第三章　金屬材料分析

實驗十七　鋼鐵中碳的測定——燃燒-氣體體積法

一、方法提要

試樣置于高溫爐中加熱并通氧燃燒，使碳氧化成二氧化碳，混合氣體經除硫后收集于量氣管中，然后以氫氧化鉀溶液吸收其中的二氧化碳，吸收前后體積之差即為二氧化碳體積，由此計算碳含量。

本方法適用于生鐵、鐵粉、碳鋼、高溫合金及精密合金中碳含量的測定。測定范圍為0.10％～2.0％。

二、儀器與試劑

①高錳酸鉀溶液（40g/L）。

②氫氧化鉀溶液（400g/L）。

③甲基紅指示劑（2g/L）。

④過硫酸銨溶液（250g/L）。

釩酸銀制備方法：稱釩酸銨（或偏釩酸銨）12g溶解于400mL水中，稱取硝酸銀17g溶解于200mL水中，然后將二者混合，用玻璃坩堝過濾，用水稍加洗凈。然后在烘箱中（110℃）烘干。取其20～40目產品，保存在干燥器中備用。

活性氧化錳制備方法：硫酸錳20g溶解于500mL水中，加入濃氨水10mL，搖勻，加90mL過硫酸銨溶液（250g/L），邊加邊攪拌，煮沸10min，再加1～2滴氨水，靜置至澄清（如果不澄清，則再加過硫酸銨適量）。抽濾，用氨水（1+19）洗10次，熱水洗2～3次，再用硫酸（1+19）洗12次，最后用熱水洗至無硫酸反應。于110℃烘箱中烘干3～4h，取其20～40目產品，保存在干燥器中備用。

⑤酸性氯化鈉水溶液：含數滴硫酸的25％氯化鈉溶液，加幾滴甲基橙或甲基紅，使之呈穩定的淺紅色（或按各儀器說明書配制）。

⑥助熔劑：錫粒（或錫片）、銅、氧化銅、純鐵粉。

⑦氨水（ρ=0.90g/mL）。

⑧除硫劑：活性二氧化錳（粒狀）或釩酸銀。

⑨氣壓計一臺。

⑩氣體體積法定碳裝置，見圖3-1所示。

其中，氧氣表2附有流量計及緩沖閥；洗氣瓶5內盛濃硫酸，其高度約為瓶高度的1/3；干燥塔6上層裝堿石灰（或堿石棉），下裝無水氯化鈣，中間隔以玻璃棉，底部與頂部也鋪以玻璃棉；管式爐8使用溫度最高可達1350℃，附有熱電偶、高溫計、調壓器；球形干燥管12內裝干燥脫脂棉；除硫管10為直徑10～15mm、長10mm玻璃管，內裝4g顆粒活性二氧化錳（或粒狀釩酸銀），兩端塞有脫脂棉。

蛇形冷凝管a套內裝冷卻水，用于冷卻混合氣體。量氣管b用于測量氣體體積。水準瓶c內盛酸性氯化鈉溶液。吸收器d內盛40％氫氧化鉀溶液。小活塞e可以通過f使a和b接通，也可分別使a和b通大氣。三通活塞f可以使a和b接通，也可使b與d接通。瓷管9長600mm，內徑23mm（亦可采用相近規格的瓷管），使用時先檢查是否漏氣，然后分段灼燒。瓷管兩端露出爐外部分長度不小于175mm，以便燃燒時管端仍是冷卻的。粗口端連接玻璃磨口塞，錐開口端用橡皮管連接于球形干燥管上。瓷舟13長88mm或97mm，使用前需在1200℃管式爐中通氧灼燒2～4min，也可于1000℃高溫爐中灼燒1h后，冷卻后貯于盛有堿石棉或堿石灰及無水氯化鈣的未涂油脂的干燥器中備用。

