汽車(chē)金屬材料化學(xué)成分怎么檢測？

隨著(zhù)汽車(chē)工業(yè)與金屬材料工業(yè)的發(fā)展，普通的鋼鐵材料已經(jīng)不能完全適應汽車(chē)發(fā)展的需要，一些新材料如高強度鋼、超高強度鋼、鋁合金等應運而生。金屬材料在使用過(guò)程中所表現的各種性能如機械性能（拉、壓、沖、彎、扭）、物理性能和其他性能，直接決定了它在車(chē)輛上的應用范圍、安全可靠性以及使用壽命。

而金屬材料組織結構以及元素種類(lèi)分布及含量，決定了其應用范圍以及在加工制造過(guò)程中所表現出來(lái)的性能如沖壓性能、焊接性能、切削性能、熱處理性能等，以及零件加工制造的難易程度。對于鋼鐵金屬材料的物理性能影響較大化學(xué)成分有碳、硅、錳、磷、硫，俗稱(chēng)五大元素。碳作為金屬中一個(gè)重要元素，而碳含量增加時(shí)，鋼鐵的強度和硬度增加，塑性和延展性降低，反之亦然；而硫作為一種有害的元素，硫含量過(guò)高，形成硫化錳、硫化鐵，是鋼鐵在熱變形的產(chǎn)生裂紋主要原因，要嚴格控制。對于合金鋼而言除了控制五大元素的含量外，還要對其他合金元素如硼、鎳、鉻、釩、鉬、鈦、鈮等進(jìn)行嚴格控制，以保證達到材料的使用要求和性能要求。

鑄鐵是含碳量為2.11%～6.69% 的鐵碳合金，元素成分以鐵、碳、硅為主要成分。按照碳在鑄鐵中存在的形態(tài)和石墨形狀，鑄鐵被分為白口鑄鐵、灰口鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵、可鍛鑄鐵、合金鑄鐵。鑄鐵具有優(yōu)良鑄造性能、切削加工性能以及耐磨和減振性能，鑄鐵的生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、成本低，是汽車(chē)制造及其他工業(yè)中廣泛應用的一種材料，如發(fā)動(dòng)機缸體、動(dòng)力轉向節、主軸承蓋、平衡軸等等。

1.2 汽車(chē)用鋼

鋼是含碳量在0.04%～2.3%之間的鐵碳合金，是汽車(chē)金屬材料中應用較為廣泛的一種，車(chē)身的許多板件都用鋼板制成。按照化學(xué)成分分為碳素鋼和合金鋼。碳素鋼按碳含量高低又分低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼。優(yōu)質(zhì)碳素結構鋼，通過(guò)控制硫、磷含量在0.04以下，強度、硬度低，塑性與韌性好，冷塑性、變形性和焊接性好，適合車(chē)身構件沖壓成型。而合金鋼按照合金元素高低又分為低合金、中合金、高合金鋼。低合金中，高強度鋼（HLSA ）0.25%-0.60% ，在低碳鋼中加入磷來(lái)提高鋼的強度，具有低碳鋼類(lèi)似的加工特性，提高抗拉強度；高抗拉強度鋼（HHS），通過(guò)增加了硅、錳和碳，提高了抗拉強度。用來(lái)制造與懸架裝置有關(guān)的構件和車(chē)身。

不銹鋼主要由鐵、鉻及含量不同的碳元素合金組成。強度質(zhì)量比高及非凡的抗腐蝕能力，決定它被廣泛用于機械加工及冷成形車(chē)身零件。如車(chē)身、車(chē)輪、防盜組。

按照熱處理工藝，鋼分為普通熱處理和表面熱處理。其中表面熱處理又分為表面淬火和化學(xué)熱處理。熱處理是通過(guò)加熱保溫冷卻手段，改變材料表面或內部的化學(xué)組織和結構。鋼板按照軋制工藝，常見(jiàn)的有熱軋鋼板和冷軋鋼板。熱軋鋼板車(chē)身鋼材，一般 800℃以上的軋制；而冷軋鋼板，是將熱軋鋼板酸洗后，在常溫狀態(tài)由軋機軋制，具有加工性好，表面美觀(guān)，用于車(chē)身構件。表面淬火，通過(guò)淬火是提高鋼材料表面的硬度、耐磨性，而芯部仍然保持良好的韌性，如車(chē)輛的齒輪、曲軸等。表面化學(xué)熱處理的鋼板，通過(guò)化學(xué)反應結合物理方式，改變表層的化學(xué)成分和結構，一般會(huì )加入鎳、鋅、鋁等合金元素，主要用于汽車(chē)上易發(fā)生腐蝕、易氧化、耐磨損等部位，如車(chē)門(mén)檻、車(chē)輪護罩、車(chē)身下護圍等。

