直读光谱与电感耦合等离子体发射光谱测定不锈钢中硅、锰、磷、铬、镍的方法比较

许丹，蔡寒梅，韩蔚，李曼，陈慧娟，刘丽娜，程紫辉

（1.中国国检测试控股集团股份有限公司，北京 100024；2.国标（北京）检验认证有限公司，北京 100024）

0 前言

不锈钢具有耐腐蚀、耐高温、易清洁等特性，在日常生活中被广泛应用。不锈钢是一种合金材料，其冶炼过程中因掺入一定比例的金属元素而具有了更优良的性能[1]。研究表明，不锈钢中化学元素的含量对其性能有显著影响。GB/T 20878-2007《不锈钢和耐热钢 牌号及化学成分》[2]规定了不同牌号的不锈钢的化学元素含量范围。

目前，不锈钢中化学含量检测常用标准有GB/T 223系列、GB/T 11170-2008《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）》[3]和SN/T 2718-2010《不锈钢化学成分测定 电感耦合等离子体原子发射光谱法》[4]。其中，手工化学法因不能同时对多个样品进行处理、对同一样品的不同元素采取的处理方式不同、需使用管制化学药品且产生大量废液[5]等缺点被仪器检测取代。直读光谱法（OES）检测不锈钢中化学元素含量是最快速的检测方式[5]，且对样品的前处理简单，仪器操作方便，能同时对多个元素进行检测，但不适用于形状较小的不锈钢样品。电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-OES）检测不锈钢中化学元素含量的前处理相对直读光谱法复杂，但不受样品形状、大小影响，相对手工化学法具有前处理简单、能同时对多个样品进行处理、同时对多个元素进行检测的优点，因此更能满足当前对不锈钢中化学元素检测的需求。

本文分别介绍电感耦合等离子体原子发射光谱仪和火花放电直读光谱仪来检测不锈钢中化学元素的方法，对结果进行比较分析。

1 ICP-OES试验部分

1.1 仪器及试剂

电感耦合等离子体发射光谱仪(Agilent 5800)；分析天平(感量0.1mg)；纯铁（钢研纳克检测技术有限公司）；混合标准溶液（钢研纳克检测技术有限公司）；盐酸（优级纯）；硝酸（优级纯）；去离子水(电阻率18MΩ·cm)。

1.2 试验方法

1.2.1 样品前处理

称取试样约0.1g（已制成碎屑状），精确至0.0001g，置于塑料烧杯中，加入少量去离子水、8mL硝酸和8mL盐酸，混匀，置于加热板上于110℃溶解，待样品完全溶解并冷却后，移入250mL容量瓶中，混匀待测[3]。

1.2.2 空白样品前处理

称取纯铁约0.1g，精确至0.0001g，置于塑料烧杯中，加入少量去离子水、8mL硝酸和8mL盐酸，混匀，置于加热板上于110℃溶解，待样品完全溶解并冷却后，移入250mL容量瓶中，混匀待测。

1.2.3 配制标准溶液

1）铁基体溶液：称取纯铁约5.00g，精确至0.0001g，置于塑料烧杯中，加入少量去离子水、20mL硝酸和20mL盐酸，混匀，置于加热板上于110℃溶解，待样品完全溶解并冷却后，移入250mL容量瓶中，混匀。

2）硅、磷标准溶液系列溶度分别为0μg/mL、0.1μg/mL、0.5μg/mL、1μg/mL、5μg/mL、10μg/mL，其中分别加入2mL铁基体溶液、3.2mL硝酸和3.2mL盐酸并定容至100mL容量瓶中，混匀。

3）铬、锰、镍标准溶液系列溶度分别为0μg/mL、0.1μg/mL、0.5μg/mL、1μg/mL、5μg/mL、10μg/mL、25μg/mL、50μg/mL、100μg/mL，其中分别加入2mL铁基体溶液、3.2mL硝酸和3.2mL盐酸并定容至100mL容量瓶中，混匀。

1.2.4 仪器工作条件

读取时间10s，RF功率1.15KW，观察模式径向，稳定时间12s，提升延迟12s，雾化器流量0.75L/min，辅助气流量1.00L/min，等离子体气流量12.0L/min，观察高度8mm，泵数12rpm。

1.2.5 标准曲线绘制

在仪器最佳工作状态下，将所配制不同浓度的标准溶液进行测定，由溶液的浓度和强度绘制标准曲线，计算相关系数R2和斜率K。结果见表1。

表1 元素曲线方程Tab.1 Element curve equation

1.2.6 样品测试

仪器测定待测溶液中元素的强度，由标准曲线得出元素的浓度，计算得出样品中元素含量。试验过程中样品同时检测，确保准确性。

1.2.7 结果计算

计算见式（1）。

式中：

c为由工作曲线得出的元素浓度，μg/mL；

V为试样溶液体积，mL；

m为试样质量，g；

W为元素质量分数，%。

2 OES试验部分

2.1 仪器及试剂

光电火花直读光谱仪（德国斯派克分析仪器公司）；氩气净化器；YSBC28311a-03、YSBS11379c-2012、YSBS11373c-2012、YSBS11378d-2021、YSBS11380c-2012、YSBS11378b-2011等不锈钢标准样品（钢研纳克检测技术有限公司）。

2.2 试验方法

2.2.1 样品前处理

将样品激发面制成光滑平面，并保证激发表面平整、洁净，无水和油脂。

2.2.2 仪器工作条件

氩气纯度＞99.995%；氩气分压0.5MPa。

2.2.3 仪器曲线校准

直读光谱曲线为内置曲线，检测前需对光室和曲线进行校准。先通过ical校正对光室进行校准，保证光强未产生较大变化，然后通过厂家配备标准样块进行标准化校正，保证曲线未产生较大偏移。

2.2.4 样品测试

通过选取与待测样品中化学元素含量相近的标准样品进行类型标准化校正，优化样品中待测元素含量附近的曲线，类型标准化完成后对样品进行检测，计算出样品含量。

3 结果讨论

3.1 数据分析

将同一样品分别使用ICP法和OES法进行测定，结果见表2。由表2可知，两种不同检测方法对不锈钢中硅、锰、磷、铬、镍的检测结果良好，且在试验误差内。

表2 ICP-OES和OES结果比对（%）Tab.2 Comparison of ICP-OES and OES results (%)

3.2 优缺点分析

1）ICP-OES法

其优点是对样品形状、大小没有要求，能满足任何尺寸钢铁样品的测试，对标准样品的依赖较小，能对标准样品中没有的元素进行检测。缺点是前处理相对OES法复杂、繁琐，不能测定不锈钢中碳、硫的含量，抗干扰能力较差，氩气消耗量较大。

2）OES法

其优点是不需要对样品进行复杂的前处理，检测速度快，操作简单，能对不锈钢中的大部分元素包括碳、硫等同时进行检测。缺点是对样品的形状、大小要求较高，不能对较细、较小的样品进行检测，对标准样品的依赖性较高，不能对标准样品中没有的元素进行检测。

4 结语

本文通过比较ICP-OES法和OES法发现，两种方法对不锈钢中硅、锰、磷、铬、镍的检测结果无明显差异。OES法的前处理更简单、便捷，但对样品的形状要求较高，不能满足对直径过小的不锈钢样品的检测需求，而ICP法对样品形状没有要求，相对手工化学法具有前处理简单、能同时检测多种元素等优点，更符合对不同形状的钢铁检测的需求。