蔣兵 　張寧 　馬琨巖

【摘 要】介紹了金屬中氣體元素的概念，綜述了氣體元素對(duì)金屬材料性能的影響以及金屬中氣體元素的測(cè)量方法。

【關(guān)鍵詞】氣體元素；金屬；性能；檢測(cè)方法

1.金屬中氣體元素的概念

金屬中氣體元素是指氫、氧、氮三種填隙式相元素，它們以溶液和剩余相夾雜物的形式處于固體的和熔融的金屬系統(tǒng)中。我國自1953年就已經(jīng)開展對(duì)金屬材料中氧、氮、氫三種氣體元素的研究[1]。隨著檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，碳、硫兩種元素可以通過化學(xué)反應(yīng)能生成二氧化碳和二氧化硫氣體進(jìn)行測(cè)定，所以也納入氣體分析的范圍。因此說金屬中的氣體元素就是指的碳、硫、氧、氮、氫五種元素。在金屬冶煉過程中及金屬產(chǎn)品制造過程中，氣體元素都或多或少的被引入進(jìn)去，而這五種元素的存在會(huì)對(duì)金屬材料的性能造成重要的影響。近年來，隨著工業(yè)和科技的發(fā)展，一些尖端的產(chǎn)品及技術(shù)需要較高質(zhì)量的金屬材料，因此為了提高產(chǎn)品質(zhì)量，有必要對(duì)各種材料中氣體元素采取各種方法進(jìn)行分析，掌握氣體在材料中的含量，研究其對(duì)材料性能的影響，為有效地進(jìn)行控制提供依據(jù)，生產(chǎn)出滿足不同用途需要的產(chǎn)品。

2.氣體元素對(duì)金屬材料性能的影響

碳是金屬及其合金材料中的主要構(gòu)成元素。碳在金屬及其合金材料中的含量、存在形態(tài)及所形成碳化物的形態(tài)、分布等對(duì)材料的性能起到極其重要的作用。碳含量在一定范圍內(nèi)對(duì)保持金屬的化學(xué)性能和力學(xué)性能非常重要，而隨著碳量的增加，金屬的硬度和強(qiáng)度會(huì)提高，韌性和塑性則會(huì)變差。

硫的存在會(huì)引起鋼的熱脆性，降低其力學(xué)性能，它對(duì)金屬的耐磨性、塑性、可焊接性等亦有不利的影響。例如鋼和生鐵中的含硫量直接影響到其產(chǎn)品的等級(jí)和牌號(hào)，生產(chǎn)低硫、低磷鋼是現(xiàn)代冶煉工藝追求的目標(biāo)。碳、硫的含量是衡量金屬質(zhì)量優(yōu)劣的重要指標(biāo)。

氧含量對(duì)金屬材料的化學(xué)性能和力學(xué)性能影響很大，一般在做檢測(cè)時(shí)都要求金屬材料中氧的含量盡可能低，防止材料的氧化和銹蝕也是金屬的基本要求。如果氧含量增加，金屬的抗沖擊值大大降低、抗疲勞性能惡化，導(dǎo)致金屬材料的使用壽命會(huì)大大降低。優(yōu)質(zhì)鋼在生產(chǎn)中嚴(yán)格控制氧的含量，時(shí)速200km/h以上高速鐵路用重軌要求氧含量在0.0020%以下，一些高純金屬、高溫合金要求氧含量在0.001%以下，0號(hào)無氧鋼要求氧含量在0.0005%以下。

當(dāng)金屬中氮含量超過一定限度并且在加熱升溫時(shí)會(huì)出現(xiàn)“藍(lán)脆”現(xiàn)象，金屬的塑性下降，脆性增加。同時(shí)含氮量較高時(shí)將使金屬的宏觀組織疏松，甚至產(chǎn)生氣泡；在硅鋼中含有氮化鋁將導(dǎo)致矯頑力增大和導(dǎo)磁率降低；較大尺寸的氮化鋁使簾線鋼在拉拔過程中增加斷絲率。但是，氮作為一種形成和穩(wěn)定的奧氏體能力很強(qiáng)的元素，其能力約等于鎳的20倍，在一定限度內(nèi)可以代替部分鎳。在不降低塑性的條件下，提高鋼的硬度、強(qiáng)度和耐腐蝕性；氮與鉻、鎢、鉬、釩、鈦等元素形成彌散穩(wěn)定的氮化物后，能大大提高鋼的蠕變和持久強(qiáng)度；對(duì)鋼件表面滲氮處理得到高彌散的氮化層，可以獲得良好的綜合力學(xué)性能，具有很好的耐磨和抗腐蝕性能。

