盐浴复合热处理技术氮化盐研究与测定
武新1,2, 李光林1,*, 温志渝3
1. 西南大学工程技术学院, 重庆 400715
2. 重庆电子工程职业学院, 重庆 401331
3. 重庆大学微系统研究中心, 重庆 400044
*通讯联系人 e-mail: liguanglin@swu.edu.cn

作者简介: 武 新, 1985年生, 西南大学工程技术学院博士研究生 e-mail: 359287697@qq.com

摘要

盐浴复合热处理技术是一种新型表面处理技术, 能增强工件的耐磨性、 耐腐蚀性和耐疲劳性, 在金属表面处理中得到广泛的应用。 氮化盐中氰酸根、 氰化物和铁离子的含量对该热处理技术的质量控制十分重要, 因此需要准确测定该三成分的含量以保证金属表面处理的质量。 针对目前业内所采用的化学滴定法难以满足自动化分析的技术要求, 基于分光光度法, 采用510, 620和697 nm三个不同波长的单色LED光源、 耦合光纤、 光电二极管搭建了一台半自动氮化盐三参数分析实验装置, 实现氰酸根、 氰化物和铁离子的快速准确测试。 该半自动实验装置除了光路系统外, 还有搅拌控制系统、 恒温控制系统、 数据采集电路系统。 氰酸盐检测采用间接检测方法, 先通过化学方法把氰酸根转变为铵根, 再根据标准GB 7481—1987水质铵的测定-水杨酸分光光度法, 通过对铵离子的测定(检测波长697 nm)间接测量氰酸根。 氰化物检测依据标准HJ484—2009水质氰化物的测定-异烟酸-巴比妥酸分光光度法(检测波长620 nm)。 铁离子含量的检测依据标准HJ345—2007水质铁的测定-邻菲啰啉分光光度法, 光谱检测特征波长为510 nm。 对LED光源光强稳定性进行了测试, LED光源一开始工作光强即达到稳定值; 测试了耦合光纤对LED光源的光谱影响, 单色光源通过耦合光纤和单光纤的光谱没有发生变化, 只是通过耦合光纤后光强值有所降低; 测试了搅拌对LED光源光强稳定性影响, 搅拌系统对光学系统没有影响。 利用实验装置测量出不同浓度氰酸根标准样品氰酸钾、 氰根标准样品氰化钾、 铁离子标准样品硫酸亚铁的吸光度, 基于朗伯比尔定律, 建立氰酸根、 氰化物和铁离子标样的拟合曲线, 其线性相关度 R2分别为0.990 7, 0.999 6和0.998 1, 线性度高; 氰酸根、 氰根和铁离子的预测样品均值最大相对误差和最大相对标准偏差RSD分别为4.53%和1.04%, 2.29%和0.79%, 4.2%和0.7%, 说明三样品测试结果准确性高、 重复性好; 氰酸根、 氰根和铁离子的最低检出限LOD分别为0.017, 0.009和0.005 mg·L-1。 比较了用设计的氮化盐三成分半自动检测装置与传统化学滴定法测得的氮化盐样品中的氰酸根、 氰化物和铁离子含量, 设计的检测系统测试结果优于传统的化学滴定法, 其中测试的氮化盐样品的氰酸根、 氰化物和铁离子均值相对误差和相对标准方差RSD分别为4.17%和0.69%, 1%和0.58%, 4%和0.29%。 各项测试结果均达到设计要求, 为盐浴复合热处理技术氮化盐三成分半自动分析仪提供了理论和技术支持。 论文搭建的氮化盐三成分半自动检测装置的光路系统采用单色LED光源、 多进一出耦合光纤对光源分光, 实现多参数的快速准确检测, 整套光学检测系统无任何活动部件, 大大降低了光学检测系统带来的系统误差, 保证了测试的准确度和重复性。

关键词: 光谱分析; 光学系统; 氮化盐; 金属表面处理
中图分类号:TN202 文献标志码:A
Study and Determination of Nitriding Salt with Salt Bath Heat Treatment Technology
WU Xin1,2, LI Guang-lin1,*, WEN Zhi-yu3
1. College of Engineering and Technology, Southwest University, Chongqing 400715, China
2. Chongqing College of Electronic Engineering, Chongqing 401331, China
3. Micro System Research Center, Chongqing University, Chongqing 400044, China
Abstract

