金屬及其復(fù)合材料的開發(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，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?；鸹ㄖ弊x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：
① 試樣經(jīng)碳硫分析儀配套的電弧燃燒爐高溫燃燒。
② 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。
③ 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)者介紹過利用廢氣的信息估計(jì)碳濃度的實(shí)例：利用真空脫碳過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)過程中的質(zhì)量管理與性能控制。
來源：每天學(xué)點(diǎn)熱處理(GNR代表處)
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