賈 旭，楊 雷

（1.航宇救生裝備有限公司，湖北 襄陽 441002；2.襄陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 襄陽 441050）

鍍鋅鋼絲廣泛應(yīng)用于橋梁纜索，錨固拉力構(gòu)件，提升及固定用拉力構(gòu)件和土木工程中其他構(gòu)件中，［1］其表層的鋅既可以防止鋼鐵的大氣腐蝕，又能使自身腐蝕速度減緩。鋅層質(zhì)量、厚度的測定及控制不僅決定生產(chǎn)成本，同時決定產(chǎn)品的使用壽命，故要求快速、準確地測定鋅層質(zhì)量及厚度。測定鋅層的方法很多，主要有重量法、電磁測量法、金相測量法、電化學(xué)溶解法。磁力測厚儀測定方法簡單、易操作、不破壞樣品，但精確度較差，且只能測量局部的厚度；金相法測量厚度雖然準確，但也只是測量局部厚度；重量法不僅能測定整個鍍層的平均厚度，而且方法簡單、易操作，因此在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。［2］重量法測定鍍鋅鋼絲的厚度的依據(jù)是GB/T1839。［3］首先，此方法需要嚴格控制取樣的長度，長度過短會出現(xiàn)質(zhì)量差值太小，產(chǎn)生由于天平的精密度的原因帶入過大的稱量誤差；過長會延遲反應(yīng)時間。其次，此方法以劇烈冒氫氣泡明顯停止，作為檢測的終點，但是我們?nèi)粘z測過程中常會出現(xiàn)相對標準差偏大。出現(xiàn)這種情況的原因主要是終點的控制，溶解時間過長，質(zhì)量差會變大，測量的值會偏大；溶解時間過短，則情況相反。采用本檢測方法，須待試樣完全反應(yīng)以后，等待幾秒，再進行分析檢測。電感耦合等離子方法測定的是溶液中的鋅離子，受質(zhì)量影響相對小一些，同時電解耦合等離子測定的單位面積上鍍鋅層質(zhì)量的相對標準偏差小于重量分析法的相對標準偏差。本方法首先選用緩蝕劑溶解鋅層，然后用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法對溶液中的鋅進行測定，最后根據(jù)公式（1）換算出鋼絲中單位面積上鍍鋅層質(zhì)量。采用本方法首先不受取樣長度的影響，其次，兩次平行樣的測定結(jié)果RSD%≤3%，且測定的鋼絲厚度基本與金相顯微鏡的結(jié)果吻合。

一、實驗部分

（一）儀器與試劑

緩蝕劑：將3.5 g六次四甲基四胺溶于500 mL濃鹽酸中，用去離子水稀釋至1 000 mL。

鋅標準溶液GSBG62025-90 1 000 mg?L-1，國家鋼鐵材料測試中心；分析天平型號：梅特勒MS204TS/02；Thermo scientific公司生產(chǎn)的型號ICAP 6300的電感耦合等離子體發(fā)射光譜。

金相顯微鏡型號：蔡司D1M。六次四甲基四胺、鹽酸、無水乙醇均為分析純，實驗室用水為二級水。

（二）電解耦合等離子光譜儀的工作條件

高頻發(fā)射功率1 150W；冷卻氣流量12.0L?min-1，輔助氣流量0.9 L?min-1，載氣流量0.8 L?min-1；垂直觀測高度15 mm；沖洗泵速100 r?min-1，分析泵速100 r?min-1；沖洗時間60 s；積分時間10 s；高純氬氣純度不低于99.999%。

