原子发射光谱法测Cr5合金钢中的氮

邰国旗

（邢台德龙机械轧辊有限公司，河北 邢台 054000）

1 前言

氮最早是随着炉料和炉气而带入钢中的，被认为是一种杂质元素。钢中残留有氮时，将导致宏观组织疏松，甚至形成气泡。氮含量高时，钢的韧性下降，硬度和脆性增加。但氮能促进晶粒细化，提高钢的强度和硬度，所以目前氮已被认为是一种重要的合金元素，采用中间合金或掺入方法加入钢中，在若干情况下，氮的作用同铜、钨相似，其效用约为镍的20倍，因此可以替代一部分镍，例如发电机护环不锈钢铬锰氮钢等，就是用氮代替镍制成合金钢，性能十分优良。所以，在冶炼合金钢时控制氮含量意义重大［1］。

用氧氮分析仪热导法分析氮，由于受取制样限制，处理试样过程复杂，分析效率低下，不能与冶炼同步分析结果，经常分析结果拖延滞后，无法满足炉前调整成分需求。本文讨论在分析炉前光谱试样同时分析出钢液中氮含量，节约取制样时间，分析效率提高，分析精密度，重复性都较理想，具有推广价值。

2 实验部分

2.1 仪器设备

SPECTRO LAB M12直读光谱仪；GM-8光谱磨样机；TCH-600氧氮氢联合测定仪。

2.2 分析条件

1）氩气要求：N2≤0.000 4%，O2≤0.000 15%，氩气纯度≥99.999%，H2O≤0.000 3%。高纯氩气再经过中科普瑞CZA-4A 型氩气净化机高温处理后分析使用。

2）氩气流量和分析气氛要求：氩气流量控制在180 L/h，压力0.70 MPa，为保证分析时凝聚放电和分析气氛对分析产生干扰，试样磨平覆盖激发口时，要用氩气吹扫30 s。具体分析条件：冲洗10 s，预燃3 s，积分5 s。

2.3 分析曲线的建立

2.3.1 建立分析曲线控制样的制备

在实际工作中，购买的标准样品由于成分和物理状态的差异，常常是校准曲线和实际分析物品干扰变化很大。对氮分析来说，由于含量很低，购买标样建立曲线分析往往不够理想，因为购买的标样多为锻造和轧制状态，而分析样品多为浇铸状态。为了避免冶金状态变化给分析结果带来的影响，要用冶金过程和物理状态一致控制样，这样的样品必须自制。分别从10炉次、每炉1 540 ℃时取钢液，每炉浇铸3个Φ40 mm×60 mm圆柱形样品，用树脂切割砂轮，从1/2处切开，切割时注意用水冷却，避免切割时氧化；切割面要求不能有裂纹、砂眼、夹渣等可见缺陷。分析时样品表面要用砂轮进行研磨，磨制样品表面不能用力过猛，样品表面不能过热。

同炉次要同时用热导法分析该炉氮含量，作为控样的参考值。

2.3.2 元素干扰的校正［2］

由于Si 在N49.3 nm 光谱有连续的光谱带，Cr5合金钢中Si 含量0.2%～0.4%，虽然含量不高，但实际分析过程中影响较大，对共生元素谱线干扰采用下列公式校正计算：

式中：Madd为加校正后的强度；MN为校正前强度；Ksi为Si的校正系数；Csi为Si的百分含量，%。

除谱线干扰外，元素间干扰也必须考虑。元素间干扰会使光谱分析数据不准确，这些元素对分析结果影响和百分含量成线性关系，具有规律，可以校正。对Cr5 钢中含量高的Cr、Ni、Mo、V、Fe 元素采用倍增校正，计算公式如下：

式中：Mmult为倍增校正后氮的强度；Madd为加和校正后强度氮的强度；∑Ki（N）为共存元素i 的校正系数；Ci为共存元素百分含量，%。

2.3.3 分析曲线的制作

（1）复制Cr Ni 不锈钢分析曲线，重新建立Cr5合金钢分析方法，在复制的曲线上加以校正。

（2）氮元素分析曲线绘制，首先在CrNi 不锈钢分析方法下分析已经准备好的试样，分析自制控样含量梯度和线性关系能否使用。

（3）选取含量梯度好的10 个试样，建立分析曲线。光谱法和热导法分析对比见表1，拟合参数，以及干扰元素修正系数，得到N元素分析曲线，见图1。

表1 光谱法和热导法分析对比

图1 光谱分析曲线

3 结果与讨论

3.1 用生产试样验证分析曲线

建好分析曲线，在生产Cr5 钢时，用制作曲线分析氮含量和热导法对比数据，见表2。

表2 光谱和热导法分析结果数据对比

从表2的10组数据可以看出，两种分析法相对偏差RD是14.5%，据此统计，检测10 组样品，质量合格，检测质量良好，说明两种方法检测结果比较一致，本法可做为生产质量监控方法使用。

3.2 正确度和精密度

选用合适标准样品进行正确度和精密度评价，分别选择N含量0.003 1%低标样和N含量0.006 6%高标样，在不同时期分析10 次（见表3），进行结果统计，分析结果和参考值基本一致。连续测定相对误差也在允许范围内。

表3 光谱法分析标准样品结果 %

4 结语

用原子发射光谱法分析Cr5 合金钢中的氮，通过散点趋势分析，修正谱线间干扰，得到分析Cr5合金钢中的氮的数学模型，利用光谱分析软件建立分析曲线，可分析氮含量0.002%～0.012%的样品。和热导法数据对比，数据可信，完全可以用该方法快速进行Cr5合金钢中的氮含量分析。