气体元素在钢中的存在形式以及对钢材性能的影响及金属中气体分析

1、气体元素在钢中的存在形式以及对钢材性能的影响气体元素在钢中的存在形式以及对钢材性能的影响 碳碳 化合碳与游离碳总和，称为总碳量。 碳在钢铁中主要以两种形式存在： 一种是化合碳化合碳，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、 Cr3C2、WC、W2C、VC、MOC、TiC等。 另一种是游离碳游离碳，例如铁碳固溶体中的碳、无定形碳、 石墨碳、退火碳等，统称为游离碳。 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。 气体元素在钢中的存在形式以及对钢材性能的影响气体元素在钢中的存在形式以及对钢材性能的影响 随着碳含量的增加钢的焊接

2、性能显著下降,故在普通低 合金钢中碳含量一般不超过0.22% 钢中碳含量增加时,强度升高,塑性和韧性降低 当钢中有形成稳定碳化物时,铌,钛,钒,钼,钨等元素时, 其屈服强度的提高更为显著 碳还增加钢的冷脆性和时效敏感性,降低钢的抗大气 腐蚀能力 气体元素在钢中的存在形式以及对钢材性能的影响气体元素在钢中的存在形式以及对钢材性能的影响 硫在钢中的存在形式硫在钢中的存在形式 少量形成的其他硫化物有硫化钒、硫化锆、硫化钛、硫 化铌、硫化铬以及复杂硫化物Zr4(CN)2S2，Ti(CN)2S2等。 硫在钢中的固溶量很小，但能形成多种硫化物。 当锰含量较高时，主要形成MnS。 当锰含量较低时，则主要以F

3、eS状态存在。 气体元素在钢中的存在形式以及对钢材性能的影响气体元素在钢中的存在形式以及对钢材性能的影响 在钢中加入0.08-0.20%的硫，可以改善切削加工性，通 常称易切削钢。 使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在锻造 和轧制时造成裂纹。 硫对焊接性能也不利，降低耐腐蚀性。 硫在高级优质钢中含量不得超过0.025%;优质钢中为 0.035%-0.040%;普通钢中为0.050%。 真空熔融法准确度高，是气体分析的标准方法，但设备和操作 繁杂，分析时间长，真空检漏费事。采用惰性气体载流，则设 备简单，操作方便，分析速度快。分析的准确度和灵敏度取决 于所用装置的结构和测定仪器的精度、操作条

4、件、空白值等。 试样须仔细制备，确保表面光洁，无发纹、裂纹、夹杂物、油 污等。氢在金属中易于扩散逸出，最好制样后保存在液氮中,并 及时分析。 金属中气体分析的常用方法金属中气体分析的常用方法 熔熔 融融 抽抽 取取 法法 此法灵敏度一般可达ppm级、0.1ppm级或更高。 用高温熔融抽取法抽出的气体通过加热的氧化铜或五氧化二碘， 使一氧化碳氧化为二氧化碳，氢氧化为水，以便分离和测定。测 定气体的方法有：气相色谱法气相色谱法。将抽取的气体转移到硅胶色谱 柱或分子筛色谱柱，用氩作载气，将一氧化碳、氢、氮分离，进 入钨丝热导池测量，可同时测定氧、氢、氮的含量。冷凝微压冷凝微压 法法。在真空系统内测定

5、除去水汽和二氧化碳气前后的压差，计算 氢、氧的含量。质谱法质谱法。将抽取出的气体导入气体分析用的质 谱计，测定氧、氢、氮。库仑法库仑法。将二氧化碳导入一定pH的微 碱性高氯酸钡电解液中，由于吸收二氧化碳而使pH改变，最后用 恒定脉冲电流滴定，使pH复原，从消耗的电量求出含氧量。电电 导法导法。电导池中，氢氧化钠溶液吸收二氧化碳后，电导发生变化， 测量电导的改变，求出含氧量。红外吸收法红外吸收法。将极性分子一氧 化碳或二氧化碳导入红外线吸收池内，按红外线吸收量测定含氧 量。非水滴定法非水滴定法。将二氧化碳导入非水溶剂丙酮，用氢氧化钾 甲醇溶液滴定，求出氧量。 金属中气体分析的常用方法金属中气体分

6、析的常用方法 气气 体体 测测 定定 方方 法法 气体分析仪的检测方式 可见光通过三棱镜后可分成红、橙、黄、绿、青、兰、紫彼此相连 的七色彩带，这些光的波长为0.380.76微米，这是可以通过肉眼看见的 光，还有一些光是看不见的，如波长在0.76420微米的光（即红光以外 的光线）称为红外光。 红外光又可分为： 近红外光（0.7615微米）； 中红外光（15100微米）； 远红外光（100420微米）。 气体分析仪上使用的红外光线是属于近红外光区域。 气体分子吸收红外线的原理，在于气体分本身的结构。 按照量子力学的理论，凡是有偶极矩的分子，就可以产生 红外吸收。极性分子本身正负电荷中心不重合，

