ICP-AES法測定低合金鋼中的微量硼

黃輝，李本濤，李穎，趙華，冀克儉，鞏琛，劉霞

（中國兵器工業(yè)集團(tuán)第五三研究所，濟(jì)南 250031）

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ICP-AES法測定低合金鋼中的微量硼

黃輝，李本濤，李穎，趙華，冀克儉，鞏琛，劉霞

（中國兵器工業(yè)集團(tuán)第五三研究所，濟(jì)南 250031）

摘要采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法（ICP-AES）測定低合金鋼中硼元素的含量。采用密閉微波消解法對樣品進(jìn)行溶解，考察了鐵基體元素和共存元素對硼元素測定的影響，確定了硼元素的分析線為208.959 nm，通過基體匹配消除基體的影響。硼的質(zhì)量濃度在0～5.00 μg/mL范圍內(nèi)與譜線強(qiáng)度呈良好的線性，相關(guān)系數(shù)r2=0.999 9，方法檢出限為0.004 μg/mL，加標(biāo)回收率為96%～103%，測定結(jié)果的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.5%～2.9%（n=8）。該方法具有較高的靈敏度和準(zhǔn)確度，滿足低合金鋼中硼元素的分析要求。

關(guān)鍵詞低合金鋼；硼；電感耦合等離子體光譜法；微波消解

鋼鐵中微量硼的存在能增加鋼的淬透性，隨著硼含量的增加，鋼的力學(xué)性能、耐蝕性能和延展性會明顯下降［1］，硼在鋼中的溶解度十分有限，在850℃時硼在α-Fe中僅能溶解0.002 8%。當(dāng)鋼中含硼量超過0.003%時，在晶界將會析出網(wǎng)狀硼化物，使鋼的脆性增加，正因?yàn)檫@種“硼脆”，經(jīng)1 050℃或稍低于此溫度加熱后隨即緩冷或在900～600℃間等溫停留時，含硼量接近0.003%的鋼都會有Fe2，3（B，C）d相沿奧氏體晶界析出，而且隨著含硼量的增加，冷速減小，則晶界析出物數(shù)量增多，尺寸加大，鋼的脆性增加。當(dāng)鋼中含硼量由0.002%增到0.004%時脆性轉(zhuǎn)變溫度亦逐漸提高。由此可見，硼含量將直接影響低合金鋼的性質(zhì)，因此需對合金中的硼元素進(jìn)行準(zhǔn)確測定。

目前，測定合金鋼中硼含量的方法有中和滴定法［2-3］，適用測量范圍0.5%～2.0%；甲醇蒸餾-姜黃素光度法［4］，適用范圍為0.000 5%～0.2%；姜黃素直接光度法［5］，適用范圍為0.000 5%～0.012%；微波消解-電感耦合等離子體質(zhì)譜法［6-7］，適用范圍為0.000 5%～0.10%。對于微量硼，中和滴定法和光度法操作較為復(fù)雜，而電感耦合等離子體質(zhì)譜法由于儀器較為昂貴，一般實(shí)驗(yàn)室較難實(shí)現(xiàn)。為了提高鋼鐵中硼元素的檢測靈敏度，往往采用多種基體預(yù)分離方法［8-9］。電感耦合等離子體光譜法（ICP-AES）檢出限低且操作相對簡便，可用于多種材料中硼元素的測定［10-12］。筆者采用電感耦合等離子體光譜法測定低合金鋼中微量硼，并使用微波消解法進(jìn)行樣品處理，減少了因敞口法處理時造成的硼元素?fù)p失，方法的檢出限較低，測定結(jié)果的精密度和準(zhǔn)確度滿足低合金鋼中硼元素的測定要求。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器與試劑

電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀：iCAP6300型，美國Thermo Fisher公司；

