钢铁中金属元素的溶解方法和作用.doc

钢铁中的金属元素元素存在形式溶解方法实例作用C1、化合碳：Fe3C，Mn3C，Cr3C2，WC，W2C，VC，MoC，TiC。2、游离态：无定形碳、石墨碳、退火碳。高碳钢退火后有游离碳析出，铸铁中以游离碳和化合碳存在。游离碳不和酸起作用，化合碳能溶于酸；Fe3C能溶解各种酸，易被空气氧化，但不溶于冷的稀的非氧化性酸。1、加热情况下，用盐酸或硫酸处理至完全溶解，用硝酸破坏碳化物。2、含稳定碳化物，用硝酸氧化前，先蒸发至冒硫酸烟，然后滴加硝酸。3、含极稳定碳化物时，用热盐酸、硝酸或王水处理后，用高氯酸处理。1、在一定碳含量范围，碳含量增加，钢的硬度和强度提高，其塑性和韧性下降。2、碳的存在，钢才能热处理，调节和改变机械性能。Si主要以固溶体存在，硅化物有MnSi或FeMnSi;少量以硅酸盐及游离SiO2形式成为非金属夹杂；在高碳钢有少量SiC。单质硅与HF作用，与其他酸不起作用，能溶解强碱；硅化物能溶解于酸，难溶硅化物需用HNO3-HF或H2SO4-H3PO4溶解。硅含量高时，溶解过程产生硅酸沉淀，为消除硅酸影响，一是加HF成SiF4其他逸出，二是脱水产生SiO2沉淀滤去。1、作还原剂和脱氧剂。2、增强钢的抗张力、弹性、耐酸性和耐热性。Mn除以固溶体外，形成MnS、Mn3C及少量MnSi和FeMnSi，氧化物（MnO、MnOSiO2）和氮化物。溶于稀酸生成Mn2+，锰化物很活泼易溶解和氧化。锰含量高时，一是在低酸度介质易被氧化产生棕色混浊，二是使溶液中其它元素氧化难于完全，如高锰钢中磷的氧化。1、脱氧剂和脱硫剂。2、锰和硫形成MnS，防止因FeS导致热脆现象，提供钢的可锻性。3、增加钢的硬度和强度。P以固溶体和磷化物（Fe3P, Fe2P）存在,极少数呈磷酸盐夹杂存在。在钢中分布有偏析。绝不大部分磷化物溶于酸，但是非氧化性酸溶解时以PH3逸出，在氧化性酸中，大部分生成正磷酸，也生成焦磷酸和偏磷酸或次磷酸，因此一定要用氧化性酸溶样或强氧化剂氧化，使其全部氧化成磷酸。Fe3P是硬而脆的物质，磷含量高形成Fe3P，增加钢的冷脆敏感性，产生焊接裂纹。钢中磷高于0.1%会发生以上危害。S主要以硫化物存在钢中，有大量锰存在时形成MnS和FeS。在钢中分布有偏析。硫化物一般易溶于酸中，在非氧化性酸中生成硫化氢逸出，在氧化性酸中生成硫酸盐。硫在化学分析中，通常表现在气体容量法定碳时，必须要考虑良好的脱硫剂，否则会使碳含量结果偏高。以熔点低的FeS存在导致钢的热脆现象，对钢的耐蚀性、可焊性也不利。Cr除以固溶体存在，可以形成碳化物、氮化物、硫化物、氧化物、FeCr、Cr3Si。其中铬的碳化物和氮化物较为稳定。在热的盐酸和热的浓硫酸中迅速溶解，在强碱溶液中也能溶解。但与浓硝酸作用形成表面一层致密的氧化膜而钝化，以至不溶解。测定高碳高铬时，不允许长时间冒高氯酸烟，钢必须在王水或盐酸-硝酸混合酸中溶解后，加硫磷混合酸蒸发至冒硫酸烟，再滴加硝酸。有的铬的碳化物在还原性酸中加热可溶解，但在H2O2中易钝化。铬离子有颜色（三价为绿色，六价为黄色），比色时需考虑色泽空白；高价铬离子有氧化性，对某些显色剂有氧化作用，遇到此情况需将其还原到低价。通常采用在高氯酸冒烟时加盐酸（或氯化钠）使铬成氯化铬酰驱除。增强钢的机械性能和耐磨性，增加钢的淬透性及淬火后的抗变形能力，增加钢的弹性、抗磁性、耐蚀性和耐热性。Ni主要以固溶体存在，在钢种不形成稳定的化合物，所以大多数含镍钢和合金都溶于酸中。浓硝酸对铁有钝化作用，所以在溶解镍钢时，镍含量低用硝酸（1+3）或盐酸（1+1）；含镍高的用硝酸（1+3）。主要是离子有色对比色有影响。镍的隐蔽剂除氰化物外，很少有与之络合能减少镍离子的颜色隐蔽剂。因此需考虑试样空白或通过分离镍而消除其影响。使钢具有韧性、防腐抗酸性、高导磁性，使晶粒细化提高淬透性、增加硬度。元素存在形式溶解方法实例作用Mo除以固溶体存在，主要形成碳化物（Mo2C、MoC、(Fe Mo)3C、(FeMo)6C），还有氮化物(MoN)及硼化物等钼钢能溶于稀硫酸和盐酸中，低合金钢中钼主要以碳化物存在不溶于稀硫酸和盐酸，但溶于硝酸。对稳定的钼碳化物加热至冒硫酸烟才能分解（有时尚需在冒烟时滴加浓硝酸）。增强钢的强度而不减塑性和韧性，使钢在高温下有足够强度，改善钢的耐腐蚀、冷脆性等。