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浅谈我国钢材材料化学元素的标准分析方法

 

钢铁材料是各类弹簧使用量最大的金属材料,约占消耗量的90%以上。作为可持续发展的弹簧业件而言,关注我国金属材料标准分析方法,是十分必要的。近年来,我国金属材料标准分析方法的制、修订上有了长足的进步,本文拟通过对我国国家标准的试验方法的最新进展进行评述,以期对行业人士有所帮助。

我国国家标准对于钢铁材料的分析方法标准上主要体现在GB/T 223中,迄今为止共86个方法,涉及36种元素,其中2000年以前发布的方法标准有78个。这些分析方法主要集中在重量法、滴定法、分光光度法、火焰原子吸收光谱法(FAAS)、气体容量法等传统测试手段,都是单一元素分析方法,所用仪器相对简便,但分析步骤往往较为繁琐,检测周期较长,劳动强度较大,对分析人员的从业经验要求很高,工作效率较低。这一时期,标准的制、修订工作也不太正常,许多标准数10年不变。

进入21世纪,特别是我国加入世界贸易组织(WTO)以后,标准被列为我国国家基础战略,标准化工作得到了前所未有的快速发展,除了对GB/T 223进行扩充外,冠以其它标准号的方法也不少,与国外先进标准的差距也日渐缩小。具体体现在以下几个方面:

①各国标准之间的相互借鉴和相互融合,我国国家标准在制、修订时更多采用国际标准的趋势非常明显。如GB/T 20066-2006《化学成分测定用试样的取样和制样方法》等同采用了ISO14284:1996,对原标准(GB/T 222-1984)进行了大幅度修改,比先前更为详尽严密。2008年对GB/T 223中锰、硅、铝、铬、镍、硼等16种元素的24种方法进行了修订,其中GB/T 223.5-2008硅、GB/T 223.31-2008砷、GB/T 223.64 -2008锰和GB/T 223.67-2008硫的测定方法等同采用或修改采用了相应的国际标准。在气体元素分析方面,这种现象更为普遍。

②由于历史的原因,在GB/T 223中间一元素往往有几种方法,采用不同的序号,年号也各不相同。2008年修订的标准中将部分元素的同类分析方法进行了整合,使用起来更为方便,如铝、镍、铝、铌的光度法,高含量锰、铬的测定增加了电位滴定法等。

③现代工业对纯净钢的需求的不断上升,超低碳、超低硫的分析非常迫切,目前看来,采用红外线吸收法是最佳选择。高频燃烧或惰气熔融的红外线吸收光谱法和热导法在测定气体元素(碳、硫、氧、氢)方法已确定了主导地位,作为一种相对分析方法,分析结果的准确性强烈依赖于标准值准确、可靠的超低碳硫的标准样品或基准物,而后者本身的制备难度很高,这是技术难点之一。

④电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES)技术可以进行多元素同时分析,已应用于低合金钢和铸铁中镁、镧和铈等元素的测定,分析灵敏度与工作效率大大提高。

⑤光电直读光谱法(OES)、X射线荧光光谱法(XRF)已经建标,可用于材料逐层分析的辉光放电-原子发射光谱法(GD-AES)测定低合金钢也列为标准分析方法。但此类方法都属于相对分析方法,测定结果的准确度和检测范围与所用的标准样品息息相关。

⑥我国还首创性地建立了原位统计分布分析方法,规定了用金属原位统计分布分析法测定碳、硅、锰、磷、硫、铬、镍、铜、钛、钼、钒和铝等成分的分布。

⑦在优化常规元素和常量元素分析的同时,痕量元素对材料性能的影响也引起广泛重视,特别是应用于高端制造业,如核电、超临界发电、航空航天等领域的高温合金材料的痕量元素。其中要进行成分控制的元素众多、含量又极低,常规方法的检出限无法满足其要求。B/T 20127.1~GB/T 20127.13-2006规定了高温合金中16种痕量光谱法元素的分析方法。许多先进技术或高灵敏度方法被采用,石墨炉原子吸收光谱法(GFAAS)、氢化物发生-原子荧光光谱法(HG-AFS)、电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)、示波极谱法、萃取分离高灵敏度显色光度法等,最低的可以测定至0.00001%。这是最先进的水平。

2000年以来,我国国家标准中钢铁材料呵学分析测试方法的最新制、修订情况见表1。
表1 国家标准中钢铁化学分析方法制、修订情况

标准号

标准或分析内容

测定元素

备注

GB/T 223.4-2008 

钢铁及合金 锰含量的测定 电位滴定或可视滴定法

增加电位滴定法

GB/T 223.5-2008

 钢铁 酸溶硅和全硅含量的测定 

增加全硅含量的测定

GB/T 223.9-2008 

钢铁及合金 铝含量的测定铬天青S分光光度法

酸溶铝、铝含量的测定,代替GB/T223.9-2000和GB/T223.10-2000

GB/T 223.11-2008 

钢铁及合金 铬含量的测定 可视滴定或电位滴定法

增加电位滴定法

GB/T 223.23-2008 

钢铁及合金 镍含量的测定 丁二酮肟分光光度法

代替GB/T223.23-1994和 GB/T223.24-1994

GB/T 223.26-2008 

钢铁及合金 钼含量的测定 硫氰酸盐分光光度法

代替GB/T223.26-1989和GB/T223.27-1994

GB/T 223.29-2008

钢铁及合金 铅含量的测定 载体沉淀-二甲酚橙分光光度法

无实质性修改

GB/T 223.31-2008

钢铁及合金 砷含量的测定 蒸馏分离-钼蓝分光光度法

等同采用ISO17058:2004

GB/T 223.40-2007

钢铁及合金 铌含量的测定 氯磺酚S分光光度法(0.01~0.50%)

