不锈钢薄样火花源原子发射光谱分析

＊李晶 张松 陈昌萍

( 武汉材料保护研究所 湖北 430000 )

不锈钢薄样火花源原子发射光谱分析

＊李晶 张松 陈昌萍

( 武汉材料保护研究所 湖北 430000 )

为满足不锈钢薄片型试样化学成分快速分析的要求，应用火花源原子发射光谱仪，改进了散热方法，用大试样程序直接分析0.4mm以上试样。以激发条件的选择为重点，开发了小试样分析程序，用于分析0.1mm以上试样。

火花源原子发射光谱；不锈钢；薄样；化学成分

引言

近年来，不锈钢薄型板、带、管材在家电、厨具、洁具、日用品、化工设备、汽车工业方面的应用越来越多。在多元素同时快速分析方面，利用火花源原子发射光谱仪进行化学成分分析具有不可替代的优势。

火花源原子发射光谱标准分析程序一般采用较大的激发能量，以保证分析精度与检出限。对于细薄型试样，有可能由于激发点中心处严重侵蚀导致烧断或击穿；即使能够正常激发，激发过程中产生的大量热量也会引起试样温度显著升高。曝光阶段试样激发斑点的温度，直接影响组分挥发与谱线强度，进而影响分析结果。所以钢铁试样通常要求厚度大于2～3mm。

仪器制造商提供的小试样分析程序采用较低的激发能量，解决了试样发热严重及击穿的问题。但在应用过程中发现结果不稳定、偶尔激发不良。这是由于激发能量过低，预燃阶段试样表层剥蚀重现性差而致。

该程序也未提供氮的分析通道，不能适应含氮不锈钢的发展形势。氮是强奥氏体形成元素，可显著提高钢的强度，效果相当于30倍的贵重金属镍。奥氏体不锈钢和双相不锈钢的氮合金化是一个非常有前景的发展方向。然而，奥氏体不锈钢的冷加工成形和焊接对其抗腐蚀性能往往产生不利的影响，故也应严格控制氮含量。

在实际检测工作中，经常需要大、小试样交替分析。由于两种分析程序的仪器条件不同，不得不频繁更换激发台并同时调整激发间隙，后一步骤还特别容易遗忘。

本文改进了散热方法，并以激发条件的选择为重点开发新的小试样分析程序，用于不锈钢薄样化学成分的快速分析。

1.试验部分

(1)仪器与试剂

SPECTROMAXx LMM15火花源原子发射光谱仪（德国斯派克分析仪器公司）；

高纯氩（99．999%V/V，武汉钢铁集团氧气有限责任公司）；

GSB03-2028含钼、铜、铌、氮不锈钢系列光谱分析用标准样品（钢研纳克检测技术有限公司）；

散热块（纯铜，直径25mm，高10mm，自制）；

压块（不锈钢，直径70mm，高30mm，自制）。

(2)仪器工作条件

大试样程序，仪器制造商提供。主要参数：激发间距3．4mm；冲洗2s，预燃（508#-400Hz-15s），5段曝光（502#-400Hz-3s，501#-400Hz-3s，503#-400Hz-3s，510#-200Hz-3s，505#-400Hz-3s）。

小试样程序，本文开发。主要参数：激发间距3．4mm；冲洗2s，预燃（501#-400Hz-15s），曝光（501#-200Hz-7．5s）。

(3)试验样品

板材、带材截取合适大小，管材切开展平，试验前用砂布蘸洗衣粉去污并磨出新鲜表面（分析面）、水洗、热风吹干，冷至室温。

(4)试验方法

调用大试样分析程序或小试样分析程序，按以下操作步骤进行单点分析。

试样置于激发孔上，激发孔位置正上方放置纯铜散热块，其上再放置压块。启动单点分析，尽快以手掌压住压块，竖直向下施以压力，直至单点分析结束。

2.结果与讨论

(1)薄样的散热

① 散热方法的选择

薄样本身热容不足，必须采取散热措施予以降温，一般是在试样背面叠加具有良好导热性的散热块。比较各物质的导热系数（W/m·K）：钻石2300、碳化硅490、银427、铜401、金317、铝237、锌113、镍90、钢26～54，显然以铜作为散热材料最为合适。

试样与散热块的常用联接方式是压触式，即用大块金属直接压住薄片试样。选择压触式散热法是基于其在方便性上具有极大的优势。

最彻底的方式是焊接法，就是将试样与散热块用焊锡熔融粘接，散热效果毋庸置疑，理论上适用试样厚度仅受激发侵蚀深度的限制，实际上对于变形试样的适用性恐不如压触式。

由于仪器试样压头的压力不足，造成试样特别是变形试样与散热块贴合不良，若以人工施压代替压头施压则可以取得更好的效果。人工施压的压强远大于压头，散热块与试样的接触更加紧密，导热效果更好，曝光阶段试样温度更加一致；更大的压强使得变形试样更加平整，避免了激发间距的大幅变化。由于提高了激发条件（温度、间距）的一致性，分析数据的重现性得到了极大改善。

