工业分析化学(第二版)第七章 金属材料分析(课堂PPT)

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。
（2）铁合金 指含有炼钢时所需的各种合金元素的特种生铁，
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%，称生铁。
形 碳化物Fe3C、 FeSi、MnSi MnS、 FeS
Mn3C、 Cr3C、 高碳钢部分 FeMnSi、
态
WC、MoC
SiC
固熔体
Fe3P
游离石墨碳 有时固熔体或
硅酸盐
来
原料矿石； 原料矿 焦炭或 原料引
焦炭
脱氧或特殊需 石；作 原料矿 入；特
源
要加入
脱硫脱 石引入 殊需要
氧剂
加入
硬度
高
↑
延展性韧 ↓ 性熔点 ↓
用作炼钢时的脱氧剂或合金元素的添加剂。 按所含元素分为：硅铁、锰铁、铬铁、钼铁、钨
铁、铌铁、钛铁、硅锰合金、稀土合金等。用量最大 的是硅铁、锰铁和铬铁。
（3）铸铁 铸铁也是含碳量>2%的铁碳合金。 按化学成分，分为普通铸铁和合金铸铁；按断
口颜色，分为灰口铸铁、白口铸铁和麻口铸铁；按 组织、性能不同，分为普通灰口铁、孕育铸铁、可 锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁和特殊性能铸铁。
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
性能。碳是区别铁与钢，决定钢号、品级的主要标志。 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。
↓
弹性强度 ↑ ↑
↑ 产生热 产生冷脆性 脆性
钢中 生铁P<0.3%
S<0.05 一般碳素钢
%
<0.06% 优质
生铁 钢<0.03%轧辊
↑ <0.35% 钢高达 0.4 –
0.5%磷铁 15 –
20%之间
流动性
↑易于铸 造（促使C 以游离态）
↑易于铸造 防止轧辊轧 件间粘合
抗酸碱性 检测意义
决定钢铁型号 及用途主要指 标
↑
直接影响钢铁 性能控制一定 量
有害成分严格降至一 定量
1.1.3 钢铁分析的特点及分析内容
（1）分析内容
综上所述，C量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是有害成分 →必须严格降至一定量。 因此，对于生铁和碳素钢，C、Si、Mn、S、P等五 种元素的含量是影响钢铁质量的主要成分，是钢铁生产 的控制项目，也是钢铁分析的必测项目。
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。
（4）钢
钢是含碳量低于2%的铁碳合金，其成分除铁碳外， 还有硅、锰、硫、磷等杂质元素，合金钢中还有其他 的合金元素。一般工业钢中含碳量不超过1.4%。
按化学成分，钢铁材料分为碳素钢和合金钢两种。
碳素钢： 合金钢：
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%）
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。
在高硅钢中，一部分以SiC存在，也有时形成固熔 体或硅酸盐。 作用：
增强钢的硬度、弹性及强度，提高抗氧化能力及 耐酸性。
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
（2）硫 主要由焦炭或原料矿石引入，以MnS或FeS状态
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。
生铁 P<0.3%，一般碳素钢<0.06%，优质钢 <0.03%
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。
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Mn12%-20%的铁合金为镜铁，含Mn60%-80%的 铁合金为锰铁，均主要用于炼钢做脱硫剂。
各元素在钢中的形态和作用表：
C
Si
Mn
S
P
固溶体
主要硅化物： MnC、 MnS、 Fe2P、
（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%