鋼鐵元素分析方法與樣品狀態(tài)適用性探討

廖雅倩

（山西省檢驗(yàn)檢測(cè)中心，山西 太原 030006）

化學(xué)成分作為鋼鐵研究的四要素（化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、合成加工、性能）之一，有著非常重要的作用。鋼鐵的化學(xué)成分是影響其各種性質(zhì)和性能的直接因素，所以，如何能準(zhǔn)確有效地分析鋼鐵化學(xué)成分的含量顯得尤為重要。在實(shí)驗(yàn)室分析中，遇到的鋼鐵樣品狀態(tài)各不相同，選擇與之適用的分析方法是保障分析結(jié)果科學(xué)準(zhǔn)確的重中之重。本文探討的鋼鐵元素分析方法與樣品狀態(tài)適用性對(duì)鋼鐵化學(xué)成分檢驗(yàn)分析具有指導(dǎo)意義，并且針對(duì)不同的鋼鐵產(chǎn)品在制修訂標(biāo)準(zhǔn)的過(guò)程中引用與之產(chǎn)品相適應(yīng)的元素分析方法標(biāo)準(zhǔn)提供建議和參考。

1 分析方法對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)及儀器設(shè)備

目前，鋼鐵元素主流的分析方法大致分為六種：鋼鐵元素溶解光度法、鋼鐵元素溶解滴定法、鋼鐵元素直讀光譜法、鋼鐵元素發(fā)射光譜法（ICP-AES）、鋼鐵元素紅外吸收法、鋼鐵元素熔融吸收法。這六種方法對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)各不相同，使用的儀器設(shè)備也不一樣，下表總結(jié)了鋼鐵元素分析方法所對(duì)應(yīng)的典型標(biāo)準(zhǔn)及其主要儀器設(shè)備情況，詳見(jiàn)表1.

表1 鋼鐵元素分析方法所對(duì)應(yīng)的典型標(biāo)準(zhǔn)及其主要儀器設(shè)備情況

2 分析方法與樣品狀態(tài)適用性探討

鋼鐵元素分析方法種類之多，對(duì)應(yīng)的檢測(cè)方法標(biāo)準(zhǔn)之繁，涉及的鋼鐵產(chǎn)品品類之廣，并且在鋼鐵元素實(shí)驗(yàn)室分析中，遇到的鋼鐵樣品狀態(tài)各不相同，選擇與之適用的分析方法是保障分析結(jié)果科學(xué)準(zhǔn)確的重中之重。在選擇分析方法的時(shí)候，不能盲目選擇，需要深入了解各種分析方法與樣品狀態(tài)的適用性。

2.1 鋼鐵元素溶解光度法

鋼鐵元素溶解光度法是將試樣以一定濃度、種類、比例的酸溶解，并用顯色劑將溶解液顯色，在特定波長(zhǎng)處進(jìn)行分光光度測(cè)定其吸光度，利用元素含量與吸光度有一定的正比例關(guān)系算出鋼鐵樣品的元素含量。

以GB/T 223.5-2008《鋼鐵酸溶硅和全硅含量的測(cè)定還原型硅鉬酸鹽分光光度法》舉例：該方法將試料以適宜比例的硫酸-硝酸或鹽酸-硝酸溶解，用碳酸鈉和硼酸混合熔劑熔融酸不溶殘?jiān)?，在弱酸性溶液中，硅酸與鉬酸鹽生成氧化型硅鉬酸鹽（硅鉬黃），增加硫酸濃度，加入草酸消除磷、砷、釩的干擾，以抗壞血酸選擇性還原，將硅鉬酸鹽還原成藍(lán)色的還原型硅鉬酸鹽（硅鉬藍(lán)），在波長(zhǎng)810nm處，對(duì)藍(lán)色的還原型硅鉬酸鹽進(jìn)行分光光度測(cè)定，最后計(jì)算其硅元素含量，此方法適用于鋼鐵中質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.010%～1.00%的硅含量測(cè)定。

此類方法需要用到大量試劑，對(duì)檢驗(yàn)人員有一定的身體危害，且廢液處理不當(dāng)容易造成污染；在溶解過(guò)程中要考慮排除干擾元素的影響，試樣中干擾元素含量過(guò)高，如：含鎢80 mg 以上、含鉭30 mg以上，并且不易消除者不適宜用此法；整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程復(fù)雜，要求檢驗(yàn)人員專業(yè)技術(shù)嫻熟；一次只能檢測(cè)一個(gè)元素，需要批量檢測(cè)時(shí)耗時(shí)耗力；方法適用的元素含量范圍窄，元素含量超出適用范圍的不能用此法。但該方法對(duì)樣品的形狀沒(méi)有過(guò)高要求，以樣品能制成屑狀為宜，試樣易獲得；該方法檢測(cè)的準(zhǔn)確度高，一般作為仲裁方法；該方法用到的設(shè)備簡(jiǎn)單，設(shè)備投入低。