1.3 汽車(chē)用有色金屬及合金

通常把鐵和鐵碳合金稱(chēng)為黑色金屬，而把黑色金屬以外的其他金屬稱(chēng)為有色金屬。

隨著(zhù)汽車(chē)輕量化需求以及輕量化材料的推廣，在汽車(chē)上廣為應用的有鋁及鋁合金、銅及銅合金、鎂及鎂合金，以鋁合金為主的有發(fā)動(dòng)機、鋁輪轂以及鋁合金車(chē)身、車(chē)門(mén)、保險杠、車(chē)輪等等。

對于金屬中的元素成分測試，傳統的測試方法通過(guò)制備少量的金屬碎屑，將碎屑通過(guò)一定的方式溶解，再采用實(shí)驗室的滴定法、比色法、容量法等測試。

隨著(zhù)化學(xué)測試儀器設備技術(shù)的進(jìn)步發(fā)展，衍生了一批快速分析測試的設備，如火花放電原子發(fā)射光譜儀、波長(cháng)色散X射線(xiàn)熒光光譜儀、碳硫分析儀、氧氮氫分析儀等試驗設備在一定程度上取代了傳統化學(xué)滴定、重量法，實(shí)現了快速、準確的測試要求。但是也存在一些樣品溶解方式無(wú)法被取代，如元素含量極低的情況下，如質(zhì)量濃度達到10-6-10-9級別時(shí)，同樣可以借助傳統的溶樣方式，再采用高靈敏度的儀器設備：石墨爐原子吸收光譜儀、電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀、電感耦合等離子體質(zhì)譜儀等測試。下面就汽車(chē)金屬元素成分的測試方法原理及相關(guān)研究進(jìn)行分別介紹。

2.1 火花源放電原子發(fā)射光譜法

火花源放電原子發(fā)射光譜法俗稱(chēng)直讀光譜法，是將制備好的金屬樣品塊在火花光源的作用下，與對電極之間發(fā)生放電，在高溫和惰性氣氛中產(chǎn)生等離子體，被測元素的原子被激發(fā)時(shí)，電子在原子內不同能級間躍遷，當從高能級向低能級躍遷時(shí)產(chǎn)生特征譜線(xiàn)，通過(guò)測量該種特征譜線(xiàn)的波長(cháng)和強度，并且特征譜線(xiàn)的強度與元素的濃度呈比例關(guān)系，實(shí)現對待測元素進(jìn)行定性分析和定量分析?；鸹ǚ烹娫影l(fā)射光譜法,俗稱(chēng)直讀光譜法。它可以同時(shí)測定包括C、Si、Mn、P、S在內的非金屬和金屬多種元素，測試范圍為百分之幾。為了提高測試的準確性，除了應用儀器設備自帶的校準曲線(xiàn)，通常需要建立相應基體的標準曲線(xiàn)進(jìn)行校準和驗證。該方法要求樣品的規整度較高，如果為碎屑、粉末、表面不規則樣品或者溶液狀態(tài)則不能測試。

我國鋼鐵領(lǐng)域的3個(gè)金屬元素的測試標準：GB/T 4336-2016、GB/T 24234-2009、GB/T 11170-2008 ，分別規定了碳素鋼、中低合金鋼、鑄鐵、不銹鋼等材料的C、Si、Mn、P、S等元素含量采用火花放電原子發(fā)射光譜測定方法，在各行業(yè)應用較廣。

2.2 波長(cháng)色散X射線(xiàn)熒光光譜法

波長(cháng)色散X-射線(xiàn)熒光光譜儀（WD-XRF）是一種可以對多元素進(jìn)行快速同時(shí)測定的儀器。在X射線(xiàn)激發(fā)下，被測元素原子的內層電子發(fā)生能級躍遷而發(fā)出次級X射線(xiàn)（即產(chǎn)生X-熒光），采用晶體分光而后由探測器接收經(jīng)過(guò)衍射的特征X射線(xiàn)信號。如果分光晶體和控測器作同步運動(dòng)，通過(guò)不斷地改變衍射角，可獲得樣品內各元素所產(chǎn)生的特征X射線(xiàn)的波長(cháng)及各個(gè)波長(cháng)X射線(xiàn)的強度，并依此進(jìn)行定性和定量分析。WD-XRF對元素的檢測濃度線(xiàn)性范圍寬，測試可達到0.001%-100%，一次可以測試多種元素，測試速度快，對于符合要求的樣品基本無(wú)需處理。WD-XRF方法對樣品的要求類(lèi)似于火花放電原子發(fā)射光譜。WD-XRF已經(jīng)廣泛應用于巖礦的成分測試，在鋼鐵領(lǐng)域的不銹鋼、鋁合金成分測試也有應用。但是WD-XRF不適合分析輕質(zhì)量元素以及極低含量如0.01%以下的元素測試。

