鋁合金的成分分析

1、固態(tài)原子原子吸收光譜法測定雜質(zhì)元素的吸光度值。其原理是以噴射加速的輝光放電技術(shù)及陰極濺射技術(shù)為核心的ATOMSOURCETM 原子化器，在氬氣和真空環(huán)境的推動下，原子化過程中剝離出來的基態(tài)原子進入處在光線軸線位置的光室中，形成滯留一定時間的、穩(wěn)定的、有凝聚力的“原子云”對真空陰極燈（HCL）產(chǎn)生的特征譜線進行吸收，產(chǎn)生吸收信號，通過檢測系統(tǒng)將信號轉(zhuǎn)換、處理（圖1 所示），從而測得鋁合金中各成分含量。本方法試樣處理過程簡單，采用獨特的固態(tài)原子化系統(tǒng)，很好地提高了原子化效率及分析速度。1.樣品預(yù)處理測量之前，應(yīng)用砂紙磨平樣品待測平面，擦拭干凈，使表面平滑潔凈(為能使之完全覆蓋密封圈和夾緊在樣品平臺

2、上，避免泄露空氣，樣品直徑要大于2.5cm，厚度不小于0.5cm)。2.主要儀器A30 Pulsar 金屬分析儀（美國Leeman Labs 公司），由光源、原子化系統(tǒng)、分光系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)四部分組成。其中。光源采用的是空心陰極燈，一次性可安裝30 只，實現(xiàn)自動更換；原子化系統(tǒng)采用ATOMSOURCETM 原子化器；分光系統(tǒng)由色散元件、反射鏡、狹縫組成；檢測系統(tǒng)由檢測器、放大器和讀數(shù)系統(tǒng)組成。3.儀器主要技術(shù)指標(biāo)儀器主要技術(shù)指標(biāo)如表1 所示。表1 儀器主要技術(shù)指標(biāo)光譜儀 35cm Czerny Turner 單色器光柵 平面光柵1800 條/mm倒線色散率 1.536nm/mm入射狹縫寬度 0.

3、2，0.5，0.7nm 帶寬出射狹縫寬度 0.2，0.5，0.7nm 帶寬光電倍增管 28mm 直徑，側(cè)窗-UV 及VIS元素可選 71 種空心陰極系統(tǒng) 30 位燈座，直流射頻電源，每一元素控時程序化氬氣 99.999%冷卻水 4L/min，73bar（循環(huán)冷卻）4.儀器工作條件儀器工作條件如表2 所示 鋁基92#樣品 波長 狹縫寬度 預(yù)燃燒時間 積分時間 真空度 電壓 Si 250.690nm 0.2nm 3 s 7 s 7 400v Fe 248.327 0.2 3 7 7 650 Ti 364.268 0.2 3 7 7 650 Mg 285.213 0.2 3 7 7 750（二）結(jié)果

4、與討論1.參數(shù)設(shè)置樣品的濺射也就是燃燒條件有兩個參數(shù)控制：壓力與功率。壓力控制控制離子化的氬氣流由陽極流向樣品表面。而功率控制控制在陽極出口處氣體離子化的程度。壓力控制條件下，真空度一般在230torr 之間進行調(diào)整。大部分常規(guī)分析在58torr 之間，微量元素分析定在1012torr。功率控制條件下每個元素電壓范圍為3002000V，功率控制在101000W。通常情況下，樣品分析的電壓為5001000V，微量分析在400750V。上述兩個控制條件的選擇取決于樣品材料及濺射的程度。濺射的成分越多，一方面可增加元素的吸光值，另一方面也會造成樣品的背景發(fā)射增大，往往會影響到測量的穩(wěn)定性3。預(yù)熱時間

5、在樣品進行分析時非常重要，它關(guān)系到分析的穩(wěn)定性。預(yù)熱的目的是使燈源及樣品的濺射達(dá)到相對平衡。這樣，才可保證測量有良好的重現(xiàn)性。大多數(shù)元素至少需要23 秒的預(yù)熱時間，有些元素則要6 秒以上。數(shù)據(jù)采集時間是在樣品預(yù)熱完成后，樣品內(nèi)的積分時間（DAQ 時間）。大部分元素積分時間為68 秒，有些微量元素要求較長的積分時間。數(shù)據(jù)采集時間在元素選擇頁的Set Value 頁中選擇。對于每一元素，其總的預(yù)熱時間及數(shù)據(jù)采集時間為20 秒。原子吸收法采用銳線光源的同時仍需要一個單色器，以分離出吸收線用于原子吸收測量，隔除不需要測量的非吸收線。對于確定的儀器單色器倒線色散率是一定的，所以單色器光譜通常只取決與狹縫

