火花直讀光譜儀（Optical Emission Spectrometer以下簡稱OES）在金屬材質化學成分檢測分析中，有著快速準確，操作簡便等諸多有點，因而被廣泛應用于鑄造配料，來料檢測等領域。然而每種檢測儀器都有其應有的范圍和局限性，OES對材質要求必須滿足，塊狀（能覆蓋住激發孔），成分分布均勻等。比如鐵基材質中的鑄鐵（灰鐵，球鐵，蠕鐵等統稱鑄鐵）屬于OES較難分析的一類材質。已經鑄造成型，冷卻后的樣品，不管是球鐵（C呈球墨狀），灰鐵（C呈針狀），蠕鐵（C介于球墨狀和針狀之間），其組織結構都是相對非均勻的，OES都很難測準，尤其是C、S、Si等元素。因此必須將鐵水注入特制的取樣器，在其冷卻前快速浸入水中完成白口化，才能在OES分析出相對準確的結果，且白口化效果直接影響分析結果的準確性。以下總結了一些影響OES分析鑄鐵材質準確性的原因。

試樣原因及改正措施

（1）光譜儀分析采用的試樣應為白口試樣而不能為灰口試樣

生鐵取樣后自然冷卻的金相分析為，大量片狀石墨、共晶萊氏體、珠光體共存的結構，片狀石墨的存在使得火花光譜激發時呈現擴散放電現象，即常說的激發點發白。擴散放電是一種不正常的放電狀態，分析元素不能很好的蒸發而進入分析通道，因此光譜不能分析沒經白口化后的生鐵。

白口化后的生鐵其金相組織為，共晶萊氏體、珠光體、白色板條狀初生滲碳體，無片狀石墨。白口化后的樣品結構均勻適合光譜分析，光譜激發時呈凝聚放電，即常說的激發點發黑

我們做過這樣的試驗,兩爐鐵水準備進行化學成份分析時,在制作白口試樣同時也制作自然冷卻試樣（非白口化） ,將兩者結果進行比較,情況如表1:

表1：白口化與非白口化對比數據

通過對比,不難發現兩者偏差很大。白口化后的試樣分析結果較接近濕法化學測試的結果。這就要求在制作試樣時,試樣厚度2~3mm即可,不應過厚,制作試樣模型的材料應為散熱快的金屬如銅、鐵等。總之試樣白口化程度越好光譜儀分析精確度越高。

（2）試樣溫度對分析結果的影響

在實際操作發現試樣在燙和涼兩種不同狀態下進行光譜儀分析時總存在差距。為了找出偏差值做了如下實驗 ,將兩個剛磨好還很燙的試樣直接分析,分析結束后在試樣激發部位背面做標記,再將試樣磨光后冷卻,在相同部位再進行光譜儀分析,將兩者結果進行比較,情況如表2:

表2:試樣溫度對比數據

通過對比,可以發現燙試樣光譜儀分析結果普遍高于涼試樣光譜儀分析結果,特別是硅、錳。為避免這種誤差的出現,可以用這樣幾個方法:

A、 將試樣磨好后放置一段時間讓其自然冷卻;

B、 試樣磨好后用水冷卻再盡可能短時間磨光;

C、 試樣磨好后擺放在吸熱物體上以加快其散熱如銅棒等。

（3）試樣面積對分析結果的影響

　　一個重疊區域(小1mm),而且試樣表面應是均勻的、平整、紋理一致。試樣如不平整或者試樣面積小于激發孔將不能完全蓋住激發孔,使燃燒室不處于密封,試樣被激發時改變電流強度,從而影響預燃和曝光,使試樣燃燒不完全,導致光譜儀分析結果偏差很大。

（4）試樣表面要干凈不要被污染如用手觸摸

　　污染的試樣被激發時表面不能被沖洗干凈,并且沖洗下來的物體污染燃燒室,影響預燃和曝光,嚴重時光譜儀無法分析,輕微時會出現分析結果偏差大。

（5）試樣表面不能有砂眼、氣孔、裂紋等缺陷

　　鑄鐵白口化試樣是急冷薄片樣，容易出現氣孔、沙眼、裂痕等，缺陷會導致試樣被激發時電流強度改變,使試樣燃燒不完全,激發不良,光譜儀分析結果偏差很大。

　（6）試樣中硫元素含量不能過高

　　在實踐中發現當試樣中硫元素大于2%,光譜儀便無法正常分析。因為硫在燃燒過程中形成硫化鐵、硫化錳等化合物,影響試樣進一步激發,從而導致激發不良。

　（7）試樣火花激發表面不良。

　　好的火花激發表面應為激發處理產生的粗糙、有著金屬光澤的區域盡可能的大(直徑大約4~6mm),這個區域出現在火花激發表面的中心,周圍有黑色的圓環,圓環區域的火花不很強烈,奶白色,應盡可能的小。如火花激發表面和上述不一樣則為不良,此時光譜儀分析偏差很大值不可靠

光譜儀的原因及改正措施

　　光譜儀工作原理是試樣被電流擊發之后,試樣中的元素發射它的特征波長,并經聚光,色散,每一元素譜線被分解出來,通過光電倍增管將這些元素各自光信號為電流信號,再根據電流強度確定化學元素含量的高低。上述環節有一個出現問題都會對光譜儀的分析產生影響。

