不銹鋼薄樣火花源原子發(fā)射光譜分析

＊李晶 張松 陳昌萍

( 武漢材料保護(hù)研究所 湖北 430000 )

不銹鋼薄樣火花源原子發(fā)射光譜分析

＊李晶 張松 陳昌萍

( 武漢材料保護(hù)研究所 湖北 430000 )

為滿足不銹鋼薄片型試樣化學(xué)成分快速分析的要求，應(yīng)用火花源原子發(fā)射光譜儀，改進(jìn)了散熱方法，用大試樣程序直接分析0.4mm以上試樣。以激發(fā)條件的選擇為重點(diǎn)，開發(fā)了小試樣分析程序，用于分析0.1mm以上試樣。

火花源原子發(fā)射光譜；不銹鋼；薄樣；化學(xué)成分

引言

近年來，不銹鋼薄型板、帶、管材在家電、廚具、潔具、日用品、化工設(shè)備、汽車工業(yè)方面的應(yīng)用越來越多。在多元素同時(shí)快速分析方面，利用火花源原子發(fā)射光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。

火花源原子發(fā)射光譜標(biāo)準(zhǔn)分析程序一般采用較大的激發(fā)能量，以保證分析精度與檢出限。對(duì)于細(xì)薄型試樣，有可能由于激發(fā)點(diǎn)中心處嚴(yán)重侵蝕導(dǎo)致燒斷或擊穿；即使能夠正常激發(fā)，激發(fā)過程中產(chǎn)生的大量熱量也會(huì)引起試樣溫度顯著升高。曝光階段試樣激發(fā)斑點(diǎn)的溫度，直接影響組分揮發(fā)與譜線強(qiáng)度，進(jìn)而影響分析結(jié)果。所以鋼鐵試樣通常要求厚度大于2～3mm。

儀器制造商提供的小試樣分析程序采用較低的激發(fā)能量，解決了試樣發(fā)熱嚴(yán)重及擊穿的問題。但在應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)結(jié)果不穩(wěn)定、偶爾激發(fā)不良。這是由于激發(fā)能量過低，預(yù)燃階段試樣表層剝蝕重現(xiàn)性差而致。

該程序也未提供氮的分析通道，不能適應(yīng)含氮不銹鋼的發(fā)展形勢(shì)。氮是強(qiáng)奧氏體形成元素，可顯著提高鋼的強(qiáng)度，效果相當(dāng)于30倍的貴重金屬鎳。奧氏體不銹鋼和雙相不銹鋼的氮合金化是一個(gè)非常有前景的發(fā)展方向。然而，奧氏體不銹鋼的冷加工成形和焊接對(duì)其抗腐蝕性能往往產(chǎn)生不利的影響，故也應(yīng)嚴(yán)格控制氮含量。

在實(shí)際檢測(cè)工作中，經(jīng)常需要大、小試樣交替分析。由于兩種分析程序的儀器條件不同，不得不頻繁更換激發(fā)臺(tái)并同時(shí)調(diào)整激發(fā)間隙，后一步驟還特別容易遺忘。

本文改進(jìn)了散熱方法，并以激發(fā)條件的選擇為重點(diǎn)開發(fā)新的小試樣分析程序，用于不銹鋼薄樣化學(xué)成分的快速分析。

1.試驗(yàn)部分

(1)儀器與試劑

SPECTROMAXx LMM15火花源原子發(fā)射光譜儀（德國(guó)斯派克分析儀器公司）；

高純氬（99．999%V/V，武漢鋼鐵集團(tuán)氧氣有限責(zé)任公司）；

GSB03-2028含鉬、銅、鈮、氮不銹鋼系列光譜分析用標(biāo)準(zhǔn)樣品（鋼研納克檢測(cè)技術(shù)有限公司）；

散熱塊（純銅，直徑25mm，高10mm，自制）；

壓塊（不銹鋼，直徑70mm，高30mm，自制）。

(2)儀器工作條件

大試樣程序，儀器制造商提供。主要參數(shù)：激發(fā)間距3．4mm；沖洗2s，預(yù)燃（508#-400Hz-15s），5段曝光（502#-400Hz-3s，501#-400Hz-3s，503#-400Hz-3s，510#-200Hz-3s，505#-400Hz-3s）。

小試樣程序，本文開發(fā)。主要參數(shù)：激發(fā)間距3．4mm；沖洗2s，預(yù)燃（501#-400Hz-15s），曝光（501#-200Hz-7．5s）。