6、寬度。狹縫寬度選擇應(yīng)以保證有最佳靈敏度和信噪比為原則 2.工作曲線對標(biāo)樣逐個測試，得出各分析元素的工作曲線。其方程形式為：C=A×I2+b×I+c；式中C 為被測元素濃度與所有元素總濃度的比值，I 為被測元素的吸收與內(nèi)標(biāo)元素Al 的吸收比，a 為二次系數(shù)，b 為一次系數(shù)，c 為常數(shù)。表3 中給出了a、b、c 的值元素 a b cSi 6.28325e-2 1.2683e-1 3.76027e-4Fe 0 1.31526e-3 -3.078e-5Ti 4.752e-3 -2.2481e-3 1.8437e-5Mg 1.97256e-2 -2.97911e-4 2.20709e

7、-43.工作曲線的修正在樣品的連續(xù)分析過程中，采用重新測量修正標(biāo)樣，以便與原始曲線數(shù)據(jù)進行比較，校正吸收漂移。這個修正標(biāo)樣，可以是曲線上的某一點，也可以是其他的不在該曲線上的標(biāo)樣。但這個標(biāo)樣中所有元素的濃度必須是已知的。這是由于絕大部分曲線都選擇通過零點（零濃度，零吸收），曲線修正時只進行一點修正，因此要求該點的濃度值一定要準(zhǔn)確。4.干擾及消除固態(tài)原子吸收與原子吸收光譜法、發(fā)射光譜法一樣存在著光譜干擾、背景干擾和基體干擾。只是影響相對較小，且在消除干擾方面更徹底。光譜干擾的消除：采用原子吸收方式，光譜簡單，光譜干擾少；三種可選狹縫寬度，能有效的分開一些雜質(zhì)在分析線近旁發(fā)射出單色器不能分開的譜線

8、造成干擾；并采用射頻脈沖燈電流控制，強度高，預(yù)熱時間短來消除多重吸收線的干擾。背景干擾的消除：第一、采用低真空度，一般先將原子化器室抽至真空度0.3torr 以下，再以惰性氣體的工作環(huán)境，設(shè)定一個最佳真空度值，并針對每個分析元素單獨設(shè)置最佳的測試參數(shù)，逐個激發(fā)、吸收；第二，采用分時處理方式 TRS，最大限度地實時控制實驗數(shù)據(jù)的采集?；w干擾的消除：采用輝光放電對樣品進行逐層剝離測量，基體干擾極小。5.其它影響因素工作氣體氬氣直接作用于樣品測量，氬氣的純度對測量有影響，純度越高對測量越有利，一般要求在99.99%以上；在平整樣品測量面時，采用砂紙來磨樣，導(dǎo)致砂紙中的Si 滲入樣品表面，產(chǎn)生偏差，

9、影響RSD 值。鋁合金銅元素數(shù)字化可見光譜分析技術(shù)研究1 實驗部分1.1 儀器WKT-04 型臺式看譜鏡、WKT-10A 型便攜式看譜鏡（天津譜析光學(xué)儀器廠生產(chǎn)）； 光譜范圍為390700 nm；光源使用電弧放電光源。LTR2.0 可見光譜數(shù)字化處理系統(tǒng)（北京萊特銳科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)）。1.2 試樣和試驗條件采用塊狀或棒狀光譜試樣，表面經(jīng)細(xì)砂紙打磨處理。分析間隙為0.52 mm；電弧電流為5 A；預(yù)燃時間為10 s；電極采用純鐵對電極。1.3 可見光譜的數(shù)字化處理使用LTR2.0 可見光譜數(shù)字化處理系統(tǒng)將看譜鏡輸出的可見光譜線轉(zhuǎn)變成數(shù)字化的電子譜圖，經(jīng)計算機處理后在屏幕上顯示， 同時可以進行

10、視場定位、譜線辨別、定量分析和牌號鑒別等應(yīng)用。計算機屏幕上顯示的使用鐵對電極時ZL105 鋁合金中Cu 510.55 nm譜線組數(shù)字化電子譜圖見圖1。1.4 視場定位及譜線辨別視場定位及譜線辨別一直是可見光譜分析工作的技術(shù)難點，尤其對初學(xué)者來說是一個較高的技術(shù)門檻。利用可見光譜數(shù)字化技術(shù)可以解決視場定位及譜線辨別的難題。圖2 為數(shù)字系統(tǒng)Cu 510.55 nm 譜線組視場定位和譜線辨別示意圖。在屏幕下半部分的對比標(biāo)定區(qū)給出了鋁合金中Cu 510.55 nm 譜線組的典型譜圖，并對主要譜線進行了標(biāo)定。在選定進行Cu 510.55 nm 譜線組分析后， 根據(jù)系統(tǒng)指示調(diào)節(jié)看譜鏡鼓輪到指定讀數(shù)。點燃光

