合金元素在钢铁中的存在形式及其影响一、碳碳是钢铁中的重要元素，它是区分钢铁的主要标志之一。

在决定钢号时，往往注意到碳的含量，碳对钢铁的性能起决定性的作用。

由于碳的存在，才能将钢进行热处理，才能调节和改变其机械性能。

当碳含量在一定范围内时，随着碳含量的增加，钢的硬度和强度得到提高，其塑性韧性下降；反之，则硬度和强度下降，而塑性和韧性提高。

碳在钢铁中的存在形式可分为下列两种：1、化合碳：即碳以化合形态存在。

在钢中主要以铁的碳化物（如Fe3C）和合金元素的碳化物形态存在。

在合金钢中常见的碳化物，如：Mn3C、Cr3C2、WC、W2C、VC、MoC、TiC等，统称为化合碳。

2、游离碳：铁碳固溶体中的碳、无定形碳、石墨碳、退火碳等统称为游离碳。

高碳钢经退火处理时也会有部分游离碳析出。

在铸铁中的碳，除了极少量固溶于铁素体外，常常以游离形态或化合形态，或二者并存的形态存在。

化合碳与游离碳总和称为总碳量。

在分析游离碳较多的铸铁等试样时，应特别注意样品的代表性和均匀性。

游离碳一般不和酸起作用，而化合碳能溶于酸中，借此性质可分离游离碳。

碳化铁容易溶解在各种酸中，并容易被空气所氧化，但是碳化铁不溶于冷的和稀的非氧化性酸（硫酸、盐酸）内，大部分碳化物以黑色或深褐色的沉淀而沉降下来，但是，这种沉淀在氧化剂甚至于在空气中的氧参与下都很易溶解，受到浓硫酸、浓硝酸作用时，碳化铁即被分解而析出不同组分的挥发性碳。

大多数合金元素的碳化物难溶于酸内，为使其完全分解，需采取适当的措施，例如：1、在加热的情况下，将钢样用盐酸或硫酸处理，直至金属部分完全溶解，然后小心加入硝酸使碳化物破坏。

2、钢样内如含有稳定的碳化物时，在用硝酸氧化以前，先行蒸发至开始冒硫酸烟（或蒸发硫磷酸至冒硫酸白烟），然后再仔细地滴加浓硝酸。

3、在钢样中含有极稳定的碳化物，用上述方法不能溶解时，可将钢样用热盐酸、硝酸或盐—硝混合酸处理后，再用高氯酸处理。

在高氯酸蒸发的温度（约200℃）下加热，这时全部碳化物即会分解。

二、硅硅在钢铁中主要以固溶体形式存在，还可形成硅化物，其形式有MnSi或FeMnSi等；也有少许以硅酸盐以及游离SiO2的形式成为钢铁中非金属夹杂物而存在，在高碳钢中可能有少量SiC形式存在。

硅和氧的亲和力仅次于铝和钛，而强于铬、锰和钒。

所以在炼钢过程中，硅用作还原剂和脱氧剂。

硅能增强钢的抗张力、弹性、耐酸性和耐热性，又能增大钢的电阻系数。

故钢中含硅量一般不小于0.10%，作为一种合金元素，一般不低于0.4%，耐酸耐热钢及弹簧钢中含硅量较高，而硅钢中含硅量可高达4%以上。

单质硅只能与氢氟酸作用，与其它无机酸不起作用，但能溶解于强碱的溶液中。

钢中大多数的硅化物是能溶于酸的。

但如遇周期表Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ副族元素和部分过渡元素的难溶性硅化物时，则只有用硝酸—氢氟酸或硫酸—磷酸混合酸才能分解。

硅对化学分析的影响，主要表现为当钢中硅含量较高时，在溶解的过程中容易产生硅酸沉淀。

此外，在测定其它元素时，为了消除硅酸的影响，有以下两种方法：一是加氢氟酸成SiF4气体逸出（可以在铂皿、黄金皿、刚玉器皿或聚四氟乙烯器皿中进行）；二是脱水后成SiO2沉淀滤去。

