钢铁成分分析

第六章钢铁分析

§6.1 概述

§6.2 碳的测定

§6.3 硫的测定

§6.4 磷的测定

§6.5 锰的测定

§6.6 硅的测定

§6.7 其它测定法介绍

§6.1 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。

焦炭还原铁矿石：铁矿石被焦炭还原生

石灰石CaCO3除SiO2：成粗制铁成生铁

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，称生铁。反应历程较复杂，可用下式代表：

一、钢的生产过程

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：

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。

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。

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。

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。

形态：两种：

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

（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

(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%

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：

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. 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：

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→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.

§6.2 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

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

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

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）。