微波消解儀（12罐）：MARS型，美國CEM公司；

電子分析天平：AB204-N型，最大負(fù)荷210 g，靈敏度0.1 mg，瑞士Mettler公司；

移液器：量程10～1 000μL和100～5 000μL，符合ISO8655.2-2002要求，德國Eppendorf公司；

鹽酸：優(yōu)級純，ρ≈1.19 g/mL，硼含量小于20 ng/mL；

硝酸：優(yōu)級純，ρ≈1.42 g/mL，硼含量小于20 ng/mL；

氫氟酸：優(yōu)級純，硼含量小于20 ng/mL；

水中硼成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：100 μg/mL，GBW （E）080217，中國計量科學(xué)研究院；

鐵基體溶液：50.0 mg/mL，準(zhǔn)確稱取5.00 g高純鐵（質(zhì)量分?jǐn)?shù)不小于99.95%，硼元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.000 5%），加入30 mL水，25 mL鹽酸，低溫加熱至樣品完全溶解后轉(zhuǎn)移至100 mL容量瓶中，用水稀釋至標(biāo)線，混勻，裝入聚乙烯瓶中備用；

實(shí)驗(yàn)用水為Milli-Q超純水（電阻率為18 MΩ·cm）；

低合金鋼樣品：自制的低合金鋼成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)候選物，包含4個系列，其中硼元素含量呈梯度分布。

1.2 儀器工作條件

發(fā)射功率：1 150 W；霧化器氣流量：0.65 L/min；輔助氣流量：0.5 L/min；蠕動泵轉(zhuǎn)速：50 r/min；垂直觀測高度：12 mm；分析譜線：208.959 nm。

1.3 樣品處理

稱取0.5 g合金鋼（精確至0.000 1 g），于100 mL潔凈的聚四氟消解罐中，加入4 mL鹽酸、4 mL硝酸、2 mL氫氟酸。待劇烈反應(yīng)停止后，蓋緊消解罐，放入消解儀中，采用1 600 W功率，加熱至180℃，保溫30 min，對樣品進(jìn)行消解。消解完成后冷卻至室溫，定量轉(zhuǎn)移至100 mL塑料容量瓶中，并用水洗滌消解罐和蓋子內(nèi)壁3～4次，定量轉(zhuǎn)移至100 mL容量瓶中，用水稀釋至刻度，搖勻。同時，在微波消解罐中加入4 mL鹽酸、4 mL硝酸、2 mL氫氟酸，置于微波消解儀中，按與樣品相同的消解條件進(jìn)行消解，完成后冷卻至室溫，定量轉(zhuǎn)移至100 mL塑料容量瓶中，用水稀釋至刻度，搖勻，得到樣品空白溶液。

1.4 工作曲線繪制

準(zhǔn)確移取水中硼成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)10.0 mL于100 mL容量瓶中，用水定容至標(biāo)線，得到10 μg/mL硼元素標(biāo)準(zhǔn)儲備液。移取0.0，0.1，0.5，1.0，5.0，10.0，50.0 mL標(biāo)準(zhǔn)儲備液，于7個潔凈的100 mL塑料容量瓶中，同時每個容量瓶中加入4 mL鹽酸、4 mL硝酸、2 mL氫氟酸、10 mL鐵基體溶液，用水定容至標(biāo)線，則硼元素系列標(biāo)準(zhǔn)工作溶液的質(zhì)量濃度為0.0，0.01，0.05，0.10，0.50，1.0，5.00 μg/mL，依次測定，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品溶解試驗(yàn)

根據(jù)GB/T 20125-2006［10］規(guī)定，稱取0.5 g樣品置于200 mL燒杯中，加入10 mL水、5 mL硝酸，蓋上表面皿，緩緩加熱至停止冒泡，加入5 mL鹽酸，繼續(xù)加熱至完全分解。冷卻至室溫，將溶液轉(zhuǎn)移至100 mL容量瓶中，用水稀釋至標(biāo)線，混勻。對上述樣品溶液進(jìn)行測定，測得的硼含量偏低約30%，主要是由于硼元素易揮發(fā)，在高溫敞口環(huán)境下進(jìn)行樣品溶解時，易造成硼元素?fù)p失，導(dǎo)致測定結(jié)果偏低。因此筆者采用密閉微波消解法消解樣品，可以有效避免硼元素的損失。