三、磷磷在钢中以固溶体和磷化物形态存在。

磷化物形态有Fe3P、Fe2P等，极少量有时呈磷酸盐夹杂物存在。

磷在钢中的分布具有不同程度的偏析现象，所以取样时应注意代表性。

Fe3P是一种很硬而脆性大的物质，当磷含量高时易形成Fe3P，增加钢的冷脆敏感性、增加钢的回火脆性以及焊接裂纹敏感性。

一般认为在钢中含磷量高于0.1%时，便会发生上述的危害性。

通常的情况下认为磷是钢中有害的元素，但是它也有可利用的一面。

例如：磷和铜联合作用时，能提高钢的抗蚀性；它和锰、硫联合作用时，能改善钢的切削加工性。

例如：我国易切结构钢Y12含磷0.08-0.15%。

钢中绝大部分磷化物是能溶于酸的，但是，用非氧化性酸溶解时会以PH3形态逸出。

在氧化性酸中，大部分生成正磷酸H3PO4，也有一部分生成焦磷酸H4P2O7、偏磷酸HPO3或次磷酸H3PO2状态。

因此在分析磷时，除了一定要用氧化性酸溶样外，还要用强氧化剂氧化，使之全部成H3PO4形态，方可继续测定。

四、硫硫主要以硫化物的形态存在于钢中。

在钢中有大量锰存在时，主要形成MnS 和FeS，而很少形成其它硫化物，如：CrS、FeS·Cr2S3、VS、TiS等等。

一般认为硫是钢中有害元素之一。

硫在钢中易于偏析，恶化钢的质量。

如以熔点较低的FeS的形式存在时，将导致钢的热脆现象。

此外，硫存在于钢内能使钢的机械性能降低，同时对钢的耐蚀性、可焊性也不利。

由于硫在钢中易于偏析，因此取样时必须注意代表性。

钢中硫化物一般易溶于酸中，在非氧化性酸中生成硫化氢逸出，在氧化性酸中转化成硫酸盐。

硫化物在高温下（1250-1350℃）通氧燃烧大部分转化为SO2气体，转化为SO2的作用并不完全。

硫在化学分析中的影响，通常表现在气体容量法定碳时，必须考虑要有良好的脱硫剂，否则会使碳的结果偏高。

五、锰锰在钢中除了形成固溶体外，还能形成MnS、Mn3C以及少量的MnSi、FeMnSi、氧化物（如MnO、MnO·SiO2等）和氮化物等。

锰在冶炼钢铁过程中，通常作为脱氧剂及脱硫剂而特意加入。

锰与硫能形成熔点较高的MnS，可防止因FeS而导致的热脆现象，并因此提高了钢的可锻性，锰还能使钢铁的硬度和强度增加。

锰溶于稀酸中，生成二价锰离子，锰化物也都很活泼，容易溶解和氧化。

由于锰的价态较多（有2、3、4、6、7价），这就为测定锰提供了有利的因素。

锰对化学分析的影响，主要有两个方面：一是锰含量高时，在低酸度介质中遇强氧化剂产生棕色混浊；二是锰含量高时，使溶液中其它元素的氧化难于完全，如高锰钢中磷的氧化就是如此。

遇此情况需考虑适当的氧化方法。

六、铬铬是合金钢生产中应用最广的元素之一。

铬能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，增强钢的弹性、抗磁性、耐蚀性和耐热性。

铬在钢中的形态较复杂，除了部分存在于铁固溶体中以外，还可能形成碳化物（FeCr）3C、Cr3C2、Cr7C3、Cr23C6等）、氮化物（CrN、Cr2N）、硫化物（CrS、FeS·Cr2S3）、氧化物[Cr x O y、（Fe，Mn）O·Cr2O3]与金属铁的化合物（FeCr）和硅化物（Cr3Si等）。

其中以铬的碳化物和氮化物状态较为稳定。

铬能在热的盐酸和浓硫酸中迅速溶解。

如下式：Cr＋2HCl＝CrCl3＋H2↑2Cr＋6H2SO4＝Cr2（SO4）3＋3SO2＋6H2O铬在强碱溶液中也能溶解，但与浓硝酸作用时由于在其表面生成一层致密的氧化膜而被钝化，以致不能溶解。

一般处于固溶体中的铬易溶于盐酸、稀硫酸或高氯酸中，但残留的铬的碳化物或氮化物，通常用加浓硝酸、或加热至冒硫酸烟或冒高氯酸烟时才能破坏。

有的甚至需在硫酸冒烟时，滴加硝酸才能破坏。

在测定高碳高铬试样中铬时，往往不允许长时间冒高氯酸烟，钢样就必须在王水或盐酸—硝酸混合酸中溶解后，加硫磷混合酸蒸至冒硫酸烟，再滴加浓硝酸，方能使试样溶解完全。

有些铬的碳化物（如Cr23C6、Cr7C3等相）在还原性酸中加热可以逐渐溶解，但在H2O2中却容易钝化。

铬对其它元素化学分析的影响，主要有两方面：一是铬离子是有色的（三价为绿色，六价为黄色），在比色时需考虑色泽空白；二是高价铬离子有氧化性，对某些有机显色剂有氧化作用，遇此情况应将其还原到低价。