一般情況下，進(jìn)入金屬中的氫是極為有害的。金屬材料經(jīng)常發(fā)生的氫損傷現(xiàn)象，就是與氫有關(guān)的斷裂現(xiàn)象。主要表現(xiàn)為材料的力學(xué)性能發(fā)生惡化：氫通過軟化或硬化機(jī)制改變材料的屈服強(qiáng)度，塑性明顯降低，誘發(fā)裂紋萌生，最后導(dǎo)致斷裂、滯后破壞、塑性-脆性轉(zhuǎn)變和低溫脆性斷裂等等。另外，氫在高溫下滲透性很強(qiáng)，鍛件及焊接件在制造過程中很容易產(chǎn)生各種氫致缺陷，焊縫中擴(kuò)散氫含量是直接影響焊接接頭抗冷裂紋性能的主要因素之一。金屬中氫的含量很低，鋼鐵及合金中含氫量一般小于0.0010%，如果超過0.003%，會(huì)出現(xiàn)“白點(diǎn)”或“氫脆”，易發(fā)生脆性斷裂，裂紋在氫化物成核并擴(kuò)展，嚴(yán)重影響鋼材的質(zhì)量。航空工業(yè)所用的鋁和鋁合金、鈦和鈦合金、鎳合金等材料對(duì)氫含量都有嚴(yán)格的要求，核電燃料元件制造過程中，核材料中氫的含量也是重要控制指標(biāo)之一。

3.金屬中氣體元素的測(cè)量方法

氣體分析已成為分析化學(xué)的一個(gè)重要組成部分。氣體分析的方法有很多，早期測(cè)定氫、氧、氮、碳、硫主要采用顯微鏡法、電子光譜法、質(zhì)譜法、放射化學(xué)分析、內(nèi)耗法、核磁共振法、電導(dǎo)法，試樣轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的化合物的化學(xué)法等。不過由于早期技術(shù)水平的限制，大部分都是單一測(cè)量某一種氣體元素。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及其在氣體元素測(cè)量中的應(yīng)用，氣體元素的分析有傳統(tǒng)的化學(xué)方法向儀器分析方法發(fā)展，由單一的氣體元素分析向多元素同時(shí)檢測(cè)的方向發(fā)展[2，3]。

目前我國很多企業(yè)都已經(jīng)推出各種品牌的氣體分析儀器。如北京納克、上海德凱、南京麒麟、無錫創(chuàng)想等儀器公司推出碳硫測(cè)定儀，北京納克分析儀器公司和上海寶英光電科技有限公司已經(jīng)推出氧氮測(cè)定儀。氫的分析方法，可分為氫的提取和測(cè)定兩個(gè)部分，國內(nèi)對(duì)氫元素的測(cè)量與國外還有一定的差距。美國力可公司已經(jīng)推出氧氮?dú)渎?lián)合測(cè)定儀，可實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬材料中氧氮?dú)淙乜焖贉?zhǔn)確的分析。

市場上對(duì)氣體元素分析的各種設(shè)備多達(dá)數(shù)十種，相應(yīng)的分析方法也很多。目前功能最強(qiáng)、最方便的儀器就是紅外碳硫測(cè)定儀和氧氮?dú)渎?lián)合測(cè)定儀，因此這兩種儀器在氣體元素分析中的市場是最受歡迎。

紅外氣體分析技術(shù)發(fā)展迅速，它具備分析速度快、準(zhǔn)確性好、范圍廣、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，特別在超低碳、硫含量的測(cè)定，非金屬材料碳、硫的測(cè)定方面有明顯優(yōu)勢(shì)，顯示出紅外氣體分析儀的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。自八十年代以來，我國引進(jìn)了多種型號(hào)的紅外碳硫分析儀 ，在生產(chǎn)和科研部門滿足了對(duì)常規(guī)碳硫的快速、準(zhǔn)確的要求同時(shí)，國產(chǎn)的紅外碳硫儀不斷涌現(xiàn)，目前這種方法更趨完善。

