过程控制、材料可靠性鉴定（PMI）、质量控制、资产完整性管理、材料分类、废料回收、根本原因分析和新材料开发均依赖于精确的元素分析，才可确保正确的规格、性能和法规合规性。商用手持式、移动式和固定式分析仪可用于实现此任务，还有许多产品可满足各种行业和应用领域的需求。

金属元素分析主要采用三种技术——激光诱导击穿光谱（LIBS）、直读光谱仪（OES）和X射线荧光（XRF），每种技术都有其确保质量和安全的作用。鉴于此类技术具有不同的优势，似乎很难选择合适的技术。对不同元素的分析需求加以了解将有助于针对具体的应用领域选择合适的技术。

本指南将讨论关于10种需要火花OES才可获得精确分析结果的元素、此等元素可能出现的情况，以及在分析此等元素时必须获得精确结果的原因。

一、元素分析的主要技术

上述三种主要技术都以类似的方式发挥作用——作用于材料表面，并在原子层级相互作用，以检测存在的元素。每种技术都有其优缺点，我们将在下面对此进行探讨：

X射线荧光（XRF）

XRF技术用于验证多种样品的化学成分，包括金属、非金属、粉末、液体、固体、溶液和糊剂。XRF是一种完全无损的技术，即使对于成品部件，此种技术也可在不造成其表面损伤的情况下对其进行检测。手持式和台式分析仪均可供使用，此种技术非常适合用于管道工程，因其可对热样品进行精确分析。

XRF光谱仪的局限性在于其检测轻元素的准确性不高，轻元素通常被认为是原子序数小于11的元素，如铝（Al）、硅（Si）和钙（Ca），以及稀土元素，如铈（Ce）和铒（Er）。另一个潜在的缺点是，XRF光谱仪依赖于X射线技术，而且此款分析仪可能需要获得许可，这可能比较麻烦。

直读光谱仪（OES）

与其他两种技术相比，OES技术的最大优势在于其能够检测最广泛的元素。对于钢材中的所有重要元素（包括碳（C）、硼（B）、磷（P）和氮（N）），OES技术可在超低检测含量的情况下实现极高准确度。实质上，OES可检测出其他技术会漏检的痕量元素的存在。

OES擅长分析金属和非金属元素 ，但只能分析金属的基体材料。这是因为OES的工作原理是在材料表面进行放电，所以基体材料必须具有导电性。OES像LIBS一样会在表面留下可见的激发斑点，因此不适合用于成品。最后，OES设备往往体积更大，所需的能源更多，并且该技术需要氩气供应。

本质上，OES能检测到其他技术会遗漏的痕量元素。

激光诱导击穿光谱（LIBS）

LIBS分析的主要优势是速度快。借助手持式LIBS光谱仪，可在一秒钟内获得结果——这在分析大量零件或分拣一堆废料时是一大优势。这正是LIBS最擅长的领域，尤其是该技术在测量大多数铝合金时非常精确。LIBS不像XRF那样完全无损，LIBS测量会在表面留下一个很小的激光斑点，因此人们不会在极为注重外观的成品部件上使用LIBS。

此项技术需要在无污染物的固体表面进行测量。目前的LIBS技术的主要缺点在于其根本无法测量某些元素，如氧（O）、氮（N）、氢（H）、砷（As）、磷（P）、硫（S）和硼（B）。

二、10种需要火花OES才可获得精确结果的元素

气体元素：

1.氢

以钛合金为例，分析时需要非常小心地控制氢元素含量。氢元素可与钛基合金的结构相互作用，导致机械降解和断裂，尤其是在高温下亦如此。因此，不同牌号钛均设有氢元素最大值。对于许多牌号钛，如1号钛，其中的氢含量限值为0.15%，但对于医用钛，如2、3号钛，合金中的氢含量必须低于0.125%。

对于钢而言，溶解在固态钢中的氢会在焊接时立即或在焊接后短时间内导致冷裂纹，尤其是在热影响区（HAZ）的碳锰钢中亦如此。这也可能延伸至焊缝中。

使用XRF或者LIBS技术都无法检测出氢元素，因此OES技术是最好的选择。某些OES仪器不具备氢元素检测能力，因此需要仔细检查产品规格。另一种选择是燃烧分析法，但此种技术难度更大，所需的仪器比OES光谱仪更加昂贵。

2. 氧

除非使用燃烧分析法，否则氧元素也可能像氢元素一样难以分析。分析铜熔体时需要减少氧含量，因为高含量的氧会影响导电性、可塑性和耐腐蚀性；如果铜将用于电气应用领域，这一点尤其重要。