上述影响亦可用分离的方法将铬去除。

通常较简便的方法就是在高氯酸冒烟时加盐酸（或氯化钠）使铬成氯化铬酰CrO2Cl2驱除。

Cr2O7-2＋4Cl-＋6H+＝2CrO2Cl2↑＋3H2O七、镍普通钢中的含镍量在0.3%以下，不起合金元素作用。

平均含镍量在0.5%以上的钢就可算镍钢。

镍作为合金元素能使钢具有高级的机械性能，即可使钢具有韧性、防腐抗酸性、高导磁性，并使晶粒细化提高淬透性，增加硬度等。

在许多特殊钢和合金中镍含量更高。

在奥氏体钢中的镍量超过8%，从而增加钢的耐蚀性能和良好的可焊性，耐热钢中含镍量有的超过20%，从而增加钢的耐热性。

含镍25%的钢即具有抗熔融碱的特殊性能，而含镍量36%的高镍钢对热膨胀以及电磁的敏感性很强。

镍在钢中主要以固溶体的形态存在。

由于镍在钢中并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。

纯镍与盐酸或稀硫酸反应很缓慢，然而同浓硝酸激烈反应，在浓硝酸中加少量盐酸反应也相当快。

然而浓硝酸对铁有钝化作用，所以在溶解含镍钢时，镍含量低的用硝酸（1+3）或盐酸（1+1）；含镍高的用硝酸（1+3）；高镍铬钢用王水或盐酸—硝酸混合酸（1+1）或高氯酸。

镍在化学分析中的影响，主要是离子有色对比色有影响。

镍的掩蔽剂除氰化物以外，很少有与之络合能减少镍离子的颜色的掩蔽剂。

因此应考虑采取试样空白或通过分离镍而消除其影响。

八、钛钛是较为活泼的金属元素之一，它和氮、氧、碳都有极强的亲和力，和硫的亲和力也强于铁和硫的亲和力，因此它是一种良好的脱氧去气剂，是定碳和氮的有效元素，加入适当的钛能改变钢的品质和提高机械性能，能提高耐热钢的抗氧化性和热强性，提高不锈钢的耐蚀性，并对钢的焊接也有利。

钢中的钛除了固溶钛以外，其化合物极其复杂，能形成TiC、TiN、TiS、TiO、TiO2等等。

金属钛能溶于热浓盐酸中，2Ti＋6HCl＝2TiCl3＋3H2↑，更易溶解于HF＋HCl（H2SO4）中，这时除浓酸与金属的作用外，还利用F-与Ti4+的络合作用，促进钛分解：Ti＋6HF＝TiF-26＋2H+＋2H2↑钛可溶于盐酸、浓硫酸、王水和氢氟酸中，但钛的碳化物、氮化物和氧化物，化学惰性较大。

钢中钛除固溶钛外，还有化合钛，它们对酸的溶解性质有差异。

因此就引起了分析方法有总钛量，化合钛和金属钛测定的区别。

（也有称为所谓“酸溶钛”和“酸不溶钛”的区别）钛在化学分析的影响有如下两点：一是四价钛在低酸度溶液中很易水解形成白色偏钛酸沉淀或胶体，后者难溶于酸中，因此在分析过程中应保持溶液的一定酸度以防止水解，或采用加络合剂的方法掩蔽钛。

二是三价钛离子呈紫色，不稳定，易被空气和氧化剂氧化成四价。

九、钒钒是钢铁中很重要的合金元素之一，就我国钢铁体系来讲，Mo、W、V、Ti、Nb和Xt等合金元素是我国合金元素的重要组成部分。

钢中含有钒使钢具有特殊的机械性能，提高钢的抗张强度和屈服点，尤其是提高钢的高温强度，提高工具钢的使用寿命。

钒和硫、氮、氧都有强的亲和力，在炼钢时，可用作细化晶粒的脱氧剂。

钒在钢中除了固溶钒外，还可形成VC、V2C、VN、FeV2O4、V2O3、VO和V2O5等，其中VC往往形成缺碳的V4C3。

因此钢中钒的碳化物常是V4C3和V2C 形态。