(3)試驗(yàn)樣品

板材、帶材截取合適大小，管材切開展平，試驗(yàn)前用砂布蘸洗衣粉去污并磨出新鮮表面（分析面）、水洗、熱風(fēng)吹干，冷至室溫。

(4)試驗(yàn)方法

調(diào)用大試樣分析程序或小試樣分析程序，按以下操作步驟進(jìn)行單點(diǎn)分析。

試樣置于激發(fā)孔上，激發(fā)孔位置正上方放置純銅散熱塊，其上再放置壓塊。啟動(dòng)單點(diǎn)分析，盡快以手掌壓住壓塊，豎直向下施以壓力，直至單點(diǎn)分析結(jié)束。

2.結(jié)果與討論

(1)薄樣的散熱

① 散熱方法的選擇

薄樣本身熱容不足，必須采取散熱措施予以降溫，一般是在試樣背面疊加具有良好導(dǎo)熱性的散熱塊。比較各物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)（W/m·K）：鉆石2300、碳化硅490、銀427、銅401、金317、鋁237、鋅113、鎳90、鋼26～54，顯然以銅作為散熱材料最為合適。

試樣與散熱塊的常用聯(lián)接方式是壓觸式，即用大塊金屬直接壓住薄片試樣。選擇壓觸式散熱法是基于其在方便性上具有極大的優(yōu)勢(shì)。

最徹底的方式是焊接法，就是將試樣與散熱塊用焊錫熔融粘接，散熱效果毋庸置疑，理論上適用試樣厚度僅受激發(fā)侵蝕深度的限制，實(shí)際上對(duì)于變形試樣的適用性恐不如壓觸式。

由于儀器試樣壓頭的壓力不足，造成試樣特別是變形試樣與散熱塊貼合不良，若以人工施壓代替壓頭施壓則可以取得更好的效果。人工施壓的壓強(qiáng)遠(yuǎn)大于壓頭，散熱塊與試樣的接觸更加緊密，導(dǎo)熱效果更好，曝光階段試樣溫度更加一致；更大的壓強(qiáng)使得變形試樣更加平整，避免了激發(fā)間距的大幅變化。由于提高了激發(fā)條件（溫度、間距）的一致性，分析數(shù)據(jù)的重現(xiàn)性得到了極大改善。

散熱塊上壓塊的作用是利于手掌施壓。散熱塊不宜太大，以保證足夠的壓強(qiáng)；散熱塊應(yīng)常在砂紙上磨出潔凈表面，以免導(dǎo)熱不良。

②散熱效果

取不同厚度不銹鋼試樣，采取不同的溫度控制措施，用大試樣程序進(jìn)行分析，觀察試樣分析面激發(fā)斑以及試樣背面對(duì)應(yīng)區(qū)域變色斑，結(jié)果列于表1?！氨亍笔侵冈谏釅K與試樣之間加墊一層棉布。可以看出，散熱激發(fā)適用于0．4mm試樣。

表1 散熱效果

(2)小試樣程序的制定

①基本條件的選擇

為避免更換激發(fā)臺(tái)、調(diào)整激發(fā)間隙的繁瑣手續(xù)及可能發(fā)生的差錯(cuò)，選擇與大試樣程序相同的激發(fā)臺(tái)（激發(fā)孔Φ13mm）與激發(fā)間距（3．4mm）。

其他儀器條件按照規(guī)定，氬氣：0．6MPa，“分析流量”；鎢質(zhì)對(duì)電極：Φ6mm，90°錐角。

考慮到來源易得性，選擇塊狀標(biāo)準(zhǔn)樣品繪制工作曲線。因此，以下激發(fā)條件的選擇應(yīng)該大小試樣均能適用。

②激發(fā)條件的選擇

為降低發(fā)熱量，小試樣程序一般采用較低能量的激發(fā)曲線、較低激發(fā)頻率、較短激發(fā)時(shí)間。

根據(jù)效率原則，預(yù)燃時(shí)間宜在30s以內(nèi)；考慮到準(zhǔn)確度，曝光火花數(shù)宜在1000點(diǎn)以上。

對(duì)500#～508#及510#、511#、514#、517#、700#、800#等15種激發(fā)曲線進(jìn)行的試驗(yàn)結(jié)果表明，506#、502#激發(fā)能量太低，預(yù)燃、曝光都不合適。507#、503#能量適中，適于一般小試樣分析。501#在Fe149．7處有較高強(qiáng)度，且能量不致過高，適于含氮小試樣的分析。其余激發(fā)曲線能量太強(qiáng)，特別是800#易出現(xiàn)功率過載、積分中斷現(xiàn)象。

