鐵基合金中鋁元素的快速分析研究

劉　平　田　禾　孫金龍　黃明波

(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;

3.北京科隆宇技術(shù)發(fā)展有限責(zé)任公司,北京 100081)

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鐵基合金中鋁元素的快速分析研究

劉平1田禾2孫金龍2黃明波3

(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;

3.北京科隆宇技術(shù)發(fā)展有限責(zé)任公司,北京 100081)

摘要：使用快速元素分析儀對(duì)鐵基合金中鋁元素的發(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鋁元素的現(xiàn)場(chǎng)快速分析問(wèn)題。使用Al394.41nm譜線(xiàn)和Al396.15nm譜線(xiàn)作為分析譜線(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)鑄鐵及合金鋼中鋁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)量控制提供保障。

關(guān)鍵詞：鋁發(fā)射光譜鐵基合金成分分析

鋁元素在許多高溫合金中是主要成分元素[1]，在其他鐵基合金中只有部分牌號(hào)含有鋁元素。由于鋁元素在鐵基合金中是金屬間化合物形成元素又是鐵素體形成元素，其含量對(duì)合金的力學(xué)性能和工藝性能影響較大，準(zhǔn)確快速測(cè)定鐵基合金中鋁元素含量對(duì)保證鐵合金整體性能非常重要。

鋁元素在近紫外光區(qū)域有兩條靈敏譜線(xiàn)Al394.41nm和Al396.15nm，利用電弧激發(fā)的發(fā)射光譜可以得到理想的檢出限，在現(xiàn)場(chǎng)快速分析設(shè)備中發(fā)射光譜技術(shù)檢測(cè)鋁元素的有效性遠(yuǎn)高于X-射線(xiàn)熒光等檢測(cè)手段。

但現(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，儀器條件也不適宜我國(guó)大部分生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。本實(shí)驗(yàn)使用國(guó)內(nèi)新研制的利用發(fā)射光譜進(jìn)行檢測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)快速元素分析設(shè)備，對(duì)鐵基合金中鋁元素進(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鋁元素的含量。

1試驗(yàn)部分

1.1儀器

LPX-15型快速元素分析儀(北京普析通用儀器有限公司)，光譜范圍：230nm～1000nm；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2mm；電弧電流為1A；預(yù)燃時(shí)間為5s；電極采用銅對(duì)電極。每張譜圖采樣時(shí)間500ms，每個(gè)試樣采樣20次。

2結(jié)果與討論

2.1鋁元素分析譜線(xiàn)組

光譜線(xiàn)波長(zhǎng)表[2]中可以看到鋁是光譜線(xiàn)最少的元素之一,其發(fā)射光譜的強(qiáng)度集中在幾條光譜線(xiàn)上。在電弧激發(fā)條件下，鋁元素發(fā)射光譜強(qiáng)度最高的兩條譜線(xiàn)是Al396.15nm和Al394.41nm，鐵基合金中該譜線(xiàn)組在直流電弧激發(fā)條件下的實(shí)測(cè)光譜見(jiàn)圖1。

圖1　Al396.15nm譜線(xiàn)組測(cè)試譜圖

與電弧激發(fā)不同，在電感耦合等離子體發(fā)射光譜[3]中最強(qiáng)的譜線(xiàn)是Al309.27nm和Al309.28nm。Al396.15nm及Al394.41nm屬于次強(qiáng)譜線(xiàn)，其他次強(qiáng)譜線(xiàn)還有Al237.34nm和Al237.31nm等。快速元素分析儀由于色散分辨率較低，干擾因素需要重點(diǎn)考慮，Al309.27nm譜線(xiàn)組和Al237.34nm譜線(xiàn)組在儀器現(xiàn)有的分辨率下受到的干擾較為嚴(yán)重，快速元素分析儀選擇使用Al394.41nm和Al396.15nm作為分析譜線(xiàn)。