散热块上压块的作用是利于手掌施压。散热块不宜太大，以保证足够的压强；散热块应常在砂纸上磨出洁净表面，以免导热不良。

②散热效果

取不同厚度不锈钢试样，采取不同的温度控制措施，用大试样程序进行分析，观察试样分析面激发斑以及试样背面对应区域变色斑，结果列于表1。“保温”是指在散热块与试样之间加垫一层棉布。可以看出，散热激发适用于0．4mm试样。

表1 散热效果

(2)小试样程序的制定

①基本条件的选择

为避免更换激发台、调整激发间隙的繁琐手续及可能发生的差错，选择与大试样程序相同的激发台（激发孔Φ13mm）与激发间距（3．4mm）。

其他仪器条件按照规定，氩气：0．6MPa，“分析流量”；钨质对电极：Φ6mm，90°锥角。

考虑到来源易得性，选择块状标准样品绘制工作曲线。因此，以下激发条件的选择应该大小试样均能适用。

②激发条件的选择

为降低发热量，小试样程序一般采用较低能量的激发曲线、较低激发频率、较短激发时间。

根据效率原则，预燃时间宜在30s以内；考虑到准确度，曝光火花数宜在1000点以上。

对500#～508#及510#、511#、514#、517#、700#、800#等15种激发曲线进行的试验结果表明，506#、502#激发能量太低，预燃、曝光都不合适。507#、503#能量适中，适于一般小试样分析。501#在Fe149．7处有较高强度，且能量不致过高，适于含氮小试样的分析。其余激发曲线能量太强，特别是800#易出现功率过载、积分中断现象。

取不同厚度不锈钢试样，设置不同的预燃频率，散热激发，观察试样分析面激发斑以及试样背面对应区域变色斑，结果列于表1。可以看出，正常激发的试样厚度-预燃频率关系为：0．1mm试样50Hz，0．15mm试样100～200Hz，0．2mm以上试样400Hz；厚试样若激发频率太低，则激发不良。

经大量条件试验，新的小试样程序定为：预燃501#-400Hz-15s，曝光501#-200Hz-7．5s。

部分试验数据见表2、表3，谱线强度均为原始强度，激发能量以所有29条参比线强度的平均值计。

表2 不同激发曲线的激发能量

表3 不同厚度试样的激发效果

③参比谱线强度设置

在分析条件下激发纯铁试样，参比谱线原始强度取2～3位有效数字作为参比谱线标准强度（类型强度），见表4。

表4 参比谱线标准强度

④工作曲线的建立

每个元素的每条分析线至少定义两个谱线名称，以便根据不同含量范围分段校准。以成套标样为基础，加上其他标样（包括自制标样），分析完成后，进行工作曲线的回归。每条谱线试选不同参比线，综合考虑相关系数、干扰、检测限、稳定性，建立工作曲线。由于标样、试样类型的限制，谱线参数的设置不一定合理，干扰校正不一定全面、正确，应在积累大量实际工作经验后予以调整。表5列出了谱线参数与主要干扰的初步设置，大部分元素都是分段工作曲线，表中合并列出；检测限未经验证。

表5 谱线参数与主要干扰

(3)实际样品分析

取厚度为0．08～3．0mm的几种不锈钢或高合金试样，用不同方法进行分析，对照结果列于表6。其中，0．2mm以下小样预燃激发频率根据2．(2)．②的试验结果予以适当降低。厚度处于0．2～0．4mm之间的试样，散热激发条件下，大样程序分析结果仍有一定可靠性。

表6 不同厚度试样的分析结果

3.结论

采取“小直径铜散热块+大直径垫块+人工施压”的简便措施进行散热，可直接用大试样分析程序分析0．4mm以上不锈钢薄样。

制定的小试样分析程序，可用于分析0．1mm以上不锈钢薄样。采用与大试样程序相同的激发台与激发间距，免除了激发台的更换与调整；采用稍大的激发能量，兼顾了氮元素的分析。

[1]GB/T4336～2002,碳素钢和中低合金钢火花源原子发射光谱分析方法(常规法)[S]．

[2]GB/T11170～2008,不锈钢多元素含量的测定火花放电原子发射光谱法(常规法)[S]．

[3]余蓉．高氮不锈钢的开发进展[J]．世界钢铁,2010,(1):37～41．

[4]贾云海,苑鹏飞,张京成．冶金光电直读光谱分析的进展[J]．冶金分析,1999,19(04)：30～35．

[5]唐琼仙．火花源原子发射光谱法测定超薄钢板样品中的多元素[J]．昆钢科技,2010,(02):31～36+55．

(责任编辑：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"> 文献标识码：A

A

李晶（1984～)，女，武汉材料保护研究所；研究方向：分析检测。