概述

“碳”位于元素周期表第二周期第四族，是自然界中最常見(jiàn)的元素之一，在自然界的地殼、大氣和生物中主要是以單質(zhì)和化合物的形式存在，伴隨著選礦、礦物冶煉、材料制造等過(guò)程不可避免地會(huì)引入金屬材料中。碳元素對(duì)金屬材料的力學(xué)性能、微觀組織結(jié)構(gòu)、工藝有著重要影響。因此，準(zhǔn)確測(cè)定金屬材料及相關(guān)原輔料中的碳含量對(duì)冶煉和生產(chǎn)制造工藝有重要的指導(dǎo)意義。

碳含量測(cè)定方法

根據(jù)碳的化學(xué)性質(zhì)和形態(tài)轉(zhuǎn)化關(guān)系，金屬材料中碳含量的測(cè)定方法可分為化學(xué)法、物理法、物理化學(xué)法3類；

1. 化學(xué)法和物理化學(xué)法

屬于碳定量分析專用方法，是利用高溫燃燒法將樣品中碳轉(zhuǎn)化成CO2從樣品中分離出來(lái)，然后再以適當(dāng)?shù)姆椒y(cè)定CO2的量，由高溫燃燒系統(tǒng)與檢測(cè)系統(tǒng)組成。

該法適用于可加工為屑狀、粒狀、粉狀的金屬合金、巖石礦物、無(wú)機(jī)非金屬材料等，其中，高頻燃燒-紅外吸收法在鋼鐵、鐵合金、常用有色金屬、鎳基合金、難熔金屬、硬質(zhì)合金、稀土金屬等金屬合金材料碳含量分析中得到廣泛、成熟的應(yīng)用［2］。

目前在金屬材料碳含量測(cè)試上兩種常見(jiàn)高溫燃燒方法的測(cè)定原理及應(yīng)用范圍：

01高溫燃燒-氣體容量法：

測(cè)定原理如圖1所示：將試樣置于高溫爐（9）中加熱，通氧氣（1）燃燒，使試樣中的碳被定量氧化成CO2，混合氣體經(jīng)除硫劑（11）后收集于量氣管（b）中，測(cè)定容積，然后讓混合氣體通過(guò)裝有氫氧化鉀溶液（d）的吸收器，吸收其中的CO2，剩余的氧氣再返回量氣管中，根據(jù)吸收前后體積之差，即為生成CO2體積，由此計(jì)算碳含量。

本方法操作迅速、成本低、手續(xù)簡(jiǎn)單，分析準(zhǔn)確度高，適用于0.10％以上碳含量的測(cè)定。錢根華[3]用改良后的氣體容量法測(cè)高含量碳的方法，測(cè)定的范圍為5%-21%，測(cè)量的精度在0.03%左右，能滿足硬質(zhì)合金測(cè)碳的精度要求。

02高頻燃燒-紅外吸收法：

該方法的測(cè)定原理是在助熔劑存在下，向高頻感應(yīng)爐內(nèi)通入氧氣，高頻爐使樣品迅速即升溫熔化，其生成CO2氣體進(jìn)入紅外吸收池，紅外光經(jīng)吸收池中的CO2氣體吸收后，入射到探測(cè)器上，探測(cè)器上測(cè)到與CO2氣體濃度相對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)，經(jīng)過(guò)探測(cè)器光電轉(zhuǎn)化為電信號(hào)在電腦上歸一化處理，得到碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

該方法采用高頻感應(yīng)爐加熱，加熱溫度可達(dá)1700-2000℃，有利于難熔試樣和低含量碳的測(cè)定，適用于0.001-10%碳含量的測(cè)定。

2．物理法

根據(jù)試樣在高溫激發(fā)時(shí)發(fā)射的光譜線的強(qiáng)弱，直接測(cè)出碳的含量，屬于多元素、多通道同時(shí)快速分析方法，根據(jù)檢測(cè)原理不同分為發(fā)射光譜法和其他方法。

該法測(cè)定碳的應(yīng)用主要集中于鋼鐵材料，因其對(duì)樣品形狀、尺寸有特殊要求，或無(wú)法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定量分析，限制了其應(yīng)用領(lǐng)域。

01發(fā)射光譜法：

利用原子、元素的特征光譜及強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)定性定量分析。根據(jù)激發(fā)光源的差別，分為火花源發(fā)射光譜法（Spark-OES）、輝光放電發(fā)射光譜法（GD-OES）、激光誘導(dǎo)發(fā)射光譜法（LIBS）等?；鸹ㄔ窗l(fā)射光譜法適用于塊狀金屬合金的快速分析，可實(shí)現(xiàn)鋼鐵生產(chǎn)的爐前自動(dòng)化智能分析。輝光放電發(fā)射光譜法適用于金屬材料的表面檢驗(yàn)和深度分析，在一些鋼鐵材料的成分分析中有涉及測(cè)定碳的應(yīng)用。激光誘導(dǎo)發(fā)射光譜法適用于定點(diǎn)剝蝕的無(wú)損（微創(chuàng)）原位分析，適合鋼鐵的成分分析。

02其他方法：

除了光譜法外常見(jiàn)的還有Ｘ射線熒光光譜法（XRF）、Ｘ射線光電子能譜法（XPS）、輝光放電質(zhì)譜法（GD-MS）等。XRF適用于金屬合金及地質(zhì)樣品、非金屬材料的現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)室定量分析；XPS適合于粉末樣品表面成分的半定量分析及元素價(jià)態(tài)分析；GD-MS適用于高純物質(zhì)及金屬合金的微痕量、超痕量元素分析，在低合金鋼、高溫合金中碳含量的測(cè)定中略有提及［5］

總結(jié)

經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，金屬材料中碳的分析方法逐漸形成了以高頻紅外吸收法為主的分析方法，那些以氣體容量法等傳統(tǒng)分析方法建立的標(biāo)準(zhǔn)正逐漸被以高頻紅外吸收法的標(biāo)準(zhǔn)所取代。物理分析方法如火花源-原子發(fā)射光譜法、輝光放電發(fā)射光譜法或質(zhì)譜法等也有應(yīng)用，但因其或?qū)悠凡馁|(zhì)、尺寸形狀有特殊要求，或無(wú)法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定量分析，限制了應(yīng)用領(lǐng)域。

目前碳檢測(cè)方法發(fā)展的趨勢(shì)是不斷擴(kuò)展高頻感應(yīng)燃燒-紅外吸收法的應(yīng)用領(lǐng)域和測(cè)定范圍，使許多材料的檢測(cè)方法標(biāo)準(zhǔn)化；不斷提高以光譜分析為代表的多元素固體分析方法的準(zhǔn)確度和精密度，同時(shí)還需要研發(fā)、生產(chǎn)更多的不同材質(zhì)種類和不同