铁基合金中铝元素的快速分析研究

刘　平　田　禾　孙金龙　黄明波

(1.北京航空材料研究院,北京100095；2. 北京普析通用仪器有限责任公司,北京 101200;

3.北京科隆宇技术发展有限责任公司,北京 100081)



铁基合金中铝元素的快速分析研究

刘平1田禾2孙金龙2黄明波3

(1.北京航空材料研究院,北京100095；2. 北京普析通用仪器有限责任公司,北京 101200;

3.北京科隆宇技术发展有限责任公司,北京 100081)

摘要：使用快速元素分析仪对铁基合金中铝元素的发射光谱进行了分析研究,结果表明可有效解决铁基合金中铝元素的现场快速分析问题。使用Al394.41nm谱线和Al396.15nm谱线作为分析谱线，可以实现铸铁及合金钢中铝元素的快速定性及定量分析。分析系统可记录材料光谱，使现场快速分析具备可追溯性，为质量控制提供保障。

关键词：铝发射光谱铁基合金成分分析

铝元素在许多高温合金中是主要成分元素[1]，在其他铁基合金中只有部分牌号含有铝元素。由于铝元素在铁基合金中是金属间化合物形成元素又是铁素体形成元素，其含量对合金的力学性能和工艺性能影响较大，准确快速测定铁基合金中铝元素含量对保证铁合金整体性能非常重要。

铝元素在近紫外光区域有两条灵敏谱线Al394.41nm和Al396.15nm，利用电弧激发的发射光谱可以得到理想的检出限，在现场快速分析设备中发射光谱技术检测铝元素的有效性远高于X-射线荧光等检测手段。

但现有的现场快速分析设备主要为进口设备，购置及使用成本较高，仪器条件也不适宜我国大部分生产现场。本实验使用国内新研制的利用发射光谱进行检测的现场快速元素分析设备，对铁基合金中铝元素进行了分析研究，结果可以快速准确的得到铁基合金中铝元素的含量。

1试验部分

1.1仪器

LPX-15型快速元素分析仪(北京普析通用仪器有限公司)，光谱范围：230nm～1000nm；光源：直流电弧，高频交流电弧。仪器可即时记录所测光谱全部数据，可输出待测元素分析结果，光谱数据及谱图。

1.2试样和试验条件

采用块状或棒状光谱试样，表面经细砂纸打磨处理。

分析间隙为2mm；电弧电流为1A；预燃时间为5s；电极采用铜对电极。每张谱图采样时间500ms，每个试样采样20次。

2结果与讨论

2.1铝元素分析谱线组

光谱线波长表[2]中可以看到铝是光谱线最少的元素之一,其发射光谱的强度集中在几条光谱线上。在电弧激发条件下，铝元素发射光谱强度最高的两条谱线是Al396.15nm和Al394.41nm，铁基合金中该谱线组在直流电弧激发条件下的实测光谱见图1。

图1　Al396.15nm谱线组测试谱图

与电弧激发不同，在电感耦合等离子体发射光谱[3]中最强的谱线是Al309.27nm和Al309.28nm。Al396.15nm及Al394.41nm属于次强谱线，其他次强谱线还有Al237.34nm和Al237.31nm等。快速元素分析仪由于色散分辨率较低，干扰因素需要重点考虑，Al309.27nm谱线组和Al237.34nm谱线组在仪器现有的分辨率下受到的干扰较为严重，快速元素分析仪选择使用Al394.41nm和Al396.15nm作为分析谱线。

电感耦合等离子体发射光谱中的最强谱线Al309.27nm和Al309.28nm受到镁、钒等元素的干扰，次强谱线Al237.34nm和Al237.31nm受到铬、铁、锰等元素的干扰。快速元素分析仪选用的Al396.15nm也 受到钙、钛、钒等元素干扰，在分析钛、钒元素含量较高的样品时需要进行修正或用于辅助分析。