取不同厚度不銹鋼試樣，設(shè)置不同的預(yù)燃頻率，散熱激發(fā)，觀察試樣分析面激發(fā)斑以及試樣背面對(duì)應(yīng)區(qū)域變色斑，結(jié)果列于表1?？梢钥闯?，正常激發(fā)的試樣厚度-預(yù)燃頻率關(guān)系為：0．1mm試樣50Hz，0．15mm試樣100～200Hz，0．2mm以上試樣400Hz；厚試樣若激發(fā)頻率太低，則激發(fā)不良。

經(jīng)大量條件試驗(yàn)，新的小試樣程序定為：預(yù)燃501#-400Hz-15s，曝光501#-200Hz-7．5s。

部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2、表3，譜線強(qiáng)度均為原始強(qiáng)度，激發(fā)能量以所有29條參比線強(qiáng)度的平均值計(jì)。

表2 不同激發(fā)曲線的激發(fā)能量

表3 不同厚度試樣的激發(fā)效果

③參比譜線強(qiáng)度設(shè)置

在分析條件下激發(fā)純鐵試樣，參比譜線原始強(qiáng)度取2～3位有效數(shù)字作為參比譜線標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度（類型強(qiáng)度），見表4。

表4 參比譜線標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度

④工作曲線的建立

每個(gè)元素的每條分析線至少定義兩個(gè)譜線名稱，以便根據(jù)不同含量范圍分段校準(zhǔn)。以成套標(biāo)樣為基礎(chǔ)，加上其他標(biāo)樣（包括自制標(biāo)樣），分析完成后，進(jìn)行工作曲線的回歸。每條譜線試選不同參比線，綜合考慮相關(guān)系數(shù)、干擾、檢測(cè)限、穩(wěn)定性，建立工作曲線。由于標(biāo)樣、試樣類型的限制，譜線參數(shù)的設(shè)置不一定合理，干擾校正不一定全面、正確，應(yīng)在積累大量實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)后予以調(diào)整。表5列出了譜線參數(shù)與主要干擾的初步設(shè)置，大部分元素都是分段工作曲線，表中合并列出；檢測(cè)限未經(jīng)驗(yàn)證。

表5 譜線參數(shù)與主要干擾

(3)實(shí)際樣品分析

取厚度為0．08～3．0mm的幾種不銹鋼或高合金試樣，用不同方法進(jìn)行分析，對(duì)照結(jié)果列于表6。其中，0．2mm以下小樣預(yù)燃激發(fā)頻率根據(jù)2．(2)．②的試驗(yàn)結(jié)果予以適當(dāng)降低。厚度處于0．2～0．4mm之間的試樣，散熱激發(fā)條件下，大樣程序分析結(jié)果仍有一定可靠性。

表6 不同厚度試樣的分析結(jié)果

3.結(jié)論

采取“小直徑銅散熱塊+大直徑墊塊+人工施壓”的簡(jiǎn)便措施進(jìn)行散熱，可直接用大試樣分析程序分析0．4mm以上不銹鋼薄樣。

制定的小試樣分析程序，可用于分析0．1mm以上不銹鋼薄樣。采用與大試樣程序相同的激發(fā)臺(tái)與激發(fā)間距，免除了激發(fā)臺(tái)的更換與調(diào)整；采用稍大的激發(fā)能量，兼顧了氮元素的分析。

[1]GB/T4336～2002,碳素鋼和中低合金鋼火花源原子發(fā)射光譜分析方法(常規(guī)法)[S]．

[2]GB/T11170～2008,不銹鋼多元素含量的測(cè)定火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)[S]．

[3]余蓉．高氮不銹鋼的開發(fā)進(jìn)展[J]．世界鋼鐵,2010,(1):37～41．

[4]賈云海,苑鵬飛,張京成．冶金光電直讀光譜分析的進(jìn)展[J]．冶金分析,1999,19(04)：30～35．

[5]唐瓊仙．火花源原子發(fā)射光譜法測(cè)定超薄鋼板樣品中的多元素[J]．昆鋼科技,2010,(02):31～36+55．

(責(zé)任編輯：王恒)

Analysis of Spark Source Atomic Emission Spectrum for Stainless Steel Thin Sample

Li Jing, Zhang Song, Chen Changping

（Wuhan Materials Protection Research Institute, Hubei, 430000）

In order to meet the requirement of rapid analysis of the chemical composition of stainless steel slice type sample, apply the spark source atomic emission spectrum to improve the heat dissipation method and use the big sample procedure to analyze directly 0.4mm or above samples. Take the selection of excitation condition as the key point and develop the analysis procedure of small sample, which with 0.1mm or above.

spark source atomic emission spectrum；stainless steel；thin sample；chemical composition

O657.31 < class="emphasis_bold"> 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

A

李晶（1984～)，女，武漢材料保護(hù)研究所；研究方向：分析檢測(cè)。