2.2 鋼鐵元素溶解滴定法

鋼鐵元素溶解滴定法是將試樣以一定濃度、種類、比例的酸溶解，并用氧化試劑將溶解液中的待測(cè)元素氧化顯色，再用特定標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定待測(cè)液，利用元素含量與滴定所消耗的特定標(biāo)準(zhǔn)溶液體積成正比例關(guān)系計(jì)算出待測(cè)試樣的元素含量。

以GB/T 223.13-2000《鋼鐵及合金化學(xué)分析方法硫酸亞鐵銨滴定法測(cè)定釩含量》為例：用適當(dāng)酸溶解試料后，在硫酸-磷酸介質(zhì)中，于室溫用高錳酸鉀氧化釩，過(guò)量的高錳酸鉀以亞硝酸鈉還原，過(guò)量的亞硝酸鈉以尿素分解，以苯代鄰氨基苯甲酸為指示劑，用硫酸亞鐵銨標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定釩，計(jì)算釩元素含量，本方法適用于鋼鐵及合金中0.100%～3.50%釩含量的測(cè)定。

此類方法需要用到大量試劑，且個(gè)別元素的檢測(cè)會(huì)需要用到劇毒試劑，測(cè)元素釩顯色時(shí)需要用As2O3，該試劑劇毒，優(yōu)缺點(diǎn)和“鋼鐵元素溶解光度法”基本一樣。

2.3 鋼鐵元素直讀光譜法

鋼鐵元素直讀光譜法是將制備好的塊狀樣品在火花光源的作用下與對(duì)電極之間發(fā)生放電，在高溫和惰性氣氛中產(chǎn)生等離子體，被測(cè)元素的原子被激發(fā)時(shí)，電子在原子內(nèi)不同能級(jí)間躍遷，當(dāng)由高能級(jí)向低能級(jí)躍遷時(shí)產(chǎn)生特征譜線，測(cè)量選定的分析元素和內(nèi)標(biāo)元素特征譜線的光譜強(qiáng)度，根據(jù)樣品中被測(cè)元素譜線強(qiáng)度（或強(qiáng)度比）與濃度的關(guān)系，通過(guò)校準(zhǔn)曲線計(jì)算被測(cè)元素的含量。

該方法目前常用的標(biāo)準(zhǔn)有GB/T 4336 和GB/T 11170，適用范圍涵蓋了碳素鋼、中低合金鋼和不銹鋼，測(cè)定的元素種類均有19 種，各元素的測(cè)定范圍也比較寬，基本滿足產(chǎn)品的元素種類及含量檢測(cè)。對(duì)于鑄鐵產(chǎn)品的元素分析也能用此方法，只需要在檢測(cè)前將試樣的激發(fā)面白口化處理。

目前，鋼鐵元素分析常用此方法，操作簡(jiǎn)便，只需將試樣激發(fā)面用研磨機(jī)打磨后放于設(shè)備激發(fā)臺(tái)面啟動(dòng)程序分析即可；分析迅速，用時(shí)短，一次分析能同時(shí)出具所需檢測(cè)的元素含量；該方法不用任何化學(xué)試劑，屬于干法檢測(cè)，無(wú)任何污染。但是該方法設(shè)備投入較高，火花直讀光譜儀從幾十萬(wàn)到幾百萬(wàn)不等；在測(cè)定C、S 等非金屬元素時(shí)由于待測(cè)元素的分析波長(zhǎng)靠近光譜線色散最小邊緣，吸收效果不佳；分析樣品應(yīng)足夠覆蓋火花架激發(fā)孔徑，通常要求直徑大于16 mm，厚度大于2 mm，所以太小太薄或者異形找不到適合的激發(fā)面的樣品不能用此方法。

2.4 鋼鐵元素發(fā)射光譜法（ICP-AES）

鋼鐵元素發(fā)射光譜法是將試料用高濃度酸溶解，并稀釋至一定體積，將霧化溶液引入電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀，測(cè)定各元素分析線的發(fā)射光強(qiáng)度，計(jì)算各元素的發(fā)射光強(qiáng)度比，從而計(jì)算得出鋼鐵元素的含量。

目前電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀測(cè)定鋼鐵元素常用標(biāo)準(zhǔn)有GB/T 20125 和YB/T 4396.