　　（1）光譜儀所用的氬氣必須為高純氬(Ar≥99.999%)。

　　分析試樣時必須用到惰性氣體氬氣,因為火花激發過程只能在保護氣體環境下進行。同時,氬氣也為紫外線范圍內的光提供了透明的媒介傳導。因為這種氣體也為產生等離子區提供等離子,所以就需要這種氣體具有高純度,以保證分析結果的正確性。氣體如果不純,會造成分析結果漂移偏差很大,重復精度差。一般會出現兩種問題或它們的混合:

　　A、被要定量分析的分析物質所污染這種情況下,分析試樣時會得到很高的分析結果(如含有氮、氧或碳)。這種錯誤是很明顯的,一有這種情況,要立即更換氬氣,然后必須進行標準化校正。

B、由那些能阻止試樣激發的物質而造成的不純這種情況下,由于試樣激發不良,分析試樣時會得到很低的分析結果。我們做過試驗分別用純氬(Ar 99.99%)和高純氬(Ar 99.999%)擊發同一試樣得到結果進行對比,情況如表3:

表3：氬氣純度對比數據

　　氬氣不純引起的分析結果偏差大,重復精度差,比較常見。我們可以通過以下幾個方面,判別是否由于氬氣的原因引起的分析誤差:

　　A、聽　當氬氣中含有那些能削弱或完全阻礙試樣激發的物質時,試樣激發時會發出噼啪的聲音。

　　B、看　由于激發不良,試樣火花激發表面會出現劣質的激發點。

C、比　氬氣不純時,內部基體元素光強值變低,分析結果高的離譜或低的離譜。

氬氣不純時,我們可以通過更換高純氬、配備氬氣凈化機解決。

　　（2）任何光譜儀分析的化學元素含量都有上下限。超出光譜儀分析范圍,分析結果會出現很大偏差。為了保證光譜儀分析的精確度,我們可以將上限縮小10%,下限縮小20%。

　　（3）試樣架上一定要擺放試樣,蓋住激發孔。試樣架上沒有試樣,燃燒室不密封,室內易有空氣和水蒸氣,激發試樣的第一點數據和后面激發的數據會有1%~2%差異。

　　（4）入射窗口的透鏡必須保持清潔,不得有污染。

　　試樣被激發后的光譜線必須經過入射窗口才能射到光電倍增管上,光譜儀經過一段時間的工作后,入射窗口的透鏡就會被灰塵和燃燒后殘留物污染,光譜儀的敏感性降低,分析偏差加大。一般來說,如果內標基體的光強值下降了15%~30%,就應及時清洗入射窗口。

　　（5）光譜儀應安裝在溫度為10℃~38℃環境內,但是必須恒溫,溫差不能大。光路調整時對溫度變化極為敏感,溫差較大時(3℃/h),會使性能降低,光譜儀分析結果非常不穩,值忽高、忽低偏差很大。所以光譜儀擺放的房間必須安裝空調。

　　（6）光電倍增管損壞。通常光電倍增管不易會壞。而且一旦壞了,它所對應的元素分析將失真,比較容易發現,我們在實際工作中發生過這樣一例,化學元素Mo的光電倍增管壞了,壞了以后不論試樣中Mo含量高低、有無,光譜儀分析結果總在0.24%左右,由于操作員責任心強,及時發現了。光電倍增管損壞可以通過暗電流測試、分析高低標樣、做標準化等途徑發現。一旦壞了必須立即更換。

　　（7）定期清理火花激發臺和電極。光譜儀工作一段時間后,火花激發臺的內表面就會有殘留物,電極表面會有沉淀,影響放電,造成試樣激發不良。所以要定期清理,要注意清理過程中不能使用溶劑。

　　（8）定期進行標準化操作。標準化可保證分析結果始終如一的準確性。它可以將飄移的分析曲線調整歸位。標準化一般為一個月一次,也可以根據光譜儀分析結果的穩定情況進行。但每次設備內部狀況和環境狀況發生了對整個設備狀況有影響的變化后,就必須要進行標準化如:室內溫度發生變化;清理或修理火花激發臺;清理光學系統的入射窗口;換了新的氬氣瓶;排除試樣原因出現大的偏差。

其他原因及改正措施

　　（1）試樣的結果進行標樣校正。

　　我們在實際工作中,經常對試樣的結果用標樣進行校正,以減小偏差,保證分析結果的精確度。我們在校正時要遵循的原則是:標樣的元素含量和試樣的元素含量要接近。也就是試樣含量高標樣也要高含量,反之亦然。否則校正的結果仍有大偏差。如試樣中碳含量為3.20%,選擇的標樣中碳含量好也是3.20%,正負不宜超過1%。

　　（2）化驗員要對試樣的化學成份大概了解。

　　化驗員在試樣分析前對元素含量要了解,做到心中有數,這樣才能保證分析結果不會出現大的偏差。如在上面寫到的光電倍增管壞了的例子,就是因為化驗員分析前對試樣的含量有了了解,才能及時發現問題,找出原因,采取措施。

結束語

當一個試樣分析結束時,可以根據以下幾方面判斷是否出現了偏差:

A、 分析結果是否與鐵水配料時計算的化學元素含量相符

B、 分析結果是否與鐵水化學成份調整有相應的變動

C、 試樣的火花激發表面是好還是劣

D、 試樣不同部位分析結果是否一致。如果出現了偏差。我們首先觀察試樣激發部位有無氣孔、裂紋、污染等問題,將試樣原因排除;再考慮氬氣有無污染、光學系統有無問題等,再采取相應的措施。