2.3 原子吸收光譜法

原子吸收光譜分析（AAS）是基于試樣蒸氣相中被測元素的基態(tài)原子對由光源發(fā)出的該原子的特征性窄頻輻射產(chǎn)生共振吸收，其吸光度在一定范圍內與蒸氣相中被測元素的基態(tài)原子濃度成正比，以此測定試樣中該元素含量的一種儀器分析方法。AAS測試范圍在為μg/ml以上4～6個(gè)數量級，一般是單個(gè)元素測試，但不能連續同時(shí)多個(gè)元素的測試，此外對非金屬元素的靈敏度偏低。依據進(jìn)樣方式分為一般的火焰AAS和石墨爐AAS，所有AAS測試進(jìn)樣都需要將固體樣品轉換為液體樣品，對大部分金屬元素可直接測試，但對于部分元素如砷、銻元素需要氫化發(fā)生反應生成氫化物測試。

2.4 電感耦合等離子體發(fā)射光譜法

電感耦合等離子體發(fā)射光譜法(ICP-AES)，是利用通過(guò)高頻電感耦合產(chǎn)生等離子體放電的光源來(lái)進(jìn)行原子發(fā)射光譜分析的方法。它是一種火焰溫度范圍為6000至10000K的火焰技術(shù)。該發(fā)射強度表示樣品中元素的濃度。ICP-AES在鋼鐵、鋁合金、鋅合金、高溫合金等冶金分析方面應用較廣。同AAS一樣，ICP-AES的進(jìn)樣也需要將固體樣品轉換為液體樣品，它可以一次同時(shí)測試多種元素，測試范圍在 μg/ml以上至100%，測試靈敏度高，不僅可以測試金屬元素，還可以測試部分非金屬元素B、P、S、Si等。ICP-AES在低合金鋼、鋁合金、鈦合金、鋅合金等測試有應用。

我國的標準 GB∕T 20125-2006、GB/T 20975.25-2008、GB/T 5121.27-2008分別規定了應用 ICP-AES法對低合金鋼、鋁合金和銅合金中的元素含量測試方法。

2.5 電感耦合等離子體發(fā)射質(zhì)譜法

電感藕合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS），它是一種將電感藕合等離子體ICP技術(shù)和質(zhì)譜MS結合在一起的分析方法。ICP利用在電感線(xiàn)圈上施加的強大功率的高頻射頻信號在線(xiàn)圈內部形成高溫等離子體，并通過(guò)氣體的推動(dòng)，保證了等離子體的平衡和持續電離，在ICP－MS中，ICP起到離子源的作用，高溫的等離子體使大多數樣品中的元素都電離出一個(gè)電子而形成了一價(jià)正離子。質(zhì)譜MS是一個(gè)質(zhì)量篩選和分析器，通過(guò)選擇不同質(zhì)核比（m/z）的離子通過(guò)來(lái)檢測到某個(gè)離子的強度，進(jìn)而分析計算出某種元素的強度。ICP-MS測試速度塊，靈敏度高，檢測限低，適合多元素同時(shí)測試；在樣品經(jīng)過(guò)適當的預處理后，既可以測試金屬元素，也可以測試非金屬元素B、Si、P、S、As等，還可以結合液相色譜或氣相色譜聯(lián)機方式進(jìn)行測試元素的價(jià)態(tài)；元素含量測試范圍寬，從ng/mL-100%可達9個(gè)數量級。

ICP-MS主要有氣體進(jìn)樣、液體進(jìn)樣和固體進(jìn)樣多種方式，其中液體進(jìn)樣方式應用最為廣泛。

2.6 非金屬元素CS/ONH分析法

金屬元素中的C、S與O、N、H通常采用紅外吸收法和熱導檢測儀測試，俗稱(chēng)碳硫分析儀和氧氮氫分析儀。碳硫分析儀（CS儀）即高頻感應爐燃燒后紅外吸收儀，針對金屬中的非金屬元素碳和硫，電負性相差不大，在金屬中都能形成碳化物或硫化物，碳在鋼鐵中以碳化物和游離態(tài)碳存在，再高溫富氧的條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電偶極矩，都有振動(dòng)、轉動(dòng)等結構，按照量子力學(xué)的分裂能級，入射特征波長(cháng)紅外輻射耦合產(chǎn)生吸收，根據朗伯-比爾定律，吸收強度與濃度呈正比關(guān)系，測量經(jīng)紅外吸收后的紅外光譜的強度，便可計算出二氧化碳或二氧化硫的含量。CS分析測試的 C、S質(zhì)量含量可低至0.005%和0.0005%。

標準 GB/T 11261-2006、GB/T 20124-2006、GB/T 223.82-2018分別采用惰性氣體熔融-熱導或紅外吸收法規定了鋼鐵中的氧、氮、氫含量的測試方法，氧元素質(zhì)量分數含量 0.0005～0.020%，氮元素質(zhì)量分數含量 0.002～0.6%，氫元質(zhì)量分數含量素0.20～30μg/g。