（三）實驗方法

1.樣品處理。截取一段100~600 mm鍍鋅鋼絲，用無水乙醇浸泡后，取出晾干，用濾紙擦拭表面，使表面無油污，如果油污沒有除干凈，重復(fù)上述操作。移取50 mL緩蝕劑放入250 mL燒杯中，將鍍鋅鋼絲樣品放入其中浸泡，待劇烈反應(yīng)完畢，在試樣表面只有密集的小泡，說明Zn反應(yīng)完全后，等待幾秒，將樣品塊取出，用去離子水沖洗試樣，最后用銀離子檢測清洗液中無氯離子。然后將浸泡液以及清洗液加熱煮沸，揮發(fā)水分至體積100 mL，稍冷，再將浸泡液以及清洗液定容至250 mL容量瓶中，搖勻，在電解耦合等離子光譜儀的工作條件下進行測定，同時做白試驗。按公式（1）計算單位面積上鍍鋅層質(zhì)量。

式中：M-單位面積上鍍鋅層質(zhì)量（g.m2）；ρ-腐蝕溶液中鋅溶液的濃度（mg?L-1）；V-腐蝕溶液的體積（L）；m2-試樣鍍鋅層溶解后的質(zhì)量（g）；D-試樣鍍鋅層溶解后的直徑（mm）。

根據(jù)鍍鋅鋼絲的單位面積上的質(zhì)量計算出鋼絲的純鋅層厚度（μm）。

式中：d-純鋅層厚度，單位（μm）；ρ-純鋅層密度，7.2 g?cm-3。

2.標準曲線。分取0 mL、1 mL、2 mL、4 mL，6 mL的鋅標準溶液，到100 mL容量瓶中，加入10 mL緩沖溶液，定容到刻度，搖勻。鋅濃度分別為0mg?L-1、10 mg?L-1、20 mg?L-1、40 mg?L-1、60 mg?L-1作標準曲線。

二、結(jié)果與討論

（一）分析線的選擇

將樣品溶液在電感耦合等離子光譜儀上進行定性掃描，除了被測元素鋅以外，還含有少量的鐵、鉻、鈦等元素。根據(jù)光譜干擾小、譜線穩(wěn)定、譜峰對稱、右背景平坦和靈敏度適中的原則，［4］對鋅的常用分析線通202.548 nm、206.200 nm、213.856 nm、304.502 nm進行分析。在前面闡述的電解耦合等離子光譜儀的最佳工作條件下，運行實驗方法中的“標準曲線”，鋅元素的四條分析線的線性擬合系數(shù)見表1。

表1 鋅元素分析線的線性擬合系數(shù)

從表1中可以看出，鋅的分析線202.548 nm、206.200 nm、213.856 nm、304.502 nm的線性擬合系數(shù)≥0.999，都滿足分析的要求。相對而言，除304.502 nm的分析線，其余三條鋅元素的分析線的線性擬合系數(shù)都達到了0.999 9以上。

采用0 mg?L-1、10 mg?L-1、20 mg?L-1、40 mg?L-1、60 mg?L-1鋅標準溶液在各分析線的中心附近0.1842的范圍內(nèi)進行掃描，觀察譜圖上分析線是否受到光譜干擾。（見圖2）可以看到分析線的波峰波形簡單、平滑，無明顯的背景干擾。由此可以看出鋅的分析線202.548 nm、鋅濃度為60 mg?L-1時光強達到123 300，光強太強很容易受外界的影響產(chǎn)生波動或產(chǎn)生過飽和現(xiàn)象，而304.502 nm處的分析線在鋅濃度為60 mg?L-1時的光強只有2 846，說明其靈敏度低。試驗結(jié)果表明：次靈敏分析線206.200 nm和213.856 nm可以滿足要求；同時本文所選擇的分析線均沒有受到明顯的光譜干擾。

圖2 鋅標準溶液在各個分析線處的光譜圖

（二）六次四甲基鹽酸緩沖溶液對鋅元素的影響

分取1 mL的1 000 mg?L-1鋅標準溶液，到100mL容量瓶中，分別加入10 mL、25 mL、50 mL緩沖溶液，用水定容到刻度，搖勻。平行測定3次，計算標準偏差RSD%，計算結(jié)果見表2。