2.2定性分析

铝元素在许多牌号合金钢中为控制元素，要求其含量小于某一标定值，一般该值在0.1%左右。Al394.41nm和Al396.15nm谱线在直流电弧激发条件下具有较高的灵敏度，图2示出了铁基合金在w(Al)量为0.331%时强度曲线，可以看到w(Al)量为0.331%时分析线具有较高的强度。进行铝元素含量控制及快速定性分析时，快速元素分析仪完全能够胜任。

图2　w(Al)量0.331%时强度曲线

2.3参比谱线

进行铁基合金快速分析时，可以选用铁元素的谱线作为比较谱线[4]。比较谱线的强度要稳定，受待测元素或其他元素干扰较小，峰形对称性好。在实际测试数据中，谱线峰高要低于检测器的截止值。

图2中可以看到，在光谱上与分析谱线Al394.41nm和Al396.15nm相邻的有两条铁元素谱线Fe396.93nm和Fe400.52nm，两条铁元素谱线的峰高适中，强度稳定，较为适合作为比较谱线。

在使用Fe396.93nm谱线作为比较线时需注意试样中铬元素的含量，Fe396.93nm谱线的长波端有一条铬元素的谱线Cr396.97nm。快速元素分析仪由于现场分析对体积的要求，采用了较短焦距的色散装置，光谱分辨率在0.1nm左右，无法对两条谱线进行有效分辨，在w(Cr)量达到1%以上时会对测试结果产生明显干扰。图3为采用光谱分辨率0.03nm的光谱分析装置拍摄的w(Cr)量为17.97%时的Cr396.97nm谱图，可以明显的观测到两条分离的谱线。在分析w(Cr)量1%以上的试样时，可以将Fe396.93nm作为辅助比较线使用，或者利用临近的Cr396.37nm谱线对Fe396.93nm谱线强度进行校正后再作为比较线使用。

图3　Cr396.97nm谱线

2.4定量分析

选用Al394.41nm和Al396.15nm作为分析谱线，使用Fe396.93nm和Fe400.52nm作为比较谱线，利用标准样品可以得到工作曲线。对于铁基合金中铝元素的实际测量值，利用工作曲线可以得到对应的w(Al)量。

图4为两条分析谱线与两条对比谱线相对应得到的4条工作曲线。从4条工作曲线上可以看到，当铁基合金中w(Al)量超过0.4%时工作曲线呈现出较好的线性，4条曲线规律相同。w(Al)量低于0.4%时线性变差，实际测量时需要及时与标样进行比对以保证结果的可靠。

图4　工作曲线

图4中使用Fe396.93nm作为比较谱线的两条工作曲线在w(Al)量为1.04%的位置处明显的偏低。其主要原因是w(Al)量为1.04%的标准样品中含有3.00%的铬元素。正如2.3中所讨论的，铬元素的存在使得Fe396.93nm谱线测试强度实际是Fe396.93nm谱线和Cr396.97nm谱线的强度和。和峰的强度明显的大于比较谱线的实际强度，从而造成分析线与比较线的比值明显偏低。

实际测试分析时，应尽量使用Fe400.52nm谱线作为比较谱线。使用Fe396.93nm作为比较线时应针对铬元素的含量情况及时进行相应的修正。

3结语

新型快速元素分析仪可以有效的解决现场分析问题。

使用Al394.41nm和Al396.15nm作为分析谱线可以实现生产现场的快速牌号鉴别和定性分析。

利用Fe396.93nm和Fe400.52nm作为比较谱线，可以得到铁基合金中铝元素的工作曲线，实现精确的定量分析。

新型快速元素分析仪可以进行数据及谱图的输出和记录，能够满足现代质量管理的需要。

参考文献

[1] 《中国航空材料手册》编辑委员会编.中国航空材料手册[M].北京，中国标准出版社，2001.

[2] 冶金工业部情报产品标准研究所编译.光谱线波长表[M].北京，中国工业出版社，1971.

[3] 钱国贤，黄鑫泉，孟广政编译.电感耦合等离子体发射光谱图册[M].中国光学学会光谱学会,1986.

[4] 刘平，庞晓辉，刘浩新.铁基合金可见光谱特征及看谱分析研究[J].现代铸铁，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

作者简介：刘平，男，1961年出生，研究员，从事航空材料及性能研究工作，Email：lp9291@sina.com。