高碳钢中合金元素含量检测方案

TELEDYNE LEEMAN LABSEverywhereyoulookApplication Note-AN1504 Prodigy7 测定高碳钢内合金元素 前言 在美国市场超过85%的钢材产品都是使用的含碳钢材。钢材内的碳的含量和形式(如下表)会直接影响钢材的机械性能和终端产品的品质。碳是最直接影响铁合金效费比的合金元素。碳元素含量越高钢材的硬度和强度也越高，相应的碳含量越低那么钢材的柔韧性和可塑性就越好。 镁和钒等其它元素也可用于提高钢材的特定性能。所以，准确分析合金元素含量是钢材品质控制的一项重要工作。本应用方法展示 Teledyne Leeman Lab Prodigy7高分辨ICP分析高碳钢内合金元素的优异性能。 表l含碳钢分类 类型 碳含量 典型应用 低碳钢 <0.30% 汽车底盘，线缆产品 中碳钢 0.30-0.60% 轴承，齿轮，机轴 高碳钢 0.60-1.00% 弹簧，Dies， 高强度线缆 超高碳钢 1.25-2.0% 金属切削工具，重型车弹簧 仪器 Prodigy7是一款采用中阶梯光栅结合百万像素大面积COMS (L-CMOS)检测器焦距500mm的紧凑型ICP-OES设备。28x28mm的大面积CMOS检测器的有效面积明显超过目前ICP设备常用的固态检测器，这就使得Prodigy7的光学分辨率要优于其他固态检测器的ICP设备。检测器连续波长覆盖范围165-1100nm， 所以Prodigy7可以在不牺牲波长范围或分辨率的前提下一次读数就能够完成ICP光谱所有元素的读取。这种检测器先天就具备防止过度曝光的能力，非破坏性读取的线性范围达到6个数量级。 Prodigy7仍采用40.68MHz 水冷RF发生器，使其在满足各种复杂基质样品分析的前提下仍可实现常规有机物分析。 样品经4通道蠕动泵连续计入设备，主机采用防HF雾室、分体是矩管和双铂网雾化器进 行样品处理。 方法 样品处理 本实验方法使用SRM364 (NIST)高碳钢(0.87%C)标样作为参考物质。在特氟龙烧杯内放入大约1g样品，适量去离子水浸泡放置在加热板上。加入5ml HNO3和1mlHF缓慢加热溶解样品。消解完成后用去离子水将样品溶液消解定容至100ml。 校准标液 使用单元素母液(VHG labs)配制标准溶液。标液需加入适量浓度的Fe参考标样 (NISTSRM365)以进行基体匹配。标液酸浓度为5% HNO3/1% HF。各标液浓度见表Ⅱ。 表Ⅱ校准标液各浓度点， ppm 元素 STD1 (ppm) STD2 (ppm) STD3 (ppm) Mo 0 50 100 Mn， Cu， Ti 0 15 30 Ni， V，W， Co， Nb， Ta 0 10 20 Si， Cr， As， Zr 0 5 10 Sn， B， Pb， Sb 0 2.5 5 Prodigy7 运行参数如表Ⅲ所示 表Ⅲ仪器运行参数 仪器 RF 功率 1.20 kW 冷却气流量 14 L/min 辅助气流量 0.0 L/min 雾化气流量 1.0 L/min 泵速 25 rpm 进样系统 雾化器 双铂网雾化器 雾化室 HF Resistant Ryton Scott 炬管 可拆卸炬管 中心管 Alumina， 2.5 mm 进样管 Aqueous， Black Tab 030 废液管 Aqueous， Red Tab 045 Sample 内标 None 积分时间 30 seconds 通过10ppm Mn标液来确定观测区域。通过Prodigy7的Salsa软件自动优化最佳观测位置。 波长参数 Prodigy7通常使用待测波长中心位置27像素宽度的检测器子单元来收集信号并进行分析。