鐵基合金中鋁元素的快速分析研究

劉　平　田　禾　孫金龍　黃明波

(1.北京航空材料研究院,北京100095；2. 北京普析通用儀器有限責(zé)任公司,北京 101200;

3.北京科隆宇技術(shù)發(fā)展有限責(zé)任公司,北京 100081)

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鐵基合金中鋁元素的快速分析研究

劉平1田禾2孫金龍2黃明波3

(1.北京航空材料研究院,北京100095；2. 北京普析通用儀器有限責(zé)任公司,北京 101200;

3.北京科隆宇技術(shù)發(fā)展有限責(zé)任公司,北京 100081)

摘要：使用快速元素分析儀對鐵基合金中鋁元素的發(fā)射光譜進(jìn)行了分析研究,結(jié)果表明可有效解決鐵基合金中鋁元素的現(xiàn)場快速分析問題。使用Al394.41nm譜線和Al396.15nm譜線作為分析譜線，可以實現(xiàn)鑄鐵及合金鋼中鋁元素的快速定性及定量分析。分析系統(tǒng)可記錄材料光譜，使現(xiàn)場快速分析具備可追溯性，為質(zhì)量控制提供保障。

關(guān)鍵詞：鋁發(fā)射光譜鐵基合金成分分析

鋁元素在許多高溫合金中是主要成分元素[1]，在其他鐵基合金中只有部分牌號含有鋁元素。由于鋁元素在鐵基合金中是金屬間化合物形成元素又是鐵素體形成元素，其含量對合金的力學(xué)性能和工藝性能影響較大，準(zhǔn)確快速測定鐵基合金中鋁元素含量對保證鐵合金整體性能非常重要。

鋁元素在近紫外光區(qū)域有兩條靈敏譜線Al394.41nm和Al396.15nm，利用電弧激發(fā)的發(fā)射光譜可以得到理想的檢出限，在現(xiàn)場快速分析設(shè)備中發(fā)射光譜技術(shù)檢測鋁元素的有效性遠(yuǎn)高于X-射線熒光等檢測手段。

但現(xiàn)有的現(xiàn)場快速分析設(shè)備主要為進(jìn)口設(shè)備，購置及使用成本較高，儀器條件也不適宜我國大部分生產(chǎn)現(xiàn)場。本實驗使用國內(nèi)新研制的利用發(fā)射光譜進(jìn)行檢測的現(xiàn)場快速元素分析設(shè)備，對鐵基合金中鋁元素進(jìn)行了分析研究，結(jié)果可以快速準(zhǔn)確的得到鐵基合金中鋁元素的含量。

1試驗部分

1.1儀器

LPX-15型快速元素分析儀(北京普析通用儀器有限公司)，光譜范圍：230nm～1000nm；光源：直流電弧，高頻交流電弧。儀器可即時記錄所測光譜全部數(shù)據(jù)，可輸出待測元素分析結(jié)果，光譜數(shù)據(jù)及譜圖。

1.2試樣和試驗條件

采用塊狀或棒狀光譜試樣，表面經(jīng)細(xì)砂紙打磨處理。

分析間隙為2mm；電弧電流為1A；預(yù)燃時間為5s；電極采用銅對電極。每張譜圖采樣時間500ms，每個試樣采樣20次。

2結(jié)果與討論

2.1鋁元素分析譜線組

光譜線波長表[2]中可以看到鋁是光譜線最少的元素之一,其發(fā)射光譜的強度集中在幾條光譜線上。在電弧激發(fā)條件下，鋁元素發(fā)射光譜強度最高的兩條譜線是Al396.15nm和Al394.41nm，鐵基合金中該譜線組在直流電弧激發(fā)條件下的實測光譜見圖1。

圖1　Al396.15nm譜線組測試譜圖

與電弧激發(fā)不同，在電感耦合等離子體發(fā)射光譜[3]中最強的譜線是Al309.27nm和Al309.28nm。Al396.15nm及Al394.41nm屬于次強譜線，其他次強譜線還有Al237.34nm和Al237.31nm等?？焖僭胤治鰞x由于色散分辨率較低，干擾因素需要重點考慮，Al309.27nm譜線組和Al237.34nm譜線組在儀器現(xiàn)有的分辨率下受到的干擾較為嚴(yán)重，快速元素分析儀選擇使用Al394.41nm和Al396.15nm作為分析譜線。

電感耦合等離子體發(fā)射光譜中的最強譜線Al309.27nm和Al309.28nm受到鎂、釩等元素的干擾，次強譜線Al237.34nm和Al237.31nm受到鉻、鐵、錳等元素的干擾?？焖僭胤治鰞x選用的Al396.15nm也 受到鈣、鈦、釩等元素干擾，在分析鈦、釩元素含量較高的樣品時需要進(jìn)行修正或用于輔助分析。

2.2定性分析

鋁元素在許多牌號合金鋼中為控制元素，要求其含量小于某一標(biāo)定值，一般該值在0.1%左右。Al394.41nm和Al396.15nm譜線在直流電弧激發(fā)條件下具有較高的靈敏度，圖2示出了鐵基合金在w(Al)量為0.331%時強度曲線，可以看到w(Al)量為0.331%時分析線具有較高的強度。進(jìn)行鋁元素含量控制及快速定性分析時，快速元素分析儀完全能夠勝任。

