钢铁分析

第五章金属材料分析钢铁分析铝及铝合金分析金属材料简介金属材料是由金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称，具体可分为包括黑色金属材料、有色金属材料和特种金属材料等。黑色金属材料又称钢铁材料，包括含铁90％以上的工业纯铁，含碳2％～4％的铸铁，含碳小于2％的碳钢，以及各种用途的钢结构、不锈钢、耐热钢、高温合金、精密合金等。有色金属材料是指除铁、铬、锰以外的所有金属及其合金，通常分为轻金属、重金属、贵金属、半金属、稀有金属和稀土金属等。特种金属材料包括不同用途的结构金属材料和功能金属材料。其中有通过快速冷凝工艺获得的非晶态金属材料，以及准晶、微晶、纳米晶金属材料等；还有隐身、抗氢、超导、形状记忆、耐磨、减振阻尼等特殊功能合金，以及复合金属材料等。第一节钢铁分析概述碳的测定硫的测定磷的测定锰的测定硅的测定其它测定法介绍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。铁矿石石灰石焦炭配比高温燃烧生铁辅助材料熔炼碳素钢C控制在一定限度SiMn很低SP杂质0.05%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：2Fe2O33C4Fe3CO2++++CaCO3SiO2CaSiO3CO2除掉SiO2生铁C2.5-4%Mn0.5-6%Si0.5-3%S,P(少量)据MnSi量生铁一般分为灰口生铁（软而韧）白口生铁（硬而脆）Si2%,Mn2%Si促使C以游离态石墨状存在Si高流动性强，软易加工用于铸造Si0.5%,Mn4%C以化合态存在（如Fe3C,Mn阻止以游离态存在）mp=1200Co断口灰色mp=1100Co断口银白色Mn高硬难加工多用于炼钢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。例：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Ni36%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，多用于制造滚珠轴承或工具含Cr12.5–18%的铬钢或含铬0.6–1.75%、Ni1.25%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W15–18%V1–3%Cr2–5%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。游离态化合态Fe3C,Mn3C,Cr3C2,WC,MoC等2、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、高碳素钢按含碳量分钢低碳钢0.2%称纯铁或熟铁中碳钢0.2-1.7%(称钢)高碳钢1.7%（1.7-4%）（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Si12–14%的铁合金称硅铁含Si12%，Mn20%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Mn0.5%-6%锰钢中Mn0.8%碳素钢Mn0.3–0.8%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Mn12%-20%的铁合金为镜铁•含Mn60%-80%的铁合金为锰铁•上两种主要用于炼钢做脱硫剂SMn生成MnS反之过量S和FeFeS（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P0.3%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：CSiMnSP形态固溶体碳化物Fe3C,Mn3C,Cr3C,WC,MoC.