Salt bath compound heat treatment technology is a new kind of metal surface treatment technology, which can enhance the wearability, corrosion and fatigue resistance of workpiece, and it is widely used. In order to guarantee the quality of metal surface treatment, it is very important to accurately determine the content of the Cyanate, Cyanide and Iron ion in nitriding salt. At present, it is difficult for the chemical titration method adopted by industry to satisfy the requirements for the automated analysis. Based on the spectrophotometric method, a semi-automatic nitriding salt parameter detection setup using 510, 620 and 697 nm of three different wavelengths of monochromatic LED light source, a coupling optical fiber and three photodiodes, which can fastly and exactly test the content of the Cyanate, Cyanide and Iron ion. The semi-automatic nitriding salt parameter detection setup includes the Optical system, mixing control system, constant temperature control system and data acquisition circuit. By the indirect method determining the content of Cyanate, converting the Cyanate ions into ammonium ions by chemical method, and then measuring the content of ammonium ions in water according to the national standard GB 7481—1987 Water quality-Determination of ammonium-Spectrophotometric method with salicylic acid, the characteristic absorption wavelength of ammonium is 697 nm. Determining the content of Cyanide according to the national standard HJ 484—2009 Water quality-Determination of Cyanide-Volumetric and Spectrophotometry method, the characteristic absorption wavelength of Cyanide is 620 nm. Determining the content of iron according to the national standard HJ 345—2007 Water quality-determination of Iron-phenanthroline spectrophotometry, the characteristic absorption wavelength of ammonium is 510 nm. In this setup, the light intensity stability of LED light source is tested, and the LED light intensity is a stable value when it starts working. Testing the influence of the coupled optical fibers, the spectrum of the monochromic LED light has not changed between through a coupling fiber and a single fiber, and just the optical intensity decreases a little when the light through the coupling fiber. Testing the stability of the LED light by stirring, the data showed the mixing control system has no effect on the optical system. Using the experimental device to measure the absorbance of Cyanate standard sample-potassium cyanate, Cyanide standard sample-potassium cyanide and iron standard sample-ferrous sulfate, based on the lambert beer’s law, establishing a Cyanate, Cyanide and Iron standard sample fitting curve, whose linear correlation R2 is 0.990 7, 0.999 6, 0.998 1, respectively, which has high linearity. The maximum mean relative error and maximum relative standard deviation of Cyanate, Cyanide and Iron in predicted samples were 4.53% and 1.04%, 2.29% and 0.79%, 4.2% and 0.7%, respectively. The limit of detection of Cyanate, Cyanide and Iron were 0.017, 0.009 and 0.005 mg·L-1, respectively. By contrasting the traditional chemical test method, the experiment setup test the Cyanate, Cyanide and Iron ion in nitriding salt, the test result of the detection system is superior to the traditional chemical titration method, and the maximum mean relative error and maximum relative standard deviation of Cyanate, Cyanide and Iron in nitriding salt sample were 4.17% and 0.69%, 1% and 0.58%, 4% and 0.29%, respectively. The results of these tests meet the design requirements and provide theoretical and technical support for the tri-component semi-automatic analyzer for salt bath compound heat treatment technology. The optical path system of experiment setup includes three monochromatic LEDs light source and a coupling fiber, which realizes the rapid and accurate detection and multi-parameter detection of the light source spectral. The whole optical inspection system has no moving parts, which greatly reduces the system error brought by the optical detection system, which guarantees the accuracy and repeatability of the analyzer test.

Keyword: Spectrum analysis; Optical systems; Nitriding salt; Metal surface treatment
引 言

QPQ(“ Quench-Polish-Quench” )是一种盐浴复合工件表面处理技术[1, 2], 是指金属在两种不同性质的高温熔融盐浴中作复合处理, 以使多种元素同时渗入金属表面, 实现了渗氮工序和氧化工序(碳氮共渗)的复合, 氮化物和氧化物的复合, 耐磨性和抗蚀性复合, 热处理技术和防腐技术的复合, 该技术得到大量的推广应用。 氮化盐中氰酸盐的含量(以氰酸根CNO-计)是直接影响表面化合物深度和表面硬度的主要因素, 直接影响工件表面处理质量; 铁离子含量(Fe2+和Fe3+)一方面影响工件表面生成化合物的疏松度, 另一方面和氰化物含量(以CN-计)一样是需要严格控制以防污染环境。 因此, 从工业过程质量控制的角度需要重点控制氰酸盐和铁的含量, 而从环保的角度需控制氰化物和铁的含量, 对氮化盐成分的精确检测是QPQ工艺质量控制和环保要求的重要依据[3, 4]

