鐵基合金中錳元素的快速分析研究

劉 平，田 禾，孫金龍，樊后鴻

（1. 北京航空材料研究院，北京 100095；2. 北京普析通用儀器有限責(zé)任公司，北京 101200）

鐵基合金中錳元素的快速分析研究

劉 平1，田 禾2，孫金龍2，樊后鴻2

（1. 北京航空材料研究院，北京 100095；2. 北京普析通用儀器有限責(zé)任公司，北京 101200）

使用快速元素分析儀對(duì)鐵基合金中錳元素的發(fā)射光譜進(jìn)行了分析研究，結(jié)果表明可有效解決鐵基合金中錳元素的現(xiàn)場(chǎng)快速分析問(wèn)題。使用Mn 279.48 nm譜線組和Mn 294.92 nm譜線組可以實(shí)現(xiàn)鑄鐵及合金鋼中錳元素的快速定性及定量分析。分析系統(tǒng)可記錄材料光譜，使現(xiàn)場(chǎng)快速分析具備可追溯性，為質(zhì)量控制提供條件。

錳；發(fā)射光譜；鐵基合金；成分分析

錳是鑄鐵生產(chǎn)中的合金化元素之一，錳含量的變化會(huì)直接影響材料的強(qiáng)度［1］。灰鑄鐵中錳與硫的相互作用使得錳的作用較為特殊［2］，得到良好的材料力學(xué)性能需要將錳含量控制在較低的水平［3］，有時(shí)高強(qiáng)度灰鑄鐵生產(chǎn)中需要適當(dāng)增加錳含量以利鑄件的性能［4］。但錳含量的過(guò)高容易產(chǎn)生偏析，增加冷冽傾向［5］，能否將錳含量控制在一個(gè)較為準(zhǔn)確的范圍內(nèi)直接影響著鑄鐵件的質(zhì)量。如果在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的錳含量測(cè)定無(wú)疑是鑄鐵現(xiàn)代化生產(chǎn)過(guò)程迫切需要的。

現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)快速分析設(shè)備主要為進(jìn)口設(shè)備，購(gòu)置及使用成本較高，使用條件較為苛刻，對(duì)于我國(guó)大部分生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)是不適合的。我國(guó)早期鐵基合金冶煉［6］及有色冶金［7］和機(jī)加工現(xiàn)場(chǎng)使用的多為人工觀測(cè)設(shè)備，只能進(jìn)行定性及半定量分析。雖然后來(lái)在此基礎(chǔ)上發(fā)展了數(shù)字化分析設(shè)備［8］，由于是在可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍，限制了儀器的性能。本文使用國(guó)內(nèi)新研制的可工作在紫外區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)快速元素分析設(shè)備，對(duì)鐵中錳元素進(jìn)行了分析研究，結(jié)果可以快速準(zhǔn)確的得到鐵基合金中錳元素的含量。

航空用鋼材中基本全部含有錳元素［9］，錳元素的快速現(xiàn)場(chǎng)分析技術(shù)對(duì)于航空鋼材的制造加工及現(xiàn)場(chǎng)牌號(hào)鑒別有重要意義。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)儀器

LPX-15型快速元素分析儀，光譜范圍：230 ～ 1 000 nm；光源：直流電弧，高頻交流電弧。儀器可即時(shí)記錄所測(cè)光譜全部數(shù)據(jù)，可輸出待測(cè)元素分析結(jié)果光譜數(shù)據(jù)及譜圖。

1.2 試樣和試驗(yàn)條件

采用塊狀或棒狀光譜試樣，表面經(jīng)細(xì)砂紙打磨處理。分析間隙為2 mm，電弧電流為1 A，預(yù)燃時(shí)間為5 s，電極采用銅對(duì)電極。每張譜圖采樣時(shí)間500 ms， 每個(gè)試樣采樣20次。

2 結(jié)果與討論

2.1 錳元素分析譜線組

利用光譜線波長(zhǎng)表［10］可以得到錳元素的光譜線分布。同時(shí)參照電感耦合等離子體發(fā)射光譜分析中常用的分析譜線，在儀器適用光譜范圍內(nèi)的理想錳元素譜線有3組，Mn 257.61 nm譜線組和Mn 279.48 nm譜線組及Mn 294.92 nm譜線組。Mn 257.61 nm譜線組的靈敏度最高，按檢出限排序依次為Mn 257.61 nm，Mn 259.37 nm，Mn 260.57 nm。但該波長(zhǎng)范圍的譜線密度較大，快速分析儀采用的色散系統(tǒng)為滿足便攜需要而降低了分辨率要求，該譜線組的譜線間干擾較為明顯，進(jìn)行錳元素定量分析時(shí)宜將該譜線組作為微量分析輔助譜線組使用。

