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國(guó)產(chǎn)分析儀器測(cè)定氮化硅鐵中氮
本文介紹了使用國(guó)產(chǎn)分析儀器進(jìn)行氮化硅鐵中氮的分析方法。本文確定的方法準(zhǔn)確、簡(jiǎn)便、迅速，能滿足此類(lèi)試樣的測(cè)定。
關(guān)鍵詞：國(guó)產(chǎn) 分析儀器 測(cè)定 氮化硅鐵 氮
氮化硅鐵是一種新型特種鐵合金，主要應(yīng)用于生產(chǎn)冷軋單向硅鋼片，該產(chǎn)品加入金屬熔體后可獲得良好的常溫和低溫強(qiáng)度，良好的耐腐蝕性能、熱沖擊和耐磨損性能。通常N的含量在20—35%之間
分析結(jié)果表明，氮化硅鐵通常由短柱狀β-Si3N4相和Si3Fe相組成，其結(jié)構(gòu)特征是以Si3Fe形成核心，并被Si3N4包裹，因此在測(cè)定氮化硅鐵中氮的含量時(shí)，其反應(yīng)初期更多地表現(xiàn)出Si3N4的性質(zhì)。Si3N4陶瓷是一種非氧化物工程陶瓷，分解溫度在1300~1400℃，難與碳和金屬元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。
由于進(jìn)口氣體分析儀器在國(guó)內(nèi)的廣泛應(yīng)用，故多數(shù)氮化硅鐵生產(chǎn)廠商及用戶(hù)采用進(jìn)口氣體分析儀器對(duì)產(chǎn)品中的氮進(jìn)行分析。由于氮化硅鐵中氮的含量很高，幾乎所有進(jìn)口分析儀器在分析氮化硅鐵時(shí)均采用減少稱(chēng)樣量的方式以克服量程不足的問(wèn)題，通常稱(chēng)樣量均在20mg左右，如此小的稱(chēng)樣量使石料的代表性對(duì)大大降低，稱(chēng)量誤差也大大降低了分析數(shù)據(jù)的精密度。
我公司在氮化硅鐵生產(chǎn)過(guò)程中，采用國(guó)產(chǎn)氣體分析儀對(duì)氮化硅鐵中的氮含量進(jìn)行分析，稱(chēng)樣量可達(dá)0.1g，分析數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，體現(xiàn)了良好的精密度，滿足了生產(chǎn)要求。
1、 實(shí)驗(yàn)部分
1.1 儀器
ON—2008氧氮分析儀 北京納克分析儀器有限公司
1.2 試劑與材料
無(wú)水過(guò)氯酸鎂
堿石棉
稀土氧化銅
鎳箔
石墨粉（≥99.99）200目
脫脂棉
氬氣（≥99.95%）
壓縮空氣
1.3 實(shí)驗(yàn)方法
在儀器狀態(tài)良好的情況下，按使用說(shuō)明書(shū)規(guī)定的程序運(yùn)行設(shè)備，儀器經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)后，使用KNO3基準(zhǔn)物質(zhì)繪制工作曲線。確定各分析參數(shù)，輸入重量及編號(hào)，采取手動(dòng)分析、一步提取法測(cè)定氮含量
2、結(jié)果與討論
2.1 分析參數(shù)的選擇
稱(chēng)取
釋放曲線的分布、起止點(diǎn)、峰形情況，zui終確定分析功率為5500W。
稱(chēng)取
通過(guò)確定以上分析參數(shù)并考察釋放曲線，確定等待時(shí)間為40s，加熱時(shí)間為40s，采樣時(shí)間為70s。
2.2 稱(chēng)樣量的選擇
在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，我們擬定了初步的稱(chēng)樣量實(shí)驗(yàn)方案，即稱(chēng)樣量分別為0.05g、0.10g、
| 稱(chēng)樣量（g） 0.0500 0.1000 0.1500 0.2000 |
| 分析數(shù)據(jù)（%） 27.39 27.64 27.54 27.96 27.82 27.32 27.84 27.77 27.44 27.53 27.67 27.62 |
表1
由表1可以看出，當(dāng)稱(chēng)樣量在0.0500—0.2000g之間，分析結(jié)果基本恒定，為使實(shí)驗(yàn)適應(yīng)實(shí)際生產(chǎn)，故稱(chēng)樣量確定為0.1g
2.3 加入鎳箔試驗(yàn)
