第七章-钢铁分析.ppt

*,*,第七章钢铁分析,1 概述,2,钢铁试样的采集、制备和分解,3,钢铁五大元素分析,4,合金元素分析,1,概述,黑色金属材料：铁、铬、锰及其合金,有色金属材料,钢铁：铁、碳合金,化学成分：主要元素铁,五大元素,碳、硅、锰、磷、硫,合金元素,杂质元素,生铁,C 2.5,4%,Mn 0.5,6%,Si 0.5,3%,S,、,P,（少量）,炼钢生铁,(,白口铁,),：含硅低而含硫高，多用于炼钢；碳以游离态存在。,铸造生铁,(,灰口铁,),：含硅高而含硫低，多用于铸造；碳以化合态存在。,1.1,钢铁的分类,1.1.1,生铁,粗制铁,1.1.4,钢,钢是含碳量低于,2%,的铁碳合金，其成分除铁碳外，还有硅、锰、硫、磷等杂质元素，合金钢中还有其他的合金元素。一般工业钢中含碳量不超过,1.4%,。,按化学成分，钢铁材料分为碳素钢和合金钢两种。,碳素钢：工业纯铁（含碳量,0.04%,）,低碳钢 （含碳量,0.25%,）中碳钢（含碳量,=0.25,0.60%,）,高碳钢（含碳量,0.60%,）,合金钢：低合金钢（合金元素,5%,）,中合金钢（合金元素,=5%,10%,）,高合金钢（合金元素,10%,）,1.2,各元素在钢中的形态和作用,1.2.1,碳,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。,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,1.2.2,硫,主要由焦炭或原料矿石引入，以,MnS,或,FeS,状态存在。,S,M,n,生,成,M,n,S,反,之,过,量,S,和,F,e,F,e,S,硫的存在，,使钢产生“热脆性”，属有害成分，产生热脆性的原因是,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。,1.2.4,硅,硅由原料矿石引入或在脱氧及有特殊需要时加入。主要以硅化物形式存在：,FeSi、MnSi、FeMnSi。,作用：(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,以游离态石墨状态存在，使钢有较高的流动性，易于铸造。,一般生铁或碳素钢,Si,1%；,电器用硅钢,Si,4%,特殊用途的硅铁、硅钢,Si=12 95%,如硅镜铁含,Si 12%、Mn 20%,，用于炼钢脱氧。,1.3,钢铁分析的特点及分析内容,1.3.1,分析特点,样品制备较简单：分布相对均匀,分解较容易：酸溶,定量分析方法较简单：,多用分光光度法，少数用滴定法,自动分析仪：,元素分析仪：测定钢、铁、合金钢、不锈钢、耐热钢、玛钢、耐磨钢等材料中的元素；,碳硫分析仪,2,钢铁试样的采集、制备及分解,2.1,采样、制样原则,P159,2.2,试样的,采集和制备,P159-161,采样,工具,采集方法,制样方法,2.3,试样的分解,P161,主要用酸分解法：盐酸、硫酸、硝酸或混合酸,磷酸、高氯酸助溶,难分解试样也使用碱熔法分解,3,主要元素分析,3.1,碳的测定,碳在钢铁中主要以游离碳和化合碳两种形式存在，一般钢样只测定总碳量；而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，游离碳一般不与酸作用，而化合碳能溶解于酸。,总碳量的测定方法方法有很多：气体容量法、吸收重量法、非水滴定法、光度法、色谱法和多种电分析化学法。,但各种测定方法通常都是将试样置于高温氧气流中燃烧，使之转化为,CO,2,，再用适当方法测定。,3.1.1,燃烧-气体容积法,目前广泛采用的标准方法。,成本低，有较高的准确度，但要求分析人员有较熟练的操作技巧，且分析时间较长，低碳试样测定误差较大。,试样在1,150,1,250,的高温,O,2,气流中燃烧，钢铁中的碳被氧化生成,CO,2,；生成的,CO,2,与过剩的,O,2,经导管引入量气管，测定体积；然后通过装有,KOH,溶液的吸收器，吸收其中的,CO,2,；剩余的,O,2,再返回量气管中，根据吸收前后体积之差，得到,CO,2,的体积，据此计算出试样中碳的质量分数。