火花放電原子發(fā)射光譜法樣品的制備與表征

李傳啟， 楊 輝， 唐道敏

（中國(guó)長(zhǎng)江動(dòng)力集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430200）

傳統(tǒng)化學(xué)分析法，準(zhǔn)確度較高，但操作較繁、速度較慢，并產(chǎn)生大量試驗(yàn)廢液；原子吸收光譜法、電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測(cè)定速度較快，但運(yùn)行、維護(hù)成本較高，樣品也需要化學(xué)前處理，且需要處理產(chǎn)生的廢液[1-2]?；鸹ǚ烹娫影l(fā)射光譜法（SDAES）簡(jiǎn)便、快速、準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)、能耗低，在例行分析中的優(yōu)勢(shì)尤為顯著，是非常經(jīng)典的常規(guī)方法[3]。這種不是通過對(duì)試樣進(jìn)行化學(xué)處理來測(cè)定試樣中化學(xué)成分的物理分析方法[4]，從源頭上杜絕試驗(yàn)廢液產(chǎn)生，在當(dāng)今環(huán)境污染日益嚴(yán)峻的形勢(shì)下，備受關(guān)注。

樣品制備是SDAES測(cè)定的基礎(chǔ)。冶金行業(yè)常用砂輪機(jī)、光譜磨樣機(jī)、砂帶研磨機(jī)、自動(dòng)磨樣機(jī)、自動(dòng)銑樣機(jī)等手工或自動(dòng)專用設(shè)備制備試樣。冶金行業(yè)經(jīng)過資源整合、戰(zhàn)略重組，產(chǎn)業(yè)逐步集中，企業(yè)數(shù)量逐漸減少，而應(yīng)用冶金產(chǎn)品-金屬材料的下游企業(yè)，尤其是新增的中小企業(yè)，卻越來越多。因此，SDAES在金屬材料加工的機(jī)械等行業(yè)的應(yīng)用，具有更廣闊的前景。機(jī)械行業(yè)擁有金屬材料試樣加工的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。與冶金行業(yè)的熔體取樣不同，機(jī)械行業(yè)主要從冶金產(chǎn)品坯料、型材或加工產(chǎn)生形變而獲得的半成品、成品中取樣，從下料開始，到加工結(jié)束，常有切削液或油相伴，這將嚴(yán)重影響SDAES應(yīng)用。

本文探討利用機(jī)械企業(yè)固有設(shè)備，制備表面粗糙度適合的光譜樣品，以及除油方法，并討論樣品分析面的表征等，進(jìn)一步發(fā)揮SDAES的優(yōu)勢(shì)。試樣制備方法也適用于X-射線熒光光譜法等。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要設(shè)備與試劑

GS1000型光譜儀（德國(guó)OBLF公司）；CZA-4B催化再生式氣體凈化機(jī)（中科普瑞）；CWY-Ⅱ-3KVA交流穩(wěn)壓器（廣東鐵塔）。

J3G-400A砂輪切割機(jī)、GM-4光譜磨樣機(jī)（濟(jì)陽輕機(jī)）；M7130H（杭州機(jī)床）、MM7112（天津儀機(jī)）臥軸矩臺(tái)平面磨床；MQ6025A萬能工具磨床（武漢機(jī)床）；41-405×3×32A/F30T4BF-80m/s、11-150×50×32WA/F46K6V-30m/s砂 輪（山 東 魯 信）；1-175×16×32A/F46K6V-35m/s、1-350×40×127WA/F46K6V-35m/s砂輪（鄭州白鴿）。

SRM-1 (F)表面粗糙度測(cè)量?jī)x（寧波聯(lián)合）。

丙酮、無水乙醇（AR，天津富宇）。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

用包布擦干磨床加工后的光譜樣品上的游離切削液或油以及殘余物等，并置于搪瓷盤中，加無水乙醇至半浸或浸沒樣品，用毛刷清洗1～2次，取出，用少量無水乙醇淋洗1次樣品分析面，電吹風(fēng)徐徐吹干或自然風(fēng)干樣品。

上述樣品恒溫至室溫后，在已按相關(guān)要求準(zhǔn)備好的光譜儀上，先激發(fā)樣品1～2次，確認(rèn)光譜儀處于最佳工作狀態(tài)，再用相應(yīng)方法激發(fā)待測(cè)樣品等。

2 結(jié)果與討論

2.1 制樣方法比較

手工制樣表面質(zhì)量，與磨樣機(jī)、磨料以及磨制時(shí)間、磨制手法等有關(guān)。相同的磨樣機(jī)、砂輪，不同的操作人員、甚至同一操作人員在不同時(shí)間磨制，表面質(zhì)量會(huì)有較大差異。人為因素，常常導(dǎo)致質(zhì)量波動(dòng)，手工制樣不及機(jī)械制樣。