通常認(rèn)為鎳箔是氧氮分析的良好浴料，能明顯改善熔池環(huán)境，有利于氮的均勻、*釋放。通過(guò)試驗(yàn)觀察，對(duì)于氮化硅鐵來(lái)講，如果不加鎳箔并按實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行分析，分析數(shù)據(jù)出現(xiàn)比較大的波動(dòng)。由釋放曲線來(lái)判斷氮已經(jīng)*釋放，但是將釋放曲線放大后有時(shí)可以發(fā)現(xiàn)在峰頂過(guò)后的某一個(gè)階段時(shí)常會(huì)出現(xiàn)細(xì)小的鋸齒峰。由此可以判斷氮化硅鐵中氮有多種存在形式，不加入浴料其釋放曲線不符合通常的正態(tài)分布，當(dāng)加入鎳箔后，釋放曲線形態(tài)得到明顯改善，基本符合正態(tài)分布，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)波動(dòng)較小。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2
| 加入鎳箔（ |
| 分析數(shù)據(jù)（%） 27.42 27.46 27.63 27.83 27.57 27.99 平均值（%） 27.54 27.76 |
表2
由表2可以看出，加入鎳箔后分析數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性得到很大的提高，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)對(duì)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性要求較高的考慮，應(yīng)加入鎳箔。
2.4加入石墨粉試驗(yàn)
有資料顯示，加入石墨粉可改善試樣中氧氮的釋放狀況和回收率，為此我們?cè)O(shè)計(jì)了四種不同的試驗(yàn)方式進(jìn)行試驗(yàn)，具體為0.1g試樣覆蓋0.05g石墨粉（方案1）、0.1g試樣+0.05g石墨粉攪拌均勻（方案2）、0.1g試樣包裹0.2g鎳箔覆蓋0.05g石墨粉（方案3）、0.1g試樣+0.05g石墨粉攪拌均勻用0.2g鎳箔包裹（方案4），按實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3
| 方案1 方案2 方案3 方案4 |
| 分析數(shù)據(jù)（%） 27.69 26.72 27.25 26.86 26.78 26.59 27.07 26.41 26.43 27.55 26.64 26.15 |
表3
由表3可以看出，當(dāng)?shù)梃F加入石墨粉后，氮的釋放有降低的趨勢(shì)；同時(shí)熔池內(nèi)有細(xì)小的顆粒存在。據(jù)此判斷，在試樣熔化的過(guò)程中，由于硅鐵與石墨粉大面積接觸，在高溫狀態(tài)下部分形成了碳化硅，可能降低了熔池溫度，影響了氮的釋放，造成分析數(shù)據(jù)偏低。由此在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，不考慮加入石墨粉作為添加劑。
2.5空白試驗(yàn)
氮化硅鐵中氮的含量一般較高，坩堝吸附的微量氮對(duì)分析結(jié)果的影響較小，可忽略不計(jì)。由于沒(méi)有脫氣環(huán)節(jié)，故坩堝腔內(nèi)空氣中的氮是影響分析結(jié)果的主要因素。為此在只加入0.2g鎳箔、輸入重量為0.1g的條件下進(jìn)行了空白試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4
| 空白值（%） |
| 0.016 0.024 0.014 0.022 0.024 |
表4
由表4可以看出，空白值在比較合理的水平，能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)的要求，不必采取其他措施進(jìn)行處理。
3、試樣的測(cè)定
3.1稱(chēng)樣量
稱(chēng)取0.100g試樣，以0.2g鎳箔包裹
3.2分析參數(shù)
分析氣流量：0.3L/min
分析功率：5500W
等待時(shí)間：40s
加熱時(shí)間：40s
采樣時(shí)間：70s
3.3分析步驟
在儀器狀態(tài)良好的情況下，按使用說(shuō)明書(shū)規(guī)定的程序運(yùn)行設(shè)備，儀器經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)后，使用KNO3基準(zhǔn)物質(zhì)繪制工作曲線。確定各分析參數(shù)，將稱(chēng)取的試樣投入石墨坩堝內(nèi)，輸入重量及編號(hào)，采取手動(dòng)分析、一步提取法測(cè)定氮含量。計(jì)算機(jī)自動(dòng)將分析結(jié)果進(jìn)行顯示打印。
