鋼中微量氮元素含量?jī)煞N檢驗(yàn)方法比較

李海嘯

忻州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試所 國(guó)家法蘭鍛件產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，山西忻州 034000

雜質(zhì)氮在鋼中是在鋼材冶煉和加工過(guò)程中殘留于鋼中，會(huì)對(duì)鋼材產(chǎn)生不利影響，使其韌性降低，容易產(chǎn)生蘭脆現(xiàn)象，在一定情況下，氮元素也作為一種重要的合金元素從中間合金或以滲入的方式加入。氮化物對(duì)鋼的組織和性能有極重要的影響。氮化物可以細(xì)化奧氏體晶粒和彌散強(qiáng)化以提高鋼的強(qiáng)度和韌性。綜上所述，檢測(cè)鋼中氮元素含量，提供技術(shù)參數(shù)指導(dǎo)十分必要。

通常鋼鐵中氮元素的測(cè)定方法有2種：一是惰性氣體熔融熱導(dǎo)法，二是直讀光譜法。2種方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)，在不同的情況下選擇適合的方法。惰性氣體熔融熱導(dǎo)法檢驗(yàn)設(shè)備為鋼研納克ONH-3000氧氮?dú)浞治鰞x，直讀光譜法檢驗(yàn)設(shè)備為SPECTRO Max06直讀光譜儀。

1 檢驗(yàn)原理不同

惰性氣體熔融熱導(dǎo)法適用于鋼中全范圍氮的測(cè)定，試樣在惰性氣流中熔融，高溫下以N2形式從金屬中脫離出來(lái)，由惰性載氣送入熱導(dǎo)池中，測(cè)量熱導(dǎo)率的變化，從而測(cè)出N元素的含量，反應(yīng)過(guò)程如下：

式中：＜＞中物質(zhì)為固態(tài)，{}中物質(zhì)為液態(tài)，（）中物質(zhì)為氣態(tài)，[]中物質(zhì)溶解于浴中。

直讀光譜法根據(jù)ASTM E415-2017規(guī)定，激發(fā)樣品放電，電子在不同能級(jí)發(fā)生躍遷，躍遷時(shí)產(chǎn)生特征譜線，測(cè)量特定譜線N149.263的光譜強(qiáng)度，根據(jù)被測(cè)元素含量與光譜強(qiáng)度的關(guān)系，測(cè)出N的含量。

2 檢測(cè)范圍不同

根據(jù)GB/T 20124-2006/ISO 15351∶1999，惰性氣體熔融熱導(dǎo)法檢測(cè)鋼鐵中氮元素的范圍為0.002%～0.6%。根據(jù)ASTM E415-2017氮元素的定量范圍為0.01%～0.055%，通過(guò)比較，惰性氣體熔融熱導(dǎo)法檢測(cè)鋼鐵中氮元素范圍更廣，檢出限更低，更精確，在檢測(cè)N元素出現(xiàn)爭(zhēng)議時(shí)，惰性氣體熔融熱導(dǎo)法可信度更高。

3 制樣不同

惰性氣體熔融熱導(dǎo)法的制樣一般先由鋸切方式切下試塊，再由車床車成長(zhǎng)度為4～6mm的Φ5的圓棒，試樣試驗(yàn)前必須用酒精清除試樣表面的油污。試樣圓棒表面應(yīng)光滑，不能有氧化皮及污物，也可用銼刀或其他打磨工具去除毛刺。直讀光譜法的制樣一般取試塊，試樣分析面一般用光譜磨樣機(jī)或砂輪磨平，試樣分析面不能有缺陷，如砂眼或裂紋。打磨出的紋路需要順同一方向，且不能有燒灼的痕跡，影響檢測(cè)準(zhǔn)確度。試樣分析面直徑至少為20mm，以保證足夠覆蓋直讀光譜儀激發(fā)臺(tái)的激發(fā)孔，使激發(fā)室不漏氣，并且試樣厚度至少為5mm，確保試樣不被電火花擊穿。激發(fā)面不平會(huì)造成漏氣漏光，進(jìn)而影響氮元素的分析值，參考度降低。

4 標(biāo)樣校準(zhǔn)

2種方法都需要根據(jù)N元素含量選擇合適的標(biāo)準(zhǔn)樣品來(lái)校準(zhǔn)儀器，一般選擇氮元素含量范圍相近或者數(shù)量級(jí)相同的標(biāo)準(zhǔn)樣品校準(zhǔn)會(huì)使工作曲線線性良好，檢測(cè)更準(zhǔn)確，使儀器達(dá)到最佳狀態(tài)保證檢測(cè)穩(wěn)定準(zhǔn)確，使不確定度控制在合理范圍內(nèi)。直讀光譜法采用標(biāo)樣2點(diǎn)校正法類型標(biāo)準(zhǔn)化。每次分析前都需要類型標(biāo)準(zhǔn)化，滿足檢測(cè)要求。

5 氣氛條件

直讀光譜儀需要在氬氣保護(hù)下檢測(cè)，氬氣價(jià)格低廉，尤其是檢測(cè)N元素時(shí)，需要保證設(shè)備氬氣沖洗排凈火花室中空氣，一般需要在氬氣瓶和直讀光譜儀之間連接氬氣凈化機(jī)，壓力達(dá)到0.6MPa，使氬氣純度≥99.99%，除去空氣中氮?dú)鈱?duì)檢測(cè)氮元素的影響，分析結(jié)果的偏差較小，氧氮?dú)浞治鰞x測(cè)N元素時(shí)需要氦氣做載氣，工業(yè)純氮?dú)庾鳛閯?dòng)力氣，成本更高。

6 檢測(cè)時(shí)間

打開(kāi)直讀光譜儀光源開(kāi)關(guān)，氬氣沖洗5min即可直接測(cè)量。直讀光譜儀預(yù)燃時(shí)間和積分時(shí)間合起來(lái)30s左右，快速直接簡(jiǎn)單，而惰性氣體熔融熱導(dǎo)法檢驗(yàn)需要氧氮?dú)浞治鰞x預(yù)熱至少2h，檢驗(yàn)周期更長(zhǎng)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，影響生產(chǎn)。

7 準(zhǔn)確度測(cè)試

取5塊F304試塊，分別編號(hào)，用2種方法測(cè)其氮元素含量，作對(duì)比。測(cè)量氮元素結(jié)果如表1所示。

表1 測(cè)量氮元素結(jié)果

通過(guò)兩種方法檢測(cè)可以看出差值不大，差值都小于0.00020，結(jié)果一致性良好。

8 結(jié)語(yǔ)

（1）惰性氣體熔融熱導(dǎo)法和直讀光譜法在一定條件下都可以檢測(cè)氮元素，滿足日常分析要求，值得推廣應(yīng)用。

（2）直讀光譜法檢測(cè)氮元素更快，效率更高，周期更短，惰性氣體熔融熱導(dǎo)法檢出限更低，更精確。

（3）直讀光譜法制樣更簡(jiǎn)單，檢測(cè)更方便，但對(duì)氬氣純度及機(jī)器要求更高。