2.2 硼元素分析線的選擇

選擇 硼 元素 的靈 敏線249.773，249.678，208.959，208.893，182.641，182.591，181.837 nm，測定鐵基體在選定波長處所產(chǎn)生的硼的濃度，考察硼元素譜線受干擾情況，最終確定硼元素的分析線為208.959 nm。

2.3 干擾試驗(yàn)

對低合金鋼中常見元素進(jìn)行干擾試驗(yàn)。對5.0 μg/mL的硼進(jìn)行測定，當(dāng)相對誤差在±5%以內(nèi)時，結(jié)果顯示，200倍的Mn，P，Ti，V，Cr，Ni，Cu，100倍的Si不干擾硼的測定。

2.4 工作曲線方程與檢出限

在1.2儀器工作條件下，測定1.4中配制硼系列標(biāo)準(zhǔn)工作溶液。以溶液的質(zhì)量濃度（X，μg/mL）為橫坐標(biāo)，以發(fā)射譜線強(qiáng)度（Y ）為縱坐標(biāo)繪制校準(zhǔn)曲線，得線性方程為Y=371.94X+1.994 3，相關(guān)系數(shù)r2=0.999 9，線性范圍為0～5.00 μg/mL。

對空白溶液進(jìn)行11次測量，計算測定結(jié)果的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差，以3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差計算方法的檢出限為0.004 μg/mL。

2.5 精密度試驗(yàn)

在1.2儀器工作條件下對4種低合金鋼中的硼元素進(jìn)行重復(fù)測定，結(jié)果見表1。由表1可知，測定結(jié)果的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.5%～2.9%，說明方法的精密度良好。

表1 精密度試驗(yàn)結(jié)果 %

2.6 樣品測定與加標(biāo)回收試驗(yàn)

用所建方法對某低合金鋼中的硼元素進(jìn)行測定，并進(jìn)行加標(biāo)回收試驗(yàn)，結(jié)果見表2。由表2可知，該方法的加標(biāo)回收率在96%～103%范圍內(nèi)，滿足實(shí)驗(yàn)室測定低合金鋼中B元素含量的要求。

表2 樣品測定與加標(biāo)回收試驗(yàn)結(jié)果 %

3 結(jié)語

采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測定低合金鋼中的硼元素含量。采用密閉微波消解儀消解樣品，確保樣品消解完全，硼元素沒有損失。該方法測定結(jié)果準(zhǔn)確、可靠，滿足低合金鋼中硼元素分析的要求。

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聯(lián)系人：黃輝；E-mail： huanghuicc@sina.com；

中圖分類號：O657.3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1008-6145（2016）01-0047-03

doi：10.3969/j.issn.1008-6145.2016.01.013

收稿日期：2015-09-08

Determination of Trace Boron in Low-Alloy Steel by Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectrometry

Huang Hui， Li Bentao， Li Ying， Zhao Hua， Ji Kejian， Gong Chen， Liu Xia
（CNGC Institue 53， Jinan 250031， China）

AbstractThe content of boron in low-alloy steel was determined by inductively coupled plasma atomic emission spectrometry （ICP-AES）. The sample was decomposed in microwave digestion instrument. The interference from matrix and co-existing elements were studied. The analysis line of boron was set on 208.959 nm. The matrix effect was corrected by matrix matching. The concentration of boron was linear with intensity of spectral line in the range of 0-5.00 μg/mL，with correlations coefficient （r2） of 0.999 9. The detection limit was 0.004 μg/mL，the recovery rate was 96%-103% and the relative standard deviation of determination results was 1.5%-2.9%（n=8）. The method has good sensitivity and accuracy， which can be used in the determination of boron in low-alloy steel.

Keywordlow-alloy steel； boron； inductively coupled plasma atomic emission spectrometry （ICP-AES）； microwave digestion