3.4對(duì)比試驗(yàn)
對(duì)同一試樣采用國(guó)產(chǎn)儀器（ON-2008）與國(guó)外某型號(hào)氧氮分析儀在近似分析條件下進(jìn)行分析測(cè)試。需要指出的是，此型號(hào)國(guó)外儀器是專(zhuān)門(mén)針對(duì)高含量氧氮試樣設(shè)計(jì)的，試驗(yàn)結(jié)果由該儀器制造國(guó)試驗(yàn)室提供。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5
由表5可以看出，對(duì)于氮化硅鐵這樣的高氮產(chǎn)品的分析測(cè)試，國(guó)產(chǎn)分析儀器與國(guó)外的同類(lèi)型分析儀器在分析精度上基本處于同一水平。由于可以采用比較大的稱(chēng)樣量，不論對(duì)于天平的精度和稱(chēng)量環(huán)境的要求來(lái)說(shuō)，國(guó)產(chǎn)儀器都更能適應(yīng)當(dāng)今國(guó)內(nèi)企業(yè)的現(xiàn)狀。由于浴料的減少，使分析成本有了較大的降低，對(duì)于更加重視生產(chǎn)成本的企業(yè)來(lái)說(shuō)更具吸引力。
| ON-2008 國(guó)外某型號(hào) |
| 試樣處理 0.2g鎳箔包裹 0.3gNi+0.5gSn 稱(chēng)樣量（g） 0.1 0.035 分析數(shù)據(jù)（%） 27.42、27.32、27.57 27.80、28.02、28.06 27.63 27.53、27.64 28.20、28.09、28.14 平均值（%） 27.52 28.05 標(biāo)準(zhǔn)偏差 0.13 0.14 相對(duì) 標(biāo)準(zhǔn)偏差（%） 0.46 0.50 |
表5
使用國(guó)產(chǎn)儀器，采用本方法與使用蒸餾-滴定法進(jìn)行比較，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表6
| 本方法 蒸餾-滴定法 |
| 分析數(shù)據(jù)（%） 27.63 27.53、27.64 27.57、27.49、27.38 27.42、27.32、27.57 27.14 27.68 27.38 平均值（%） 27.52 27.44 標(biāo)準(zhǔn)偏差 0.13 0.19 相對(duì) 標(biāo)準(zhǔn)偏差（%） 0.46 0.68 |
表6
由表6可以看出，使用本方法所得到的分析數(shù)據(jù)與化學(xué)法基本相同，具有較高的準(zhǔn)確性。3.5精密度試驗(yàn)
使用國(guó)產(chǎn)儀器，采用本方法進(jìn)行精密度試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表7
| 測(cè)定結(jié)果（%） | 平均值（％） | 極差（％） | 標(biāo)準(zhǔn)偏差 | RSD（％） |
| 27.56、27.49、27.38、27.61 27.41、27.51、27.32、27.34 27.56、27.60、27.66 | 27.49 | 0.34 | 0.12 | 0.42 |
表7
由表7可以看出，本方法精密度良好。
4、結(jié)論
4.1通過(guò)試驗(yàn)確立了氮化硅鐵中氮的測(cè)定方法。本實(shí)驗(yàn)方法準(zhǔn)確、簡(jiǎn)便、迅速，可以為送檢樣品提供可靠的分析數(shù)據(jù)。對(duì)300余件試樣進(jìn)行的測(cè)試分析，所得分析數(shù)據(jù)應(yīng)用于生產(chǎn)，效果良好，可以滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要。
4.2通過(guò)與國(guó)外同類(lèi)型分析儀器的比較可以看出，對(duì)于像氮化硅鐵這樣的高氮含量的試樣，尤其是氮化鐵合金樣品，國(guó)產(chǎn)儀器更能適應(yīng)企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)狀況，能夠提供更優(yōu)異的分析數(shù)據(jù)。在這一領(lǐng)域，國(guó)產(chǎn)儀器的性?xún)r(jià)比是國(guó)外儀器所*的。