鋼材碳含量的七種測定方法
鋼中碳含量的測試方法+鋼中碳含量的七種測定方法
鋼中碳含量的測試方法
“碳”位于元素周期表第二周期第四族,是自然界中最常見的元素之一,在自然界的地殼、大氣和生物中主要是以單質和化合物的形式存在,伴隨著選礦、礦物冶煉、材料制造等過程不可避免地會引入金屬材料中。碳元素對金屬材料的力學性能、微觀組織結構、工藝有著重要影響。因此,準確測定金屬材料及相關原輔料中的碳含量對冶煉和生產制造工藝有重要的指導意義。
一、碳含量測定方法
根據碳的化學性質和形態轉化關系,金屬材料中碳含量的測定方法可分為化學法、物理法、物理化學法3類;
1、化學法和物理化學法
屬于碳定量分析專用方法,是利用高溫燃燒法將樣品中碳轉化成CO2從樣品中分離出來,然后再以適當的方法測定CO2的量,由高溫燃燒系統與檢測系統組成。
該法適用于可加工為屑狀、粒狀、粉狀的金屬合金、巖石礦物、無機非金屬材料等,其中,高頻燃燒-紅外吸收法在鋼鐵、鐵合金、常用有色金屬、鎳基合金、難熔金屬、硬質合金、稀土金屬等金屬合金材料碳含量分析中得到廣泛、成熟的應用。
目前在金屬材料碳含量測試上兩種常見高溫燃燒方法的測定原理及應用范圍:
(1)高溫燃燒-氣體容量法:
測定原理如圖1所示:將試樣置于高溫爐中加熱,通氧氣燃燒,使試樣中的碳被定量氧化成CO2,混合氣體經除硫劑后收集于量氣管中,測定容積,然后讓混合氣體通過裝有氫氧化鉀溶液的吸收器,吸收其中的CO2,剩余的氧氣再返回量氣管中,根據吸收前后體積之差,即為生成CO2體積,由此計算碳含量。
本方法操作迅速、成本低、手續簡單,分析準確度高,適用于0.10%以上碳含量的測定。用改良后的氣體容量法測高含量碳的方法,測定的范圍為5%-21%,測量的精度在0.03%左右,能滿足硬質合金測碳的精度要求。
圖1
(2)高頻燃燒-紅外吸收法:
該方法的測定原理是在助熔劑存在下,向高頻感應爐內通入氧氣,高頻爐使樣品迅速即升溫熔化,其生成CO2氣體進入紅外吸收池,紅外光經吸收池中的CO2氣體吸收后,入射到探測器上,探測器上測到與CO2氣體濃度相對應的光強,經過探測器光電轉化為電信號在電腦上歸一化處理,得到碳的質量分數。
該方法采用高頻感應爐加熱,加熱溫度可達1700-2000℃,有利于難熔試樣和低含量碳的測定,適用于0.001-10%碳含量的測定。
2、物理法
根據試樣在高溫激發時發射的光譜線的強弱,直接測出碳的含量,屬于多元素、多通道同時快速分析方法,根據檢測原理不同分為發射光譜法和其他方法。
該法測定碳的應用主要集中于鋼鐵材料,因其對樣品形狀、尺寸有特殊要求,或無法實現準確定量分析,限制了其應用領域。
(1)發射光譜法:
利用原子、元素的特征光譜及強度實現定性定量分析。根據激發光源的差別,分為火花源發射光譜法(Spark-OES)、輝光放電發射光譜法(GD-OES)、激光誘導發射光譜法(LIBS)等?；鸹ㄔ窗l射光譜法適用于塊狀金屬合金的快速分析,可實現鋼鐵生產的爐前自動化智能分析。輝光放電發射光譜法適用于金屬材料的表面檢驗和深度分析,在一些鋼鐵材料的成分分析中有涉及測定碳的應用。激光誘導發射光譜法適用于定點剝蝕的無損(微創)原位分析,適合鋼鐵的成分分析。
