碳的测定

碳的测定

我们上节课讲了钢铁分析概况，钢的分类和钢样的采取、制备及分解。曾讲到碳素钢按含碳量不同是如何分类的。

碳是一种非金属元素，位于元素周期表的第二周期IV A族。

钢铁是铁与C（碳）、Si（硅）、Mn（锰）、P（磷）、S（硫）以及少量的其他元素所组成的合金, 碳含量、存在形态及所形成碳化物的形态、分布等对材料的性能起着极为重要的作用，故统称为铁碳合金。碳是区分铁与钢、决定钢号、品级的主要标志。由于碳的存在，才能用热处理的方法调节和改善钢的机械性能。（热处理：将金属材料放在一定的介质内加热、保温、冷却，通过改变材料表面或内部的金相结构，来控制其性能的一种金属加工工艺）

铁碳合金按含碳量不同分为钢与生铁两大类。

1、钢是含碳量为0.03%～2%的铁碳合金。碳素钢是最常用的普通钢，冶炼方便、加工容易、价格低廉，而且在多数情况下能满足使用要求，所以应用十分普遍。按含碳量不同，碳素钢又分为低碳钢、中碳钢和高碳钢。随含碳量升高，碳钢的硬度增加、韧性下降。当碳含量在一定范围内时，随着碳量的增加，钢的硬度、强度提高，而韧性，塑性变差。

2、生铁是含碳量2%～4.3%的铁碳合金。生铁硬而脆，但耐压耐磨。根据生铁中钢铁碳存在的形态不同又可分为白口铁、灰口铁和球墨铸铁。白口铁中碳以Fe3C形态分布，断口呈银白色，质硬而脆，不能进行机械加工，是炼钢的原料，故又称炼钢生铁。碳以片状石墨形态分布的称灰口铁，断口呈银灰色，易切削，易铸，耐磨。若碳以球状石墨分布则称球墨铸铁，其机械性能、加工性能接近于钢。

碳在钢铁中存在形式

碳在钢铁中主要以化合碳和游离碳两种形式存在：

1、化合碳，即碳以化合形态存在，主要以铁的碳化物和合金元素的碳化物形态存在。例如Fe3C、Mn3C、Cr3C

2、WC、W2C、VC、MOC、TiC等。

2、游离碳（亦称非化合碳）：包括铁碳固溶体、无定形碳、石墨碳、退火碳。

1）铁碳固溶体中的碳（碳作为溶质原子溶于铁中，保持了铁的晶体结构而形成的合金相）。固溶体按照溶质原子在晶格中的位置不同可分为置换固溶体和间隙固溶体两大类。

A置换固溶体溶质原子占据溶剂晶格中的结点位置而形成的固溶体称置换固溶体。当溶剂和溶质原子直径相差不大，一般在15％以内时，易于形成置换固溶体。铜镍二元合金即形成置换固溶体，镍原子可在铜晶格的任意位置替代铜原子。

B间隙固溶体溶质原子分布于溶剂晶格间隙而形成的固溶体称间隙固溶体。其形成条件是溶质原子与溶剂原子直径之比必须小于0.59。铁是直径较大的过渡族金属，而溶质是直径很小的碳。如铁碳合金中，铁和碳所形成的固溶体――铁素体和奥氏体，皆为间隙固溶体。

2）无定形碳（没有具体晶体结构的碳单质，是碳的同素异形体之一，如木炭、焦炭、煤、炭黑）

3）石墨碳：碳与相邻的3个碳原子、形成共价键，构成平面六角平面网状结构，又连成片层结构，易沿着与层平行方向滑动，裂开。主要存在于铸造生铁中，增加铁的流动性、收缩性。

4）退火碳等，是高碳钢经过退火处理的，保湿一段时间后，慢慢冷却，一部分化合碳就会以游离状态析出，降低钢的硬度。

在钢中，一般是以化合碳为主，游离碳只存在于铁及经退火处理的高碳钢。化合碳与游离碳总和，称为总碳量。红外碳硫分析仪就是测定样品中的总碳量。

游离碳一般不与酸作用，即使高氯酸冒烟也难将它氧化。

化合碳一般能溶于硝酸，但一些高价元素（如铬、钛、钒、钼、铌、钨、锆）等，他们的碳化物较稳定，需在加热情况下用高锰酸钾、过硫酸铵、高氯酸冒烟或硫酸冒烟时再滴加硝酸氧化分解。

