7.1.1 金屬中氣體分析的概念

一般來說，金屬中氣體指的是氫、氧、氮三種元素，因為它們在常溫常壓下處于氣态在周期表中列為氣體元素，如果這些元素存在于金屬中的話，就稱為金屬中的氣體近年來由于新技術的發展，新工藝的采用，使金屬中的氣體元素不僅有氫、氧、氮三種，還可能有某些惰性氣體元素，如采用氩氣做保護氣氛冶煉合金材料，那麼在這些材料中就有氩的存在。然而需要搞清楚的一點是，有人認為碳（甚至包括硫）也應該屬于金屬中的氣體元素，其理由為碳在金屬中溶解的形式類似于氫、氮，并且碳的測定方法也是将其轉變成CO、CO2等氣态化合物。然後用紅外法進行測定，盡管碳和氣體元素有相同的性質，有相同原理的測定方法和測試儀器，但是從嚴格的科學概念來考慮，碳和硫還是不應該屬于金屬中的氣體元素，因為在周期表中這兩個元素是列為固體的。

 

7.1.2 金屬中氣體分析簡史

金屬中氣體分析已有100多年的曆史，用化學法測定鋼中氮可追溯到1834年，到1883年克爾達爾（J.G.C.T.Kjeldahl）的定氮方法（克氏定氮法）稱為經典的方法，沿用至今，最早測定鋼鐵中氧是雷德保（A.Ledebur）在1882年用氫還原法。1872年帕裡（J.Parry）在真空中加熱鐵釋放出氫，是真空熱抽取法測定鋼中氫的雛形。真空熔融法測定鋼中氧始于1912年，并發展到測定鋼中O2、H2和N2，但真空熔融法隻公認為測定金屬中氧的經典方法，測定金屬中氫的經典方法是真空熱抽取法，1903年海因（E.Heyn）試驗了在氮氣中加熱抽取氫，1940年辛格（L.Singer）在氮載氣中熔融法測定鋼中的氧，物理法于20世紀50年代開始應用到金屬中氣體分析，早期的惰氣加熱或熔融法都因空白大而發展遲緩，1965年前蘇聯麗謝爾曼（A.M.Baccepmah）等在試樣加熱方面取得了進展，其采用脈沖加熱紅外定氧法将爐溫在瞬間加熱到高達3000℃。1969年美國LECO公司改進了脈沖電極爐，惰氣熔融法的定氮儀、定氧儀和定氫儀問世，這些儀器具有設備簡單、分析速度快等優點。20世紀70年代以後出現商品儀器。近年來計算機的應用，使分析儀器不斷更新，開始普遍應用新儀器、新方法。

中國金屬中氫和氧的分析奠基人、冶金學家李董教授，在1953年建立了真空加熱法測定鋼中氫的儀器并推廣應用。1954年發表化學法測定鋼中氧。1956年建立了真空熔融微壓法測定鋼中氧，1965年改進後定型為By-001型。其後檢測方法不斷改進和提高，如采用氣相色譜法，研制了真空熔融氣體分析儀，建立了克氏法定氮和杜馬法定氮。惰氣熔融法定氧采用了直流碳電弧氣相色譜法。1968年開始研制脈沖加熱氣相色譜法定氧，制成的定型儀器可同時測定O2、H2和N2。1975年研制成氮載氣感應加熱自動程控的快速定氫儀，最先采用石英坩埚加熱鋼樣。1988年改用陶瓷坩埚測定鋼中的氫并定型生産。同年制成擴散氫測定儀。20世紀70年代惰氣熔融法測定金屬中O2、H2和N2的國産儀器相繼問世，1982年研制成懸浮熔融定氮儀和真空脈沖熱導法定氫儀。新的檢測方法例如庫侖法、氣相色譜法、紅外吸收法、熱導率法等都先後應用到冶金分析中。中國的氣體分析儀從50年代開始在實驗室研制，到70年代走向定型産品化，形成了自行設計、自行制造的系列氣體分析儀器。随着新材料、新的分析技術的發展，氣體分析儀器将會不斷更稀和提升。

 

7.1.3 金屬中氣體分析的理論基礎

氣體在金屬中的行為及存在形式有：1）以原子态溶解在金屬中形成間隙固溶體；2）與金屬形成化合物；3）以氣态夾雜物或氣泡形式存在；4）吸附在金屬表面。金屬中氣體分析的過程是使氣體由凝聚相轉變成氣相來測定。對于金屬中氣體氫氧氮的行為，應當充分理解氣體在金屬中的吸附、溶解、擴散和熱化學的主要原理。檢測金屬的氣體含量，不斷地提出新方法都與這些基礎理論有關。

 

7.1.3.1 吸附

包括物理吸附和化學吸附兩種。氣體的吸附作用對分析結果影響很大。在金屬試樣表面、碳還原熔融法分析系統的内壁和石墨坩埚等固體表面吸附的氣體，都必須在分析前除盡，否則會使分析結果偏高。氣體吸附是一放熱現象，化學吸附釋放的熱量大于物理吸附。吸附氣體随溫度升高而減少，所以加熱可除去物體表面吸附的氣體。在高溫下，當有碳存在時，氧很容易與碳結合生成CO氣體。熔融法通過高溫脫氣，用連續抽真空或惰性氣體沖刷排出脫附的氣體，從而降低空白值。此外，在分析過程中釋放出的氣體——CO、H2和N2，會被金屬蒸氣、金屬膜和碳膜吸附而使分析結果偏低。應用熔池技術，降低活性金屬蒸氣的分壓，同時，在石墨坩埚口覆蓋石英罩或可移動的球形石墨塞，使金屬蒸氣沉積在高溫區，降低其吸附能力。