電感耦合等離子體發(fā)射光譜中的最強(qiáng)譜線(xiàn)Al309.27nm和Al309.28nm受到鎂、釩等元素的干擾，次強(qiáng)譜線(xiàn)Al237.34nm和Al237.31nm受到鉻、鐵、錳等元素的干擾。快速元素分析儀選用的Al396.15nm也 受到鈣、鈦、釩等元素干擾，在分析鈦、釩元素含量較高的樣品時(shí)需要進(jìn)行修正或用于輔助分析。

2.2定性分析

鋁元素在許多牌號(hào)合金鋼中為控制元素，要求其含量小于某一標(biāo)定值，一般該值在0.1%左右。Al394.41nm和Al396.15nm譜線(xiàn)在直流電弧激發(fā)條件下具有較高的靈敏度，圖2示出了鐵基合金在w(Al)量為0.331%時(shí)強(qiáng)度曲線(xiàn)，可以看到w(Al)量為0.331%時(shí)分析線(xiàn)具有較高的強(qiáng)度。進(jìn)行鋁元素含量控制及快速定性分析時(shí)，快速元素分析儀完全能夠勝任。

圖2　w(Al)量0.331%時(shí)強(qiáng)度曲線(xiàn)

2.3參比譜線(xiàn)

進(jìn)行鐵基合金快速分析時(shí)，可以選用鐵元素的譜線(xiàn)作為比較譜線(xiàn)[4]。比較譜線(xiàn)的強(qiáng)度要穩(wěn)定，受待測(cè)元素或其他元素干擾較小，峰形對(duì)稱(chēng)性好。在實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)中，譜線(xiàn)峰高要低于檢測(cè)器的截止值。

圖2中可以看到，在光譜上與分析譜線(xiàn)Al394.41nm和Al396.15nm相鄰的有兩條鐵元素譜線(xiàn)Fe396.93nm和Fe400.52nm，兩條鐵元素譜線(xiàn)的峰高適中，強(qiáng)度穩(wěn)定，較為適合作為比較譜線(xiàn)。

在使用Fe396.93nm譜線(xiàn)作為比較線(xiàn)時(shí)需注意試樣中鉻元素的含量，F(xiàn)e396.93nm譜線(xiàn)的長(zhǎng)波端有一條鉻元素的譜線(xiàn)Cr396.97nm。快速元素分析儀由于現(xiàn)場(chǎng)分析對(duì)體積的要求，采用了較短焦距的色散裝置，光譜分辨率在0.1nm左右，無(wú)法對(duì)兩條譜線(xiàn)進(jìn)行有效分辨，在w(Cr)量達(dá)到1%以上時(shí)會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生明顯干擾。圖3為采用光譜分辨率0.03nm的光譜分析裝置拍攝的w(Cr)量為17.97%時(shí)的Cr396.97nm譜圖，可以明顯的觀(guān)測(cè)到兩條分離的譜線(xiàn)。在分析w(Cr)量1%以上的試樣時(shí)，可以將Fe396.93nm作為輔助比較線(xiàn)使用，或者利用臨近的Cr396.37nm譜線(xiàn)對(duì)Fe396.93nm譜線(xiàn)強(qiáng)度進(jìn)行校正后再作為比較線(xiàn)使用。

圖3　Cr396.97nm譜線(xiàn)

2.4定量分析

選用Al394.41nm和Al396.15nm作為分析譜線(xiàn)，使用Fe396.93nm和Fe400.52nm作為比較譜線(xiàn)，利用標(biāo)準(zhǔn)樣品可以得到工作曲線(xiàn)。對(duì)于鐵基合金中鋁元素的實(shí)際測(cè)量值，利用工作曲線(xiàn)可以得到對(duì)應(yīng)的w(Al)量。

圖4為兩條分析譜線(xiàn)與兩條對(duì)比譜線(xiàn)相對(duì)應(yīng)得到的4條工作曲線(xiàn)。從4條工作曲線(xiàn)上可以看到，當(dāng)鐵基合金中w(Al)量超過(guò)0.4%時(shí)工作曲線(xiàn)呈現(xiàn)出較好的線(xiàn)性，4條曲線(xiàn)規(guī)律相同。w(Al)量低于0.4%時(shí)線(xiàn)性變差，實(shí)際測(cè)量時(shí)需要及時(shí)與標(biāo)樣進(jìn)行比對(duì)以保證結(jié)果的可靠。

