金屬及其復(fù)合材料的開(kāi)發(fā)研制與應(yīng)用，常常要求有效地控制及準(zhǔn)確地測(cè)定其中的碳硫含量。金屬材料中碳主要以游離碳，固溶碳和化合碳等形式存在，還有氣態(tài)碳和表面保護(hù)的滲碳及涂敷的有機(jī)碳等。
目前分析金屬中碳含量的方法主要有燃燒法，發(fā)射光譜法，氣體容量法，非水溶液滴定法，紅外吸收法及色譜法等。由于每種測(cè)定方法有一定的適用范圍，而且測(cè)定結(jié)果受很多因素的影響，如碳的存在形式、氧化時(shí)碳能否釋放完全、空白值等，所以同一種方法在不同的場(chǎng)合準(zhǔn)確度有一定差異。本文整理了目前金屬中碳的分析方法、樣品處理、所用的儀器及應(yīng)用領(lǐng)域等內(nèi)容。
1.紅外吸收法
基于紅外吸收法發(fā)展出的燃燒紅外吸收法是屬于碳(和硫)定量分析專用方法。
其原理是將試樣在氧氣流中燃燒，生成CO2，在一定壓力下，CO2吸收紅外線的能量與其濃度成正比，因此測(cè)出CO2氣體流經(jīng)紅外吸收器前后的能量變化，則可計(jì)算出含碳量。
燃燒-紅外吸收法原理
近年來(lái)，紅外氣體分析技術(shù)發(fā)展很快，各種利用高頻感應(yīng)加熱燃燒及紅外光譜吸收原理的分析儀器也迅速地出現(xiàn)。對(duì)于高頻燃燒紅外吸收法測(cè)定碳和硫，一般應(yīng)考慮以下幾個(gè)因素：試樣的干燥性、電磁感性、幾何尺寸，試樣量，助熔劑的種類、配比、加入次序及加入量，空白值的設(shè)置等。
該法優(yōu)點(diǎn)是定量準(zhǔn)確，干擾項(xiàng)較少。適合對(duì)碳含量準(zhǔn)確度有較高要求，且生產(chǎn)中有足夠時(shí)間進(jìn)行檢測(cè)的用戶。
2.發(fā)射光譜法
元素在受到熱或電激發(fā)時(shí)，會(huì)由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，而激發(fā)態(tài)會(huì)自發(fā)地返回到基態(tài)。在由激發(fā)態(tài)返回到基態(tài)的過(guò)程中，會(huì)釋放每種元素的特征譜線，根據(jù)特征譜線的強(qiáng)度可以測(cè)定出其含量。
發(fā)射光譜儀原理
在冶金行業(yè)，由于生產(chǎn)的急迫性，需要在很短的時(shí)間內(nèi)分析出爐水內(nèi)所有主要元素的含量，而不僅僅是碳含量。火花直讀發(fā)射光譜儀由于能夠快速得到穩(wěn)定的結(jié)果，所以成為該行業(yè)的首選。但該法對(duì)于樣品制備有特定要求。
例如，火花光譜法分析鑄鐵試樣時(shí)，要求分析表面的碳都以碳化物的形式存在，不能有游離石墨，否則就會(huì)影響分析結(jié)果。有用戶利用薄片樣品急冷快，白口化好的特點(diǎn)，將樣品制成薄片后，用火花光譜分析法測(cè)定鑄鐵中碳的含量。
火花光譜法分析碳素鋼線狀樣品時(shí)，須嚴(yán)格加工處理好樣品并使用小樣品分析夾具將樣品“直立”或“平躺”放在火花臺(tái)上進(jìn)行分析，以提高分析的精密度。
3.波長(zhǎng)色散X射線法
波長(zhǎng)色散X-射線分析儀可以對(duì)多元素進(jìn)行快速同時(shí)測(cè)定。
波長(zhǎng)色散X射線熒光光譜儀原理
