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應用案例 | 鋼鐵中碳硫氧氮氫成分分析方法

來源：廣州領拓儀器科技有限公司 2024年01月08日 09:34

碳硫氧氮氫元素成分對鋼鐵的影響

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度、塑性、韌性和焊接性能等。當鋼中含碳量在0.8%以下時，隨著含碳量的增加，鋼材的強度和硬度提高，而塑性和韌性降低;但當含碳量在1.0%以上時，隨著含碳量的增加，鋼材的強度反而下降。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級別的不銹鋼。碳的含量不僅影響到紋理，還會影響到鐵的物質屬性。比如說磁性、硬度和彈性。比如說，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。和其他元素結合成碳化物，溶于鐵基質或者所謂單質碳元素存在。

圖1 鐵碳(Fe-Fe?C)相圖

硫（S）

硫主要來自煉鋼原料，煉鋼時難以除盡。硫在鋼中是以硫化物夾雜形式存在，對鋼的塑性、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℃時變脆而易于開裂，即產生"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）

氧是有害雜質元素，鋼鐵中的氧以化合態和游離態形式存在，游離態形式相對比較少，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，這些氧化物雜質對鋼材力學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存在，另一部分以氮原子的形式固溶在鋼中，只有極少數的情況下，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;同時增加時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，來源于爐氣中的水蒸氣分壓。在高溫條件下，兩個氫原子很容易形成一個氫分子而釋放出來。與氧、氮一樣，氣體元素在固態鋼中溶解度極小，它們在高溫時溶入鋼液，冷卻時來不及逸出而積聚在組織中形成高壓細微氣孔，使鋼的塑性、韌度和疲勞強度急劇降低，嚴重時會造成裂紋、脆斷，是必須嚴格控制的有害元素。

碳硫成分檢測的原理及方法

測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法對樣品形狀沒有特定要求，但是需要樣品溶液在液體中，還要考慮樣品溶液的空白值。

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

圖2

Eltra紅外碳硫元素分析儀CS-i

分析方法的原理是：樣品在一個純氧氣氛中被熔融，使硫元素轉化為二氧化硫、碳元素轉化為一氧化碳和二氧化碳的混合氣體。通過除塵裝置和除水裝置凈化后，氣體進入二氧化硫檢測池測定硫。此后，一氧化碳氧化為二氧化碳；二氧化硫氧化為三氧化硫。再經除硫劑導入二氧化碳檢測池測定碳。在這個過程中樣品可以直接進樣，對樣品表面光潔度也沒有特定要求。具有操作過程方便，分析結果準確的特點。

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程為：在樣品前處理階段，我們需要將樣品處理稱削狀、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，通過儀器配套的軟件操作，進行自動分析并得出分析結果。

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/硫成分含量測試結果

氧氮氫成分檢測的原理及方法

鋼鐵材料中的氧氮氫元素，有惰性氣體熔融法(紅外吸收熱導法)和質譜法等方法。質譜法是將鋼鐵材料高溫熔融后，對液態鋼鐵材料進行氧氮氫含量測定。該技術是一項比較新的技術。

圖6

Eltra氧/氮/氫分析儀 ELEMENTRAC ONH-P 2

鋼鐵中氧氮氫元素的主流的測試方式目前還是使用惰性氣體熔融法對樣品進行分析。該方法的分析原理是：樣品中的氧氮氫元素在惰性氣體條件下，通過高溫加熱將氧氮氫元素釋放出來。氧轉化為CO和CO?混合物，催化劑將其中的 CO 氧化成CO?。通過紅外檢測池測出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，通過熱導檢測器測出。

圖7 氧氮氫成分含量檢測過程原理示意圖

使用惰性氣體熔融法分析鋼鐵樣品，一臺氧氮氫元素分析儀可以兼容小塊狀、削狀、粉末狀等各種形狀的樣品。分析時，只需要將樣品重量導入儀器軟件中，接著將樣品投入到儀器進樣口，通過儀器軟件操作，樣品會在儀器中進行自動分析并自動顯示分析結果。

圖8 鋼鐵中氧/氮成分含量檢測結果

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