不銹鋼薄樣火花源原子發射光譜分析

＊李晶 張松 陳昌萍

( 武漢材料保護研究所 湖北 430000 )

不銹鋼薄樣火花源原子發射光譜分析

＊李晶 張松 陳昌萍

( 武漢材料保護研究所 湖北 430000 )

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

火花源原子發射光譜；不銹鋼；薄樣；化學成分

引言

近年來，不銹鋼薄型板、帶、管材在家電、廚具、潔具、日用品、化工設備、汽車工業方面的應用越來越多。在多元素同時快速分析方面，利用火花源原子發射光譜儀進行化學成分分析具有不可替代的優勢。

火花源原子發射光譜標準分析程序一般采用較大的激發能量，以保證分析精度與檢出限。對于細薄型試樣，有可能由于激發點中心處嚴重侵蝕導致燒斷或擊穿；即使能夠正常激發，激發過程中產生的大量熱量也會引起試樣溫度顯著升高。曝光階段試樣激發斑點的溫度，直接影響組分揮發與譜線強度，進而影響分析結果。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能量，解決了試樣發熱嚴重及擊穿的問題。但在應用過程中發現結果不穩定、偶爾激發不良。這是由于激發能量過低，預燃階段試樣表層剝蝕重現性差而致。

該程序也未提供氮的分析通道，不能適應含氮不銹鋼的發展形勢。氮是強奧氏體形成元素，可顯著提高鋼的強度，效果相當于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非常有前景的發展方向。然而，奧氏體不銹鋼的冷加工成形和焊接對其抗腐蝕性能往往產生不利的影響，故也應嚴格控制氮含量。

在實際檢測工作中，經常需要大、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臺并同時調整激發間隙，后一步驟還特別容易遺忘。

本文改進了散熱方法，并以激發條件的選擇為重點開發新的小試樣分析程序，用于不銹鋼薄樣化學成分的快速分析。

1.試驗部分

(1)儀器與試劑

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

高純氬（99．999%V/V，武漢鋼鐵集團氧氣有限責任公司）；

GSB03-2028含鉬、銅、鈮、氮不銹鋼系列光譜分析用標準樣品（鋼研納克檢測技術有限公司）；

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：激發間距3．4mm；沖洗2s，預燃（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。主要參數：激發間距3．4mm；沖洗2s，預燃（501#-400Hz-15s），曝光（501#-200Hz-7．5s）。

(3)試驗樣品

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

(4)試驗方法

調用大試樣分析程序或小試樣分析程序，按以下操作步驟進行單點分析。

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

2.結果與討論

(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熱性的散熱塊。比較各物質的導熱系數（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勢。

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侵蝕深度的限制，實際上對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。人工施壓的壓強遠大于壓頭，散熱塊與試樣的接觸更加緊密，導熱效果更好，曝光階段試樣溫度更加一致；更大的壓強使得變形試樣更加平整，避免了激發間距的大幅變化。由于提高了激發條件（溫度、間距）的一致性，分析數據的重現性得到了極大改善。

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；散熱塊應常在砂紙上磨出潔凈表面，以免導熱不良。

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，用大試樣程序進行分析，觀察試樣分析面激發斑以及試樣背面對應區域變色斑，結果列于表1。“保溫”是指在散熱塊與試樣之間加墊一層棉布。可以看出，散熱激發適用于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

為避免更換激發臺、調整激發間隙的繁瑣手續及可能發生的差錯，選擇與大試樣程序相同的激發臺（激發孔Φ13mm）與激發間距（3．4mm）。

其他儀器條件按照規定，氬氣：0．6MPa，“分析流量”；鎢質對電極：Φ6mm，90°錐角。

考慮到來源易得性，選擇塊狀標準樣品繪制工作曲線。因此，以下激發條件的選擇應該大小試樣均能適用。

②激發條件的選擇

為降低發熱量，小試樣程序一般采用較低能量的激發曲線、較低激發頻率、較短激發時間。

根據效率原則，預燃時間宜在30s以內；考慮到準確度，曝光火花數宜在1000點以上。

對500#～508#及510#、511#、514#、517#、700#、800#等15種激發曲線進行的試驗結果表明，506#、502#激發能量太低，預燃、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處有較高強度，且能量不致過高，適于含氮小試樣的分析。其余激發曲線能量太強，特別是800#易出現功率過載、積分中斷現象。

取不同厚度不銹鋼試樣，設置不同的預燃頻率，散熱激發，觀察試樣分析面激發斑以及試樣背面對應區域變色斑，結果列于表1。可以看出，正常激發的試樣厚度-預燃頻率關系為：0．1mm試樣50Hz，0．15mm試樣100～200Hz，0．2mm以上試樣400Hz；厚試樣若激發頻率太低，則激發不良。

經大量條件試驗，新的小試樣程序定為：預燃501#-400Hz-15s，曝光501#-200Hz-7．5s。

部分試驗數據見表2、表3，譜線強度均為原始強度，激發能量以所有29條參比線強度的平均值計。

表2 不同激發曲線的激發能量

表3 不同厚度試樣的激發效果

③參比譜線強度設置

在分析條件下激發純鐵試樣，參比譜線原始強度取2～3位有效數字作為參比譜線標準強度（類型強度），見表4。

表4 參比譜線標準強度

④工作曲線的建立

每個元素的每條分析線至少定義兩個譜線名稱，以便根據不同含量范圍分段校準。以成套標樣為基礎，加上其他標樣（包括自制標樣），分析完成后，進行工作曲線的回歸。每條譜線試選不同參比線，綜合考慮相關系數、干擾、檢測限、穩定性，建立工作曲線。由于標樣、試樣類型的限制，譜線參數的設置不一定合理，干擾校正不一定全面、正確，應在積累大量實際工作經驗后予以調整。表5列出了譜線參數與主要干擾的初步設置，大部分元素都是分段工作曲線，表中合并列出；檢測限未經驗證。

表5 譜線參數與主要干擾

(3)實際樣品分析

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

表6 不同厚度試樣的分析結果

3.結論

采取“小直徑銅散熱塊+大直徑墊塊+人工施壓”的簡便措施進行散熱，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臺與激發間距，免除了激發臺的更換與調整；采用稍大的激發能量，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射光譜分析方法(常規法)[S]．

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

[3]余蓉．高氮不銹鋼的開發進展[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展[J]．冶金分析,1999,19(04)：30～35．

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

(責任編輯：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"> 文獻標識碼：A

A

李晶（1984～)，女，武漢材料保護研究所；研究方向：分析檢測。