圖2　w(Al)量0.331%時強度曲線

2.3參比譜線

進(jìn)行鐵基合金快速分析時，可以選用鐵元素的譜線作為比較譜線[4]。比較譜線的強度要穩(wěn)定，受待測元素或其他元素干擾較小，峰形對稱性好。在實際測試數(shù)據(jù)中，譜線峰高要低于檢測器的截止值。

圖2中可以看到，在光譜上與分析譜線Al394.41nm和Al396.15nm相鄰的有兩條鐵元素譜線Fe396.93nm和Fe400.52nm，兩條鐵元素譜線的峰高適中，強度穩(wěn)定，較為適合作為比較譜線。

在使用Fe396.93nm譜線作為比較線時需注意試樣中鉻元素的含量，F(xiàn)e396.93nm譜線的長波端有一條鉻元素的譜線Cr396.97nm?？焖僭胤治鰞x由于現(xiàn)場分析對體積的要求，采用了較短焦距的色散裝置，光譜分辨率在0.1nm左右，無法對兩條譜線進(jìn)行有效分辨，在w(Cr)量達(dá)到1%以上時會對測試結(jié)果產(chǎn)生明顯干擾。圖3為采用光譜分辨率0.03nm的光譜分析裝置拍攝的w(Cr)量為17.97%時的Cr396.97nm譜圖，可以明顯的觀測到兩條分離的譜線。在分析w(Cr)量1%以上的試樣時，可以將Fe396.93nm作為輔助比較線使用，或者利用臨近的Cr396.37nm譜線對Fe396.93nm譜線強度進(jìn)行校正后再作為比較線使用。

圖3　Cr396.97nm譜線

2.4定量分析

選用Al394.41nm和Al396.15nm作為分析譜線，使用Fe396.93nm和Fe400.52nm作為比較譜線，利用標(biāo)準(zhǔn)樣品可以得到工作曲線。對于鐵基合金中鋁元素的實際測量值，利用工作曲線可以得到對應(yīng)的w(Al)量。

圖4為兩條分析譜線與兩條對比譜線相對應(yīng)得到的4條工作曲線。從4條工作曲線上可以看到，當(dāng)鐵基合金中w(Al)量超過0.4%時工作曲線呈現(xiàn)出較好的線性，4條曲線規(guī)律相同。w(Al)量低于0.4%時線性變差，實際測量時需要及時與標(biāo)樣進(jìn)行比對以保證結(jié)果的可靠。

圖4　工作曲線

圖4中使用Fe396.93nm作為比較譜線的兩條工作曲線在w(Al)量為1.04%的位置處明顯的偏低。其主要原因是w(Al)量為1.04%的標(biāo)準(zhǔn)樣品中含有3.00%的鉻元素。正如2.3中所討論的，鉻元素的存在使得Fe396.93nm譜線測試強度實際是Fe396.93nm譜線和Cr396.97nm譜線的強度和。和峰的強度明顯的大于比較譜線的實際強度，從而造成分析線與比較線的比值明顯偏低。

實際測試分析時，應(yīng)盡量使用Fe400.52nm譜線作為比較譜線。使用Fe396.93nm作為比較線時應(yīng)針對鉻元素的含量情況及時進(jìn)行相應(yīng)的修正。

3結(jié)語

新型快速元素分析儀可以有效的解決現(xiàn)場分析問題。

使用Al394.41nm和Al396.15nm作為分析譜線可以實現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場的快速牌號鑒別和定性分析。

利用Fe396.93nm和Fe400.52nm作為比較譜線，可以得到鐵基合金中鋁元素的工作曲線，實現(xiàn)精確的定量分析。

新型快速元素分析儀可以進(jìn)行數(shù)據(jù)及譜圖的輸出和記錄，能夠滿足現(xiàn)代質(zhì)量管理的需要。

參考文獻(xiàn)

[1] 《中國航空材料手冊》編輯委員會編.中國航空材料手冊[M].北京，中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001.

[2] 冶金工業(yè)部情報產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)研究所編譯.光譜線波長表[M].北京，中國工業(yè)出版社，1971.

[3] 錢國賢，黃鑫泉，孟廣政編譯.電感耦合等離子體發(fā)射光譜圖冊[M].中國光學(xué)學(xué)會光譜學(xué)會,1986.

[4] 劉平，龐曉輝，劉浩新.鐵基合金可見光譜特征及看譜分析研究[J].現(xiàn)代鑄鐵，2007，27(1)：72-76.

Rapid analysis of aluminum in ferroalloy.LiuPing1，TianHe2，SunJinlong2，HuangMingbo3

(1.BeijingInstituteofAeronauticalMaterials，Beijing100095，China；2.BeijingPurkinjeGeneralInstrumentCo.,Ltd.,Beijing101200，China；3.BeijingColonyu-TechCo.，Ltd.,Beijing100081,China)

Abstract:Rapid element analyzer can resolve the problomes of on-site analysis of aluminum in ferroalloy effectively. The analyzer makes the qualitative and quantitative analysis of aluminum in ferroalloy very convenient with Al394.41nm spectrum and Al396.15nm spectrum. The analyzer can record spectrum of material and provide relevant intensity data for all spectrum lines objectively.The analysis results can be traced，so the rapid element analyzer can satisfy the needs of quality assurance system.

Key words:aluminum; emission spectrum；ferroalloy；composition analysis

收稿日期：2015-04-20

DOI:10.3936/j.issn.1001-232x.2016.01.012

作者簡介：劉平，男，1961年出生，研究員，從事航空材料及性能研究工作，Email：lp9291@sina.com。