,P162,166,3.1.2,燃烧-非水滴定法,P166167,试样在11501300的高温氧气流中燃烧，生成的气体经除硫管后，进行乙醇乙醇胺介质中被吸收，以百里酚酞-甲基红为指示剂，用乙醇钾标准溶液滴定至溶液呈稳定的深蓝色。,3.1.3,电导法,P167,在特定的电导池中装入一定量的能够吸收,CO,2,的电解质溶液，当溶液吸收,CO,2,后，电导率即发生改变，其改变量与,CO,2,的量成正比，据此可求出,CO,2,的量。该法测定误差大，很少使用。,3.1.4,燃烧-库仑法,P167-168,将试样通氧燃烧，产生的气体导入已调好,pH,值的高氯酸钡吸收液时，会使溶液,pH,值降低，电解生成的,H,+,使溶液的,pH,值回复到原值。根据法拉第定律，可求出所生成的,H,+,的量，从而计算出碳的量。,3.1.5,气体分析仪,又分为容量法碳硫分析仪、库仑碳硫分析仪、和,红外碳硫分析仪,(P116),。,燃烧系统：管式炉、电弧炉、高频炉。,测量范围：0.016.00%（可扩展）,测定时间：0.51.5,min,3.2.2,燃烧酸碱滴定法,本法采用双氧水溶液作为吸收剂吸收二氧化硫，生成的,H,2,SO,3,被氧化为,H,2,SO,4,，,然后用,NaOH,标准滴定溶液滴定,，,即可求出,SO,2,的质量分数。,吸收：,SO,2,+H,2,O =H,2,SO,3,H,2,SO,3,+H,2,O,2,=H,2,SO,4,+H,2,O,滴定：2,NaOH+H,2,SO,4,=Na,2,SO,4,+2H,2,O,本法克服了,SO,2,在吸收器中逃逸的现象，对滴定速度没有要求，尤其适合于碳硫的联合测定。该法终点敏锐，操作方便；燃烧过程中即使有,SO,3,产生也能被滴定，不影响测定结果。,3.2.3,碳硫联合测定,P172,主要分为燃烧,-,碘量,-,容量法碳硫分析仪、燃烧,-,碘量,-,非水滴定法碳硫分析仪和,红外碳硫分析仪,。,燃烧系统：管式炉、电弧炉、高频炉。,测量范围：0.00052.00%（可扩展）,测定时间：0.51.5,min,磷钼酸铵法,：,在,硝酸,介质中，磷酸与钼酸铵生成磷钼酸铵：,H,3,PO,4,+2MoO,4,3-,+2NH,4,+,+22H,+,(NH,4,),2,HPO,4,12MoO,3,H,2,O+11H,2,O,沉淀干燥或灼烧后称重。,P172,磷钼酸喹啉法,：国家标准方法,在,硝酸,介质中，正磷酸与钼酸盐、喹啉作用生成黄色的磷钼酸喹啉沉淀：,H,3,PO,4,+12MoO,4,2-,+3C,9,H,7,N+24H,+,(C,9,H,7,N),3,H,3,(PO,4,12MoO,3,),H,2,O+11H,2,O,沉淀用过滤坩埚过滤，置于180恒温干燥箱中干燥至恒重，冷却至室温后称重。,3.3.2,酸碱滴定法,将前面重量法所得到的磷钼酸喹啉沉淀溶于一定过量的碱标准溶液中：,(C,9,H,7,N),3,H,3,(PO,4,12MoO,3,),H,2,O+26NaOH,Na,2,HPO,4,+12Na,2,MoO,4,+3C,9,H,7,N+15H,2,O,再用硝酸标准溶液回滴剩余的碱。,磷钼酸铵沉淀同样可溶解于强碱标液中，再用强酸标准溶液滴定过量的碱：,(NH,4,),2,HPO,4,12MoO,3,H,2,O+24OH,-,2NH,4,+,+HPO,4,2-,+12MoO,4,2-,+13H,2,O,常量及微量的磷均可用滴定法测定。,3.4,硅的测定,钢铁中硅的测定方法有很多，可根据含量的不同来选择适当的方法。,常量测定有,SiO,2,重量法和,K,2,SiF,6,容量法。重量法是最经典的,测定方法，具有准确、适用范围广等特点。,微量分析一般用光度法，具有简单、快速、准确等特点，是目前实际应用最广泛的方法。而其中应用最多的是硅钼蓝光度法,。,P177-178,3.5,锰的测定,钢铁中锰含量的分析通常采用滴定法、光度法和原子吸收分光光度法。,3.5.1,滴定法,P180-182,滴定法可用过硫酸铵将锰氧化成七价，以亚砷酸钠-亚硝酸钠标准滴定溶液滴定。还可以用硝酸银(酸性条件)定量将锰氧化成三价，用硫酸亚铁铵标准滴定溶液滴定。,3.5.2,光度法,P182,光度法常用高碘酸钾将锰氧化成七价后，进行光度测定。