铁基合金中锰元素的快速分析研究

刘 平，田 禾，孙金龙，樊后鸿

（1. 北京航空材料研究院，北京 100095；2. 北京普析通用仪器有限责任公司，北京 101200）

铁基合金中锰元素的快速分析研究

刘 平1，田 禾2，孙金龙2，樊后鸿2

（1. 北京航空材料研究院，北京 100095；2. 北京普析通用仪器有限责任公司，北京 101200）

使用快速元素分析仪对铁基合金中锰元素的发射光谱进行了分析研究，结果表明可有效解决铁基合金中锰元素的现场快速分析问题。使用Mn 279.48 nm谱线组和Mn 294.92 nm谱线组可以实现铸铁及合金钢中锰元素的快速定性及定量分析。分析系统可记录材料光谱，使现场快速分析具备可追溯性，为质量控制提供条件。

锰；发射光谱；铁基合金；成分分析

锰是铸铁生产中的合金化元素之一，锰含量的变化会直接影响材料的强度［1］。灰铸铁中锰与硫的相互作用使得锰的作用较为特殊［2］，得到良好的材料力学性能需要将锰含量控制在较低的水平［3］，有时高强度灰铸铁生产中需要适当增加锰含量以利铸件的性能［4］。但锰含量的过高容易产生偏析，增加冷冽倾向［5］，能否将锰含量控制在一个较为准确的范围内直接影响着铸铁件的质量。如果在生产现场实现快速准确的锰含量测定无疑是铸铁现代化生产过程迫切需要的。

现有的现场快速分析设备主要为进口设备，购置及使用成本较高，使用条件较为苛刻，对于我国大部分生产现场是不适合的。我国早期铁基合金冶炼［6］及有色冶金［7］和机加工现场使用的多为人工观测设备，只能进行定性及半定量分析。虽然后来在此基础上发展了数字化分析设备［8］，由于是在可见光波长范围，限制了仪器的性能。本文使用国内新研制的可工作在紫外区的现场快速元素分析设备，对铁中锰元素进行了分析研究，结果可以快速准确的得到铁基合金中锰元素的含量。

航空用钢材中基本全部含有锰元素［9］，锰元素的快速现场分析技术对于航空钢材的制造加工及现场牌号鉴别有重要意义。

1 试验部分

1.1 试验仪器

LPX-15型快速元素分析仪，光谱范围：230 ～ 1 000 nm；光源：直流电弧，高频交流电弧。仪器可即时记录所测光谱全部数据，可输出待测元素分析结果光谱数据及谱图。

1.2 试样和试验条件

采用块状或棒状光谱试样，表面经细砂纸打磨处理。分析间隙为2 mm，电弧电流为1 A，预燃时间为5 s，电极采用铜对电极。每张谱图采样时间500 ms， 每个试样采样20次。

2 结果与讨论

2.1 锰元素分析谱线组

利用光谱线波长表［10］可以得到锰元素的光谱线分布。同时参照电感耦合等离子体发射光谱分析中常用的分析谱线，在仪器适用光谱范围内的理想锰元素谱线有3组，Mn 257.61 nm谱线组和Mn 279.48 nm谱线组及Mn 294.92 nm谱线组。Mn 257.61 nm谱线组的灵敏度最高，按检出限排序依次为Mn 257.61 nm，Mn 259.37 nm，Mn 260.57 nm。但该波长范围的谱线密度较大，快速分析仪采用的色散系统为满足便携需要而降低了分辨率要求，该谱线组的谱线间干扰较为明显，进行锰元素定量分析时宜将该谱线组作为微量分析辅助谱线组使用。

Mn 294.92 nm谱线组的谱线强度在3组锰元素谱线中最弱，按检出限排序为Mn 294.92 nm，Mn 293.93 nm和 Mn 293.31 nm，不同锰含量的合金钢对比谱图见图1。

图1 Mn 294.92 nm谱线组测试谱

Mn 279.48 nm谱线组主要分析谱线有3条，按灵敏度由高到低排序为Mn 279.48 nm，Mn 279.83 nm和Mn 280.11 nm。不同锰含量样品的Mn 279.83 nm谱线组谱图对比见图2。

图2 Mn 279.48 nm谱线组测试谱

在图2中看到：在锰含量为0.690％的样品谱图中，Mn 279.48 nm谱线明显地变粗了，这是受到了Mg 279.53 nm谱线干扰的结果。由于快速分析仪的光学分辨率无法将Mn 279.48 nm和Mg 279.53 nm谱线有效的分辨，当样品中含有镁元素时， Mn 279.48 nm谱线就会受到干扰。图2中锰含量为0.690％的样品中含有0.039％的镁元素，Mn 279.48 nm谱线位置处出现了与Mg 279.53 nm叠加的谱线。由于镁元素仅为铸铁的常见元素，在合金钢材料中很少见，对合金钢的测定结果影响不大。在对铸铁材料测定分析时，使用Mn 279.83 nm和Mn 280.11 nm等未受干扰的锰元素谱线作为分析谱线即可。

2.2 谱图分析

在等离子体发射光谱手册中给出的光谱的干扰情况中，所选用谱线中Mn 294.92 nm受Cr，Fe，V干扰。由于快速元素分析仪的光谱分辨率低于ICP等实验室设备，光谱的干扰情况可能比等离子体发射光谱手册中给出的干扰情况明显。Mn 294.92 nm谱线组的光谱强度曲线见图3。

图3 Mn 294.92 nm谱线组受干扰情况

从图3中可以看到：Mn 294.92 nm明显的受到相邻的基体铁元素谱线的干扰，在快速元素分析仪的谱图中难以形成独立的谱线形状。Mn 293.93 nm谱线也受到铁谱线的干扰，虽然谱线形状比较完整，但背景偏高。Mn 293.31 nm受干扰较小，但背景也偏高。综合干扰情况分析，Mn 294.92 nm谱线组适于锰含量较高的样品测试。