電火花線切割機(jī)、砂輪切割機(jī)以及鋸、車、銑、磨、刨、鏜、插床等是機(jī)械行業(yè)較常用的加工設(shè)備。高速（快）走絲線切割機(jī)的加工面較粗糙，低速（慢）走絲線切割機(jī)的加工面較好，不過線切割機(jī)的火花，易污染加工面等；砂輪切割機(jī)和帶鋸、圓鋸、弓鋸床的加工面均較粗糙。因此，線切割機(jī)、砂輪切割機(jī)和鋸床一般適用于光譜樣品的粗加工-切削加工；車、銑床常用于黑色金屬（鋼鐵）、有色金屬樣品加工，既可粗加工，也可精加工，但對(duì)車、銑床操作者和刀具的要求較高，否則樣品分析面易出現(xiàn)端面中心凸起或凹陷和被劃花，產(chǎn)生表面缺陷。文獻(xiàn)[5]研究了銑床轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量等對(duì)測(cè)定精度的影響。試樣加工過程中，刨、鏜、插床應(yīng)用較少；磨床可廣泛用于鋼鐵、有色金屬樣品的磨削加工。

2.2 磨制用磨料磨具

磨制加工是目前應(yīng)用最多的制樣方法，但鮮見關(guān)于磨料、磨具的討論。磨床用的平形、碗形砂輪、光譜磨樣機(jī)用的平形切割砂輪等是普通磨料固結(jié)磨具（F）[6]；砂帶、砂紙等是普通磨料涂附磨具（P），固結(jié)磨具應(yīng)用較多。制樣方法中，磨料粒度宜用粒度號(hào)表示，其數(shù)值與不再使用的“目”數(shù)相近，但它含有該粒度號(hào)磨料中各不同尺寸顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的要求[7]。合格的磨料由最粗粒、粗粒、基本粒、混合粒、細(xì)粒組成[8]，最粗粒會(huì)劃傷樣品表面，但可被混合粒磨痕覆蓋。

粒度是磨料的重要指標(biāo)之一。平形、碗形砂輪和平形切割砂輪的磨料粒度號(hào)分別常用46和30，均不在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的60～120[4]或250 μm～124 μm[9]的范圍內(nèi)，但通過調(diào)整磨削率、轉(zhuǎn)速等，均能獲得所需的樣品分析面。試驗(yàn)表明，磨具的磨削率、相對(duì)運(yùn)動(dòng)線速度、使用時(shí)間、組織、硬度、結(jié)合劑、粘結(jié)劑、基材以及磨料種類、粒度等，共同決定加工面質(zhì)量。其中，磨削率、線速度、粒度起主要作用。

平形切割砂輪、砂帶、砂紙等磨具使用過程中，磨料磨損、破裂，磨粒之間空隙被堵塞，磨粒逐漸變細(xì)；平形、碗形砂輪使用，主要表現(xiàn)為磨粒脫落，其外徑因磨損而逐漸明顯縮小，磨粒也逐漸變細(xì)。磨具使用時(shí)間越長(zhǎng)，磨削率越低，磨制的樣品表面粗糙度越小。

2.3 磨床磨削

與車、銑床加工相比，磨床加工方便、容易，其要求相對(duì)寬松。磨床種類繁多，選用臥軸矩臺(tái)平面磨床磨削樣品，優(yōu)先選用MM7112、MQ6025A等小型磨床。表1是兩種中、小型臥軸矩臺(tái)平面磨床的基本參數(shù)。一般先將試樣切割成小塊，故磨削量小。中型磨床，工作臺(tái)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，磨削、散熱間歇進(jìn)行，并用切削液冷卻，既確保樣品表面質(zhì)量，又兼顧加工效率；當(dāng)進(jìn)刀量小于0.02 mm時(shí)，無切削液也不影響樣品質(zhì)量；小型磨床進(jìn)刀量、走刀量均較小，又工作臺(tái)往復(fù)運(yùn)動(dòng)散熱，其磨削發(fā)熱量比一般光譜磨樣機(jī)小，故其不需切削液冷卻。實(shí)踐證明，采用漸進(jìn)式降低進(jìn)刀量方法，以順磨方式結(jié)束磨削過程，可提升樣品表面質(zhì)量；適當(dāng)增加光（清）磨次數(shù)，提高磨削線速度，可明顯降低樣品表面粗糙度值[10]。

表1 兩種臥軸矩臺(tái)平面磨床基本參數(shù)