对于钛牌号，通常规定其中的氧含量为0.2%左右，以增加强度。

3. 氮

监测钢中的氮含量极其重要；氮的存在与否会影响强度、耐腐蚀性和可加工性，因此必须对氮含量加以控制以适应应用领域。

双相钢中的氮是一种重要的合金元素，可形成优异的耐腐蚀性和强度等关键特性。然而，不正确使用双相钢将产生问题，尤其是在低温下亦如此。精确测定钢中氮成分对于熔体控制和来料检验至关重要，可避免材料混淆。火花OES是燃烧分析法的一种合适的替代技术。

氮是钛牌号中的一种合金元素，其存在会影响焊接性。根据具体的钛牌号，其中的氮含量通常保持在0.02%至0.05%之间。

金属和非金属元素

4. 硼

硼是一种轻元素，且XRF或LIBS无法检测出硼，只有OES才能检测出硼。在金属检测中，必须小心控制硼在低合金钢和碳钢中的存在。一方面，硼在提高碳钢的淬透性方面非常有用，只要3ppm的硼便可产生巨大的影响。因此，含硼钢通常用于车辆的安全杆、立柱和仪表板。

然而，当硼的含量上升时，其会从钢中分离出来，并沉淀在晶界内。仅仅5ppm的硼就会降低淬透性、降低韧性、导致脆化并导致焊缝开裂。因此含硼钢不能用于大型结构，并且已制定适当的法规确保这一点。

5. 锂

对于铝基合金而言，锂是一种有问题的杂质。首先，锂会导致铸造问题，影响孔隙率。熔融铝中锂的存在会影响氧化速率，并对铸造产品产生不利影响。

在加工线更下游的工序中，锂会在热轧过程中导致脆化。在最终应用领域中，锂会导致焊接性问题，从而导致电弧不稳定；即使锂的含量低于5ppm，其也会导致铝箔在潮湿条件下变色。

在制造过程中，尤其是对于8090系列，需要进行进料和出货检验，而且在金属回收过程中，锂铝需要分离，因为锂含量超过5ppm的任何物质都会导致铸造回收原材料的问题。

由于锂是一种轻元素，因此XRF无法对其进行分析。LIBS可检测出锂的存在，但难检测出低浓度锂。中高端OES光谱仪可检测含量低至1ppm的锂。

6. 铍

铍是铜中一种重要的合金元素，其主要功能是抵消铜成分在长期受热后的弱化。因此含铍铜被用于发动机、飞机和洗衣机的电连接器。

铍的含量取决于铜的牌号，铜的牌号通常分为两类：高强度牌号和高导电性牌号。高强度牌号铜的铍含量通常不足2%，而高导电性合金（如铝合金174）的铍含量可低至0.15%。

测量铜中如此低含量的铍对LIBS光谱仪而言是一项挑战。然而，由于铍被认为是对人类毒性最大的化学物质之一，因此了解杆材或金属棒等中的铍含量是一项重要的健康和安全措施。OES光谱仪的基本功能包括精确检测铍含量是否适当，确保适当的合金最终用于正确的应用领域，并防止任何健康和安全事故。

7. 碳

碳是铝中的一种杂质，在铝中形成碳化物，碳化物遇水分解，会导致表面点蚀。然而，检测钢（包括碳钢和镍铬钢）中碳含量的需求最为广泛。

钢材按含碳量分类；低碳钢（L）用于耐腐蚀，高碳钢（H）用于提高强度。低碳钢与高碳钢之间的差异非常小；低碳钢要求含碳量在0.03%或以下，高碳钢则要求含碳量在0.04%至0.1%之间。

首先，需要能够可靠地检测上述含碳量的分析仪。但是，由于“碳当量”（CE）的概念，碳的分析并不十分简单。此处，在计算“碳当量”值的公式中使用了其他合金元素的精确成分。该值用于预测材料在高温加工时的性能。

XRF无法检测出碳。OES在检测碳和用于CE计算的所有合金元素方面具有卓越性能。LIBS更像是一种中间技术。LIBS可用于检测碳，但是此项技术缺乏OES的精确度。对于CE计算，LIBS完全无法检测出一些关键元素，例如硼。

8. 钠

钠是铝合金中的一种杂质。在铝熔炼和铸造过程中保持低钠含量至关重要，否则会导致熔体损失。铝合金中可接受的钠含量属于低ppm范围；在热轧过程中，仅少量ppm的钠即可导致裂纹，如果焊丝中的钠含量超过10ppm，焊弧会变得不稳定。

