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應(yīng)用案例 | 鋼鐵中碳硫氧氮?dú)涑煞址治龇椒?/h1>
來(lái)源：廣州領(lǐng)拓儀器科技有限公司 2024年01月08日 09:34

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碳硫氧氮?dú)湓爻煞謱?duì)鋼鐵的影響

碳（C）

在鋼材中，碳是僅次于鐵的主要元素，它直接影響鋼材的強(qiáng)度、塑性、韌性和焊接性能等。當(dāng)鋼中含碳量在0.8%以下時(shí)，隨著含碳量的增加，鋼材的強(qiáng)度和硬度提高，而塑性和韌性降低;但當(dāng)含碳量在1.0%以上時(shí)，隨著含碳量的增加，鋼材的強(qiáng)度反而下降。隨著含碳量的增加，鋼材的焊接性能變差(含碳量大于0.3%的鋼材，可焊性顯著下降)，冷脆性和時(shí)效敏感性增大，耐大氣銹蝕性下降。從含碳量4-5%的生鐵到含碳量ppm級(jí)別的不銹鋼。碳的含量不僅影響到紋理，還會(huì)影響到鐵的物質(zhì)屬性。比如說(shuō)磁性、硬度和彈性。比如說(shuō)，鑄鐵(2-4%C)很脆但是可塑，工具鋼(0.4%-1.7%)具有彈性和韌性，碳鋼(<0.4%C)可鍛造的，對(duì)于板材、鋼管和鋼梁非常有用。碳元素能以不同的形式存在于鐵基體里面。和其他元素結(jié)合成碳化物，溶于鐵基質(zhì)或者所謂單質(zhì)碳元素存在。

圖1 鐵碳(Fe-Fe?C)相圖

硫（S）

硫主要來(lái)自煉鋼原料，煉鋼時(shí)難以除盡。硫在鋼中是以硫化物夾雜形式存在，對(duì)鋼的塑性、韌性、焊接性能、厚度方向性能、疲勞性能和耐腐蝕性都有不利影響。其中危害最大是與鐵生成FeS，造成鋼在800~1200℃時(shí)變脆而易于開(kāi)裂，即產(chǎn)生"熱脆性"。但是硫也可以作為易切屑元素，用于提高鋼的可加工性。

氧（O）

氧是有害雜質(zhì)元素，鋼鐵中的氧以化合態(tài)和游離態(tài)形式存在，游離態(tài)形式相對(duì)比較少，在鋼中氧幾乎全部以氧化物的形式存在，鋼中各種氧化物的總量隨著含氧量增加而增加，這些氧化物雜質(zhì)對(duì)鋼材力學(xué)性能等各方面均有不利影響。隨著鋼中含氧量增加，鋼的塑性、沖擊韌性降低，氧化物夾雜使鋼的耐腐蝕性、耐磨性降低，使冷沖壓性、鍛造加工性及切削加工性變差。

氮（N）

鋼鐵中氮一部分以氮化物形態(tài)存在，另一部分以氮原子的形式固溶在鋼中，只有極少數(shù)的情況下，氮以分子形式夾雜于氣泡中或吸附在鋼表面。隨著氮含量的增加，可使鋼材的強(qiáng)度顯著提高，塑性和韌性則降低，可焊性變差，冷脆性加劇;同時(shí)增加時(shí)效傾向及冷脆性和熱脆性，損壞鋼的焊接性能及冷彎性能。因此，應(yīng)該盡量減小和限制鋼中的含氮量。氮在一些其他元素的配合下也可以減少其不利影響，改善鋼材性能，可作為低合金鋼的合金元素使用。

氫（H）

鋼中氫以氫原子的形式存在，來(lái)源于爐氣中的水蒸氣分壓。在高溫條件下，兩個(gè)氫原子很容易形成一個(gè)氫分子而釋放出來(lái)。與氧、氮一樣，氣體元素在固態(tài)鋼中溶解度極小，它們?cè)诟邷貢r(shí)溶入鋼液，冷卻時(shí)來(lái)不及逸出而積聚在組織中形成高壓細(xì)微氣孔，使鋼的塑性、韌度和疲勞強(qiáng)度急劇降低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成裂紋、脆斷，是必須嚴(yán)格控制的有害元素。