在目前行业应用中, 氮化盐成分检测需要专门技术人员进行人工取样, 通过化学滴定法检测分析, 重复性和准确性差, 影响了QPQ处理工艺质量。 因此, 本工作基于光谱分析[5], 搭建一套氮化盐三成分半自动检测系统, 采用510, 620和697 nm三个不同波长的单色LED光源加三进一出耦合光纤构成光学系统的光源部分。 该单色检测光源结构可取代传统的卤素灯加转动滤光片结构[6], 该结构不存在任何活动的机械构件, 可减少系统误差, 提高检测结果的重复性和准确度。 与传统的滴定测量方法比较, 半自动检测系统具有结构简单紧凑、 体积小、 检测快速、 操作简单、 成本低等优点; 测量结果精度高、 速度快, 有利于提高QPQ工艺的质量。

1 实验部分
1.1 仪器与试剂

基于分光光度法搭建的QPQ金属表面处理氮化盐三成分半自动化检测系统如图1所示。 光学检测系统由VISHAY公司的510 nm LED光源、 620 nm LED光源、 697 nm LED光源; 海洋光学公司的三进一出耦合光纤, 数值孔径为0.22± 0.02; 美国Marktech公司的MTD5010W光电二极管和自制样品检测室构成。 另外检测系统还包含电机磁子搅拌系统[7]、 样品室恒定温度控制系统[8]、 控制电路和数据采集电路一套、 电脑一台。

图1 氮化盐定量检测系统结构Fig.1 The of quantitative detection schematic diagram system for the nitride salt

实验所用试剂有: 浓度为10%稀硫酸、 1 mol的NaOH碱液、 氰酸根CNO-的显色试剂1水杨酸盐和试剂2次氯酸离子、 氰化物CN-的显色试剂3异烟酸和试剂4巴比妥酸、 铁离子Fe2+的显色试剂5乙酸铵和试剂6邻菲啰啉; 氰酸根CNO-样品为氰酸钾(KCNO)溶液, 7个样品浓度, 2#, 3#, 4#和6#为建标样品, 1#, 5#和7#为预测样品; 氰化物CN-样品为氰化钾溶液, 7个样品浓度, 1#, 2#, 4#和6#为建标样品, 3#, 5#和7#为预测样品; 铁离子Fe2+样品为硫酸亚铁铵溶液, 7个样品浓度, 2#, 4#, 6#和7#为建标样品, 1#, 3#和5#为预测样品; 8#样品为十堰东风液压公司提供的QPQ氮化盐样品, 其氰酸根浓度为0.35 mg· L-1、 氰化物浓度为0.04 mg· L-1、 铁离子的浓度为0.02 mg· L-1, 如表1所示。

表1 氰酸根、 氰化物和铁离子标准样品 Table 1 The standard samples of Cyanate, Cyanide and Iron ion
1.2 光学检测系统

光学检测系统由LED单色光源和三进一出耦合光纤构成了光源分光系统, 其中510 nm的光谱测量铁离子, 620 nm的光谱测量氰化物, 697 nm的光谱测量氰酸根离子, 如图2所示。 当需要检测氮化盐中铁离子浓度时, 打开510 nm LED单色光源, 关闭620和697 nm两个光源, 此时通过耦合光纤进入到样品检测室的光源只有510 nm光源, 整个光学系统形成510 nm单色光源系统, 可以进行铁离子浓度的定量检测。 定量检测氰化物和氰酸根浓度的光学系统跟铁离子一致。 该光学检测系统具有一定的通用性, 根据需要改变前端LED单色光源的数量, 可以实现单参数到任意多参数的检测。 系统取代了传统的卤素灯加转动滤光片的光源分光装置, 全部采用固定部件, 无活动零件, 大幅度减小了检测的系统误差, 保证整个仪器测量的准确度和重复性。