該方法適用范圍廣，適用于碳素鋼、低合金鋼和不銹鋼，基本涵蓋鋼鐵大部分品種；測(cè)定的元素種類多，一次溶樣進(jìn)樣能測(cè)定多元素含量，有十幾種之多；制取試樣不受產(chǎn)品外形的影響，當(dāng)太小、太薄或者絲狀再或者異形的樣品不適用直讀光譜法檢測(cè)元素含量時(shí)可以用此方法檢測(cè)。但，該方法所用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀的設(shè)備投入較高，維護(hù)成本昂貴，耗材較貴；檢測(cè)分析過(guò)程中用到強(qiáng)酸，對(duì)檢驗(yàn)人員有一定的身體危害，廢液處理不當(dāng)容易造成污染。

2.5 鋼鐵元素紅外吸收法

鋼鐵元素紅外吸收法主要用于檢測(cè)鋼鐵中的碳和硫元素含量：在氧氣流中燃燒將碳轉(zhuǎn)化成一氧化碳和/或二氧化碳，利用氧氣流中二氧化碳和一氧化碳的紅外吸收光譜進(jìn)行測(cè)量碳元素含量；在氧氣流中燃燒將硫轉(zhuǎn)化成二氧化硫，利用氧氣流中二氧化硫的紅外吸收光譜進(jìn)行測(cè)量硫元素含量。

該方法操作簡(jiǎn)單，設(shè)備投入不高，耗材便宜；檢測(cè)的碳硫元素含量范圍廣；對(duì)樣品的形狀沒(méi)有過(guò)高要求，以樣品能制成屑狀為宜，試樣易獲得；紅外吸收檢測(cè)法的準(zhǔn)確度高，作為常規(guī)方法普遍采用。

2.6 鋼鐵元素熔融吸收法

鋼鐵元素熔融吸收法主要用于檢測(cè)鋼鐵中的氧、氮、氫元素含量：將一個(gè)已知重量的試樣放在石墨坩堝中，然后在電極爐中加熱釋放出分析氣體，用惰性氣體氦氣作為載氣帶動(dòng)試樣燃燒后釋放出來(lái)的分析氣體，流經(jīng)質(zhì)量流量控制器平穩(wěn)地進(jìn)入各個(gè)檢測(cè)池，最終得到氧、氮、氫元素含量的分析結(jié)果。

該方法操作簡(jiǎn)單，設(shè)備本身能實(shí)現(xiàn)一鍵式檢測(cè)；惰性氣體熔融吸收法的準(zhǔn)確度高，重現(xiàn)性好，設(shè)備檢出限低；對(duì)樣品的形狀沒(méi)有過(guò)高要求，以樣品能制成屑狀、粒狀、小圓柱狀為宜。但，該方法設(shè)備投入較高，維護(hù)成本昂貴，耗材較貴；制樣要求高，鋼鐵中氧、氮、氫含量本身不高，不易檢測(cè)，所以在制樣的過(guò)程中要確保不改變?cè)嚇又械难?、氮、氫含量?/p>

3 分析方法與樣品狀態(tài)適用性實(shí)例

下面列舉幾種特征樣品在檢測(cè)元素含量時(shí)對(duì)分析方法的選擇。比如，對(duì)于形狀比較復(fù)雜的鑄件樣品，一般不易找到適合直讀光譜法檢測(cè)所需的平面，并且在實(shí)驗(yàn)室中將鑄件白口化不好實(shí)現(xiàn)，所以一般采用溶解光度法和溶解滴定法；對(duì)于比較薄或細(xì)的不銹鋼產(chǎn)品，如不銹鋼勺、不銹鋼絲，采用直讀光譜法就不適宜，直讀光譜法對(duì)樣品尺寸有一定的要求，最基本的要求能覆蓋其火花口，顯然太細(xì)的不適宜，太薄的容易擊穿，所以像這類樣品適合用發(fā)射光譜法（ICP-AES）；當(dāng)樣品的碳硫含量較低，即碳含量低于0.03%，硫含量低于0.008%時(shí)，不適合用直讀光譜法，可以用紅外吸收法。

4 結(jié)束語(yǔ)

所有的鋼鐵元素分析方法都有其適用性和局限性，所以在選擇分析方法的時(shí)候要充分考慮樣品狀態(tài)的適用性，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備設(shè)施條件進(jìn)行元素分析實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，在制修定鋼鐵材料及其制品的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)時(shí)要充分考慮產(chǎn)品的外形及其內(nèi)在質(zhì)量狀態(tài)的特征，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定元素含量的試驗(yàn)方法應(yīng)充分考慮元素分析方法與樣品狀態(tài)的適用性，從而更好的指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行元素分析試驗(yàn)。