不锈钢中多元素光电光谱测定研究

吴 伟 刘景梅 金 军 胡玉梅

(中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司 江苏 常州 213011)

0 前言

随着轨道交通产业的快速、健康发展，通过新技术、新材料、新工艺、新工法和新设备生产出来的批量新产品的质量，需要通过快速、高精检验检测方法来判定其质量是否符合轨道交通使用要求。光电光谱分析法具有灵敏度高,分析速度快,适用范围广,分析费用低,可同时测定多种元素等特点,在轨道交通产品的成分分析、结构分析、科学研究中得到广泛应用。中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司引进的日本岛津PDA-7000型光电直读光谱仪在生产中发挥了重要作用,但随着产品的更新换代，尤其是近几年来产品的种类增多，原有狭隘的不锈钢钢种制定分析方法已不能适应日常分析的要求。为此，通过收集各类不锈钢标样和试样，对其中C、Si、Mn、P、S、Cu、Ni、Cr、Mo、Ti、Al等元素进行了试验研究，制定了不锈钢光谱定量分析方法，满足了日常分析的要求。

1 试验部分

1.1 试样制备

试样制备质量好坏直接影响分析结果,要求试样中被测元素成分均匀。冶炼过程取样，每一勺不锈钢水注入样品模具中，应保证铸造样品均匀，无缩孔和裂纹;成品取样，应从成品中均匀部位取得。从模具中取样，一般在高度方向的下端1/3处取得。未经切割的样品，其表面必须去掉1.5 mm的厚度。磨样应当有纹路,磨制好的样品温度应不超过40 ℃,以不烫手为宜。

1.2 仪器分析条件

氩气压力：0.35～0.4 MPa；环境温度：(23±5)℃；环境湿度：小于70%；波长范围: 121～589 nm; 刻划光栅: 2 400条/mm;电极及间距: 钨电极,电极间距5 mm;分析参数: 冲洗2 s,预燃10 s,积分5 s;测定强度: 相对。分析元素、分析线、内参比线如表1所示。

表1 分析元素﹑分析线﹑内参比线 /nm

1.3 各元素的校准曲线

收集各类不锈钢试样，用化学分析法定值，成分如表2所示。

标准样品由抚顺钢厂和上海钢铁研究所生产。标准样品中元素含量范围如表3所示。

表2 化学分析法定值的成分 /%

表3 不锈钢标准样品中的元素含量范围 /%

在设定流量的纯氩气中,为避免样品冶金状态变化给分析带来的影响，将制备好的不锈钢试样(见表2)与不锈钢标准样品(见表3)一起放到火花架上,利用制定好的分析参数,以铁元素为内标,在PDA-7000型光谱仪上依次连续激发收集元素谱线的相对光强度,并对谱线进行干扰校正和基体校正,作出每一个元素的整体校正曲线[1],选取曲线斜率高,相关系数大的校正曲线,存入计算机。

表4为各分析元素的校正曲线系数。其中校正曲线是根据下列模型运用最小二乘法拟合而成。

(1)

式中：CR为被测元素的含量；IR为元素谱线相对光强值；A,B,C,D为校正曲线系数。

表4 分析元素校正曲线系数

(2)

R=标样的化学含量-计算含量

1.4 曲线校正

1.4.1工作曲线的校正[2]

经过一段时间后，光电光谱法的工作曲线会变动。例如: 仪器工作环境(温度、湿度)的变动、更换氩气的纯度不同、氩气压力的高低(流量的大小)、透镜的污染、电子系统的老化、样品加工面的不同等均能使曲线发生变化。为了使用曲线进行分析,必须将曲线恢复到原来的位置，为此对工作曲线进行标准化。

1.4.2控样校正

由于试样和标样的冶金过程和物理状态有差异，为避免样品冶金状态变化给分析带来的影响，用一个与试样的冶炼过程和物理状态相一致的样品作为控样，用于控制试样的分析结果。

1.4.3曲线的诱导含量校正

光电光谱定量分析要求标样与试样中内标元素的含量相近,由于本试验测定不同种类的不锈钢,基体元素铁含量波动较大,为避免试样和标样之间的基体不一致而产生的系统误差,在试验中采用了诱导含量校正法对分析结果进行校正,以确保分析结果准确、可靠。

2 结果讨论

2.1 精密度试验

选取一块均匀的不锈钢标样, 进行精密度试验, 得出的分析精度结果如表5所示。从表5可以看出, 连续测定 11次, 每个元素的精密度较好, 元素分析结果的相对标准偏差小于 5%。

(3)

2.2 准确度试验

对8个不同含量的标准样品测定 11 次取平均值, 进行准确度试验, 测定结果如表6所示。从表 6可以看出, 各标样的测定值与标准值吻合较好, 满足国家标准允许差要求。

表5 方法精密度 /%

表6 方法准确度 /%

3 结论

本方法精密度和准确度均较好,同时也对表2的不锈钢产品试样进行了分析且与化学分析值作了比较,结果吻合较好，该方法能满足日常分析要求。近半年来，利用该方法对公司轨道交通产品的检测进行了比对试验(与ICP6300光谱法、CS800碳硫分析仪检测结果)及统计分析，发现两者数据高度吻合，大大缩短了中控以及终检周期，值得在同行业中推广。