(2)其他方法:
除了光譜法外常見的還有X射線熒光光譜法(XRF)、X射線光電子能譜法(XPS)、輝光放電質譜法(GD-MS)等。XRF適用于金屬合金及地質樣品、非金屬材料的現場檢驗與實驗室定量分析;XPS適合于粉末樣品表面成分的半定量分析及元素價態分析;GD-MS適用于高純物質及金屬合金的微痕量、超痕量元素分析,在低合金鋼、高溫合金中碳含量的測定中略有提及。
二、總結
經過幾十年的發展,金屬材料中碳的分析方法逐漸形成了以高頻紅外吸收法為主的分析方法,那些以氣體容量法等傳統分析方法建立的標準正逐漸被以高頻紅外吸收法的標準所取代。物理分析方法如火花源-原子發射光譜法、輝光放電發射光譜法或質譜法等也有應用,但因其或對樣品材質、尺寸形狀有特殊要求,或無法實現準確定量分析,限制了應用領域。
目前碳檢測方法發展的趨勢是不斷擴展高頻感應燃燒-紅外吸收法的應用領域和測定范圍,使許多材料的檢測方法標準化;不斷提高以光譜分析為代表的多元素固體分析方法的準確度和精密度,同時還需要研發、生產更多的不同材質種類和不同碳含量梯度的標準樣品以便更好地服務于冶金、選礦、材料等研究領域。
鋼中碳含量的七種測定方法
金屬及其復合材料的開發研制與應用,常常要求有效地控制及準確地測定其中的碳硫含量。金屬材料中碳主要以游離碳,固溶碳和化合碳等形式存在,還有氣態碳和表面保護的滲碳及涂敷的有機碳等。
目前分析金屬中碳含量的方法主要有燃燒法,發射光譜法,氣體容量法,非水溶液滴定法,紅外吸收法及色譜法等。由于每種測定方法有一定的適用范圍,而且測定結果受很多因素的影響,如碳的存在形式、氧化時碳能否釋放完全、空白值等,所以同一種方法在不同的場合準確度有一定差異。本文整理了目前金屬中碳的分析方法、樣品處理、所用的儀器及應用領域等內容。
基于紅外吸收法發展出的燃燒紅外吸收法是屬于碳(和硫)定量分析專用方法。
其原理是將試樣在氧氣流中燃燒,生成CO2,在一定壓力下,CO2吸收紅外線的能量與其濃度成正比,因此測出CO2氣體流經紅外吸收器前后的能量變化,則可計算出含碳量。
燃燒-紅外吸收法原理
近年來,紅外氣體分析技術發展很快,各種利用高頻感應加熱燃燒及紅外光譜吸收原理的分析儀器也迅速地出現。對于高頻燃燒紅外吸收法測定碳和硫,一般應考慮以下幾個因素:試樣的干燥性、電磁感性、幾何尺寸,試樣量,助熔劑的種類、配比、加入次序及加入量,空白值的設置等。
該法優點是定量準確,干擾項較少。適合對碳含量準確度有較高要求,且生產中有足夠時間進行檢測的用戶。
元素在受到熱或電激發時,會由基態躍遷到激發態,而激發態會自發地返回到基態。在由激發態返回到基態的過程中,會釋放每種元素的特征譜線,根據特征譜線的強度可以測定出其含量。
發射光譜儀原理
在冶金行業,由于生產的急迫性,需要在很短的時間內分析出爐水內所有主要元素的含量,而不僅僅是碳含量?；鸹ㄖ弊x發射光譜儀由于能夠快速得到穩定的結果,所以成為該行業的首選。但該法對于樣品制備有特定要求。
例如,火花光譜法分析鑄鐵試樣時,要求分析表面的碳都以碳化物的形式存在,不能有游離石墨,否則就會影響分析結果。有用戶利用薄片樣品急冷快,白口化好的特點,將樣品制成薄片后,用火花光譜分析法測定鑄鐵中碳的含量。