,4,钢铁中合金元素的测定,4.1,铬的测定,P184-186,含量高用银盐-过硫酸铵氧化滴定法测定,(P183-184),；含量低用二苯碳酰二肼光度法测定,(P186),。,4.2,镍的测定,P186-188,高含量丁二酮肟重量法,低含量丁二酮肟光度法或原子吸收法,原子吸收法,：,介质：三羟甲基胺基甲烷-,HAc,缓冲溶液(,pH8,),波长：279.5,空气-乙炔火焰,4.3.2,5-Br-PADAP-H,2,O,2,光度法,试样用氧化性酸分解后，用高锰酸钾,(或过硫酸铵),将钒氧化到五价。在酸性溶液中和,H,2,O,2,存在下,，,V(,),与,5-Br-PADAP,及,H,2,O,2,形成蓝绿色的三元络合物，在波长,605nm,处测定其吸光度。,该法灵敏度和选择性都很高，但大量的铁对显色有干扰，可加,EDTA-,柠檬酸铵处理。,P191-192,4.4,钼的测定,钼的测定有重量法和光度法。,4.4.1,重量法,4.4.1.1,-,安息香肟,重量法,P192-193,酸性溶液中，低温,(,10,),条件下，,-,安息香肟与钼反应形成白色沉淀，过滤、洗涤、灼烧后分解成,MoO,3,，称重。,4.4.1.2 N-,邻甲苯甲酰,-N-,邻甲苯羟胺重量法,193,在硫酸或盐酸介质中，,N-,邻甲苯甲酰,-N-,邻甲苯羟胺与钼生成螯合物沉淀。沉淀经过滤、洗涤、烘干后称重。,该法选择性良好。,4.4.2,光度法,4.4.2.1,硫氰酸盐直接光度法,在有还原剂存在的酸性溶液中，钼与硫氰酸盐形成橙红色络合物，在470,nm,处测定其吸光度。钒对测定有干扰，1%钒相当于0.01%钼，可在计算时减去。,硫氰酸盐显色剂：硫酸钛溶液20,mL15%,硫酸钛320,mL(1+1)H,2,SO,4,10%,硫氰酸钠10%氯化亚锡溶液,水,等体积混合,而成。,4.4.2.2,硫氰酸盐,-,罗丹明,B,光度法,P193-194,4.5,钨的测定,钨的测定有重量法、滴定法和光度法。,4.5.1,重量法,P194-195,样品用盐硝混酸处理并蒸发，再加盐酸可形成钨酸沉淀，,过滤、洗涤、灼烧,分解成称重。,如加入盐酸硅宁，沉淀更完全，灼烧后同样为,WO,3,。,试样分解后也可用,8-,羟基喹啉沉淀钨，沉淀经过滤、洗涤、烘干后称重。共存的铁、锰、钴、镍、铬等在草酸介质中加氯化钠和氢氧化钠分离，钼用盐酸羟胺还原后加,EDTA,掩蔽。,4.5.2,络合滴定法,P195,间接滴定法，选择性不高，故很少用,。,4.5.3,光度法,195-196,有硫氰酸盐直接光度法、二硫酚萃取光度法和对苯二酚直接光度法等，广泛使用的是后者。,硫氰酸盐直接光度法简便快速，但钒、铌有干扰，且基体铁会消耗大量显色剂,。,二硫酚萃取光度法选择性高，能连续测定钨和钼，但操作繁琐。,对苯二酚直接光度法操作简便、快速，测定范围宽，但灵敏度较低。,4.6,钴的测定,钴的测定有滴定法和光度法。滴定法可以用络合滴定，也可以用电位滴定；光度法主要用,5-Cl-PADAB,光度法。,4.6.1,滴定法,P196,络合滴定法干扰元素多，且滴定终点较难判断。,电位滴定法是在含有硫酸铵的氨性溶液中，用铁氰化钾将,Co(,),氧化为,Co(,),。该,法能,较好地确定滴定终点，是测定常量钴的常用方法。,4.6.2,5-Cl-PADAB,光度法,P197,4.7,铌的测定,铌的测定用光度法，主要有酸性铬蓝,K,光度法、氯代磺酚,C,直接光度法、二甲酚橙光度法等，其中应用最多的是二甲酚橙光度法。,试样用含氢氟酸的混酸溶液分解，加,Al,3+,掩蔽过量的,F,-,，用抗坏血酸还原,Fe(,),，二甲酚橙与铌作用生成桔红色络合物，在波长,520nm,处测定吸光度。,P198,二甲酚橙,4.8,硼的测定,硼的测定有滴定法和光度法。,4.8.1,滴定法,P199-200,加甘油、甘露醇等多羟基化合物与硼酸作用，酸性增大，再用碱标准溶液滴定。,4.8.2,光度法,P200-201,主要用亚甲基蓝,-,二氯乙烷萃取光度法。,硼酸与氢氟酸生成氟硼络合物，再与亚甲基蓝作用生成蓝色络合物，用二氯乙烷萃取，在波长,660nm,处测定吸光度。,下一章,