制备较简单：分布相对均匀 分解较容易：酸溶 定量分析方法较简单：多用分光光度法，只有 少数用滴定法。许多项目用自动分析仪。如金属材 料元素一体化分析仪是综合性元素分析仪，该仪器 可满足钢、铁、合金钢、不锈钢、耐热钢、玛钢、 耐磨钢等材料中元素的测定。仪器通过电弧燃烧炉 燃烧样品，红外分析法测定C、S元素的含量，通过 光电比色法测定Mn、P、Si、Cr、Ni、Mo、Cu、Ti、 V、Al、W、Mg、稀土总量等元素的含量。
TFe、SiO2、Al2O3、CaO、MgO、MnO、 P2O5、SO3、 As；有时加FeO和金属Fe。
SiO2、Al2O3、CaO、MgO、Mn、P、S的测定方法可参 照硅酸盐分析中的方法，As一般用原子吸收分光光度法 测定。
1.3 钢铁试样的采集、制备及分解
1.3.1 采样、制样原则 1.3.2 试样的采集和制备 （1） 采样工具
1.4 主要元素分析
1.4.1 碳的测定 测定各种形态的碳属于相分析；碳在钢铁中
主要以两种形式存在：游离碳和化合碳。游离碳 一般不与酸作用，而化合碳能溶解于酸。
在成分分析中，一般钢样只测定总碳量；而 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。具体的测定该当有气体 容量法、吸收重量法、非水滴定法、光度法、色 谱法和多种电分析化学法。
第一节 钢铁分析 第二节 铝及铝合金分析
目录
第一节 钢铁分析
1.1 概述
金属材料分为黑色金属材料(铁、铬、锰及其 合金，即钢铁)和有色金属材料。钢铁是铁和碳的 合金，其化学成分中主要元素是铁，还含有碳、硅、 锰、磷、硫等五大元素及其它合金元素和杂质元素。
1.1.1 钢铁的分类 （1）生铁
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，含碳量2.5%-4%，பைடு நூலகம்生铁。
1.2 钢铁冶炼原料－－铁矿石分析
1.2.1 铁在自然界的存在 铁在地壳中的丰度大约为5%，在丰度表中居氧、
硅、铝之后，排位第四位。 铁在各类岩浆岩中的平均含量为：超基性岩
9.64%；基性岩 8.61%；中性岩 3.67%(正长岩)， 5.85%(闪长岩)；酸性岩 2.80%(富钙岩)， 1.42%(贫钙岩)。
在试样中加入CuSO4溶液，发生置换反应： CuSO4 + Fe ＝ Cu + FeSO4 金属铁变成Fe2+而进入溶液，过滤，用K2Cr2O7法或磺 基水杨酸光度法测定。
为消除CuSO4颜色对终点的干扰，在滴定前加入 Al片使Cu2+沉淀。如不加Al片，可加HNO3使Fe2+氧化 为Fe3+，再加氨水使形成Fe(OH)3↓，过滤后用HCl重 新溶液后测定。
（2）光度法和AAS法
低品位原矿石及选矿尾矿中的铁含量较低， 可选用光度法和AAS法等仪器分析方法，以AAS法 为佳。
光度法主要有磺基水杨酸法和邻菲啰啉法。 原子吸收分光光度法的灵敏度不高，不如邻菲啰 啉光度法。
光源
单色器 吸收 池
检测 器
0.575
显示器
1.2.5 Fe(Ⅱ)的测定
如组成复杂，含有机物 等杂质，通常采用CO2气体保 护滴定法：
存在。
硫的存在，使钢产生“热脆性”，属有害成分， 产生热脆性的原因是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。
（3）磷
磷由原料中引入，有时也为特殊需要而有意 加入，以Fe2P或Fe3P状态存在。
磷化铁硬度较强，以至钢铁难于加工，并使钢 铁产生“冷脆性”，但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。
增强钢的硬度、弹性及强度，提高抗氧化能力及 耐酸性。
促使C以游离态石墨状态存在，使钢有较高的流动 性，易于铸造。
一般生铁或碳素钢Si含量<1%； 电器用硅钢的Si含量可达4%； 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 要用于炼钢作脱氧剂。
钢制长柄勺；铸模；取样枪 （2） 采集方法 （3） 制样方法
1.3.3 试样的分解
钢铁试样主要采用酸分解法，常用的有盐酸、 硫酸和硝酸。三种酸可单独或混合使用，分解钢铁 样品时，若单独使用时一种酸，往往分解不够彻底， 故更多是混合使用。
此外可用来分解钢铁样品的还有磷酸和高氯酸， 主要起助溶作用。
某些难分解试样，也可使用碱熔法分解。
（5）锰
锰少量来源于原料矿石中，主要是在冶炼钢 铁过程中作为脱硫脱氧剂有意加入。在钢铁中主要 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。
锰能增强钢的硬度，减弱延展性。 生铁 Mn 0.5% - 6% 锰钢 Mn>0.8% 碳素钢 Mn 0.3%-0.8% 高锰钢 13% - 14%
pH 14 pH 13
铁盐在水溶解中容易发生水解，强酸铁盐在水
溶液中水解能释放出质子： Fe3+ + H2O → Fe(OH)2+ + H+ Fe(OH)+ + H2O → Fe(OH)2+ + H+ 2Fe3+ + 2H2O → Fe2(OH)24+ + 2H+
另，Fe3+与碱金属碳酸盐作用不形成碳酸盐而
铁是广泛存在的最普通元素之一，它和所有元 素都可以共生，含铁矿物也可伴生众多元素，其中 较为密切的是与铁同周期的过渡元素和铂族元素， 此外还有镁、铝及一些常见非金属元素。
1.2.2 铁矿石类型
主要矿石类型：赤铁矿、褐铁矿、菱铁矿等。 磁铁矿：FeO•Fe2O3，具强磁性。 赤铁矿：Fe2O3，无磁性。 褐铁矿：mFe2O3•nH2O。 菱铁矿：FeCO3。 黄铁矿：FeS2。 此外还有钒钛铁矿、铬铁矿等。
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。
（4）硅
硅由原料矿石引入或在脱氧及有特殊需要时加入。 主要以硅化物形式存在：FeSi、MnSi、FeMnSi。