不过，如有需要的话子单元的像素宽度可扩展至57像素。每个子单元都有特定的像素单元完成信号峰识别和背景校正。表ⅣV列出了各元素波长和背景校正信息。如有需要各元素均可采用两个波长进行分析。各子单元检测数据同时进行采集。除此之外还存储像素信息，日后可进行重新校准。 图1以W207.911为例展示元素分析设定的波长参数。左右背景读取区域分别从位置 2和27开始，宽度为2.在分析区域从位置13开始可看到明显的“W”峰，，宽度为5像素。 图1 W207.911nm波长分析参数 图2展示了典型浓度范围内线性校准曲线的情况 结果 仪器点火并稳定15分钟后， 通过Teledyne CETAC ASX-520自动进样器进样并对Prodigy7进行校准。校准完成后，分析1ppm质控样偏差不超过±10%。通过质控样分析后，在进行参考样分析，参考样分析后再次进行质控样分析。 Prodigy7使用的Salsa软件可自动运行整个的分析过程。 如某个质控样结果超出可接受范围， Prodigy7会自动对仪器重新进行校准并重新分析之前质控样偏差不超出范围后面的任何样品。 表V为分析结果，所有元素含量均以百分含量进行显示。“Found %”为Prodigy直接分析结果，“Certified %”为重新计算后的相对含量。真实值的最后一位有效数字不超过±1，所以计算结果并没有标出偏差。角标标出的有效数字偏差不超过±5。测量结果和计算结果表现出良好的统一性。 讨论 以364高碳钢作为参考物质进行分析的结果非常真实可靠。在所有元素分析过程中，铅(Pb)是最难进行分析的。 在谱线选择过程中分别测试了Pb不同的几条谱线，所有谱线都有明显的干扰，最有效的谱线是220.353 nm谱线。10ppmPb标液进行扫描(未进行基体匹配)和364参考样品的谱图如图3所示，可看到明显的干扰峰。 图3 Pb220.353nm谱线干扰 Prodigy7 使用的Salsa软件可轻松消除这种干扰的影响。首先可缩小待测像素区域(ROI) 避免干扰峰造成的影响，这种解决方式的优势是无需对干扰峰进行读取。图4演示了这种解决方式的原理，不会降低ROI读取速度，Pb的浓度测定结果是0.348%。ROI的缩小使测定结果变化0.024%，如图4 图4 ROI缩小实例 第二种方法是进行待测元素校正(IEC)。必须对干扰峰进行测量才能进行折中校正。Prodigy7的软件同样具有对未知峰进行识别的功能。 识别未知峰的第一步是对样品进行全谱扫描。全谱扫描一次曝光就可以实现165-110nm光谱范围内所有光谱图像。图5展示了364参比样品的全谱扫描照片。 图5 NIST SRM364 高碳钢全谱扫描图像 第二步是找到有疑问的波长范围并开始使用“Identifier Button”(图6)功能键。 图6在全谱扫描图像上找到Pb220.353单元 通过点击"Identifier Button”按钮稍后进入Pb单元(图6红色箭头所在区域)，软件开始自动检索谱线库寻找可能对应的元素谱线。图7是检索结果 图7检索结果 检索结果判断干扰峰源自铌(Nb)。通过扫面铌液表并与图4结合确定判定结果(见图8)。一旦确定干扰元素，就可以通过测定Nb标液来确定干扰因子进而或得校正比例。 图8确定Nb是干扰元素 结论 采用垂直观测方式的Teledyne Leeman Lab Prodigy7 高分辨 ICP 设备可实现高碳钢18中元素的分析。标液进行基体匹配后可获得样品检测准确结果。 HF进样系统运行正常不会在矩管或雾化器造成堵塞，并且不需氩气加湿器。双铂网雾化器是进行含HF或高盐样品分析的理想雾化器。 等离子焰燃烧稳定，可同时收集信号峰和背景信号进而获得准确稳定的分析结果。