图4为Mn 279.48 nm谱线组的光谱强度曲线。

图4 Mn 279.48 nm谱线组受干扰情况

从图4中可以看到，镁含量为0.039％的Mg 279.53 nm谱线已基本将Mn 279.48 nm谱线掩盖。镁含量再增加的话就仅能观测到Mg 279.53 nm谱线了。Mn 280.11 nm谱线也会受到镁元素谱线的干扰，但在镁含量较低时不严重。Mn 279.48 nm谱线组较为理想的分析谱线可选Mn 279.83 nm谱线。

图5给出了Mn 257.61 nm谱线组的强度曲线。

从图5中可以看到：以目前的光谱分辨率很难将锰元素谱线与基体铁元素谱线清晰地分开。但该谱线组的最大特点是谱线相对强度高，因此检出限要明显的优于其他两个谱线组。因此进行微量锰元素定性分析时可以使用该谱线组。

图5 Mn 257.61 nm谱线组受干扰情况

2.3 参比谱线

进行铸铁和其他铁基合金快速分析时，可以选用铁元素的谱线作为比较谱线。比较谱线要受待测元素或其他元素干扰较小，峰形对称性好。在每组测试数据中，谱线峰高要低于检测器的截止值。

Mn 294.92 nm谱线组可以选用Fe 295.39 nm谱线或其他铁谱线作为比较谱线。

Mn 279.48 nm谱线组可以选用Fe 278.81 nm和Fe 281.33 nm等铁元素谱线作为比较谱线。

2.4 定量分析

快速元素分析仪进行铁基合金中锰元素的定量分析可以使用Mn 294.92 nm谱线组和Mn 279.48 nm谱线组。Mn 294.92 nm谱线组中，Mn 293.31 nm谱线强度偏弱，但3条谱线中其受到的干扰较小。由于铁基合金中锰元素属常量元素，含量不会很低，Mn 293.31 nm谱线可以作为分析线使用。使用Mn 293.31 nm谱线可以作为分析线，使用Fe 295.39 nm谱线作为比较线的工作曲线见图6。

图6 Mn 293.31 nm谱线工作曲线

Mn 279.48 nm谱线组中Mn 279.83 nm谱线受到的干扰较小，可以作为分析线，使用Fe 278.81 nm谱线作为比较线时的工作曲线如图7所示。

图7 Mn 279.83 nm谱线工作曲线

该谱线组中的3条锰谱线与Mg 279.53 nm和 Mg 280.27 nm两条镁元素谱线相互影响，Mn 279.48 nm谱线受到的干扰较小但镁含量为0.039％的样品的数据点明显的偏离工作曲线，进行含镁铁基合金的测定时需要对工作曲线进行相应修正。

3 结 语

锰元素在铸铁及各种航空常用合金钢中为主量元素。对铁基合金中锰元素的快速分析不仅可以实现生产现场的质量控制，也可以用于加工现场的快速牌号鉴别。传统的可见光谱等快速分析设备，由于光谱波长制约难以进行锰元素的精确测定，新型快速元素分析仪使用紫外光谱进行分析，测试精度和速度都有明显提高。

对铁基合金中锰元素进行定量分析，可以分别使用Mn 279.48 nm作分析线，Fe 278.81 nm谱线作为比较线和Mn 293.31 nm可以作为分析线，Fe 295.39 nm谱线作为比较线。测定含镁元素的铸铁样品时，需要注意镁元素谱线对Mn 279.48 nm谱线的干扰，需要进行相应的工作曲线修正减小镁元素谱线的影响。

Mn 257.61 nm谱线组强度较高，但干扰严重。可用于铁基合金中微量锰元素的快速定性和定量分析。

［1］ 逄伟. HT300高强度缸体缸盖材料熔炼技术研究［J］. 现代铸铁， 2007，27（6）： 13-18.

［2］ 孔繁钢， 毕经兵， 王军， 等. 冲天炉熔炼生产铸态高韧性球墨铸铁［J］.现代铸铁， 2007， 27（4）： 26-28.

［3］ 康宽滋. 缸体缸盖铸件的性能问题［J］. 现代铸铁， 2008， 28（3）： 15-21.

［4］ 刘振一. 高强度灰铸铁飞轮和飞轮壳的生产技术［J］. 现代铸铁， 2007，27（4）：20-22.

［5］ 霍柏震. RTCr2低铬耐热铸铁的熔炼工艺［J］.现代铸铁， 2007， 27（2）： 38-39.

［6］ 刘平. 铁基合金锰元素看谱分析方法研究［J］. 中国锰业， 2006， 24（2）： 17-20.

［7］ 刘平， 刘浩新. 有色合金中锰元素可见光谱看谱分析方法研究［J］. 中国锰业， 2006， 24（4）： 30-33.

［8］ 刘平， 杨军红. 数字化技术在铁基合金锰元素可见光谱分析中的应用［J］. 中国锰业， 2007， 25（3）： 45-48.

［9］ 中国航空材料手册编辑委员会.中国航空材料手册［M］. 北京： 中国标准出版社， 2001，（8）： 14-18.

［10］ 冶金工业部情报产品标准研究所编译. 光谱线波长表［M］. 北京： 中国工业出版社， 1971，（7）： 12-14.

The Rapid Analysis on M anganese in Ferroalloy

LIU Ping1，TIAN He2， SUN Jinlong2，FAN 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

国家重大科学仪器设备专项（2012YQ090167）

刘平（1961-），男，山东泰安人，研究员，研究方向：航空材料及性能研究，手机：13910109291，E-mail：lp9291@sina.com.