直讀光譜與電感耦合等離子體發(fā)射光譜測(cè)定不銹鋼中硅、錳、磷、鉻、鎳的方法比較

許丹，蔡寒梅，韓蔚，李曼，陳慧娟，劉麗娜，程紫輝

（1.中國國檢測(cè)試控股集團(tuán)股份有限公司，北京 100024；2.國標(biāo)（北京）檢驗(yàn)認(rèn)證有限公司，北京 100024）

0 前言

不銹鋼具有耐腐蝕、耐高溫、易清潔等特性，在日常生活中被廣泛應(yīng)用。不銹鋼是一種合金材料，其冶煉過程中因摻入一定比例的金屬元素而具有了更優(yōu)良的性能[1]。研究表明，不銹鋼中化學(xué)元素的含量對(duì)其性能有顯著影響。GB/T 20878-2007《不銹鋼和耐熱鋼 牌號(hào)及化學(xué)成分》[2]規(guī)定了不同牌號(hào)的不銹鋼的化學(xué)元素含量范圍。

目前，不銹鋼中化學(xué)含量檢測(cè)常用標(biāo)準(zhǔn)有GB/T 223系列、GB/T 11170-2008《不銹鋼多元素含量的測(cè)定 火花放電原子發(fā)射光譜法（常規(guī)法）》[3]和SN/T 2718-2010《不銹鋼化學(xué)成分測(cè)定 電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法》[4]。其中，手工化學(xué)法因不能同時(shí)對(duì)多個(gè)樣品進(jìn)行處理、對(duì)同一樣品的不同元素采取的處理方式不同、需使用管制化學(xué)藥品且產(chǎn)生大量廢液[5]等缺點(diǎn)被儀器檢測(cè)取代。直讀光譜法（OES）檢測(cè)不銹鋼中化學(xué)元素含量是最快速的檢測(cè)方式[5]，且對(duì)樣品的前處理簡單，儀器操作方便，能同時(shí)對(duì)多個(gè)元素進(jìn)行檢測(cè)，但不適用于形狀較小的不銹鋼樣品。電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法（ICP-OES）檢測(cè)不銹鋼中化學(xué)元素含量的前處理相對(duì)直讀光譜法復(fù)雜，但不受樣品形狀、大小影響，相對(duì)手工化學(xué)法具有前處理簡單、能同時(shí)對(duì)多個(gè)樣品進(jìn)行處理、同時(shí)對(duì)多個(gè)元素進(jìn)行檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，因此更能滿足當(dāng)前對(duì)不銹鋼中化學(xué)元素檢測(cè)的需求。

本文分別介紹電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀和火花放電直讀光譜儀來檢測(cè)不銹鋼中化學(xué)元素的方法，對(duì)結(jié)果進(jìn)行比較分析。

1 ICP-OES試驗(yàn)部分

1.1 儀器及試劑

電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(Agilent 5800)；分析天平(感量0.1mg)；純鐵（鋼研納克檢測(cè)技術(shù)有限公司）；混合標(biāo)準(zhǔn)溶液（鋼研納克檢測(cè)技術(shù)有限公司）；鹽酸（優(yōu)級(jí)純）；硝酸（優(yōu)級(jí)純）；去離子水(電阻率18MΩ·cm)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 樣品前處理

稱取試樣約0.1g（已制成碎屑狀），精確至0.0001g，置于塑料燒杯中，加入少量去離子水、8mL硝酸和8mL鹽酸，混勻，置于加熱板上于110℃溶解，待樣品完全溶解并冷卻后，移入250mL容量瓶中，混勻待測(cè)[3]。

1.2.2 空白樣品前處理

稱取純鐵約0.1g，精確至0.0001g，置于塑料燒杯中，加入少量去離子水、8mL硝酸和8mL鹽酸，混勻，置于加熱板上于110℃溶解，待樣品完全溶解并冷卻后，移入250mL容量瓶中，混勻待測(cè)。

1.2.3 配制標(biāo)準(zhǔn)溶液

1）鐵基體溶液：稱取純鐵約5.00g，精確至0.0001g，置于塑料燒杯中，加入少量去離子水、20mL硝酸和20mL鹽酸，混勻，置于加熱板上于110℃溶解，待樣品完全溶解并冷卻后，移入250mL容量瓶中，混勻。

2）硅、磷標(biāo)準(zhǔn)溶液系列溶度分別為0μg/mL、0.1μg/mL、0.5μg/mL、1μg/mL、5μg/mL、10μg/mL，其中分別加入2mL鐵基體溶液、3.2mL硝酸和3.2mL鹽酸并定容至100mL容量瓶中，混勻。

3）鉻、錳、鎳標(biāo)準(zhǔn)溶液系列溶度分別為0μg/mL、0.1μg/mL、0.5μg/mL、1μg/mL、5μg/mL、10μg/mL、25μg/mL、50μg/mL、100μg/mL，其中分別加入2mL鐵基體溶液、3.2mL硝酸和3.2mL鹽酸并定容至100mL容量瓶中，混勻。