火花光譜法分析碳素鋼線狀樣品時,須嚴格加工處理好樣品并使用小樣品分析夾具將樣品“直立”或“平躺”放在火花臺上進行分析,以提高分析的精密度。
波長色散X-射線分析儀可以對多元素進行快速同時測定。
波長色散X射線熒光光譜儀原理
在X射線激發下,被測元素原子的內層電子發生能級躍遷而發出次級X射線(即X熒光)。波長色散型X射線熒光光譜儀(WDXRF)是用晶體分光而后由探測器接收經過衍射的特征X射線信號。如果分光晶體和控測器作同步運動,不斷地改變衍射角,便可獲得樣品內各種元素所產生的特征X射線的波長及各個波長X射線的強度,可以據此進行定性分析和定量分析。該種儀器產生于50年代,由于可以對復雜體系進行多組分同時測定而受到關注,特別在地質部門,先后配置了這種儀器,分析速度顯著提高,起到了重要作用。
但是,輕元素碳由于特征輻射的波長較長,熒光產額低,在鋼鐵等重基體材料中,基體對碳的特征輻射的吸收衰減又很大等原因,常給碳的XRF分析造成一定的困難。另外,在用X射線熒光儀測量鋼中的碳時,如果將磨過的樣面連續測10次,可發現碳含量值在不斷增加。故該方法的應用面不如前兩種廣泛。
非水溶液滴定法是在非水溶劑中進行滴定的方法。該法可使原本在水溶液中不能滴定的某些弱酸弱堿,經選擇適當溶劑,增強其酸堿性后,便可以進行滴定。CO2在水中溶液生成的碳酸,酸性較弱,通過選擇不同的有機試劑可準確滴定。
以下為常用的一種非水滴定方法:
① 試樣經碳硫分析儀配套的電弧燃燒爐高溫燃燒。
② 燃燒放出的二氧化碳氣體被乙醇-乙醇胺溶液吸收,二氧化碳與乙醇胺反應生成比較穩定的2-羥基乙基胺羧酸。
③ 使用KOH進行非水溶液滴定。
本方法中使用的試劑有毒,長期接觸會影響人體健康,而且難于操作,尤其碳含量高時須預置溶液,稍不注意會跑碳造成結果偏低。非水溶液滴定法中使用的試劑多屬于易燃品,實驗中又涉及到高溫加熱操作,操作人員要有足夠的安全意識。
火焰原子化檢測器與氣相色譜聯用,將樣品在氫氣中加熱,然后使用火焰原子化檢測器-氣相色譜法檢測放出的氣體(如CH4和CO)。有用戶使用該法測試高純鐵中微量的碳,含量為4μg/g,分析時間為50min。
該法適用于碳含量極低,且對檢測結果要求很高的用戶。
有用戶介紹了利用電位分析法測定了合金中低碳含量:將鐵樣在感應爐中氧化后,用碳酸鉀固體電解質組成的電化學濃差電池分析測定氣態產物,從而測定碳的濃度,此法尤其適于非常低濃度碳的測定,可通過改變參比氣體組成和樣品的氧化速率控制分析的精密度和靈敏度。
該法實際應用較少,大多停留在實驗研究階段。
在精煉鋼時,常要實時控制真空爐內熔融鋼中的碳含量,有冶金行業的學者介紹過利用廢氣的信息估計碳濃度的實例:利用真空脫碳過程中真空容器中氧氣的消耗量、濃度和氧氣、氬氣的流速估計了熔融鋼中碳的含量。。
還有用戶研制出快速測定熔融鋼中痕量碳的方法和相關儀器裝置:把載氣鼓入熔融鋼中,從載氣中已被氧化的碳來估計熔融鋼中碳的含量。
類似的在線分析方法適用于煉鋼生產過程中的質量管理與性能控制。
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