ICP-AES法測(cè)定不銹鋼中14種元素

(西北工業(yè)集團(tuán)計(jì)量理化一中心，西安 710043)

1 前言

不銹鋼因良好的耐蝕性、抗氧化性以及優(yōu)異的力學(xué)性能，在軍工行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，尤其是18Ni、17-4 PH等材料，其各元素含量對(duì)產(chǎn)品的性質(zhì)和質(zhì)量有著非常重要的影響。關(guān)于不銹鋼分析，一般多采用化學(xué)分析法[1]及原子吸收法，此類方法測(cè)定元素單一，共存元素干擾多，操作復(fù)雜，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率低。近年來隨著分析儀器的迅猛發(fā)展， 原子發(fā)射光譜在金屬材料檢測(cè)中不斷地被化學(xué)分析者所使用，而ICP-AES是較為理想的分析方法之一，該方法具有靈敏度高、檢出限低、檢測(cè)線性范圍寬、可實(shí)現(xiàn)多元素同時(shí)測(cè)定等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)測(cè)定不銹鋼中主微量元素具有較大的優(yōu)越性，節(jié)約了大量物力人力。用王水、硫磷混酸溶樣，ICP-AES法測(cè)定耐磨合金鋼鋼中Ni、Mo、Cr、W、V等元素[2]；用王水、硫磷混酸溶樣，ICP-AES法測(cè)定不銹鋼中錳等元素[3]；用王水混酸溶解樣品，ICP-AES法測(cè)定不銹鋼中錳、鉬、鈦、銅、鈷等元素[4]等方法已見諸文獻(xiàn)。目前《低合金鋼 多元素含量的測(cè)定 電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法》有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T20125-2006，《不銹鋼 多元素含量的測(cè)定 火花放電原子發(fā)射光譜法》有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T11170-2008，但用ICP-AES法測(cè)定不銹鋼中錳、硅、磷、鈷、鉬、鎳、鋁、鈦、銅、鈮、鉻、鎢、釩、鋯等14元素還沒有建立相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也不完全包括這些元素及含量范圍。本實(shí)驗(yàn)研究了用硝酸-鹽酸溶解樣品、ICP-AES法測(cè)定不銹鋼中錳、硅、磷、鈷、鉬、鎳、鋁、鈦、銅、鈮、鉻、鎢、釩、鋯等14種元素，取得了令人滿意的結(jié)果，方法簡(jiǎn)便、快速、準(zhǔn)確，易于推廣應(yīng)用。

2 試驗(yàn)部分

2.1 主要儀器與試劑

德國(guó)斯派克公司128000型電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀；高純鐵，鐵含量大于99.98%；鐵基體溶液10 g/L；各待測(cè)元素標(biāo)準(zhǔn)溶液從國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心購買，質(zhì)量濃度為1000 μg/mL或500 μg /mL。所用酸均為優(yōu)級(jí)純，試劑為分析純，試驗(yàn)用水為超純水。

2.2 儀器工作參數(shù)

等離子體功率1400 W，蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速30 RPm，冷卻氣流量12.00 L/min，輔助氣流量1.00 L/min，霧化器流量1.00 L/min，氬氣工作壓力1.0 MPa，預(yù)沖洗時(shí)間10 s，預(yù)進(jìn)樣時(shí)間30 s，積分時(shí)間28 s。

2.3 試驗(yàn)方法

稱取不銹鋼樣品0.1000g于150mL錐型瓶中，加入王水10 mL～20 mL，低溫加熱至樣品溶解，含鉻試樣加入5 mL高氯酸冒煙(3～5 min)使溶液澄清[5](此溶液不能用來測(cè)硅)，取下冷卻，加水10 mL溶解鹽類，冷卻至室溫，移入100 mL容量瓶中，用水稀釋至刻度，混勻。按試驗(yàn)條件對(duì)儀器進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，建立分析方法，采集標(biāo)準(zhǔn)溶液，擬合標(biāo)準(zhǔn)曲線后，再進(jìn)行樣品分析。

2.4 工作曲線的制作

根據(jù)試樣中鐵的含量，分別稱取適量的高純鐵或移取適量的鐵基體溶液(10 g/L)，于7個(gè)150 mL錐型瓶中，按試驗(yàn)方法溶解樣品[6]，在未稀釋到刻度前，加入適量的待測(cè)元素標(biāo)準(zhǔn)溶液，使標(biāo)準(zhǔn)溶液中的溶液酸度與試液基本一致，用水稀釋至刻度，混勻。以不加標(biāo)準(zhǔn)溶液的試液作為空白溶液，在儀器優(yōu)化后的工作條件下進(jìn)行測(cè)定，繪制各元素的標(biāo)準(zhǔn)曲線。

