应用案例 | 钢铁中碳硫氧氮氢成分分析方法

***、碳硫氧氮氢元素成分对钢铁的影响

碳（C）
在钢材中，碳是仅次于铁的主要元素，它直接影响钢材的强度、塑性、韧性和焊接性能等。当钢中含碳量在0.8%以下时，随着含碳量的增加，钢材的强度和硬度提高，而塑性和韧性降低;但当含碳量在1.0%以上时，随着含碳量的增加，钢材的强度反而下降。随着含碳量的增加，钢材的焊接性能变差(含碳量大于0.3%的钢材，可焊性显著下降)，冷脆性和时效敏感性增大，耐大气锈蚀性下降。从含碳量4-5%的生铁到含碳量ppm***别的不锈钢。碳的含量不仅影响到纹理，还会影响到铁的物质属性。比如说磁性、硬度和弹性。比如说，铸铁（2-4%C）很脆但是可塑，工具钢（0.4%-1.7%）具有弹性和韧性，碳钢（<0.4%C）可锻造的，对于板材、钢管和钢梁非常有用。碳元素能以不同的形式存在于铁基体里面。和其他元素结合成碳化物，溶于铁基质或者所谓单质碳元素存在。

图1 铁碳（Fe-Fe3C）相图

硫（S）
硫主要来自炼钢原料，炼钢时难以除尽。硫在钢中是以硫化物夹杂形式存在，对钢的塑性、韧性、焊接性能、厚度方向性能、疲劳性能和耐腐蚀性都有不利影响。其中危害大的是与铁生成FeS，造成钢在800~1200℃时变脆而易于开裂，即产生'热脆性'。但是硫也可以作为易切屑元素，用于提高钢的可加工性。
氧（O）
氧是有害杂质元素，钢铁中的氧以化合态和游离态形式存在，游离态形式相对比较少，在钢中氧几乎全部以氧化物的形式存在，钢中各种氧化物的总量随着含氧量增加而增加，这些氧化物杂质对钢材力学性能等各方面均有不利影响。随着钢中含氧量增加，钢的塑性、冲击韧性降低，氧化物夹杂使钢的耐腐蚀性、耐磨性降低，使冷冲压性、锻造加工性及切削加工性变差。
氮（N）
钢铁中氮***部分以氮化物形态存在，另***部分以氮原子的形式固溶在钢中，只有极少数的情况下，氮以分子形式夹杂于气泡中或吸附在钢表面。随着氮含量的增加，可使钢材的强度显著提高，塑性和韧性则降低，可焊性变差，冷脆性加剧;同时增加时效倾向及冷脆性和热脆性，损坏钢的焊接性能及冷弯性能。因此，应该尽量减小和限制钢中的含氮量。氮在***些其他元素的配合下也可以减少其不利影响，改善钢材性能，可作为低合金钢的合金元素使用。
氢（H）
钢中氢以氢原子的形式存在，来源于炉气中的水蒸气分压。在高温条件下，两个氢原子很容易形成***个氢分子而释放出来。与氧、氮***样，气体元素在固态钢中溶解度极小，它们在高温时溶入钢液，冷却时来不及逸出而积聚在组织中形成高压细微气孔，使钢的塑性、韧度和疲劳强度急剧降低，严重时会造成裂纹、脆断，是必须严格控制的有害元素。
二、碳硫成分检测的原理及方法
测量钢铁中的碳硫方法通常有火花直读光谱仪、ICP-OES法和红外碳硫分析仪测试法等等。火花直读光谱法需要样品表面干净光滑，ICP-OES法对样品形状没有特定要求，但是需要样品溶液在液体中，还要考虑样品溶液的空白值。
相对以上两种方法，高频红外碳硫分析法对于样品的要求会更加宽容。只需要样品干净，体积适合进样体积的大小即可。

图2 Eltra红外碳硫元素分析仪CS-i

分析方法的原理是：样品在***个纯氧气氛中被熔融，使硫元素转化为二氧化硫、碳元素转化为***氧化碳和二氧化碳的混合气体。通过除尘装置和除水装置净化后，气体进入二氧化硫检测池测定硫。此后，***氧化碳氧化为二氧化碳；二氧化硫氧化为三氧化硫。再经除硫剂导入二氧化碳检测池测定碳。在这个过程中样品可以直接进样，对样品表面光洁度也没有特定要求。具有操作过程方便，分析结果准确的特点。

图3 红外碳硫分析原理示意图

使用高频红外碳硫分析分析钢铁中的碳硫元素的分析过程为：在样品前处理阶段，我们需要将样品处理称削状、粉末状或者小块状大小，保证样品体积能完全放入坩埚中。处理完样品后，将需要分析的样品在天平上称量。然后坩埚中添加助溶剂，助溶剂的作用是为了是样品能在载气为纯氧的状态下完全融化，释放出碳元素和硫元素。将坩埚放置在仪器的坩埚托上面，通过仪器配套的软件操作，进行自动分析并得出分析结果。

图4 Eltra红外碳硫分析CS-i仪器操作步骤

图5 不锈钢中的碳/硫成分含量测试结果

三、氧氮氢成分检测的原理及方法
钢铁材料中的氧氮氢元素，有惰性气体熔融法（红外吸收热导法）和质谱法等方法。质谱法是将钢铁材料高温熔融后，对液态钢铁材料进行氧氮氢含量测定。该技术是***项比较新的技术。

图6  Eltra氧/氮/氢 分析仪 ELEMENTRAC ONH-P 2

钢铁中氧氮氢元素的主流的测试方式目前还是使用惰性气体熔融法对样品进行分析。该方法的分析原理是：样品中的氧氮氢元素在惰性气体条件下，通过高温加热将氧氮氢元素释放出来。氧转化为CO和CO2混合物，催化剂将其中的 CO 氧化成CO2。通过红外检测池测出CO2 的含量从而推算出氧的含量，N和H的含量则以N2和H2的形式，通过热导检测器测出。

图7  氧氮氢成分含量检测过程原理示意图

使用惰性气体熔融法分析钢铁样品，***台氧氮氢元素分析仪可以兼容小块状、削状、粉末状等各种形状的样品。分析时，只需要将样品重量导入仪器软件中，接着将样品投入到仪器进样口，通过仪器软件操作，样品会再仪器中进行自动分析并自动显示分析结果。

图8 钢铁中氧/氮成分含量检测结果

(文章来源于仪器网)