游离石墨碳主要硅化物：FeSi,MnSi高碳钢部分SiC有时固熔体或硅酸盐MnC,MnS,FeMnSi固熔体MnS,FeSFe2P,Fe3P来源焦炭原料矿石；脱氧或特殊需要加入原料矿石；作脱硫脱氧剂焦炭或原料矿石引入原料引入；特殊需要加入各元素在钢中的形态和作用表硬度高低↑↑产生热脆性产生冷脆性↑↓延展性韧性熔点↓↑钢中S0.05%生铁0.35%生铁P0.3%一般碳素钢0.06%优质钢0.03%轧辊钢高达0.4–0.5%磷铁15–20%之间↓↑↓↑弹性强度抗氧化性↑↑↑↑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.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=CO24Fe3C+13O2=4CO2+6Fe2O3Mn3C+3O2=CO2+Mn3O3FeS+5O2=Fe3O4+3SO23MnS+5O2=Mn3O4+3SO2用脱硫剂(活性MnO2)吸收SO2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CO2CO2十2KOH=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）。图1气体容量法定碳装置l.氧气瓶，2.氧气表，3.缓冲瓶，4、5.洗气瓶，6.干燥塔，7.玻璃磨口塞,8.管式炉，9.燃烧管，10.除硫管,11.容量定碳仪(包括:冷凝管a、量气管b、水准瓶c、吸收瓶d、小旋塞e、三通旋塞f、），l2.球形干燥管，13.瓷舟,14.温度自动控制器.15.供氧旋塞（三）仪器（四）分析步骤将炉温升至1200～1350℃，检查管路及活塞是否漏气，装置是否正常，燃烧标准样品，检查仪器及操作。称取适量试样置于瓷舟中，将适量助熔剂覆盖于试样上面，打开玻璃磨口塞，将瓷舟放入瓷管内，用长钩推至高温处，立即塞紧磨口塞。预热lmin，按照定碳仪操作规程操作，测定其读数(体积或含量)。打开磨口塞，用长钩将瓷舟拉出，即可进行下一试样分析。（五）测定条件1．试样的燃烧程度燃烧温度;助熔剂降低燃烧温度;通O2速度2．硫的干扰及消除在高温O2气流中燃烧时，试样中硫也转化为SO2：如果生成的SO2，在吸收前未能除去，同样被KOH溶液吸收，干扰碳的测定。常用MnO2除去混合气体中的SO23.测定中应注意的问题1.助熔剂中含碳量一般不超过0.005%;2.样品的放置要均匀地铺在燃烧舟中;3.定碳仪应装置在室温较正常的地方(距离高温炉约300～500mm)4.更换水准瓶所盛溶液、玻璃棉、除硫剂、氢氧化钾溶液后，均应作几次高碳试样，使二氧化碳饱和后，才可进行试样测定。5.对测定含硫量较高的试样(大于0.2%)，应增加除硫剂量或增加一个除硫管。6.吸收器、水准瓶内溶液以及混合气体三者的温度应基本相同，否则将产生正负空白值。7.如分析完高碳试样后，应空通一次，才可以接着做低碳试样分析。8.当洗气瓶中硫酸体积显著增加及二氧化锰变白时，说明已失效，应及时更换。9.观察试样是否完全燃烧，如燃烧不完全，需重新分析。10.炉子升温应开始慢，逐步加速，以延长硅碳棒寿命。11.分析前，应先检查仪器各部分是否漏气。工作开始前及工作中，均应燃烧标准样品，判定工作过程中仪器的准确性。12.吸收前后观察刻度的时间应一致。吸收后观察刻度时，量气管及水准瓶内液面与视线应处在同一水平线上。13.吸收器中氢氧化钾溶液使用久后也应进行更换，一般在分析2000次后更换，否则吸收效率降低，使测定结果偏低。硫的测定硫的测定方法很多。经典的硫酸钡重量法用于测定高硫试样。燃烧—滴定法具有简单、快速、准确及适应面广的特点，被广泛采用，它也是国内外的标准方法。介绍燃烧—滴定法中的燃烧—碘酸钾容量法(一)原理将钢铁试样于1250～1350℃的高温下通氧燃烧，使硫全部转化为二氧化硫，将生成的二氧化硫用淀粉溶液吸收，用碘酸钾标准溶液滴定至浅蓝色为终点:燃烧：4FeS+O2=2Fe2O3+4SO23MnS+5O2=Mn3O4+3SO2吸收：SO2+H2O=H2SO3滴定：KIO3+5KI+6HCl=3I2+6KCl+3H2OH2SO3+I2+H2O=H2SO4+2HI(二)主要试剂及仪器1碘酸钾标准滴定溶液[c(1/6K103)=0.01000mol/L、0.001000mol/L、0.0002500mol/L]；2．淀粉吸收液(10g/L)；3.助熔剂（三）仪器装置定硫仪的滴定部分装置1.球形管2.吸收杯3.滴定管(四)测定步骤将炉温升至1200～1350C，检查装置是否