1.2.4 儀器工作條件

讀取時(shí)間10s，RF功率1.15KW，觀察模式徑向，穩(wěn)定時(shí)間12s，提升延遲12s，霧化器流量0.75L/min，輔助氣流量1.00L/min，等離子體氣流量12.0L/min，觀察高度8mm，泵數(shù)12rpm。

1.2.5 標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制

在儀器最佳工作狀態(tài)下，將所配制不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行測(cè)定，由溶液的濃度和強(qiáng)度繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，計(jì)算相關(guān)系數(shù)R2和斜率K。結(jié)果見表1。

表1 元素曲線方程Tab.1 Element curve equation

1.2.6 樣品測(cè)試

儀器測(cè)定待測(cè)溶液中元素的強(qiáng)度，由標(biāo)準(zhǔn)曲線得出元素的濃度，計(jì)算得出樣品中元素含量。試驗(yàn)過程中樣品同時(shí)檢測(cè)，確保準(zhǔn)確性。

1.2.7 結(jié)果計(jì)算

計(jì)算見式（1）。

式中：

c為由工作曲線得出的元素濃度，μg/mL；

V為試樣溶液體積，mL；

m為試樣質(zhì)量，g；

W為元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

2 OES試驗(yàn)部分

2.1 儀器及試劑

光電火花直讀光譜儀（德國斯派克分析儀器公司）；氬氣凈化器；YSBC28311a-03、YSBS11379c-2012、YSBS11373c-2012、YSBS11378d-2021、YSBS11380c-2012、YSBS11378b-2011等不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)樣品（鋼研納克檢測(cè)技術(shù)有限公司）。

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 樣品前處理

將樣品激發(fā)面制成光滑平面，并保證激發(fā)表面平整、潔凈，無水和油脂。

2.2.2 儀器工作條件

氬氣純度＞99.995%；氬氣分壓0.5MPa。

2.2.3 儀器曲線校準(zhǔn)

直讀光譜曲線為內(nèi)置曲線，檢測(cè)前需對(duì)光室和曲線進(jìn)行校準(zhǔn)。先通過ical校正對(duì)光室進(jìn)行校準(zhǔn)，保證光強(qiáng)未產(chǎn)生較大變化，然后通過廠家配備標(biāo)準(zhǔn)樣塊進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化校正，保證曲線未產(chǎn)生較大偏移。

2.2.4 樣品測(cè)試

通過選取與待測(cè)樣品中化學(xué)元素含量相近的標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行類型標(biāo)準(zhǔn)化校正，優(yōu)化樣品中待測(cè)元素含量附近的曲線，類型標(biāo)準(zhǔn)化完成后對(duì)樣品進(jìn)行檢測(cè)，計(jì)算出樣品含量。

3 結(jié)果討論

3.1 數(shù)據(jù)分析

將同一樣品分別使用ICP法和OES法進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果見表2。由表2可知，兩種不同檢測(cè)方法對(duì)不銹鋼中硅、錳、磷、鉻、鎳的檢測(cè)結(jié)果良好，且在試驗(yàn)誤差內(nèi)。

表2 ICP-OES和OES結(jié)果比對(duì)（%）Tab.2 Comparison of ICP-OES and OES results (%)

3.2 優(yōu)缺點(diǎn)分析

1）ICP-OES法

其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)樣品形狀、大小沒有要求，能滿足任何尺寸鋼鐵樣品的測(cè)試，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣品的依賴較小，能對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣品中沒有的元素進(jìn)行檢測(cè)。缺點(diǎn)是前處理相對(duì)OES法復(fù)雜、繁瑣，不能測(cè)定不銹鋼中碳、硫的含量，抗干擾能力較差，氬氣消耗量較大。

2）OES法

其優(yōu)點(diǎn)是不需要對(duì)樣品進(jìn)行復(fù)雜的前處理，檢測(cè)速度快，操作簡單，能對(duì)不銹鋼中的大部分元素包括碳、硫等同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)。缺點(diǎn)是對(duì)樣品的形狀、大小要求較高，不能對(duì)較細(xì)、較小的樣品進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣品的依賴性較高，不能對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣品中沒有的元素進(jìn)行檢測(cè)。

4 結(jié)語

本文通過比較ICP-OES法和OES法發(fā)現(xiàn)，兩種方法對(duì)不銹鋼中硅、錳、磷、鉻、鎳的檢測(cè)結(jié)果無明顯差異。OES法的前處理更簡單、便捷，但對(duì)樣品的形狀要求較高，不能滿足對(duì)直徑過小的不銹鋼樣品的檢測(cè)需求，而ICP法對(duì)樣品形狀沒有要求，相對(duì)手工化學(xué)法具有前處理簡單、能同時(shí)檢測(cè)多種元素等優(yōu)點(diǎn)，更符合對(duì)不同形狀的鋼鐵檢測(cè)的需求。