V除以固溶体存在，可形成VC，V2CVN，FeV2O4,V2O3, VO, V2O5,其中VC中往往形成缺碳的V4C3，因此钢种钒的碳化物常呈V4C3和V2C形态。除了和HF作用外，不和其他非氧化性酸作用，能溶于硝酸或硝酸-盐酸的混合酸。钒的碳化物很稳定，用硫酸或盐酸处理几乎不溶解，只有以硝酸（或H2O2）氧化并经硫酸冒烟处理后才能溶解。钒离子是有色的（5价呈黄色，4价呈蓝色），比色时需考虑色泽空白，5价钒是氧化剂，不稳定，易被还原，对某些显色剂有氧化作用。另外5价钒能与磷、钼一起生成络合物，使磷的测定结果偏低，故常用亚铁将其还原成低价以消除其干扰。提高钢的抗拉强度和屈服点，尤其提高钢的高温强度，提高工具钢寿命。V与S、N、O有强的亲和力，是炼钢的细化晶粒脱氧剂。Cu退火钢中主要以固溶体或极微细的金属夹杂物存在，铜大于0.8%以游离形态。铜不溶于稀盐酸和稀硫酸，溶于硝酸或热的浓硫酸比色分析时铜含量有色泽影响铜含量在0.02%以下，是钢中有害杂质，降低机械性能，加热导致金属表面氧化。Ti除以固溶钛以外，还有化合物极其复杂，形成TiC、TiN、TiS、TiO、TiO2等。它们对酸的溶解性质有差异，因此测定方法有总钛、化合钛和金属钛区别（即酸溶钛和酸不溶钛的区别）。钛能溶于热浓盐酸，更易溶解于HF+HCl(H2SO4)中，同时F-与Ti4+络合促进钛分解。在HF+HNO3中，所有钛化物都是可溶的。4价钛在低酸情况下很容易水解形成白色偏钛酸沉淀或胶体，所以水解过程需要保持一定酸度防止水解，或采用络合剂掩蔽钛；3价钛离子呈紫色，不稳定，易被空气和氧化剂氧化成4价。较为活泼的元素，和氮、氧、碳有极强的亲和力，是良好的脱氧去气剂，是固定碳和氮的有效元素。能提高钢的机械性能，提高耐热钢的抗氧化性、提高不锈钢的耐腐蚀性，对钢焊接性能有利。W主要以化合碳存在，如Fe3W3C、Fe21W2C、WC、W2C等，部分钨能溶于基体形成固溶体，此外还形成Fe2W、W2N。钨钢仅溶于氧化性酸中，易溶于盐酸（1+1）或硫酸（1+4）中。当用盐酸和硫酸处理钢样时，金属钨以及碳化物以重质黑色粉末沉于容器底部，需缓慢滴加硝酸氧化，使其转化为钨酸，否则会使较多的铁、铬、钒、钼等夹杂存在钨酸中。钨高时极易水解产生混浊，将其分离较困难，用钨酸形式分离还会有吸附，消除此影响方法有：一是加磷酸、酒石酸或柠檬酸掩蔽，二是冒硫酸或高氯酸烟时钨酸脱水后过滤，三是强碱使钨酸转变为可溶性的钨酸钠。增加钢的回火稳定性、红硬性、热强性，增加耐磨性。Al主要以金属固溶体存在，可以形成AlN, Al2O3,(FeMn)OAl2O3,CaOAl2O3和AlOxNy夹杂物。铝不与浓硝酸和浓硫酸发生作用，在稀硝酸中反应缓慢，易溶于盐酸。铝的氧化物性质很稳定，但AlN很活泼，易溶于酸。即“酸溶铝”指金属铝和AlN，“酸不溶铝”指铝的氧化物。但铝的氧化物不是绝对不溶于酸。在盐酸介质中，AlCl3过热易蒸发损失，铝与铁、铬、钛等元素常常伴随在一起，加之铝是两性元素，因此在分离和测定铝时，较复杂。脱氧剂，去气剂。作为合金元素可提高钢的抗氧化性，改善钢的电磁性，在渗氮钢中促使形成坚硬耐磨、耐腐蚀的渗氮层。元素存在形式溶解方法实例作用Nb主要以铌化物存在如NbC，Fe2Nb，还有NbN，Nb2O2, Nb2O5等。铌化物对稀酸较稳定，Fe2Nb溶于氧化性酸，NbC和NbN可溶于HNO3+HF，HF+ H2O2, NbC可在饱和草酸+ H2O2中。用酸分解钢样时，铌极易水解成铌酸析出沉淀，但在酒石酸、柠檬酸、草酸、H2O2、HF 存在下，铌能形成可溶的络合物。显著提高钢的强度和抗腐蚀性，改善钢的焊接性能。B除固溶体外，还有硼化物如Fe3（CB）, Fe23（CB）6，氮化物如BN和氧化物B2O3等。全硼指固溶硼和化合硼总量，酸溶硼指能溶于2.5mol/l硫酸的一些硼化物，主要是BN和B2O3。酸不溶硼不是指不溶解于酸，是溶解过程是否加氧化剂而不同。提高钢的淬透性，提高钢高温强度，蠕变强度。稀土半数以上进入碳化物中，小部分进入夹杂物中，其余存在固溶体中。不易相互分离，一般测其总量。稀土易溶于酸，Ce+4具有氧化性，对氧化还原反应有影响。与O、N、S、P、H等亲和力强，和砷、锑、铅、铋、锡等形成熔点高的化合物。具有良好的脱气，脱硫和其他有害杂质作用。具有提高钢的流动性，改善钢表面质量，显著提