11、源后， 屏幕上半部分觀測區(qū)中出現(xiàn)的Cu510.55 nm 譜線組視場譜圖與對比區(qū)的圖譜完全對應(yīng)，定位完畢后的視場如圖2 所示。利用對比區(qū)標(biāo)定的譜線可對觀測區(qū)的分析譜線和比較譜線進行辨別，觀測Cu 510.55 nm 等Cu 元素譜線位置處有無譜線出現(xiàn)，判定樣品中是否含有Cu 元素。如果有譜線出現(xiàn)，可使用數(shù)字化分析功能進行Cu 元素含量的測定。2 結(jié)果與討論2.1 鋁合金中銅元素可見光譜特征利用光譜線波長表8可以得到Cu 元素在可見光范圍內(nèi)的譜線分布情況9。Cu 元素在可見光區(qū)相對強度較高的譜線組為Cu 510.55 nm 譜線組和Cu 570.02nm 譜線組。Cu 510.55 nm 譜線組

12、常用于進行銅元素的分析測定，本工作選用該譜線組進行鋁合金中銅元素的分析。鋁合金的基體Al 元素的譜線很少，在電弧激發(fā)方式下，Al 元素可見光范圍內(nèi)僅有7 條譜線， 鋁合金中元素測定無法借助基體元素譜線進行強度比對。進行銅元素測定不能使用銅對電極， 鋁合金中銅元素分析最好選用鐵對電極，可以利用鐵譜線作為比較譜線。圖3 給出了使用銅對電極和鐵對電極時ZL105 鋁合金Cu 510.55 nm 譜線組的視場對比情況。圖中上部為Cu 510.55 nm 譜線組的銅譜線， 中間為使用銅對電極的ZL105 鋁合金圖譜， 下部為使用鐵對電極的ZL105鋁合金圖譜。由圖3 可見，使用鐵對電極時，視場內(nèi)鐵元素譜

13、線豐富，非常便于比較譜線的選用。Cu 510.55 nm 譜線組視場范圍內(nèi)其他元素譜線較豐富，Ni10、Co11、W12、Nb13、Mg14和Cd 等元素在該視場內(nèi)均有常用分析譜線， 進行這些元素的分析測定時常借助銅對電極的Cu 510.55 nm 譜線定位待測元素特征譜線。2.2 數(shù)字化分析可見光譜數(shù)字化分析系統(tǒng)利用數(shù)字視頻技術(shù)進行材料可見光譜圖的數(shù)字化處理， 可得到視場中所有譜線的相對強度數(shù)據(jù)， 并直觀地在譜圖中以折線的形式顯示出來。ZL205 鋁合金Cu 510.55 nm 譜線組的譜圖經(jīng)數(shù)字化處理后的定量折線圖如圖4 所示。得到了視場中各條譜線的強度數(shù)據(jù)后， 分析譜線和比較譜線間的相對

14、關(guān)系就能以準(zhǔn)確的數(shù)值表示。進行定量分析時，選用一條相對強度高、線性好的分析線和一條穩(wěn)定的比較譜線即可。2.3 定量分析利用數(shù)字化分析給出的分析譜線和比較譜線間較為精確的比值，可以進行快速準(zhǔn)確的定量分析。圖5 為使用數(shù)字系統(tǒng)對3 種牌號的鋁合金樣品Cu 510.55 nm 譜線組譜圖進行數(shù)字化處理后的對比情況。3 種樣品Cu 元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1# 5.50% ，2#4.44%，3# 3.61%。選用Cu 元素譜線Cu 510.55 nm 作為分析譜線，選用鐵元素譜線Fe 510.75 nm 作為比較譜線， 使用LTR2.0 數(shù)字系統(tǒng)對兩條譜線的強度進行量化比較。數(shù)字系統(tǒng)給出了3 種牌號鋁合金樣品

15、的分析譜線Cu510.55 nm 和比較譜線Fe 510.75 nm 的強度比值：1#為2.14，2# 為2.05，3# 為1.96。以上數(shù)據(jù)為每一試樣連續(xù)測定10 次的平均值，RSD：1# 為6.09%；2# 為7.10%；3# 為5.05%。當(dāng)進行實際材料測定時，可利用Cu 510.55 nm 和比較譜線Fe 510.75 nm 的強度比值制定工作曲線，由系統(tǒng)將測定值轉(zhuǎn)變?yōu)殇X合金樣品中Cu 元素的含量數(shù)值。進行定量分析時，也可以選用其他相對強度高、線性好的分析譜線和其他相對穩(wěn)定的比較譜線。2.4 牌號鑒別可見光譜分析的另一個主要工作內(nèi)容是進行牌號鑒別， 這也是在生產(chǎn)現(xiàn)場使用可見光譜分析的主要目的。系統(tǒng)可根據(jù)客戶需求設(shè)置待測牌號合金的譜圖及成分技術(shù)指標(biāo)， 進行牌號鑒別時可直接對系統(tǒng)已設(shè)置的牌號進行鑒別。