ZG25Mn18Cr4光谱分析控制样品的研制

2021-12-31李传启唐道敏杨崇秀

广州化学 2021年6期

李传启，唐道敏，杨崇秀

（中国长江动力集团有限公司中试室，湖北武汉 430200）

ZG25Mn18Cr4高锰（铬）钢铸件与一般奥氏体高锰钢铸件[1-2]不同，它是发电机等常用的无磁性材料。锰与氧的亲和力较强，是冶熔炼的良好脱氧脱硫剂[3]，故该铸件熔体化学性质较活泼。以往炉前测试常用化学分析法，各元素分别测定，其钻样、称量困难，溶解、测试速度较慢；电感耦合等离子体发射光谱法能同时测定除碳硫外的多个元素，但也需要样品前处理[4-5]以及废液处理[6-7]，都越来越难满足炉前快速分析要求。火花放电原子发射光谱法（SDAES）能快速、准确、同步测定多元素[8]，但SDAES测试过于依赖匹配的控制样品。

20世纪80年代，国内曾生产了少量相似的、化学分析法用的屑状高锰（铬）钢标准样品，但迄今尚未研制相应SDAES用的块状标准样品和控制样品。本文以铸件的浇道为光谱分析控制样品的原料，经过机械加工、筛选，并通过硫印、低倍、超声波检测，以及SDAES评估其均匀性，国家标准化学分析方法或认定的分析方法定值，制成控制样品。已在实际生产中应用多年，结果令人满意。

1 实验

1.1 主要仪器与设备

GS1000光谱仪（德国OBLF公司）：参数见表1。

表1 GS1000光谱仪及工作参数

CZA-4B催化再生式气体净化机（中科普瑞）；CWY-Ⅱ-3KVA交流稳压器（广东铁塔）；CS-8800C型红外碳硫分析仪（无锡金义博）；721型分光光度计（上海精科）；J3G-400A砂轮切割机、GM-4光谱磨样机（济阳轻机）；CD6140A卧式车床（大连机床）。

1.2 棒料均匀性检验

改变光谱仪设置：输入密码，进入admin层级，在Settings中，选择Tasks，并选择Routine Analysis，再选定Average中的No automatic averaging，选择Print中的Analysis averages、Analysis single values、Statistics，并保存；也可在spark层级的Routine Analysis中，选择Settings进行相应设置。

测试：在Recalibration后，选择Analysis的Routine Analysis，分别在样块的两个端面，用Fe6 Mn Steel分析程序，连续均匀分布、有效激发11次。

1.3 定值试验方法

C、Si、Mn、P、S、Cr等元素含量的定值试验方法，执行GB/T223钢铁及合金化学分析方法或其他认定方法等[9]。

2 结果与讨论

2.1 棒料遴选

ZG25Mn18Cr4铸件一般以低碳钢回收料为基础，根据其熔体化学成分，添加铬铁、锰铁等，冶熔炼浇注成型。其化学成分和力学、磁性能应分别符合表1、表2的规定。

表2 ZG25Mn18Cr4铸件化学成分

表3 ZG25Mn18Cr4铸件力学及磁性能

专业机构一般采用电炉熔炼、铸棒挤压等工艺规模化生产标准样品，而本试验所需制作的控制样品数量少，因此，根据冶熔炼等加工过程、金相组织、化学成分相近原则，选用铸件浇道垂直段的中间部分[10]作原料，化学成分选择既遵循一般规律[11]，又结合该铸件自身特点：其C、Si、Mn、Cr等元素的含量，应尽可能在该材料相应元素含量范围的中值附近，而P、S含量应分别在0.02%、0.01%附近。

坯料先通过硫印、低倍检验，确定无偏析、缩孔、裂纹等缺陷，经过超声波检测，确定无裂纹、气孔、夹杂等内部缺陷，再车床加工，制成Φ38×40 mm圆柱形样品，剔除有缺陷的样品，选取外观较好的样品。

2.2 均匀性评估

SDAES测定的短期精密度与样品的均匀性、光谱仪、电源、分析条件等相关[12-14]。GS1000光谱仪采用脉冲放电光源（GDS，最高激发频率可达1 000 Hz），内置积分、控制电路于真空光室等，稳定性好。在调整光谱仪至最佳状态后的短时间里，其重复性主要取决于样品的均匀性。因此，可用判断样块端面各元素测定值有无“可疑值”的方法[15]，反过来分别评估棒料两个端面的均匀性；用判断两个端面相同元素测定值的标准偏差之间、平均值之间是否存在“显著性差异”的方法[15]，反过来评估棒料整体的均匀性。

用SDAES作棒料化学成分均匀性检验后，分别显示出两个端面的20多种元素的11次测定值、平均值、最大值、最小值、标准偏差、相对标准偏差。本试验主要讨论C、Si、Mn、P、S、Cr的分布状况。

端面均匀性：分别设每个元素11次测定值的最大值、最小值为可疑值，用格鲁布斯（Grubbs）法计算统计量T值，T值均必须不大于T0.05,11的查表值，才视为均匀。

整体均匀性：判定棒料的两个端面均匀后，再逐个比较同一元素在两个端面的两组测定数据，用F检验法计算统计量F值，F≤F表，证明两组数据的标准偏差没有显著性差异，再用t检验法的“两组平均值的比较”方法，计算统计量t值，t≤t0.10,20，证明两组数据的平均值不存在显著性差异。均必须F≤F表，t≤t0.10,20，才确认棒料整体均匀。