3 結(jié)果與討論

3.1 溶樣方法的選擇

不銹鋼屬于高合金鋼中的一種，它的特點(diǎn)是含有較高的合金元素鎳、鉻、鉬等，與碳素鋼不同，不銹鋼溶樣時(shí)易生成碳化物及其他不溶物，需要專門處理[7]。由于基體成分復(fù)雜，譜線干擾問題較多，不同型號(hào)的不銹鋼材料,溶樣方法也不盡相同。在ICP-AES分析中，因?yàn)榱蛩?、磷酸粘度較大，易堵塞毛細(xì)管，影響進(jìn)樣效率；盡量少用硫酸、磷酸、氫氟酸或高鹽試劑，氫氟酸易腐蝕進(jìn)樣系統(tǒng)及矩管；高鹽類溶液霧化時(shí)易在噴口處沉積，阻塞通道，降低載氣流量，使光譜背景增加[8]。 所以溶樣首選硝酸或鹽酸，需要時(shí)可加入過氧化氫或高氯酸進(jìn)一步消解。本試驗(yàn)選用王水15 mL溶解試樣，對(duì)測(cè)定18Ni中鈷、鉬、鎳、鋁、鈦、磷、錳、硅元素的含量，獲得了令人滿意的結(jié)果。對(duì)17-4PH，1Cr18Ni9Ti等材料，采用加5 mL高氯酸，加熱蒸發(fā)至冒高氯酸煙(3～5)min使溶液澄清，即使鉻含量較高(4%～30%)，也可以同時(shí)測(cè)定錳、磷、鈷、鉬、鎳、鋁、鈦、銅、鈮、鉻、鎢、釩、鋯等13種元素，其精密度、準(zhǔn)確度滿足日常分析要求。

3.2 分析譜線的選擇

從128000型發(fā)射光譜儀的譜線庫中，查看各元素的譜線干擾和強(qiáng)度信息,選用強(qiáng)度較大的譜線作為預(yù)選分析線。用標(biāo)準(zhǔn)溶液和基體溶液進(jìn)行各元素的譜圖疊加與對(duì)照，選擇干擾少、信背比高的譜線作為分析線。所選元素分析線見表1。

表1 元素分析譜線 (nm)

3.3 霧化器流量、蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速的選擇

霧化器流量和蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速會(huì)影響樣品在等離子體通道的停留時(shí)間，過快的流速和蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速會(huì)使等離子體的停留時(shí)間過短影響霧化效率，而過低的流速和蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速會(huì)使譜線強(qiáng)度下降?？紤]到磷譜線的信號(hào)較弱，除了選擇178 nm次靈敏線以外，我們把霧化器流量由0.8 L/min調(diào)整為1.00 L/min，蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速由45 RPm調(diào)整為30 RPm，效果較佳。

3.4 鐵的干擾及消除

在待測(cè)元素溶液中分別加入不同的鐵量，按試驗(yàn)方法進(jìn)行處理，溶液中由于鐵的影響，大部分元素的譜線背景強(qiáng)度增高，而Cr、 Ni、 Mn元素的譜線強(qiáng)度隨鐵的增加而降低，試驗(yàn)證明，在標(biāo)準(zhǔn)溶液中加入與待測(cè)試樣匹配的鐵量，即可消除鐵的干擾。另外，在滿足測(cè)量下限的條件下，盡量減少樣品的稱樣量，也可減少鐵的干擾。

3.5 標(biāo)準(zhǔn)曲線和檢出限

分別取8 mL鐵基體溶液(10 g/L)于7個(gè)100 mL容量瓶中，加入待測(cè)元素標(biāo)準(zhǔn)溶液，使各元素達(dá)到表2要求，以水稀釋至刻度。對(duì)系列標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行測(cè)定。各元素濃度與其對(duì)應(yīng)的發(fā)射強(qiáng)度呈線性關(guān)系，各元素線性相關(guān)系數(shù)及檢出限見表2。

表2 標(biāo)準(zhǔn)系列溶液濃度及檢出限 (μg/mL)

由表2可以看出，標(biāo)準(zhǔn)曲線線性好，各元素的相關(guān)系數(shù)均在 0.999以上。

3.6 精密度及加標(biāo)回收試驗(yàn)

在不銹鋼樣品中加入一定量待測(cè)元素標(biāo)準(zhǔn)溶液，按試驗(yàn)方法處理樣品，做加標(biāo)回收和精密度試驗(yàn)，結(jié)果見表3。由表3可見：回收率在96.5%～102.7%之間，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(n=6)在0.6%～1.5%之間。

表3 精密度和回收試驗(yàn)結(jié)果(n=6)

3.7 方法的準(zhǔn)確度試驗(yàn)

選擇5個(gè)不同的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)樣品，按試驗(yàn)方法進(jìn)行分析，結(jié)果對(duì)照見表4。從表4可以看出：標(biāo)準(zhǔn)樣品的測(cè)定值與標(biāo)準(zhǔn)值基本吻合。

表4 準(zhǔn)確度實(shí)驗(yàn) (%)

續(xù)表4

4 結(jié)論

本方法采用基體匹配技術(shù)，其精密度和準(zhǔn)確度均能滿足測(cè)試要求。由于對(duì)不銹鋼中多元素可同時(shí)分析，無需單獨(dú)分離，因此，具有簡(jiǎn)單、快速、準(zhǔn)確的特點(diǎn)，在實(shí)際中有應(yīng)用價(jià)值。

[1]GB/T223.11-2008可視滴定法測(cè)定鉻量.

[2]賀與平，李露明.光譜實(shí)驗(yàn)室，1998，15(6)：51.

[3]劉虹，楊勝喜.冶金分析， 2002，22(6)：40.

[4]費(fèi)浩，王樹安，張泓濤.分析實(shí)驗(yàn)室， 2009，28(5)：268.

[5]鞍鋼鋼鐵研究所. 沈陽鋼鐵研究所,實(shí)用冶金分析方法與基礎(chǔ) [M].沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1990：402-409.

[6]機(jī)械工業(yè)部科技與質(zhì)量監(jiān)督司，中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)理化檢驗(yàn)分會(huì).機(jī)械工程材料測(cè)試手冊(cè) [M].沈陽:遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1996：103-105.

[7]辛仁軒.等離子體發(fā)射光譜分析[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[8]壽曼立.原子光譜分析[M].北京:地質(zhì)出版社，1994.