钢铁元素分析方法与样品状态适用性探讨

廖雅倩

（山西省检验检测中心，山西 太原 030006）

化学成分作为钢铁研究的四要素（化学成分、组织结构、合成加工、性能）之一，有着非常重要的作用。钢铁的化学成分是影响其各种性质和性能的直接因素，所以，如何能准确有效地分析钢铁化学成分的含量显得尤为重要。在实验室分析中，遇到的钢铁样品状态各不相同，选择与之适用的分析方法是保障分析结果科学准确的重中之重。本文探讨的钢铁元素分析方法与样品状态适用性对钢铁化学成分检验分析具有指导意义，并且针对不同的钢铁产品在制修订标准的过程中引用与之产品相适应的元素分析方法标准提供建议和参考。

1 分析方法对应标准及仪器设备

目前，钢铁元素主流的分析方法大致分为六种：钢铁元素溶解光度法、钢铁元素溶解滴定法、钢铁元素直读光谱法、钢铁元素发射光谱法（ICP-AES）、钢铁元素红外吸收法、钢铁元素熔融吸收法。这六种方法对应的标准各不相同，使用的仪器设备也不一样，下表总结了钢铁元素分析方法所对应的典型标准及其主要仪器设备情况，详见表1.

表1 钢铁元素分析方法所对应的典型标准及其主要仪器设备情况

2 分析方法与样品状态适用性探讨

钢铁元素分析方法种类之多，对应的检测方法标准之繁，涉及的钢铁产品品类之广，并且在钢铁元素实验室分析中，遇到的钢铁样品状态各不相同，选择与之适用的分析方法是保障分析结果科学准确的重中之重。在选择分析方法的时候，不能盲目选择，需要深入了解各种分析方法与样品状态的适用性。

2.1 钢铁元素溶解光度法

钢铁元素溶解光度法是将试样以一定浓度、种类、比例的酸溶解，并用显色剂将溶解液显色，在特定波长处进行分光光度测定其吸光度，利用元素含量与吸光度有一定的正比例关系算出钢铁样品的元素含量。

以GB/T 223.5-2008《钢铁酸溶硅和全硅含量的测定还原型硅钼酸盐分光光度法》举例：该方法将试料以适宜比例的硫酸-硝酸或盐酸-硝酸溶解，用碳酸钠和硼酸混合熔剂熔融酸不溶残渣，在弱酸性溶液中，硅酸与钼酸盐生成氧化型硅钼酸盐（硅钼黄），增加硫酸浓度，加入草酸消除磷、砷、钒的干扰，以抗坏血酸选择性还原，将硅钼酸盐还原成蓝色的还原型硅钼酸盐（硅钼蓝），在波长810nm处，对蓝色的还原型硅钼酸盐进行分光光度测定，最后计算其硅元素含量，此方法适用于钢铁中质量分数为0.010%～1.00%的硅含量测定。

此类方法需要用到大量试剂，对检验人员有一定的身体危害，且废液处理不当容易造成污染；在溶解过程中要考虑排除干扰元素的影响，试样中干扰元素含量过高，如：含钨80 mg 以上、含钽30 mg以上，并且不易消除者不适宜用此法；整个试验过程复杂，要求检验人员专业技术娴熟；一次只能检测一个元素，需要批量检测时耗时耗力；方法适用的元素含量范围窄，元素含量超出适用范围的不能用此法。但该方法对样品的形状没有过高要求，以样品能制成屑状为宜，试样易获得；该方法检测的准确度高，一般作为仲裁方法；该方法用到的设备简单，设备投入低。

2.2 钢铁元素溶解滴定法

钢铁元素溶解滴定法是将试样以一定浓度、种类、比例的酸溶解，并用氧化试剂将溶解液中的待测元素氧化显色，再用特定标准溶液滴定待测液，利用元素含量与滴定所消耗的特定标准溶液体积成正比例关系计算出待测试样的元素含量。

以GB/T 223.13-2000《钢铁及合金化学分析方法硫酸亚铁铵滴定法测定钒含量》为例：用适当酸溶解试料后，在硫酸-磷酸介质中，于室温用高锰酸钾氧化钒，过量的高锰酸钾以亚硝酸钠还原，过量的亚硝酸钠以尿素分解，以苯代邻氨基苯甲酸为指示剂，用硫酸亚铁铵标准溶液滴定钒，计算钒元素含量，本方法适用于钢铁及合金中0.100%～3.50%钒含量的测定。

此类方法需要用到大量试剂，且个别元素的检测会需要用到剧毒试剂，测元素钒显色时需要用As2O3，该试剂剧毒，优缺点和“钢铁元素溶解光度法”基本一样。

2.3 钢铁元素直读光谱法

钢铁元素直读光谱法是将制备好的块状样品在火花光源的作用下与对电极之间发生放电，在高温和惰性气氛中产生等离子体，被测元素的原子被激发时，电子在原子内不同能级间跃迁，当由高能级向低能级跃迁时产生特征谱线，测量选定的分析元素和内标元素特征谱线的光谱强度，根据样品中被测元素谱线强度（或强度比）与浓度的关系，通过校准曲线计算被测元素的含量。