2.4 樣品的清洗

鋸床和大、中型磨床加工，分別常用半合成切削液[11]和合成切削液[12]，這些切削液是含油、表面活性劑等有機(jī)物的乳化液[13]，會(huì)嚴(yán)重污染樣品?？捎媒饘偾逑磩┫礈鞓悠?，但其堿性較強(qiáng)；也可用普通洗衣粉清洗。經(jīng)過水洗的非合金鋼和部分低合金鋼樣品會(huì)銹蝕，但適用于清洗鋸床切割的試樣，再用零切削液的小型磨床磨削；小尺寸試樣經(jīng)砂輪切割機(jī)切割，再用小型磨床磨制，可獲得不被污染的樣品。然而，小型磨床往往不是磨削樣品的專用設(shè)備，當(dāng)加工其他工件時(shí)，易污染工作臺(tái)及砂輪等，進(jìn)而污染樣品。

丙酮、無水乙醇均可清洗樣品，其物理常數(shù)見表2。丙酮極易揮發(fā)，是易制毒化學(xué)品，系管制化學(xué)試劑，其采購審批過程冗長(zhǎng)，且價(jià)格約是無水乙醇的1.4倍；無水乙醇安定性較好，對(duì)人體和環(huán)境比較友好。本文選用無水乙醇洗滌樣品。

表2 丙酮、乙醇的物理常數(shù)

先用包布擦干樣品表面游離的切削液、殘余物等，再置于搪瓷盤中，無水乙醇半浸或浸沒樣品，同時(shí)浸潤(rùn)磨痕之間的少量夾砂，用毛刷清洗樣品，并清除分析面夾砂，再用無水乙醇淋洗樣品分析面，電吹風(fēng)徐徐吹干或自然風(fēng)干。分級(jí)收集用過的乙醇，再梯級(jí)重復(fù)使用，最后可用蒸餾法回收。

2.5 樣品分析面的表征

SDAES方法中，許多文獻(xiàn)、甚至標(biāo)準(zhǔn)，僅以磨料粒度推定磨制后的樣品分析面質(zhì)量，并至今仍沿用光潔度評(píng)價(jià)。這容易忽視能滿足光譜分析要求的其他磨制條件以及車、銑等其他制樣方法，且表面光潔度分14個(gè)等級(jí)，每級(jí)的上、下限之間差別較大，是半定量的、間接的評(píng)價(jià)方法。

表面粗糙度發(fā)展史中，表面微觀形貌評(píng)定參數(shù)、測(cè)量基準(zhǔn)線的提出以及定量評(píng)定的實(shí)現(xiàn)，標(biāo)志其研究與應(yīng)用進(jìn)入量化階段，并逐漸成為關(guān)注焦點(diǎn)，以致后來產(chǎn)生“參數(shù)爆炸”、“標(biāo)準(zhǔn)爆炸”現(xiàn)象[14]。表面粗糙度用其參數(shù)值的大小評(píng)定表面質(zhì)量，且術(shù)語與量值相一致。

表面粗糙度代替光潔度的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)自1985年實(shí)施以來，其逐步被大家接受，并逐漸得到廣泛應(yīng)用。筆者曾用表面粗糙度描述手持式X-射線熒光光譜儀測(cè)定的工件表面[15]，本文建議采用表面粗糙度描述SDAES樣品分析面，直接、定量評(píng)定其表面質(zhì)量。這樣更形象、客觀，同時(shí)能更好地與加工工藝等接軌。

粗糙度幅度參數(shù)常用的參數(shù)值范圍[16]恰好覆蓋光譜分析樣品表面質(zhì)量要求，故優(yōu)先選用輪廓的算術(shù)平均偏差Ra，表征樣品分析面的粗糙度?？捎帽砻娲植诙葴y(cè)量?jī)x測(cè)量[17]，獲得可靠的樣品表面粗糙度檢驗(yàn)結(jié)果；也可參照比較樣塊[18]，通過視覺和觸覺，用比較檢查法確定樣品表面粗糙度參數(shù)值；例行分析工作中，可用目視檢查法評(píng)定。參照表3，實(shí)現(xiàn)評(píng)定樣品表面質(zhì)量關(guān)于表面粗糙度與光潔度的習(xí)慣轉(zhuǎn)變[19]。試驗(yàn)表明，樣品分析面的Ra≤4 μm，可滿足光譜分析要求。

表3 表面粗糙度與光潔度近似關(guān)系

3 結(jié)論

提出一種火花放電原子發(fā)射光譜法樣品制備與表征的新方法。試樣切割后，用現(xiàn)有的磨床磨削，再用無水乙醇清洗和淋洗，電吹風(fēng)吹干或自然風(fēng)干。用表面粗糙度評(píng)定樣品分析面表面質(zhì)量，以輪廓的算術(shù)平均偏差Ra，表征樣品分析面的表面粗糙度，推薦樣品分析面的Ra≤4 μm，磨具的磨削率、線速度以及磨料粒度是影響樣品分析面Ra的主要因素。方法直觀簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)實(shí)用。多年應(yīng)用，結(jié)果滿意。