表2 緩沖溶液的體積對分析結(jié)果的影響

根據(jù)GB/T1839中規(guī)定鍍鋅鋼絲的溶解過程中，不同長度的鍍鋅鋼絲加入的緩沖溶液的量有不同，這時候考慮緩沖溶液濃度含量對測試結(jié)果的影響很有必要。緩沖溶液的量從10~50 mL進行分析，溶液中鋅的理論濃度為10 mg?L-1。從表2中可以看出所加入的緩沖溶液的體積對分析線206.200 nm的影響不大，相對誤差為0.7%，而對于213.856 nm的分析線來說，隨著緩沖溶液的加入量的增加，其測得的10 mg?L-1的溶液數(shù)值呈現(xiàn)一個遞減的趨勢，而相對誤差為3.1%。總體來看，選擇分析線206.200 nm，可以降低緩沖溶液對鋅元素濃度的影響。

（三）鋅層厚度

三種規(guī)格的鋼絲分別取長度500 mm，各三份，采用實驗方法中“樣品處理”的方法溶解鋼絲樣品，然后定容到50 mL的容量瓶中，再分取5 mL定容到100 mL容量瓶中。用實驗方法中的鋅“標準曲線”，來分析緩沖溶液中鋅離子的濃度。然后根據(jù)公式（1）、公式（2）計算出鍍鋅層質(zhì)量以及鋅層厚度，分析結(jié)果見表3。

表3 電感耦合等離子法計算出的鋅層質(zhì)量以及鋅層厚度

從表3中可以看出用電感耦合等離子光譜分析法測定的單位面積上鍍鋅層質(zhì)相對標準偏差RSD%<3%，滿足檢測要求。

以直徑1.2 mm的鋼絲為例，其金相顯微鏡測定的鍍鋅層的厚度平均值為4.6μm（見圖3），而根據(jù)公式（2）計算出的鋅層厚度為4.8μm，計算結(jié)果與金相測定結(jié)果基本吻合。

圖3 鋼絲金相顯微鏡圖

（四）兩種方法結(jié)果對比

三種規(guī)格的鋼絲分別取長度100 mm、300 mm、500 mm、600mm，每個長度各4份，2份采用實驗方法中“樣品處理”的方法溶解鋼絲樣品，然后定容到50 mL的容量瓶中，再分取5 mL定容到100 mL容量瓶中，用實驗方法中的鋅“標準曲線”，測定緩沖溶液中鋅離子的濃度。2份采用GB/T1839的方法進行重量法檢測，測定結(jié)果見表4。

從表4可以看出標準方法（GB/T1839），RSD%值隨取樣量的增大而減小，這主要是取樣長度小，影響m1-m2的數(shù)值小，稱樣量的誤差造成鍍鋅層厚度偏差過大。而電感耦合等離子分析方法測定，其鍍鋅鋼絲的鋅層質(zhì)量的相對標準偏差隨取樣長度100~600mm變化不大，且RSD%≤3.0%。根據(jù)GB/T1839中規(guī)定的方法再現(xiàn)性，為其平均值的±5%，直徑為0.5 mm、0.8 mm、1.2 mm的鋼絲再現(xiàn) 性 分 別 為：41.28±2.064，21.46±1.073，34.71±1.702。電感耦合等離子分析方法測定的鍍鋅層均滿足要求。

表4 標準方法與本方法鍍鋅層厚度以及其標準偏差的結(jié)果分析

三、結(jié)論

本方法從分析曲線的選擇以及緩沖溶液的影響兩個方面進行了方法優(yōu)化，選擇鋅的分析線206.200 nm，排除了光譜干擾以及緩沖溶液對測定結(jié)果的影響。電感耦合等離子分析方法與GB/T1839中的重量法進行了比對，電感耦合等離子分析方法不受取樣長度的影響，且兩次平行樣的測定結(jié)果RSD%≤3%，同時測定的鋼絲的厚度基本與金相顯微鏡的結(jié)果吻合，且滿足了GB/T1839中規(guī)定的方法再現(xiàn)性的要求。