7、发生振动 和转动时，就吸收红外光的能量。因此，像CO、SO2等分 子是不对称的极性分子，这样的分子要吸收红外光。 CO2是一个对称型的分子，是非极性分子，但在振动 时，其分子产生瞬间偶极，所以也要吸收红外光。 不同的极性分子及CO2所吸收的红外波长是不一样的，这些波长被 称为特性波长。如CO2为4.25m、CO为4.65m、SO2为8.69m、H2O为 6.6m。根据不同气体具有不同的特征波长这个特点，就可把混合气中 某一组分的含量测量出来。 金属气体分析所采用的红外分析，均属于不分光的红外光谱分析。 由于对称的双原子气体分子如N2、O2、H2、Cl2等，和单原子惰性气体 如He、Ar，其本身

8、不吸收红外线辐射，因此红外线吸收光谱法不能分析 H2、N2和O2。换言之，不分光红外线吸收法测定CO和SO2时，H2、N2、 O2不干扰测定。但水分子偶极矩很大，有强烈的吸收，所以一定要消除 H2O的干扰。 气体对红外线能量的吸收遵从朗伯-比尔定律： 式中：K 被测气体的红外吸收系数（气体种类一定，K既定） C 被测气体的浓度 L 红外吸收层的厚度（即池长） I0 红外光源发出的红外能量 I 经被测气体吸收后剩余的红外能量 由上式可见： 吸收产生的能量变化与气体浓度不是线性关系，而是指数关系 为使输出信号与被测气体浓度成线性关系，在电路中需加入线性校 正电路。 KCL eII 0 上式两边取对

9、数： 所以， E光密度（又称吸收度、消光度） 在气体分析仪器中，光程长度（L）、气体的吸收系数（K）是常数，仪 器的光源也是固定的。透射光的强度（I）与光密度成对数关系，通过电 子线路直接将对数转换成数字型的浓度结果显示出来。在式中K是固定的， L在制造检测器时就定下来的，所以E的大小直接反映了被测气体的浓度， 即EC；同时也可看出，如果在C不变的情况下，L越大，即E越大（即反 应越灵敏）所以加长L，能提高检测器的灵敏度。 KCL eII 0 KCLII 0 lnlnKCL I I 0 ln E I I 0 ln KCLE 一个典型的红外检测单元由红外光源、斩波马达、精密波长滤光片、聚 光锥、

10、带有前置放大器的红外检测器和一个池体组成。 斩波马达带动叶片转动“切割”光束，将光源调制为85Hz交变光，使到 达检测器中能量信号转变为交流信号，这样有利于抗拒干扰，增加检测 信号的信噪比，提高检测的精度。 滤光片是一种截取某一窄波长光谱的装置。滤光片的目的就是只允许待 测气体所对应吸收的红外线波段通过，其余的干扰组分所对应吸收的红 外线波段全不让通过，提高了测定的灵敏度和准确度。 红外光源由镍铬丝组成，加热到850可辐射出可见光及红外光谱所 有波长的光，经斩波片将此光调制为85Hz的脉冲光源, 射向池体, 透过池体 端面的蓝宝石（CaF2）窗口，进入池体腔内，而后又透过另一端的蓝宝石 （Ca

11、F2）窗口，经滤光片滤光后，由聚光锥把能量集中到半导体检测器的 含锂（LiFO2或LiTaO3）二极管上，在此进行光电转换，获得电信号。 当红外池中只通入载气时，输出的电压为8.5V左右。当被测气体 （CO2或SO2）经过池体时，吸收红外能量而引起测得电压信号的变化，从 而确定被测气体的含量值。 最新的红外检测池最新的红外检测池 插拔式集成一体化设计，插拔式集成一体化设计， 体积小巧体积小巧 无需人为调整检测器输无需人为调整检测器输 出电压，软件实时调节出电压，软件实时调节 检测器并保持最佳输出检测器并保持最佳输出 值值 1KHz光电开关取代光电开关取代 85Hz斩波马达，减少机斩波马达，减少

12、机 械故障械故障 检测器核心检测元件增检测器核心检测元件增 加保护装置，延长寿命加保护装置，延长寿命 红外检测器和热导检测器的共同处及不同处红外检测器和热导检测器的共同处及不同处 红外检测器和热导检测器，都属于高灵敏度的气体分析 检测器，对它们的要求必须自身相当稳定（即在无测量 气体通入时，其输出信号必须稳定）或谓基线必须稳定。 因此，它们都必须处于恒电流，恒定的工作室温度（一 般在45，大于室温），恒定的载气压力和流量条件下 工作，这是相当重要的，因为任何一个条件的不稳定， 就会引起检测器自身输出的不稳定，从而严重影响检测 精度和准确度。 气体分析仪构造 基本构造图基本构造图 1 炉子单元炉

