直讀光譜與電感耦合等離子體發射光譜測定不銹鋼中硅、錳、磷、鉻、鎳的方法比較

許丹，蔡寒梅，韓蔚，李曼，陳慧娟，劉麗娜，程紫輝

（1.中國國檢測試控股集團股份有限公司，北京 100024；2.國標（北京）檢驗認證有限公司，北京 100024）

0 前言

不銹鋼具有耐腐蝕、耐高溫、易清潔等特性，在日常生活中被廣泛應用。不銹鋼是一種合金材料，其冶煉過程中因摻入一定比例的金屬元素而具有了更優良的性能[1]。研究表明，不銹鋼中化學元素的含量對其性能有顯著影響。GB/T 20878-2007《不銹鋼和耐熱鋼 牌號及化學成分》[2]規定了不同牌號的不銹鋼的化學元素含量范圍。

目前，不銹鋼中化學含量檢測常用標準有GB/T 223系列、GB/T 11170-2008《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）》[3]和SN/T 2718-2010《不銹鋼化學成分測定 電感耦合等離子體原子發射光譜法》[4]。其中，手工化學法因不能同時對多個樣品進行處理、對同一樣品的不同元素采取的處理方式不同、需使用管制化學藥品且產生大量廢液[5]等缺點被儀器檢測取代。直讀光譜法（OES）檢測不銹鋼中化學元素含量是最快速的檢測方式[5]，且對樣品的前處理簡單，儀器操作方便，能同時對多個元素進行檢測，但不適用于形狀較小的不銹鋼樣品。電感耦合等離子體原子發射光譜法（ICP-OES）檢測不銹鋼中化學元素含量的前處理相對直讀光譜法復雜，但不受樣品形狀、大小影響，相對手工化學法具有前處理簡單、能同時對多個樣品進行處理、同時對多個元素進行檢測的優點，因此更能滿足當前對不銹鋼中化學元素檢測的需求。

本文分別介紹電感耦合等離子體原子發射光譜儀和火花放電直讀光譜儀來檢測不銹鋼中化學元素的方法，對結果進行比較分析。

1 ICP-OES試驗部分

1.1 儀器及試劑

電感耦合等離子體發射光譜儀(Agilent 5800)；分析天平(感量0.1mg)；純鐵（鋼研納克檢測技術有限公司）；混合標準溶液（鋼研納克檢測技術有限公司）；鹽酸（優級純）；硝酸（優級純）；去離子水(電阻率18MΩ·cm)。

1.2 試驗方法

1.2.1 樣品前處理

稱取試樣約0.1g（已制成碎屑狀），精確至0.0001g，置于塑料燒杯中，加入少量去離子水、8mL硝酸和8mL鹽酸，混勻，置于加熱板上于110℃溶解，待樣品完全溶解并冷卻后，移入250mL容量瓶中，混勻待測[3]。

1.2.2 空白樣品前處理

稱取純鐵約0.1g，精確至0.0001g，置于塑料燒杯中，加入少量去離子水、8mL硝酸和8mL鹽酸，混勻，置于加熱板上于110℃溶解，待樣品完全溶解并冷卻后，移入250mL容量瓶中，混勻待測。

1.2.3 配制標準溶液

1）鐵基體溶液：稱取純鐵約5.00g，精確至0.0001g，置于塑料燒杯中，加入少量去離子水、20mL硝酸和20mL鹽酸，混勻，置于加熱板上于110℃溶解，待樣品完全溶解并冷卻后，移入250mL容量瓶中，混勻。

2）硅、磷標準溶液系列溶度分別為0μg/mL、0.1μg/mL、0.5μg/mL、1μg/mL、5μg/mL、10μg/mL，其中分別加入2mL鐵基體溶液、3.2mL硝酸和3.2mL鹽酸并定容至100mL容量瓶中，混勻。