Mn 294.92 nm譜線組的譜線強(qiáng)度在3組錳元素譜線中最弱，按檢出限排序?yàn)镸n 294.92 nm，Mn 293.93 nm和 Mn 293.31 nm，不同錳含量的合金鋼對(duì)比譜圖見(jiàn)圖1。

圖1 Mn 294.92 nm譜線組測(cè)試譜

Mn 279.48 nm譜線組主要分析譜線有3條，按靈敏度由高到低排序?yàn)镸n 279.48 nm，Mn 279.83 nm和Mn 280.11 nm。不同錳含量樣品的Mn 279.83 nm譜線組譜圖對(duì)比見(jiàn)圖2。

圖2 Mn 279.48 nm譜線組測(cè)試譜

在圖2中看到：在錳含量為0.690％的樣品譜圖中，Mn 279.48 nm譜線明顯地變粗了，這是受到了Mg 279.53 nm譜線干擾的結(jié)果。由于快速分析儀的光學(xué)分辨率無(wú)法將Mn 279.48 nm和Mg 279.53 nm譜線有效的分辨，當(dāng)樣品中含有鎂元素時(shí)， Mn 279.48 nm譜線就會(huì)受到干擾。圖2中錳含量為0.690％的樣品中含有0.039％的鎂元素，Mn 279.48 nm譜線位置處出現(xiàn)了與Mg 279.53 nm疊加的譜線。由于鎂元素僅為鑄鐵的常見(jiàn)元素，在合金鋼材料中很少見(jiàn)，對(duì)合金鋼的測(cè)定結(jié)果影響不大。在對(duì)鑄鐵材料測(cè)定分析時(shí)，使用Mn 279.83 nm和Mn 280.11 nm等未受干擾的錳元素譜線作為分析譜線即可。

2.2 譜圖分析

在等離子體發(fā)射光譜手冊(cè)中給出的光譜的干擾情況中，所選用譜線中Mn 294.92 nm受Cr，F(xiàn)e，V干擾。由于快速元素分析儀的光譜分辨率低于ICP等實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，光譜的干擾情況可能比等離子體發(fā)射光譜手冊(cè)中給出的干擾情況明顯。Mn 294.92 nm譜線組的光譜強(qiáng)度曲線見(jiàn)圖3。

圖3 Mn 294.92 nm譜線組受干擾情況

從圖3中可以看到：Mn 294.92 nm明顯的受到相鄰的基體鐵元素譜線的干擾，在快速元素分析儀的譜圖中難以形成獨(dú)立的譜線形狀。Mn 293.93 nm譜線也受到鐵譜線的干擾，雖然譜線形狀比較完整，但背景偏高。Mn 293.31 nm受干擾較小，但背景也偏高。綜合干擾情況分析，Mn 294.92 nm譜線組適于錳含量較高的樣品測(cè)試。

圖4為Mn 279.48 nm譜線組的光譜強(qiáng)度曲線。

圖4 Mn 279.48 nm譜線組受干擾情況

從圖4中可以看到，鎂含量為0.039％的Mg 279.53 nm譜線已基本將Mn 279.48 nm譜線掩蓋。鎂含量再增加的話就僅能觀測(cè)到Mg 279.53 nm譜線了。Mn 280.11 nm譜線也會(huì)受到鎂元素譜線的干擾，但在鎂含量較低時(shí)不嚴(yán)重。Mn 279.48 nm譜線組較為理想的分析譜線可選Mn 279.83 nm譜線。

圖5給出了Mn 257.61 nm譜線組的強(qiáng)度曲線。

從圖5中可以看到：以目前的光譜分辨率很難將錳元素譜線與基體鐵元素譜線清晰地分開(kāi)。但該譜線組的最大特點(diǎn)是譜線相對(duì)強(qiáng)度高，因此檢出限要明顯的優(yōu)于其他兩個(gè)譜線組。因此進(jìn)行微量錳元素定性分析時(shí)可以使用該譜線組。

