作品简介:
本文集是《无机固体材料碳硫分析》系列文集的第一部分,主要以中国船舶重工集团公司第七二五研究所(洛阳船舶材料研究所)试验测试与计量研究中心发表的论文和2000后公开报道的期刊及会议论文为基础,汇编高频感应燃烧-红外吸收光谱法在钢铁、铁合金和有色金属合金中的碳、硫元素分析中的应用现状,以期为相关从业人员进行方法选择与开发提供文献参考。
前言与结语
碳元素对金属材料的力学性能、工艺性能及抗疲劳性能、耐腐蚀性能和工程应用有重要影响。硫通常是有害杂质元素,以硫化物的形态夹杂在金属材料中,破坏金属组织结构的连续性,易降低材料的热处理性能、焊接性能、机械性能和耐腐蚀性能。控制和准确测定金属材料中的碳/硫含量是冶金行业的重要课题,对产品的质量监控和工程应用有着重要的指导意义。
高频感应燃烧-红外吸收光谱法(高频红外法)具有准确性好、稳定可靠、检测范围宽、应用领域广、操作简单快速等优点,是金属材料碳/硫分析的主要方法。其原理是:在富氧条件下,一定量的试样和助熔剂(如钨、锡、铁、铜)与高频电磁场耦合,产生涡流并发热,使试样充分燃烧、碳/硫元素被转化为CO2和SO2,由氧气携带经除尘净化处理后导入红外池检测CO2和SO2的特征吸收峰,从而获得试样的碳/硫含量。称样量、助熔剂及加入量和顺序、标准样品是影响高频红外法测定碳/硫准确性和溯源性的主要条件,同时上述条件与试样自身的物化性质(如熔点、导电性、磁性)和碳/硫含量及存在形态息息相关。
高频红外法早期主要应用于常规钢铁材料的碳/硫分析,为钢铁材料的生产和应用提供了有力保障。随着冶金技术和材料学科的发展,其应用领域逐渐拓展到钢铁复合材料、熔敷金属、铁合金、常用有色金属、镍基合金、难熔金属、硬质合金、稀土金属及放射性金属等金属材料,并取得了可喜的成果,部分被采纳为国家或行业化学分析标准方法。另一方面,检测对象由总碳发展到化合碳、游离碳,检测下限及上限不断刷新,由常规含量发展到微量及高含量。
随着新型金属材料的不断研发与应用,将对碳/硫分析的准确性、速度及分离测定提出越来越高的要求。广大仪器开发、标准样品研制、分析检测及金属材料产研等相关人员有必要加强沟通,不断扩展高频红外法的应用领域和检测范围,共同推动该法更好、更快的服务于科研和生产工作。
收起碳/硫含量,尤其是碳含量,是钢铁材料的重要指标,与钢铁牌号、品级和价格息息相关。钢、铁具有较好的导电性、导磁性,非常容易和高频电磁场耦合。高频红外法应用于常规钢铁材料的碳/硫分析研究已有数十年的历史,相关文献资料较多,标准样品齐全,对助熔剂等分析参数的讨论较为充分,在钢铁行业已得到广泛、成熟的应用。
洁净钢等新型钢材需要准确测定痕量碳/硫,对取样和制样方法、坩埚预处理方法、助熔剂、标准样品及仪器校正技术等提出了更高的要求。钢铁复合材料、焊材和熔敷金属及焊缝的碳/硫分析也有报道。实际工作中,通常根据基体或母材的特征选择称样量、助熔剂和标准样品等分析条件。
收起钢铁冶炼过程的质量监控产生了铁合金碳/硫分析的需求。铁合金主要指炼钢用添加剂,或用做合金剂改善钢铁的结晶组织、提高性能,或用做脱氧剂,净化钢液,提高钢质。铁合金种类较多,广义的铁合金甚至包含不含铁的锰、铬、硅钙、硅钡、硅锰等炼钢辅料。不同种类的铁合金的成分和性能差异较大,在实际工作中有时很难找到碳/硫含量和待测试样接近的同类型有证标准样品,一般考虑钢铁或基准物质进行异标校正,或共线分析。
收起有色金属是除铁、铬、锰三种金属以外的所有金属元素的统称。有色金属合金材料种类多,物化性质差异大,根据材料的物化性质和碳/硫元素在材料中的存在形式和作用及燃烧释放情况,本文依次讨论高频红外法在下列五类有色金属合金材料碳/硫分析中的应用现状。
铝镁是常用的轻金属,熔点约650℃,导电性较好,活性强,易剧烈燃烧,国内外鲜见铝镁中碳/硫分析的标准样品。镁、铍的物化性质和铝相似,锑是易熔金属(熔点约60℃)。银、铜的导电性最好,熔点约1000℃。高频红外法测定银、铜的碳/硫也有报道。
收起镍、钴属于铁族元素,物化性质与铁相似,熔点约1500℃,具有铁磁性。镍基合金及钴基合金俗称特种不锈钢,具有耐热(或耐蚀、耐磨)、强度高、塑韧性好等优点,广泛应用于海洋、航空、石油、化工等服役环境更差或技术要求更高的特殊领域,对碳/硫元素的要求或限制更加严格。
收起钛、锆、铪、钒、铌、钽、钼、钨等难熔金属具有熔点高(大于1650℃),硬度大,耐腐蚀等特点,相对常规钢铁材料或铝、镁、铜等常用有色金属更难熔化,通常需提高助熔剂/试样质量比,以促进试样充分燃烧和碳/硫元素的释放。
收起硬质合金是由碳化钨为主的难熔金属碳化物和粘结金属通过粉末冶金工艺制成,硬度高、强度高、耐蚀、耐磨,可制造切削工具、地矿工具和耐磨零件,被誉为“工业牙齿”。碳含量对硬质合金的性能、生产工艺和应用有较大影响,主成份碳的精确控制是制备优质硬质合金的关键,而游离碳(石墨)的存在易导致晶粒度的不均匀性,因此,硬质合金中总碳、化合碳和游离碳的分离、测定尤为重要。通常采用硝酸-氢氟酸分解碳化物使其转化为碳酸盐并溶解,经过滤收集游离碳,实现二者的分离。
收起稀土金属是钪、钇、镧系17种元素的总称,其化学活性很强,通氧燃烧后生成的稀土氧化物粉尘会干扰硫的测定。钟其云等研究了高频红外法测定钕、钐、镝、氧化镧等稀土金属及其氧化物中碳/硫含量的标准样品和助熔剂选择。周晓东等进一步研究了钆、铈及氧化镥、氧化钇等稀土金属及其氧化物的碳/硫分析。高频红外法测定放射性金属合金材料如铀铌合金及其腐蚀产物中的碳/硫含量的研究也有报道。
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