在X射線激發(fā)下，被測(cè)元素原子的內(nèi)層電子發(fā)生能級(jí)躍遷而發(fā)出次級(jí)X射線(即X熒光)。波長(zhǎng)色散型X射線熒光光譜儀(WDXRF)是用晶體分光而后由探測(cè)器接收經(jīng)過(guò)衍射的特征X射線信號(hào)。如果分光晶體和控測(cè)器作同步運(yùn)動(dòng)，不斷地改變衍射角，便可獲得樣品內(nèi)各種元素所產(chǎn)生的特征X射線的波長(zhǎng)及各個(gè)波長(zhǎng)X射線的強(qiáng)度，可以據(jù)此進(jìn)行定性分析和定量分析。該種儀器產(chǎn)生于50年代，由于可以對(duì)復(fù)雜體系進(jìn)行多組分同時(shí)測(cè)定而受到關(guān)注，特別在地質(zhì)部門，先后配置了這種儀器，分析速度顯著提高，起到了重要作用。
但是，輕元素碳由于特征輻射的波長(zhǎng)較長(zhǎng)，熒光產(chǎn)額低，在鋼鐵等重基體材料中，基體對(duì)碳的特征輻射的吸收衰減又很大等原因，常給碳的XRF分析造成一定的困難。另外，在用X射線熒光儀測(cè)量鋼中的碳時(shí)，如果將磨過(guò)的樣面連續(xù)測(cè)10次，可發(fā)現(xiàn)碳含量值在不斷增加。故該方法的應(yīng)用面不如前兩種廣泛。
4.非水溶液滴定法
非水溶液滴定法是在非水溶劑中進(jìn)行滴定的方法。該法可使原本在水溶液中不能滴定的某些弱酸弱堿，經(jīng)選擇適當(dāng)溶劑，增強(qiáng)其酸堿性后，便可以進(jìn)行滴定。CO2在水中溶液生成的碳酸，酸性較弱，通過(guò)選擇不同的有機(jī)試劑可準(zhǔn)確滴定。
以下為常用的一種非水滴定方法：
?、?試樣經(jīng)碳硫分析儀配套的電弧燃燒爐高溫燃燒。
?、?燃燒放出的二氧化碳?xì)怏w被乙醇-乙醇胺溶液吸收，二氧化碳與乙醇胺反應(yīng)生成比較穩(wěn)定的2-羥基乙基胺羧酸。
?、?使用KOH進(jìn)行非水溶液滴定。
本方法中使用的試劑有毒，長(zhǎng)期接觸會(huì)影響人體健康，而且難于操作，尤其碳含量高時(shí)須預(yù)置溶液，稍不注意會(huì)跑碳造成結(jié)果偏低。非水溶液滴定法中使用的試劑多屬于易燃品，實(shí)驗(yàn)中又涉及到高溫加熱操作，操作人員要有足夠的安全意識(shí)。
5.色譜法
火焰原子化檢測(cè)器與氣相色譜聯(lián)用，將樣品在氫氣中加熱，然后使用火焰原子化檢測(cè)器-氣相色譜法檢測(cè)放出的氣體(如CH4和CO)。有用戶使用該法測(cè)試高純鐵中微量的碳，含量為4μg/g，分析時(shí)間為50min。
該法適用于碳含量極低，且對(duì)檢測(cè)結(jié)果要求很高的用戶。
6.電化學(xué)方法
有用戶介紹了利用電位分析法測(cè)定了合金中低碳含量：將鐵樣在感應(yīng)爐中氧化后，用碳酸鉀固體電解質(zhì)組成的電化學(xué)濃差電池分析測(cè)定氣態(tài)產(chǎn)物，從而測(cè)定碳的濃度，此法尤其適于非常低濃度碳的測(cè)定，可通過(guò)改變參比氣體組成和樣品的氧化速率控制分析的精密度和靈敏度。
該法實(shí)際應(yīng)用較少，大多停留在實(shí)驗(yàn)研究階段。
7.在線分析法
在精煉鋼時(shí)，常要實(shí)時(shí)控制真空爐內(nèi)熔融鋼中的碳含量，有冶金行業(yè)的學(xué)者介紹過(guò)利用廢氣的信息估計(jì)碳濃度的實(shí)例：利用真空脫碳過(guò)程中真空容器中氧氣的消耗量、濃度和氧氣、氬氣的流速估計(jì)了熔融鋼中碳的含量。。
還有用戶研制出快速測(cè)定熔融鋼中痕量碳的方法和相關(guān)儀器裝置：把載氣鼓入熔融鋼中，從載氣中已被氧化的碳來(lái)估計(jì)熔融鋼中碳的含量。
類似的在線分析方法適用于煉鋼生產(chǎn)過(guò)程中的質(zhì)量管理與性能控制。
來(lái)源：每天學(xué)點(diǎn)熱處理(GNR代表處)
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