三、分析步驟

將爐溫升至1200～1300℃，檢查管路及活塞是否漏氣，裝置是否正常，燃燒標準樣品，檢查儀器及操作。

稱取試樣（含碳1.5％以下稱取0.5000～2.000g，1.5％以上稱取0.2000～0.5000g）置于瓷舟中，覆蓋適量助熔劑，打開玻璃磨口塞，將瓷舟放入瓷管內，用長鉤推至高溫處，立即塞緊磨口塞。預熱1min，根據定碳儀操作規程操作，測定其讀數（體積或含量）。打開磨口塞，用長鉤將瓷舟拉出，即可進行下一試樣分析。

四、結果計算

依據定碳儀標尺刻度不同，計算公式分別如下。

（1）當標尺刻度單位是mL時：

式中　w（C）——碳的質量分數，％；

A——溫度16℃、氣壓101.3kPa，封閉液中每毫升二氧化碳中含碳質量，g；用酸性水作封閉液時A值為5.022×10-4g；

V——吸收前后氣體的體積差，即二氧化碳體積，mL；

f——溫度、氣壓校正系數，采用不同封閉液時其值不同；

m——試樣質量，g。

（2）當標尺的刻度是碳含量（例如上海產的定碳儀把25mL體積的刻成含碳量1.250％；沈陽產的定碳儀把30mL體積刻成含碳量為1.500％）時：

式中，w（C）、A、f、m的意義與上式相同；X為標尺讀數（含碳量）；20為標尺讀數（含碳量）換算成二氧化碳氣體體積（mL）的系數（即25/1.250或30/1.500）。

五、注釋

①稱取試樣的質量、試樣分解的溫度、助熔劑的種類和用量選擇，請見表3-1。助熔劑中含碳量一般不超過0.005％，使用前應做空白試驗，并從分析結果中扣除。

②定碳儀應放置在室溫較正常的地方（距離高溫爐約300～500mm），避免陽光直接照射。

③更換水準瓶所盛溶液、玻璃棉、除硫劑、氫氧化鉀溶液后，均應作幾次高碳試樣，使二氧化碳飽和后，方能進行操作。

④如分析含硫量高的試樣（0.2％以上），應增加除硫劑量，或多增加一個除硫管。

⑤量氣管必須保持清潔，有水滴附著量氣管內壁時，須用重鉻酸鉀洗液洗滌。吸收器、水準瓶內溶液以及混合氣體的溫度應基本相同，否則將產生正負空白值。因此在測定前應通氧氣重復做空白數次，直至空白值穩定，方可進行試樣分析。由于室溫變化及工作過程引起冷凝管中水溫變動，因而工作中需經常做空白試驗，從結果中減去。

⑥分析完高碳試樣后，應空通一次，才能接著做低碳試樣分析。

⑦水銀氣壓計的刻度是按在0℃、45°緯度的海平面上的刻度，而實際壓力p與指示壓力p'、溫度t、緯度ф及海拔高度H的關系卻是

p=p'（1-0.000163t-0.0026cos2ф-0.0000002H）×0.1332（kPa）。通常緯度ф與高度H影響較小可忽略，故可只作溫度修正。修正值通常?。?～12℃，-0.133（kPa）；13～30℃，-0.267（kPa）；21～28℃，-0.40（kPa）；29～35℃，-0.533（kPa）；>35℃，-0.67（kPa）。

⑧允許差見表3-2。此允許差僅為保證與判定分析結果的準確度而設，與其他不發生任何關系。在平行分析兩份或兩份以上試樣時，所得的分析數據的極差值不超過所載允許差兩倍者（即±允許差之內），均應認為有效，以求得平均值。用標準試樣校驗時，結果偏差不得超過所載允許差。

六、思考題

①簡述本法測定鋼鐵中總碳量的基本原理，并寫出主要化學反應方程式。

②稱取鋼樣1.000g，在16℃、101.3kPa時，測得二氧化碳的體積為5.00mL，計算試樣中的碳的百分含量。

③稱取鋼樣0.7500g，在17℃、99.99kPa時，量氣管讀數為2.14％（試樣1.000g），求溫度壓力校正系數f及碳的百分含量。