代替GB/T223.39-1994和GB/T223.40-1985

GB/T 223.43-2008 

钢铁及合金 钨含量的测定 重量法和分光光度法

代替GB/T223.43-1994

GB/T 223.55-2008

钢铁及合金 碲含量的测定 示波极谱法

代替GB/T223.56-1987和GB/T223.57-1987

GB/T 223.59-2008

钢铁及合金 磷含量的测定铋磷钼蓝分光光度法

增加铋磷钼蓝光度法

GB/T 223.64-2008

钢铁及合金 锰含量的测定 火焰原子吸收光谱法

等同采用ISO10700:1994

GB/T 223.67-2008 

钢铁及合金 硫含量的测定 次甲基蓝分光光度法

等同采用ISO10701:1994

GB/T 223.69-2008 

钢铁及合金 碳含量的测定 管式炉内燃烧后气体容量法

无实质性修改

GB/T 223.70-2008

钢铁及合金 铁含量的测定 邻二氮杂菲分光光度法

适用高温合金和精密合金

GB/T 223.72-2008 

钢铁及合金 硫含量的测定 重量法

代替GB/T223.72-1991

GB/T 223.73-2008

钢铁及合金 铁含量的测定 三氯化钛—重铬酸钾滴定法

代替GB/T223.73-1991

GB/T 223.75-2008 

钢铁及合金 硼含量的测定 甲醇蒸馏-姜黄素光度法

代替GB/T223.73-1991,采用硫磷混合酸分解硼化物测定全硼

GB/T 223.78-2000

钢铁及合金化学分析方法 姜黄素直接光度法测定硼含量

等同采用ISO10153:1997

GB/T 223.79-2007

钢铁 多元素含量的测定 X-射线荧光光谱法(常规法)

多元素

测定低合金钢中硅、锰、磷、铜、铝、镍、铬、钼、钒、钛、钨、铌等

GB/T 223.80-2007

钢铁及合金 铋和砷含量的测定 氢化物发生-原子荧光光谱法

铋、砷

测定范围:0.00005%~0.010%

GB/T 223.81-2007

钢铁及合金 总铝和总硼含量的测定 微波消解-电感耦合等离子体质谱法

铝、硼

总铝和总硼

GB/T 223.82-2007

钢铁 氢含量的测定 惰气脉冲熔融热导法

测定范围:0.00002%~0.0030%

GB/T 223.83-2009 

钢铁 高硫含量的测定 感应炉燃烧红外吸收法

高硫

等同采用ISO13902:1997

GB/T 223.84-2009

钢铁 钛含的量测定 二安替比林甲烷光度法

等同采用ISO10280:1991

GB/T 223.85-2009

钢铁 硫含量测定 感应炉燃烧后红外吸收法 

等同采用ISO4935:1989

GB/T 223.86-2009 

钢铁 碳含量测定 感应炉燃烧后红外吸收法 

总碳

等同采用ISO9556:1989

GB/T11261-2006

脉冲加热惰气熔融红外线吸收法测定氧量

测定范围:0.0005%~0.020%

GB/T 20123-2006

高频感应炉燃烧后红外吸收法(常规方法)

碳、硫

等同采用ISO15350:2000;总碳、硫含量

GB/T 20124-2006 

惰性气体熔融热导法(常规方法)

等同采用ISO15351:1999

GB/T 20126-2006

感应炉(经预加热)内燃烧后红外吸收法 

低碳

非合金钢

GB/T 20125-2006 

电感耦合等离子体发射光谱法

多元素

低合金钢

GB/T 24520-2009

电感耦合等离子体原子发射光谱法 

镧、镁

铸铁和低合金钢

GB/T 20127.1~GB/T 20127.13-2006 

痕量元素的测定;GFAAS;FAAS;HG-AFS;ICP-AES;萃取光度法;示波极谱法;ISP-MS等

多元素

高温合金

总之,钢铁材料分析方法是材料试验中最重要的部分之一,通常可以分为权威分析方法、标准分析方法和现场分析方法。其中标准分析方法使用最为广泛,它是经过充分试验、广泛认可、逐渐建立的,不需要额外工作即可获得精密度、准确度和干扰等知识整体。我国的国家标准分析方法都是按规定的格式(GB/T 20001.4-2001)进行编写,方法的成熟性得到公认;通过协作试验确定了方法的误差范围;由权威机构(国家质检总局)审批和发布的。我们企业在实际运用应十分关注它。

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