圖5 Mn 257.61 nm譜線組受干擾情況

2.3 參比譜線

進(jìn)行鑄鐵和其他鐵基合金快速分析時(shí)，可以選用鐵元素的譜線作為比較譜線。比較譜線要受待測(cè)元素或其他元素干擾較小，峰形對(duì)稱性好。在每組測(cè)試數(shù)據(jù)中，譜線峰高要低于檢測(cè)器的截止值。

Mn 294.92 nm譜線組可以選用Fe 295.39 nm譜線或其他鐵譜線作為比較譜線。

Mn 279.48 nm譜線組可以選用Fe 278.81 nm和Fe 281.33 nm等鐵元素譜線作為比較譜線。

2.4 定量分析

快速元素分析儀進(jìn)行鐵基合金中錳元素的定量分析可以使用Mn 294.92 nm譜線組和Mn 279.48 nm譜線組。Mn 294.92 nm譜線組中，Mn 293.31 nm譜線強(qiáng)度偏弱，但3條譜線中其受到的干擾較小。由于鐵基合金中錳元素屬常量元素，含量不會(huì)很低，Mn 293.31 nm譜線可以作為分析線使用。使用Mn 293.31 nm譜線可以作為分析線，使用Fe 295.39 nm譜線作為比較線的工作曲線見(jiàn)圖6。

圖6 Mn 293.31 nm譜線工作曲線

Mn 279.48 nm譜線組中Mn 279.83 nm譜線受到的干擾較小，可以作為分析線，使用Fe 278.81 nm譜線作為比較線時(shí)的工作曲線如圖7所示。

圖7 Mn 279.83 nm譜線工作曲線

該譜線組中的3條錳譜線與Mg 279.53 nm和 Mg 280.27 nm兩條鎂元素譜線相互影響，Mn 279.48 nm譜線受到的干擾較小但鎂含量為0.039％的樣品的數(shù)據(jù)點(diǎn)明顯的偏離工作曲線，進(jìn)行含鎂鐵基合金的測(cè)定時(shí)需要對(duì)工作曲線進(jìn)行相應(yīng)修正。

3 結(jié) 語(yǔ)

錳元素在鑄鐵及各種航空常用合金鋼中為主量元素。對(duì)鐵基合金中錳元素的快速分析不僅可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的質(zhì)量控制，也可以用于加工現(xiàn)場(chǎng)的快速牌號(hào)鑒別。傳統(tǒng)的可見(jiàn)光譜等快速分析設(shè)備，由于光譜波長(zhǎng)制約難以進(jìn)行錳元素的精確測(cè)定，新型快速元素分析儀使用紫外光譜進(jìn)行分析，測(cè)試精度和速度都有明顯提高。

對(duì)鐵基合金中錳元素進(jìn)行定量分析，可以分別使用Mn 279.48 nm作分析線，F(xiàn)e 278.81 nm譜線作為比較線和Mn 293.31 nm可以作為分析線，F(xiàn)e 295.39 nm譜線作為比較線。測(cè)定含鎂元素的鑄鐵樣品時(shí)，需要注意鎂元素譜線對(duì)Mn 279.48 nm譜線的干擾，需要進(jìn)行相應(yīng)的工作曲線修正減小鎂元素譜線的影響。

Mn 257.61 nm譜線組強(qiáng)度較高，但干擾嚴(yán)重?？捎糜阼F基合金中微量錳元素的快速定性和定量分析。

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The Rapid Analysis on M anganese in Ferroalloy

LIU Ping1，TIAN He2， SUN Jinlong2，F(xiàn)AN Houhong2
（1. Beijing Institute of Aeronautical Materials，Beijing 100095，China； 2. Beijing Purkinje General Instrument Co. Ltd.，Beijing 101200，China）

Characteristic of em ission spectrum was studied on manganese in ferroalloy w ith rapid element analyzer. The result show s that the analyzer can resolve the on-site analysis on manganese in ferroalloy effectively. The analyzer makes the qualitative and quantitative analysis on manganese in ferroalloy very convenient w ith Mn 279.48 nm spectrums and Mn 294.92 nm spectrums. The analyzer can records spectrum of material and provide relevant intensity data for all spectrum lines objectively. The analysis result can be traced， so the rapid element analyzer can satisfy the quality assurance system's needs.

Manganese；Em ission spectrum；Ferroalloy；Composition analysis

TG115.3+3

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2016.03.052

2016-05-02

國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備專項(xiàng)（2012YQ090167）

劉平（1961-），男，山東泰安人，研究員，研究方向：航空材料及性能研究，手機(jī)：13910109291，E-mail：lp9291@sina.com.