金属材料分析.

《金属材料分析.》由会员分享，可在线阅读，更多相关《金属材料分析.（77页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、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24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

2、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。 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

3、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，多用于制造滚珠轴 承或

4、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 1518% V 13% Cr 25%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

5、别铁与钢，决定钢号、品级的主 要标志。 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 （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

6、，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

7、，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 态态 固溶体 碳化物Fe3C, Mn3C

8、, Cr3C, WC, MoC. 游离石墨碳 主要硅化物： FeSi,MnSi 高碳钢钢部分 SiC 有时时固熔体或 硅酸盐盐 MnC, MnS, FeMnSi 固 熔体 MnS , FeS Fe2P , Fe3P 来 源 焦炭 原料矿矿石；脱 氧或特殊需 要加入 原料矿矿 石；作 脱硫脱 氧剂剂 焦炭或 原料矿矿 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 产产生热热脆 性 产产生冷脆性 延展性韧韧性 熔点 钢钢中 S0.05% 生铁铁 0.35 % 生铁铁P0.3% 一般碳素 钢钢0.06% 优质钢优质钢 0.03%轧轧 辊钢辊钢 高达 0.4 0.5% 磷

9、铁铁 15 20%之间间 弹弹性强度抗 氧化性 流动动性易于铸铸造 （促使C 以游离态态 ） 易于铸铸造防 止轧辊轧轧辊轧 件间间粘合 抗酸碱性 检测检测 意义义决定钢铁钢铁 型号及 用途主要指标标 直接影响钢铁钢铁 性 能控制一定量 有害成分严严格降至一定量 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

10、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12001300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 + 6Fe

11、2O3 Mn3C +3O2 = CO2 + Mn3O 3FeS +5O2 = Fe3O4 +3SO2 3MnS + 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.氢氢氧化钾钾吸收剂剂溶液(400g/L)； 2.除硫剂剂 活性二氧化锰锰(粒状)或钒钒酸银银 。 2.1 钒钒酸银银； 2.2 活性氧化锰锰；

12、3. 酸性氯氯化钠钠溶液（250g/L）； 4.助熔剂剂 锡锡粒(或锡锡片)、铜铜、氧化铜铜 、纯铁纯铁 粉。 5.高锰锰酸钾钾溶液（40g/L）； 6.甲基橙指示剂剂（2g/L）。 v图1 气体容量法定碳装置 vl.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 v（三）仪器 （四）分析步骤 将炉温升至12001350，检查管路及活塞是 否漏气，装置是否正

13、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试样试样 的燃烧烧程度 燃烧烧温度 ;助熔剂剂降低燃烧烧温度;通O2速度 2硫的干扰扰及消除 在高温O2气流中燃烧时烧时 ，试样试样 中硫也转转化 为为SO2： 如果生成的SO2，在吸收前未能除去，同样样 被KOH溶液吸收，干扰扰碳的测测定。常用MnO2除 去混合气体中的SO2 3.测定中应注意

14、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 300500mm) 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

15、是否完全燃烧，如燃烧不完全，需重 新分析。 10.10.炉子升温应开始慢，逐步加速，以延长硅碳炉子升温应开始慢，逐步加速，以延长硅碳 棒寿命。棒寿命。 11.11.分析前，应先检查仪器各部分是否漏气。工分析前，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。工作过程中仪器的准确性。 12.12.吸收前后观察刻度的时间应一致。吸收后观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。在同一水平线上。 13.13.吸收器中氢氧化钾溶液使用久后也应进行更吸收器中氢氧化钾溶液使用久后也应进行更 换，一般在分析换，一般在分析20002000次后更换，否则吸收效率次后更换，否则吸收效率 降低，使测定结果偏低。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12501350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：4Fe