3）鉻、錳、鎳標準溶液系列溶度分別為0μg/mL、0.1μg/mL、0.5μg/mL、1μg/mL、5μg/mL、10μg/mL、25μg/mL、50μg/mL、100μg/mL，其中分別加入2mL鐵基體溶液、3.2mL硝酸和3.2mL鹽酸并定容至100mL容量瓶中，混勻。

1.2.4 儀器工作條件

讀取時間10s，RF功率1.15KW，觀察模式徑向，穩定時間12s，提升延遲12s，霧化器流量0.75L/min，輔助氣流量1.00L/min，等離子體氣流量12.0L/min，觀察高度8mm，泵數12rpm。

1.2.5 標準曲線繪制

在儀器最佳工作狀態下，將所配制不同濃度的標準溶液進行測定，由溶液的濃度和強度繪制標準曲線，計算相關系數R2和斜率K。結果見表1。

表1 元素曲線方程Tab.1 Element curve equation

1.2.6 樣品測試

儀器測定待測溶液中元素的強度，由標準曲線得出元素的濃度，計算得出樣品中元素含量。試驗過程中樣品同時檢測，確保準確性。

1.2.7 結果計算

計算見式（1）。

式中：

c為由工作曲線得出的元素濃度，μg/mL；

V為試樣溶液體積，mL；

m為試樣質量，g；

W為元素質量分數，%。

2 OES試驗部分

2.1 儀器及試劑

光電火花直讀光譜儀（德國斯派克分析儀器公司）；氬氣凈化器；YSBC28311a-03、YSBS11379c-2012、YSBS11373c-2012、YSBS11378d-2021、YSBS11380c-2012、YSBS11378b-2011等不銹鋼標準樣品（鋼研納克檢測技術有限公司）。

2.2 試驗方法

2.2.1 樣品前處理

將樣品激發面制成光滑平面，并保證激發表面平整、潔凈，無水和油脂。

2.2.2 儀器工作條件

氬氣純度＞99.995%；氬氣分壓0.5MPa。

2.2.3 儀器曲線校準

直讀光譜曲線為內置曲線，檢測前需對光室和曲線進行校準。先通過ical校正對光室進行校準，保證光強未產生較大變化，然后通過廠家配備標準樣塊進行標準化校正，保證曲線未產生較大偏移。

2.2.4 樣品測試

通過選取與待測樣品中化學元素含量相近的標準樣品進行類型標準化校正，優化樣品中待測元素含量附近的曲線，類型標準化完成后對樣品進行檢測，計算出樣品含量。

3 結果討論

3.1 數據分析

將同一樣品分別使用ICP法和OES法進行測定，結果見表2。由表2可知，兩種不同檢測方法對不銹鋼中硅、錳、磷、鉻、鎳的檢測結果良好，且在試驗誤差內。

表2 ICP-OES和OES結果比對（%）Tab.2 Comparison of ICP-OES and OES results (%)

3.2 優缺點分析

1）ICP-OES法

其優點是對樣品形狀、大小沒有要求，能滿足任何尺寸鋼鐵樣品的測試，對標準樣品的依賴較小，能對標準樣品中沒有的元素進行檢測。缺點是前處理相對OES法復雜、繁瑣，不能測定不銹鋼中碳、硫的含量，抗干擾能力較差，氬氣消耗量較大。

2）OES法

其優點是不需要對樣品進行復雜的前處理，檢測速度快，操作簡單，能對不銹鋼中的大部分元素包括碳、硫等同時進行檢測。缺點是對樣品的形狀、大小要求較高，不能對較細、較小的樣品進行檢測，對標準樣品的依賴性較高，不能對標準樣品中沒有的元素進行檢測。

4 結語

本文通過比較ICP-OES法和OES法發現，兩種方法對不銹鋼中硅、錳、磷、鉻、鎳的檢測結果無明顯差異。OES法的前處理更簡單、便捷，但對樣品的形狀要求較高，不能滿足對直徑過小的不銹鋼樣品的檢測需求，而ICP法對樣品形狀沒有要求，相對手工化學法具有前處理簡單、能同時檢測多種元素等優點，更符合對不同形狀的鋼鐵檢測的需求。