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如何检测汽车金属中的化学成分
发布时间:2022-05-31        浏览次数:92        返回列表

随着汽车工业与金属材料工业的不断发展,一般的钢铁材料已不能完全适应汽车发展的需要,一些新材料如高强度钢、超高强度钢、铝合金等应运而生。金属材料在使用过程中所表现的各种性能如机械性能、物理性能和其他性能,直接决定了它在车辆上的应用范围、安全可靠性以及使用寿命。

 

而金属材料组织结构以及元素种类分布及含量,决定了其应用范围以及在加工制造过程中所表现出来的性能如冲压性能、焊接性能、切削性能、热处理性能等,以及零件加工制造的难易程度。对于钢铁金属材料的物理性能影响较大化学成分有碳、硅、锰、磷、硫,俗称五大元素。碳作为金属中一个重要元素,而碳含量增加时,钢铁的强度和硬度增加,塑性和延展性降低,反之亦然;而硫作为一种有害的元素,硫含量过高,形成硫化锰、硫化铁,是钢铁在热变形的产生裂纹主要原因,要严格控制。对于合金钢而言除了控制五大元素的含量外,还要对其他合金元素如硼、镍、铬、钒、钼、钛、铌等进行严格控制,以保证达到材料的使用要求和性能要求。对于金属中的元素成分测试,传统的测试方法通过制备少量的金属碎屑,将碎屑通过一定的方式溶解,再采用实验室的滴定法、比色法、容量法等测试。

 

 

1. 火花源放电原子发射光谱法

火花源放电原子发射光谱法俗称直读光谱法,是将制备好的金属样品块在火花光源的作用下,与对电极之间发生放电,在高温和惰性气氛中产生等离子体,被测元素的原子被激发时,电子在原子内不同能级间跃迁,当从高能级向低能级跃迁时产生特征谱线,通过测量该种特征谱线的波长和强度,并且特征谱线的强度与元素的浓度呈比例关系,实现对待测元素进行定性分析和定量分析。火花放电原子发射光谱法,俗称直读光谱法。它可以同时测定包括C、Si、Mn、P、S在内的非金属和金属多种元素,测试范围为百分之几。为了提高测试的准确性,除了应用仪器设备自带的校准曲线,通常需要建立相应基体的标准曲线进行校准和验证。该方法要求样品的规整度较高,如果为碎屑、粉末、表面不规则样品或者溶液状态则不能测试。

 

2. 波长色散X射线荧光光谱法

波长色散X-射线荧光光谱仪(WD-XRF)是一种可以对多元素进行快速同时测定的仪器。在X射线激发下,被测元素原子的内层电子发生能级跃迁而发出次级X射线(即产生X-荧光),采用晶体分光而后由探测器接收经过衍射的特征X射线信号。如果分光晶体和控测器作同步运动,通过不断地改变衍射角,可获得样品内各元素所产生的特征X射线的波长及各个波长X射线的强度,并依此进行定性和定量分析。WD-XRF对元素的检测浓度线性范围宽,测试可达到0.001%-100%,一次可以测试多种元素,测试速度快,对于符合要求的样品基本无需处理。WD-XRF方法对样品的要求类似于火花放电原子发射光谱。WD-XRF已经广泛应用于岩矿的成分测试,在钢铁领域的不锈钢、铝合金成分测试也有应用。但是WD-XRF不适合分析轻质量元素以及极低含量如0.01%以下的元素测试。

 

3. 原子吸收光谱法

原子吸收光谱分析(AAS)是基于试样蒸气相中被测元素的基态原子对由光源发出的该原子的特征性窄频辐射产生共振吸收,其吸光度在一定范围内与蒸气相中被测元素的基态原子浓度成正比,以此测定试样中该元素含量的一种仪器分析方法。AAS测试范围在为μg/ml以上4~6个数量级,一般是单个元素测试,但不能连续同时多个元素的测试,此外对非金属元素的灵敏度偏低。依据进样方式分为一般的火焰AAS和石墨炉AAS,所有AAS测试进样都需要将固体样品转换为液体样品,对大部分金属元素可直接测试,但对于部分元素如砷、锑元素需要氢化发生反应生成氢化物测试。

 

4. 电感耦合等离子体发射光谱法

电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-AES),是利用通过高频电感耦合产生等离子体放电的光源来进行原子发射光谱分析的方法。它是一种火焰温度范围为6000至10000K的火焰技术。该发射强度表示样品中元素的浓度。ICP-AES在钢铁、铝合金、锌合金、高温合金等冶金分析方面应用较广。同AAS一样,ICP-AES的进样也需要将固体样品转换为液体样品,它可以一次同时测试多种元素,测试范围在 μg/ml以上至100%,测试灵敏度高,不仅可以测试金属元素,还可以测试部分非金属元素B、P、S、Si等。ICP-AES在低合金钢、铝合金、钛合金、锌合金等测试有应用。

 

5. 电感耦合等离子体发射质谱法

电感藕合等离子体质谱法(ICP-MS),它是一种将电感藕合等离子体ICP技术和质谱MS结合在一起的分析方法。ICP利用在电感线圈上施加的强大功率的高频射频信号在线圈内部形成高温等离子体,并通过气体的推动,保证了等离子体的平衡和持续电离,在ICP-MS中,ICP起到离子源的作用,高温的等离子体使大多数样品中的元素都电离出一个电子而形成了一价正离子。质谱MS是一个质量筛选和分析器,通过选择不同质核比(m/z)的离子通过来检测到某个离子的强度,进而分析计算出某种元素的强度。ICP-MS测试速度块,灵敏度高,检测限低,适合多元素同时测试;在样品经过适当的预处理后,既可以测试金属元素,也可以测试非金属元素B、Si、P、S、As等,还可以结合液相色谱或气相色谱联机方式进行测试元素的价态;元素含量测试范围宽,从ng/mL-100%可达9个数量级。

 

6. 非金属元素CS/ONH分析法

金属元素中的C、S与O、N、H通常采用红外吸收法和热导检测仪测试,俗称碳硫分析仪和氧氮氢分析仪。碳硫分析仪(CS仪)即高频感应炉燃烧后红外吸收仪,针对金属中的非金属元素碳和硫,电负性相差不大,在金属中都能形成碳化物或硫化物,碳在钢铁中以碳化物和游离态碳存在,再高温富氧的条件下可被氧化成二氧化碳和二氧化硫。二氧化碳和二氧化硫具有永久电偶极矩,都有振动、转动等结构,按照量子力学的分裂能级,入射特征波长红外辐射耦合产生吸收,根据朗伯-比尔定律,吸收强度与浓度呈正比关系,测量经红外吸收后的红外光谱的强度,便可计算出二氧化碳或二氧化硫的含量。CS分析测试的 C、S质量含量可低至0.005%和0.0005%。

 


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