由于游离碳不溶于酸，利用这个性质可分离并单独测定非化合碳。

二、常用测定方法综述

一般钢样只测总碳量。生铁试样除测定总碳量外，常分析测定游离碳和化合碳的含量。

测定方法：物理法、化学法和物理化学法三大类。

目测法：有经验的师傅根据炼钢炉口的火焰，钢样的火花及表面，来判断钢中碳含量。

1、物理法

光谱法：根据钢样在高温激发时发射的光谱线的强弱，直接测出碳的含量火花源发射光谱法

X-荧光发射光谱法

结晶定碳法：将钢水注入特制的结晶定碳仪，钢水在冷却固化结晶时，自动记录下的冷却曲线的形状与碳含量有函数关系，来确定碳的含量。

2、化学法和物理化学法

都是首先把碳化物氧化为CO2，然后再以适当的方法测定CO2的量。

首先将C氧化为CO2

燃烧的装置有管式炉、高频炉和电弧炉

管式炉：以硅碳棒为发热元件，最高温度可达1350度左右。分为卧式炉与立式炉两种。卧式炉是最先应用的（常用），将试料平铺在瓷舟上，上下都铺适量助熔剂，将瓷舟推入瓷管中心后，预热1-2分钟，采用侧吹通氧，使试样燃烧。管式炉氧气流量小，升温时间长，耗电量大，试样燃烧速度慢。立式炉是由卧式炉改进而来的，将瓷舟瓷管合为一体，用一端封闭的瓷管直接燃烧试样。

高频炉：是比较先进的感应加热电炉，高频炉的加热方式是用紫铜管环绕成加热线圈，当有高频大电流通过时，线圈内产生极性瞬间变化的强磁束，将金属等被加热物体放置在线圈内，磁束就会贯通整个被加热物体，在被加热物体的内部与加热电流相反的方向，便会产生相对应的很大涡电流。由于被加热物体内存在着电阻，所以会产生很多的焦耳热，使物体自身的温度迅速上升。达到对所有金属材料加热的目的。所以称为高频感应炉。是目前对金属材料加热效率最高、速度最快，低耗节能环保型的感应加热设备。高频炉有着十分优异的燃烧性能，碳硫转化率均高于管式炉，碳可认为几乎达100%，硫据有关资料介绍，可达99%以上。高频炉的突出优点是对样品的适应性强，尤其是对管式炉，电弧炉难于燃烧的特种材料，均有较好的燃烧效果。高频炉燃烧性能稳定，操作方便，自动化程度高，如与红外分析仪相配套。将会取得准确可靠的碳硫分析结果。1989年，高频燃烧——红外吸收法，已列为ISO标准（ISO9556-89、ISO4935-89），太钢目前测碳硫使用的就是高频红外碳流分析仪。

（ISO标准是指由『国际标准化组织(International Organization for Standardization, ISO) 』制订的标准。国际标准化组织是一个由国家标准化机构组成的世界范围的联合会，现有140个成员国。ISO的中央办事机构设在瑞士的日内瓦。中国既是发起国又是首批成员国。其宗旨是：在世界范围内促进标准化工作的发展，以利于国际物资交流和互助，并扩大知识、科学、技术和经济方面的合作。其主要任务是：制定国际标准，协调世界范围内的标准化工作，与其他国际性组织合作研究有关标准化问题。）陶瓷坩埚：尺寸应和所有高频感应炉相匹配，使用前在高于1100℃下通氧气灼烧1~1.5h，冷却后至于干燥器内储存。

电弧炉：是我国分析工作首创。以电弧点火，当引弧电极下降到电弧间隙为2-4毫米，呈虚联状态时，电弧间隙击穿放电，在瞬间产生1600度高温，在氧气和助熔剂的作用下，以钢样自身的氧化热效应为热源，将钢铁试样迅速燃烧熔化。碳硫回收率不够理想。