圖4　工作曲線(xiàn)

圖4中使用Fe396.93nm作為比較譜線(xiàn)的兩條工作曲線(xiàn)在w(Al)量為1.04%的位置處明顯的偏低。其主要原因是w(Al)量為1.04%的標(biāo)準(zhǔn)樣品中含有3.00%的鉻元素。正如2.3中所討論的，鉻元素的存在使得Fe396.93nm譜線(xiàn)測(cè)試強(qiáng)度實(shí)際是Fe396.93nm譜線(xiàn)和Cr396.97nm譜線(xiàn)的強(qiáng)度和。和峰的強(qiáng)度明顯的大于比較譜線(xiàn)的實(shí)際強(qiáng)度，從而造成分析線(xiàn)與比較線(xiàn)的比值明顯偏低。

實(shí)際測(cè)試分析時(shí)，應(yīng)盡量使用Fe400.52nm譜線(xiàn)作為比較譜線(xiàn)。使用Fe396.93nm作為比較線(xiàn)時(shí)應(yīng)針對(duì)鉻元素的含量情況及時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的修正。

3結(jié)語(yǔ)

新型快速元素分析儀可以有效的解決現(xiàn)場(chǎng)分析問(wèn)題。

使用Al394.41nm和Al396.15nm作為分析譜線(xiàn)可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的快速牌號(hào)鑒別和定性分析。

利用Fe396.93nm和Fe400.52nm作為比較譜線(xiàn)，可以得到鐵基合金中鋁元素的工作曲線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)精確的定量分析。

新型快速元素分析儀可以進(jìn)行數(shù)據(jù)及譜圖的輸出和記錄，能夠滿(mǎn)足現(xiàn)代質(zhì)量管理的需要。

參考文獻(xiàn)

[1] 《中國(guó)航空材料手冊(cè)》編輯委員會(huì)編.中國(guó)航空材料手冊(cè)[M].北京，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001.

[2] 冶金工業(yè)部情報(bào)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)研究所編譯.光譜線(xiàn)波長(zhǎng)表[M].北京，中國(guó)工業(yè)出版社，1971.

[3] 錢(qián)國(guó)賢，黃鑫泉，孟廣政編譯.電感耦合等離子體發(fā)射光譜圖冊(cè)[M].中國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)光譜學(xué)會(huì),1986.

[4] 劉平，龐曉輝，劉浩新.鐵基合金可見(jiàn)光譜特征及看譜分析研究[J].現(xiàn)代鑄鐵，2007，27(1)：72-76.

Rapid analysis of aluminum in ferroalloy.LiuPing1，TianHe2，SunJinlong2，HuangMingbo3

(1.BeijingInstituteofAeronauticalMaterials，Beijing100095，China；2.BeijingPurkinjeGeneralInstrumentCo.,Ltd.,Beijing101200，China；3.BeijingColonyu-TechCo.，Ltd.,Beijing100081,China)

Abstract:Rapid element analyzer can resolve the problomes of on-site analysis of aluminum in ferroalloy effectively. The analyzer makes the qualitative and quantitative analysis of aluminum in ferroalloy very convenient with Al394.41nm spectrum and Al396.15nm spectrum. The analyzer can record spectrum of material and provide relevant intensity data for all spectrum lines objectively.The analysis results can be traced，so the rapid element analyzer can satisfy the needs of quality assurance system.

Key words:aluminum; emission spectrum；ferroalloy；composition analysis

收稿日期：2015-04-20

DOI:10.3936/j.issn.1001-232x.2016.01.012

作者簡(jiǎn)介：劉平，男，1961年出生，研究員，從事航空材料及性能研究工作，Email：lp9291@sina.com。