第三章　金属材料分析

实验十七　钢铁中碳的测定——燃烧-气体体积法

一、方法提要

试样置于高温炉中加热并通氧燃烧，使碳氧化成二氧化碳，混合气体经除硫后收集于量气管中，然后以氢氧化钾溶液吸收其中的二氧化碳，吸收前后体积之差即为二氧化碳体积，由此计算碳含量。

本方法适用于生铁、铁粉、碳钢、高温合金及精密合金中碳含量的测定。测定范围为0.10％～2.0％。

二、仪器与试剂

①高锰酸钾溶液（40g/L）。

②氢氧化钾溶液（400g/L）。

③甲基红指示剂（2g/L）。

④过硫酸铵溶液（250g/L）。

钒酸银制备方法：称钒酸铵（或偏钒酸铵）12g溶解于400mL水中，称取硝酸银17g溶解于200mL水中，然后将二者混合，用玻璃坩埚过滤，用水稍加洗净。然后在烘箱中（110℃）烘干。取其20～40目产品，保存在干燥器中备用。

活性氧化锰制备方法：硫酸锰20g溶解于500mL水中，加入浓氨水10mL，摇匀，加90mL过硫酸铵溶液（250g/L），边加边搅拌，煮沸10min，再加1～2滴氨水，静置至澄清（如果不澄清，则再加过硫酸铵适量）。抽滤，用氨水（1+19）洗10次，热水洗2～3次，再用硫酸（1+19）洗12次，最后用热水洗至无硫酸反应。于110℃烘箱中烘干3～4h，取其20～40目产品，保存在干燥器中备用。

⑤酸性氯化钠水溶液：含数滴硫酸的25％氯化钠溶液，加几滴甲基橙或甲基红，使之呈稳定的浅红色（或按各仪器说明书配制）。

⑥助熔剂：锡粒（或锡片）、铜、氧化铜、纯铁粉。

⑦氨水（ρ=0.90g/mL）。

⑧除硫剂：活性二氧化锰（粒状）或钒酸银。

⑨气压计一台。

⑩气体体积法定碳装置，见图3-1所示。

其中，氧气表2附有流量计及缓冲阀；洗气瓶5内盛浓硫酸，其高度约为瓶高度的1/3；干燥塔6上层装碱石灰（或碱石棉），下装无水氯化钙，中间隔以玻璃棉，底部与顶部也铺以玻璃棉；管式炉8使用温度最高可达1350℃，附有热电偶、高温计、调压器；球形干燥管12内装干燥脱脂棉；除硫管10为直径10～15mm、长10mm玻璃管，内装4g颗粒活性二氧化锰（或粒状钒酸银），两端塞有脱脂棉。

蛇形冷凝管a套内装冷却水，用于冷却混合气体。量气管b用于测量气体体积。水准瓶c内盛酸性氯化钠溶液。吸收器d内盛40％氢氧化钾溶液。小活塞e可以通过f使a和b接通，也可分别使a和b通大气。三通活塞f可以使a和b接通，也可使b与d接通。瓷管9长600mm，内径23mm（亦可采用相近规格的瓷管），使用时先检查是否漏气，然后分段灼烧。瓷管两端露出炉外部分长度不小于175mm，以便燃烧时管端仍是冷却的。粗口端连接玻璃磨口塞，锥开口端用橡皮管连接于球形干燥管上。瓷舟13长88mm或97mm，使用前需在1200℃管式炉中通氧灼烧2～4min，也可于1000℃高温炉中灼烧1h后，冷却后贮于盛有碱石棉或碱石灰及无水氯化钙的未涂油脂的干燥器中备用。

三、分析步骤

将炉温升至1200～1300℃，检查管路及活塞是否漏气，装置是否正常，燃烧标准样品，检查仪器及操作。

称取试样（含碳1.5％以下称取0.5000～2.000g，1.5％以上称取0.2000～0.5000g）置于瓷舟中，覆盖适量助熔剂，打开玻璃磨口塞，将瓷舟放入瓷管内，用长钩推至高温处，立即塞紧磨口塞。预热1min，根据定碳仪操作规程操作，测定其读数（体积或含量）。打开磨口塞，用长钩将瓷舟拉出，即可进行下一试样分析。

四、结果计算

依据定碳仪标尺刻度不同，计算公式分别如下。

（1）当标尺刻度单位是mL时：

式中　w（C）——碳的质量分数，％；

A——温度16℃、气压101.3kPa，封闭液中每毫升二氧化碳中含碳质量，g；用酸性水作封闭液时A值为5.022×10-4g；

V——吸收前后气体的体积差，即二氧化碳体积，mL；

f——温度、气压校正系数，采用不同封闭液时其值不同；

m——试样质量，g。

（2）当标尺的刻度是碳含量（例如上海产的定碳仪把25mL体积的刻成含碳量1.250％；沈阳产的定碳仪把30mL体积刻成含碳量为1.500％）时：

式中，w（C）、A、f、m的意义与上式相同；X为标尺读数（含碳量）；20为标尺读数（含碳量）换算成二氧化碳气体体积（mL）的系数（即25/1.250或30/1.500）。

五、注释

①称取试样的质量、试样分解的温度、助熔剂的种类和用量选择，请见表3-1。助熔剂中含碳量一般不超过0.005％，使用前应做空白试验，并从分析结果中扣除。

②定碳仪应放置在室温较正常的地方（距离高温炉约300～500mm），避免阳光直接照射。

③更换水准瓶所盛溶液、玻璃棉、除硫剂、氢氧化钾溶液后，均应作几次高碳试样，使二氧化碳饱和后，方能进行操作。

④如分析含硫量高的试样（0.2％以上），应增加除硫剂量，或多增加一个除硫管。

⑤量气管必须保持清洁，有水滴附着量气管内壁时，须用重铬酸钾洗液洗涤。吸收器、水准瓶内溶液以及混合气体的温度应基本相同，否则将产生正负空白值。因此在测定前应通氧气重复做空白数次，直至空白值稳定，方可进行试样分析。由于室温变化及工作过程引起冷凝管中水温变动，因而工作中需经常做空白试验，从结果中减去。

⑥分析完高碳试样后，应空通一次，才能接着做低碳试样分析。

⑦水银气压计的刻度是按在0℃、45°纬度的海平面上的刻度，而实际压力p与指示压力p'、温度t、纬度ф及海拔高度H的关系却是

p=p'（1-0.000163t-0.0026cos2ф-0.0000002H）×0.1332（kPa）。通常纬度ф与高度H影响较小可忽略，故可只作温度修正。修正值通常取：5～12℃，-0.133（kPa）；13～30℃，-0.267（kPa）；21～28℃，-0.40（kPa）；29～35℃，-0.533（kPa）；>35℃，-0.67（kPa）。

⑧允许差见表3-2。此允许差仅为保证与判定分析结果的准确度而设，与其他不发生任何关系。在平行分析两份或两份以上试样时，所得的分析数据的极差值不超过所载允许差两倍者（即±允许差之内），均应认为有效，以求得平均值。用标准试样校验时，结果偏差不得超过所载允许差。

六、思考题

①简述本法测定钢铁中总碳量的基本原理，并写出主要化学反应方程式。

②称取钢样1.000g，在16℃、101.3kPa时，测得二氧化碳的体积为5.00mL，计算试样中的碳的百分含量。

③称取钢样0.7500g，在17℃、99.99kPa时，量气管读数为2.14％（试样1.000g），求温度压力校正系数f及碳的百分含量。