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第四章 金属材料分析 1、了解金属材料的种类C、Mn、Si、S、P有色金属及合金分析C、 S、 Mn的测定，铜合金及铝合金的测定 教学难点：C、 S、 Mn、P的测定 教学课时：8学时 参考书： 谢治民，易兵编《工业分析》化学工业出版社2009.3 李广超编《工业分析》化学工业出版社2007.6 §4.1 钢铁分析§4.2 有色金属及合金分析 §4.1 钢铁分析 一、概述 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。 1、钢的生产过程 铁矿石和焦炭（还原剂及燃料）、石灰石（造渣材料）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。 2Fe2O3 + 3C → 4Fe +3 CO2↑ CaCO3+SiO2 → CaSiO3+CO2↑ 铁矿石主要是含有以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。生铁是碳含量2%的铁碳合金C 2.5～4%、Mn、Si、S、P少量。 如果将生铁与其他辅助材料配合，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，硅锰等元素含量很低，硫磷等杂质降至0.05%以下，则成为铁及碳的合金碳素钢。 2、钢（含碳量2%）的分类 钢铁按照化学成分可分为碳素钢和合金钢（特种钢）。碳素钢根据其含碳量不同又可分为工业纯铁、低碳钢、中碳钢和高碳钢。合金钢则根据合金元素含量的高低分为低合金钢、中合金钢和高合金钢。 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）。 3、各元素在钢中的形态和作用 （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。碳在钢铁中以游离态和化合态两种形态存在。碳的存在状态对钢铁的性能有一定影响。如灰口生铁，石墨C多，剖面呈灰色，软而韧；而白口生铁，化合物C多，硬而脆，难于加工，主要用于炼钢。 （2）硅 硅在钢铁中主要以硅化物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。硅能增强钢的硬度、弹性及强度，提高抗氧化能力及耐酸性，促使C以游离态石墨状态存在，使钢于流动性，易于铸造。一般生铁或碳素钢Si含量1%；电器用硅钢Si含量可达4%；特殊用途的硅铁、硅钢等合金，Si含量 高达12～%。 （3）锰 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。锰可以增强钢的硬度，减弱延展性。生铁Mn 0.5% ～6% 锰钢中Mn0.8%；碳素钢中为0.3 ～0.8%；而高锰钢高达13% ～14% 。 （4）硫 硫在钢铁中主要以MnS或FeS状态存在，使钢产生“热脆性”，因此硫是钢铁中的有害成分。 （5）磷 磷在钢铁中以Fe2P或Fe3P状态存在，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。然而，P的含量升高，钢铁的流动性提高，使其易于铸造并可避免在轧钢时轧辊与压件粘合。所以，特殊情况下常有意加入一定量P达此目的。 二、碳的测定 钢铁中总碳的测定方法有很多，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、化学法和物理化学法。 1、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。 （1）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 = CO2 4Fe3C + 13O2 = 4CO2 + 6Fe2O3 Mn3C +3O2 = CO2 + Mn3O FeS +5O2 = Fe3O4 +3SO2 3MnS + 5O2 = Mn3O4 + 3SO2 脱硫： MnO2 + SO2 =MnSO4SO2干扰测定，会被KOH吸收生成的CO2与过剩的O2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CO2： CO2十2KOH = K2CO3十H2O 剩余的O2再返回量气管中，根据吸收前后体积之差，得到CO2的体积，据此计算出试样中碳的质量分数。 （2）主要试剂 氢氧化钾吸收剂溶液(400g/L)；除硫剂：活性二氧化锰(粒状)或钒酸银；酸性氯化钠溶液（250