作为一种轻元素，钠属于太轻而无法被XRF检测出的一类元素，而LIBS也难检测出钠。火花LIBS同样是最好的选择，有些LIBS仪器的检出限（LOD）为1ppm或更低。

OES在检测碳和用于CE计算的所有合金元素方面非常出色。

9. 磷

钢中的磷可能有害或有益，这取决于应用领域和成型工艺。例如，加入磷可提高机械加工性和耐腐蚀性，加入少于0.2%的磷可提高低碳薄钢板的抗拉强度。但是磷也会导致脆化，从而导致延展性降低。某些钢特别容易脆化，如高强度低合金钢，此类钢的磷含量必须限制在0.02%以下。

对于铝压铸件，磷会污染含锶和含钠变质剂，大幅降低其在铸造过程中的效果。这可能导致铸造产品形成次优熔体结构和较差的性能特性。

磷是一种相对较轻的元素，XRF很难检测出铝合金和碳钢中的磷含量。LIBS光谱仪根本检测不出磷。火花OES能够检测出钢合金中低ppm含量范围内的磷。

10. 硫

硫在钢中被视为杂质还是被视为所需元素取决于相关用途。在接受焊接的低合金钢中，硫被归类为杂质，其含量必须保持在0.05%以下。当硫含量高于0.05%时，钢会变脆，焊接完整性会受损。然而，易切削钢中会特意添加含量为0.10%至0.30%的硫，以改善机械加工性。

硫的原子质量相对较低，因此尽管XRF可检测出硫，但难以达到检测钢所需的超低检出限。LIBS根本无法检测出硫。火花OES同样是唯一能够以所需精度可靠地分析金属中硫含量的技术。

三、投资火花OES以实现未来灵活性

除上文讨论的元素之外，火花OES还是唯一一种擅长检测其他更稀有元素的技术。下文简要介绍可能会越来越多地在金属合金中使用的七种元素。

钛

钛是一种极其耐用的轻金属，比标准低碳钢更坚固，但重量只有低碳钢的55%。由于钛具有较高的生物相容性，其已被广泛地应用于医疗器械中，但预计钛将更普遍地用于车辆和飞机，以满足减轻重量从而提高效率的需要。

钒

在使用碳当量计算法时，可能已开始查看钒，因为钒是一种变质元素。钒也被用作钛合金中的稳定剂，并与铝和钛混合，形成一种用于喷气发动机的超强合金。钒钢非常坚韧，而钒合金用于制造核反应堆。

钼

此种银白色的硬金属有许多用途；钼被添加至钴合金中以增强强度，其还可被添加至钛合金中作为稳定剂。钼是双相钢中的四种合金元素之一，用于碳当量计算法。铬钼合金钢具有优异的耐腐蚀性和抗拉强度，因此可用于建筑和汽车应用领域。

火花OES是唯一擅长检测其他如稀有元素是否存在的技术。

铌

由于铌的表面会形成一层保护性氧化物，因此铌天然地极其耐腐蚀。铌可提高不锈钢合金的强度，用于喷气发动机、火箭和管道。铌还具有超导特性，越来越多地应用于粒子加速器和磁共振扫描仪中。

钽

钽与铌一样具有极高的天然耐腐蚀性，这要归功于其表面易于形成的一种坚固的氧化物。正是由于此种高度绝缘的氧化物，钽广泛应用于电子设备，尤其是手机。钽也能生产用于超音速飞机的异常坚固的合金。

铪

此种高熔点金属在高温应用领域中有多种用途。铪的抗腐蚀能力和吸收中子的能力使其广泛应用于核反应堆。将铪用于“高温合金”中有助于提高后者的高温使用性能，因此铪用于喷气发动机的涡轮叶片。

钨

在所有金属中，钨的熔点最高，钨在过去一直被用于灯丝。如今，钨合金被用于高温应用领域，包括电弧焊和熔炉。由于碳化钨具有极高的硬度，因此许多切削工具均由碳化钨制成，并且碳化钨的新应用领域正在开发中，例如牙钻。

可使用OES光谱仪分析所有上述元素。随着材料规格和应用发生变化，需要确保所选择的分析仪具有较宽的波长范围，以便涵盖目前和将来需要分析的所有元素。

关键词:OES光谱仪 精确分析 金属元素

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来 源：日立分析仪器

编辑：仪器仪表WXF

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