碳硫成分檢測(cè)的原理及方法

測(cè)量鋼鐵中的碳硫方法通常有火花直讀光譜儀、ICP-OES法和紅外碳硫分析儀測(cè)試法等等。火花直讀光譜法需要樣品表面干凈光滑，ICP-OES法對(duì)樣品形狀沒(méi)有特定要求，但是需要樣品溶液在液體中，還要考慮樣品溶液的空白值。

相對(duì)以上兩種方法，高頻紅外碳硫分析法對(duì)于樣品的要求會(huì)更加寬容。只需要樣品干凈，體積適合進(jìn)樣體積的大小即可。

圖2

Eltra紅外碳硫元素分析儀CS-i

分析方法的原理是：樣品在一個(gè)純氧氣氛中被熔融，使硫元素轉(zhuǎn)化為二氧化硫、碳元素轉(zhuǎn)化為一氧化碳和二氧化碳的混合氣體。通過(guò)除塵裝置和除水裝置凈化后，氣體進(jìn)入二氧化硫檢測(cè)池測(cè)定硫。此后，一氧化碳氧化為二氧化碳；二氧化硫氧化為三氧化硫。再經(jīng)除硫劑導(dǎo)入二氧化碳檢測(cè)池測(cè)定碳。在這個(gè)過(guò)程中樣品可以直接進(jìn)樣，對(duì)樣品表面光潔度也沒(méi)有特定要求。具有操作過(guò)程方便，分析結(jié)果準(zhǔn)確的特點(diǎn)。

圖3 紅外碳硫分析原理示意圖

使用高頻紅外碳硫分析分析鋼鐵中的碳硫元素的過(guò)程為：在樣品前處理階段，我們需要將樣品處理稱(chēng)削狀、粉末狀或者小塊狀大小，保證樣品體積能放入坩堝中。處理完樣品后，將需要分析的樣品在天平上稱(chēng)量。然后坩堝中添加助溶劑，助溶劑的作用是為了樣品能在載氣為純氧的狀態(tài)下融化，釋放出碳元素和硫元素。最后將坩堝放置在儀器的坩堝托上面，通過(guò)儀器配套的軟件操作，進(jìn)行自動(dòng)分析并得出分析結(jié)果。

圖4 Eltra紅外碳硫分析CS-i儀器操作步驟

圖5 不銹鋼中的碳/硫成分含量測(cè)試結(jié)果

氧氮?dú)涑煞謾z測(cè)的原理及方法

鋼鐵材料中的氧氮?dú)湓?，?/span>惰性氣體熔融法(紅外吸收熱導(dǎo)法)和質(zhì)譜法等方法。質(zhì)譜法是將鋼鐵材料高溫熔融后，對(duì)液態(tài)鋼鐵材料進(jìn)行氧氮?dú)浜繙y(cè)定。該技術(shù)是一項(xiàng)比較新的技術(shù)。

圖6

Eltra氧/氮/氫分析儀 ELEMENTRAC ONH-P 2

鋼鐵中氧氮?dú)湓氐闹髁鞯臏y(cè)試方式目前還是使用惰性氣體熔融法對(duì)樣品進(jìn)行分析。該方法的分析原理是：樣品中的氧氮?dú)湓卦诙栊詺怏w條件下，通過(guò)高溫加熱將氧氮?dú)湓蒯尫懦鰜?lái)。氧轉(zhuǎn)化為CO和CO?混合物，催化劑將其中的 CO 氧化成CO?。通過(guò)紅外檢測(cè)池測(cè)出CO?的含量從而推算出氧的含量，N和H的含量則以N?和H?的形式，通過(guò)熱導(dǎo)檢測(cè)器測(cè)出。

圖7 氧氮?dú)涑煞趾繖z測(cè)過(guò)程原理示意圖

使用惰性氣體熔融法分析鋼鐵樣品，一臺(tái)氧氮?dú)湓胤治鰞x可以兼容小塊狀、削狀、粉末狀等各種形狀的樣品。分析時(shí)，只需要將樣品重量導(dǎo)入儀器軟件中，接著將樣品投入到儀器進(jìn)樣口，通過(guò)儀器軟件操作，樣品會(huì)在儀器中進(jìn)行自動(dòng)分析并自動(dòng)顯示分析結(jié)果。

圖8 鋼鐵中氧/氮成分含量檢測(cè)結(jié)果

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