高頻爐燃燒紅外線吸收法測(cè)定碳和硫的應(yīng)用日趨廣泛，方法簡便、快速、準(zhǔn)確度高。在高頻感應(yīng)爐內(nèi)試樣通氧燃燒，此時(shí)樣品熔融完全，生成的二氧化碳、二氧化硫和氧氣混合氣體經(jīng)除塵、除水干燥，進(jìn)入二氧化硫和二氧化碳紅外檢測(cè)器（紅外吸收池），測(cè)定其對(duì)特定波長（CO24.26μm，SO27.40μm）的吸收，根據(jù)其對(duì)紅外能吸收大小由朗伯-比耳定律分別計(jì)算碳和硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。紅外吸收法是一個(gè)相對(duì)測(cè)量方法，需用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)或基準(zhǔn)物質(zhì)在同條件下操作對(duì)分析儀器進(jìn)行校準(zhǔn)。

紅外線吸收法測(cè)定碳、硫的靈敏度高，測(cè)量范圍寬，可準(zhǔn)確測(cè)定鋼鐵和合金中低至0.0005%的痕量碳和硫。紅外線吸收法廣泛用于金屬及其合金、非金屬材料、礦石等原輔材料中碳、硫量的測(cè)定。紅外線吸收法通常采用高頻感應(yīng)爐加熱，其爐溫高，在短時(shí)間內(nèi)將試樣熔融燃燒，溫度達(dá)1700～2000℃，有利于難溶試樣和低含量碳、硫的測(cè)定。

氧氮?dú)渎?lián)合測(cè)定儀采用惰性氣體高溫熔融法將金屬材料中的氧氮?dú)淙胤纸獬觯捎梦鍌€(gè)檢測(cè)池分別檢測(cè)氧氮?dú)淙氐暮?。其中有三個(gè)獨(dú)立紅外檢測(cè)池檢測(cè)氧，同時(shí)檢測(cè)CO和CO2，然后再轉(zhuǎn)化為CO2集中檢測(cè)，不僅可以保證中間量程的測(cè)量精度，在超低含量和高含量的檢測(cè)范圍內(nèi)同樣可以滿足精度要求，插拔式集成一體化設(shè)計(jì)，無移動(dòng)部件。無需操作人員調(diào)整檢測(cè)器輸出電壓，軟件實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)檢測(cè)器輸出電壓并保持最佳輸出值。

熱導(dǎo)檢測(cè)池專門檢測(cè)氮元素含量，原裝的流量補(bǔ)償控制系統(tǒng)，保證了流量系統(tǒng)的完善，可以精確控制整個(gè)氣路中的流量，保持流量恒定，改善了材料中高含量氧分析的準(zhǔn)確度，特別對(duì)高氧低氮的試樣，只有配置這樣的流量補(bǔ)償裝置才能保證測(cè)量精度。

專業(yè)的高靈敏度的固態(tài)紅外吸收檢測(cè)池或熱導(dǎo)檢測(cè)池用于檢測(cè)氫元素，保證其檢測(cè)精度的同時(shí)，真正實(shí)現(xiàn)了氧氮?dú)淙氐穆?lián)測(cè)。

4.結(jié)語

目前氣體元素的檢測(cè)在金屬材料中非常重要，隨著科技的發(fā)展，非常多的檢測(cè)方法和檢測(cè)設(shè)備用于檢測(cè)金屬材料中氣體元素的含量。我國氣體元素檢測(cè)設(shè)備也用長足的發(fā)展，尤其是碳硫檢測(cè)儀已經(jīng)達(dá)到了國際水平，而氧氮?dú)涞穆?lián)合檢測(cè)設(shè)備與國外先進(jìn)水平還有一定的差距。另外國外檢測(cè)設(shè)備的價(jià)格比較昂貴，如何在保證檢測(cè)準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性的情況下降低設(shè)備的成本價(jià)格也是國內(nèi)企業(yè)需要考慮的問題。

【參考文獻(xiàn)】

[1]李婷，劉頌禹.金屬中氣體分析進(jìn)展[J].冶金分析，1999，6：35-39.

[2]朱躍進(jìn)，李素娟，鄧羽.樣品制備對(duì)金屬中微量氧、氮、氫分析結(jié)果的影響[J].冶金分析，2008，8：40-43.

[3]黃琴，于健，李恩春.紅外吸收法測(cè)定超低碳鋼中的碳硫[J].新疆鋼鐵，2012，3：54-57.