13、子单元 4 控制单元控制单元 2 气路系统气路系统 打印机天平 3 检测单元检测单元 气体分析仪构造 炉子单元：使试样分解，释放分析气体。 气路系统：待测气体的携带和输送。 检测单元：测量不同气体元素的含量。 控制单元：控制仪器以及处理测量数据。 仪器由4部分组成： 炉子单元炉子单元 高频感应炉高频感应炉 坩埚坩埚 试样试样 感应线圈感应线圈 氧气氧气振荡器电路产生18MHz高 频电源，输出功率为2.2KW 高频电源在感应线圈中， 形成高频交变电磁场 试样感应产生涡流使试样 发热熔融 试样的导磁导电性能 、重 量、助熔剂 坩埚位于感应线圈的几何 中心位置 炉子单元炉子单元 高频感应炉高频感应炉

14、 振荡器电路 18MHz高频电源，输出功率为2.2KW 氧气 纯度：99.99% 0.5 to 1.0 升/分 氧枪 3.0升/分 冲洗 助熔剂 Lecocel, Lecocel II, Leocel III, Lecocel II HP,纯铁 炉子单元炉子单元 高频感应炉高频感应炉 燃烧反应 C + O2 = CO2 and CO S + O2 = SO2 H + O2 = H2O 金属和矿石 + O2 =氧化物微粒 如何使分析成功如何使分析成功 如何使分析成功如何使分析成功 C，S分析所用的坩埚为2525的陶瓷坩埚，虽然坩埚在出厂时已经 用高温焙烧处理，但由于保存时间，包装，运输等原因，不

15、可避免地 会接触其它物质和空气，所以在使用前，坩埚必须经过1000 4小时以 上的预处理（或于1200，2030分钟高温处理），干燥箱冷却至室 温后才能使用。 使用中发现分析超低C、超低S样时，最好使用热的坩埚，消除热坩埚在 冷却过程中不可避免地吸入水分，直接影响到分析结果。 如何使分析成功如何使分析成功 助熔剂助熔剂 1.所使用的助熔剂在燃烧过程中必须是放热的，通常助熔剂会帮助金属 更容易燃烧，其生成物必须是流体或疏松体。 4.助熔剂的品种和用量要根据分析对象而定。对C和S分析来讲，一般选 用W、Sn或WSn（4:1），纯Fe（增加导磁性）、Cu （Cu是超低碳分 析的最佳助熔剂，但是对S分

16、析不太理想）；对H分析来说，一般选用Sn 作为助熔剂；对O和N分析来说，可以选用ni或Sn作为助熔剂； 为了加快和便于金属中的气体释放完全，往往采取加助熔剂的办法能得到较好的效果。为了加快和便于金属中的气体释放完全，往往采取加助熔剂的办法能得到较好的效果。 助熔剂的品种很多，有：助熔剂的品种很多，有：Fe、Cu 、Ni、W、Sn等，但必须注意以下几点：等，但必须注意以下几点： 2.助熔剂在燃烧过程中，及其生成物，必须不吸收CO2、SO2等被测气 体，其本身熔点相对较低，能起到“导火线”作用，它能将样品“点 火”，并能象熔剂一样溶解氧化物表皮，使样品完全液体化。 3.助熔剂本身的空白值（C、S、

17、O、N、H的含量）越低越好，而且很稳 定，这对分析精度，准确度相当重要，特别是分析低含量样品时。 如何使分析成功如何使分析成功 助熔剂助熔剂 如何使分析成功如何使分析成功 称样量称样量 如何使分析成功如何使分析成功 炉温炉温 如何使分析成功如何使分析成功 如何使分析成功如何使分析成功 试样准备试样准备 固体试样的准备通常是用锉刀或磨盘打磨试样表面。 然后用合适的有机试剂（如丙酮）清洗试样，然后用 热风吹干。 有时可以使用化学腐蚀的方法，但用的比较少。 也可以用碱性洗液或有机试剂，在超声波中清洗。 有些学者在检测超低碳时，将试样在420-450中烘 10分钟，去除表面碳。 氢的取制样必须非常谨慎

18、。从熔铸金属中取来的样品 必须迅速在水中淬火并储藏在冷冻剂（如液氮）或丙 酮和干冰的混合剂中，目的是为了减少氢扩散。 如何使分析成功如何使分析成功 试样准备试样准备 如何使分析成功如何使分析成功 试样准备试样准备 打磨后酸洗后 如何使分析成功如何使分析成功 试样准备试样准备 Copper Wire: Analyzed As Received 如何使分析成功如何使分析成功 试样准备试样准备 Copper Wire: abraded 如何使分析成功如何使分析成功 试样准备试样准备 Copper Wire: Etched This sample was also etched for 2 minut

19、es in a solution of 50 ml H3PO4, 28 ml CH3COOH, and 22 ml of HNO3. It was then rinsed twice in alcohol, and dried with warm air. The results were very similar to those obtained as received. 如何使分析成功如何使分析成功 试样准备试样准备 如何使分析成功如何使分析成功 试样准备试样准备 如何使分析成功如何使分析成功 试样准备试样准备 序号序号小块样小块样屑样屑样 样品重碳 %样品重碳 % 10.2103.490.2013.19 20.2003.500.2073.10 30.2033.480.2032.89 40.2003.510.2012.98 50.2013.500.2103.08 60.2043.490.20