图2 氮化盐光学检测系统结构Fig.2 The structure of optical detection system of the nitrifying salt

1.3 方法

被测氮化盐取样冷却至室温后, 经精确称量、 再加蒸馏水定容成规定浓度范围的样品溶液后, 分别取一定体积的样品溶液与相应国家标准规定的分析试剂混匀或按照规定程序转化后, 加入对应样品光谱检测室进行检测分析。

氰酸盐、 氰化物和铁离子含量检测均依据国家标准分析方法:

氰酸盐检测采用间接检测方法, 先通过化学方法把氰酸根(CNO-)转变为铵根(N H4+), 再依据标准GB 7481— 1987(水质 铵的测定 水杨酸分光光度法)通过对铵离子的测定(检测特征波长为697 nm)间接实现对氰酸盐含量的检测[9]

①准确称取0.343 1 g(可在附近波动)的盐样溶于1 000 mL的容量瓶中, 用蒸馏水定容至标线, 充分摇匀后备用;

②取上述氮化盐样品溶液2 mL到碘量瓶中, 加入2 mL的10∶ 90的稀硫酸, 将碘量瓶沸水浴加热两分钟驱赶氰离子(在通风橱条件下进行), 然后取下冷却至常温后转入250 mL的容量瓶中, 将碘量瓶清洗三次的溶液都转入容量瓶中, 加蒸馏水至近刻度线处(留3 mL左右的空间)。

③向容量瓶中加入1.75 mL的5N氢氧化钠溶液, 调节其pH至7~8。 (试验证实)

④将调好pH的溶液定容至刻度线后摇匀。

氰化物检测依据标准HJ484— 2009(水质 氰化物的测定 异烟酸-巴比妥酸分光光度法), 光谱检测特征波长为620 nm[10]

①称取0.343 1 g(和氰酸根的检测同次称量)左右的盐样溶于1 000 mL的容量瓶中, 用蒸馏水定容至标线, 充分摇匀后备用;

②取5.0 mL的盐溶液于1 000 mL的容量瓶中, 用蒸馏水定容至标线配成待测液。

氰根离子有剧毒, 所以建标和检测过程中所剩废液根据以下配方进行无害处理: 250 mL棕色试剂瓶中加入25 mL 10%的Na2CO3和25 mL 35%的FeSO4· 7H2O溶液配制成无害处理液。

铁离子含量的检测依据标准HJ345— 2007(水质 铁的测定 邻菲啰啉分光光度法), 光谱检测特征波长为510 nm[11]

准确称取0.333 3 g(可以在附近波动)的盐样, 溶解后全部转移至100 mL的容量瓶中, 加蒸馏水稀释至标线, 摇匀备用。

2 结果与讨论
2.1 LED光源光强稳定性

所设计光学检测系统要求连续控制LED光源开和关, 而光源光强从打开到稳定一般需要一定的稳定时间。 采用海洋光纤微型光谱仪QEPro测定620 nm单色LED光源打开后618 nm波长处光强的变化情况验证LED单色光源稳定性。 如图3可知, 测试时间为10点16分— 10点52分, 共36 min。 LED光源一打开开始工作其光强即达到稳定值, 满足光学检测系统的要求。

图3 620 nm单色LED光强稳定性Fig.3 The light intense stability of 620 nm monochrome LED

2.2 耦合光纤对LED光源光谱的影响

采用海洋光纤微型光谱仪QEPro测定620 nm单色LED光源通过单光纤和三进一出耦合光纤的光谱, 如图4所示。 单光纤采用海洋光学的P50-2-UV-VIS, 三进一出耦合光纤也采用海洋光学公司。 由图4分析可知, 620 nm单色LED光源通过三进一出耦合光纤和单光纤的光谱没有很大的变化, 只是通过耦合光纤后光强有所降低, 但对系统检测没有影响。

图4 620 nm单色LED的光谱图Fig.4 The spectrum of 620 nm monochrome LED

2.3 搅拌对LED光源光强稳定性影响

采用海洋光纤微型光谱仪QEPro测定620 nm单色LED光源在波长618和609 nm的光强在接收处变化情况, 如图5所示。 图中25~29 min的波动是因为样品室的搅拌对光路的影响产生的, 分析发现搅拌停止时, 光电二极管接收处的光强能快速的恢复到稳定状态, 说明搅拌对光学系统无影响。