该方法目前常用的标准有GB/T 4336 和GB/T 11170，适用范围涵盖了碳素钢、中低合金钢和不锈钢，测定的元素种类均有19 种，各元素的测定范围也比较宽，基本满足产品的元素种类及含量检测。对于铸铁产品的元素分析也能用此方法，只需要在检测前将试样的激发面白口化处理。

目前，钢铁元素分析常用此方法，操作简便，只需将试样激发面用研磨机打磨后放于设备激发台面启动程序分析即可；分析迅速，用时短，一次分析能同时出具所需检测的元素含量；该方法不用任何化学试剂，属于干法检测，无任何污染。但是该方法设备投入较高，火花直读光谱仪从几十万到几百万不等；在测定C、S 等非金属元素时由于待测元素的分析波长靠近光谱线色散最小边缘，吸收效果不佳；分析样品应足够覆盖火花架激发孔径，通常要求直径大于16 mm，厚度大于2 mm，所以太小太薄或者异形找不到适合的激发面的样品不能用此方法。

2.4 钢铁元素发射光谱法（ICP-AES）

钢铁元素发射光谱法是将试料用高浓度酸溶解，并稀释至一定体积，将雾化溶液引入电感耦合等离子体发射光谱仪，测定各元素分析线的发射光强度，计算各元素的发射光强度比，从而计算得出钢铁元素的含量。

目前电感耦合等离子体发射光谱仪测定钢铁元素常用标准有GB/T 20125 和YB/T 4396.

该方法适用范围广，适用于碳素钢、低合金钢和不锈钢，基本涵盖钢铁大部分品种；测定的元素种类多，一次溶样进样能测定多元素含量，有十几种之多；制取试样不受产品外形的影响，当太小、太薄或者丝状再或者异形的样品不适用直读光谱法检测元素含量时可以用此方法检测。但，该方法所用电感耦合等离子体发射光谱仪的设备投入较高，维护成本昂贵，耗材较贵；检测分析过程中用到强酸，对检验人员有一定的身体危害，废液处理不当容易造成污染。

2.5 钢铁元素红外吸收法

钢铁元素红外吸收法主要用于检测钢铁中的碳和硫元素含量：在氧气流中燃烧将碳转化成一氧化碳和/或二氧化碳，利用氧气流中二氧化碳和一氧化碳的红外吸收光谱进行测量碳元素含量；在氧气流中燃烧将硫转化成二氧化硫，利用氧气流中二氧化硫的红外吸收光谱进行测量硫元素含量。

该方法操作简单，设备投入不高，耗材便宜；检测的碳硫元素含量范围广；对样品的形状没有过高要求，以样品能制成屑状为宜，试样易获得；红外吸收检测法的准确度高，作为常规方法普遍采用。

2.6 钢铁元素熔融吸收法

钢铁元素熔融吸收法主要用于检测钢铁中的氧、氮、氢元素含量：将一个已知重量的试样放在石墨坩埚中，然后在电极炉中加热释放出分析气体，用惰性气体氦气作为载气带动试样燃烧后释放出来的分析气体，流经质量流量控制器平稳地进入各个检测池，最终得到氧、氮、氢元素含量的分析结果。

该方法操作简单，设备本身能实现一键式检测；惰性气体熔融吸收法的准确度高，重现性好，设备检出限低；对样品的形状没有过高要求，以样品能制成屑状、粒状、小圆柱状为宜。但，该方法设备投入较高，维护成本昂贵，耗材较贵；制样要求高，钢铁中氧、氮、氢含量本身不高，不易检测，所以在制样的过程中要确保不改变试样中的氧、氮、氢含量。

3 分析方法与样品状态适用性实例

下面列举几种特征样品在检测元素含量时对分析方法的选择。比如，对于形状比较复杂的铸件样品，一般不易找到适合直读光谱法检测所需的平面，并且在实验室中将铸件白口化不好实现，所以一般采用溶解光度法和溶解滴定法；对于比较薄或细的不锈钢产品，如不锈钢勺、不锈钢丝，采用直读光谱法就不适宜，直读光谱法对样品尺寸有一定的要求，最基本的要求能覆盖其火花口，显然太细的不适宜，太薄的容易击穿，所以像这类样品适合用发射光谱法（ICP-AES）；当样品的碳硫含量较低，即碳含量低于0.03%，硫含量低于0.008%时，不适合用直读光谱法，可以用红外吸收法。

4 结束语

所有的钢铁元素分析方法都有其适用性和局限性，所以在选择分析方法的时候要充分考虑样品状态的适用性，并结合实验室的设备设施条件进行元素分析实验。同时，在制修定钢铁材料及其制品的产品标准时要充分考虑产品的外形及其内在质量状态的特征，标准中规定元素含量的试验方法应充分考虑元素分析方法与样品状态的适用性，从而更好的指导实验室进行元素分析试验。