图5 搅拌对620 nm单色LED光强的影响Fig.5 The influence of light intensity of LED by stir

2.4 线性度和精确度测试

加入显色试剂, 恒温搅拌后测量氰酸根标准氰酸钾样品2#, 3#, 4#, 6#和零点样品的吸光度, 氰根标准氰化钾样品1#, 2#, 4#, 6#和零点样品的吸光度, 铁离子标准硫酸亚铁铵样品2#, 4#, 6#, 7#和零点样品的吸光度, 如表2所示。

表2 不同标样浓度的吸光度 Table 2 The absorbance of different standard samples

对不同建标标样扣除零点吸光度即A=Ai-A0, Ai为标样的实际吸光度, A0为零点(空白)吸光度。 基于朗伯比尔定律[12], 使用最小二乘法进行线性拟合, 拟合曲线的横坐标为标样浓度, 纵坐标为扣除零点吸光度A, 如图6所示。 可知, 氰酸根、 氰化物和铁离子标样拟合曲线的线性相关度R2分别是0.990 7, 0.999 6, 0.998 1, 线性度很好, 满足测试要求。

图6 氰酸根、 氰化物和铁离子标样的拟合曲线Fig.6 The fitted curves of standard samples of Cyanate, Cyanide and Iron ion

利用标样的拟合曲线分别测试预测样品的浓度, 每个样品测量5次, 所测数据如表3所示。 可知, 氰酸根、 氰根和铁离子的预测样品均值最大相对误差和最大相对标准偏差RSD分别为4.53%和1.04%, 2.29%和0.79%, 4.2%和0.7%, 说明三样品测试结果准确性高、 重复性好, 满足系统测试要求。

表3 预测样品测试数据 Table 3 The test data of prediction sets
2.5 最低检出限(limit of detection, LOD)

由氰酸根、 氰根和铁离子标样的拟合曲线可以计算出该检测装置定量测量的最低检出限LOD,

LOD=3.3×SDSlope(1)

其中, SD为空白样本的标准偏差, Slope为拟合曲线的斜率。 由此计算出氰酸根、 氰根和铁离子的最低检出限LOD分别为0.017, 0.009和0.005 mg· L-1

2.6 对比测试

对比用设计的氮化盐三成分半自动检测装置与传统化学滴定法测试氰酸根、 氰化物和铁离子的结果, 连续测试5次, 所测数据如表4所示。 由数据可知, 本检测系统优于传统的化学滴定法, 其中测试的8#样品的氰酸根、 氰化物和铁离子均值相对误差和相对标准方差分别为4.17%和0.69%, 1%和0.58%, 4%和0.29%, 满足工业现场测试要求。

表4 QPQ氮化盐样对比测量数据(mg· L-1) Table 4 The contrast measuring data of Cyanate, Cyanide and Iron ion (mg· L-1)
3 结 论

基于分光光度法, 研究了QPQ盐浴复合热处理技术氮化盐氰酸根CNO-、 氰根CN-、 铁离子Fe2+含量的半自动测量方法和实验。 单色LED光源、 多进一出耦合光纤对光源分光, 实现多参数的快速准确检测, 整套光学检测系统无任何活动部件, 大大降低了光学检测系统带来的系统误差, 保证了分析仪测试的准确度和重复性。 氰酸根先转换成铵根, 依据GB 7481— 1987(水质 铵的测定 水杨酸分光光度法), 检测波长为697 nm; 氰根检测依据HJ484— 2009(水质 氰化物的测定 异烟酸-巴比妥酸分光光度法), 检测波长为620 nm; 铁离子检测依据HJ345— 2007(水质 铁的测定 邻菲啰啉分光光度法), 检测波长为510 nm。 搭建的半自动化实验装置对8#样品的氰酸根、 氰化物和铁离子均值相对误差和相对标准方差分别为4.17%和0.69%, 1%和0.58%, 4%和0.29%, 测量精度高, 重复性好, 为QPQ工艺的质量提供了强有力的技术保障。

The authors have declared that no competing interests exist.

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