電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法測(cè)定生鑄鐵中硅

胡沈會(huì)，楊偉俠，吳麗華

（浙江國(guó)檢檢測(cè)技術(shù)股份有限公司，浙江海鹽 314300）

生鑄鐵是一種高強(qiáng)度材料，是冶金行業(yè)必不可少的原料，其綜合性能接近鋼，用于鑄造一些受力復(fù)雜、強(qiáng)度、韌性、耐磨性能要求高的零部件［1-2］，在汽車、電力、冶金、航空等工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。硅是各類鑄鐵中的主要雜質(zhì)，它起著石墨化，維持碳當(dāng)量的作用，能減少縮孔及白口傾向，增加鐵素體，并能細(xì)化石墨，提高球狀石墨的圓整性［3］。因此生鑄鐵中硅元素含量的準(zhǔn)確分析，對(duì)于控制產(chǎn)品質(zhì)量及指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐具有重要意義。

目前，關(guān)于生鑄鐵中硅含量的分析，國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)主要采用傳統(tǒng)的化學(xué)光度法［4-7］和直讀光譜法［8-9］進(jìn)行分析。化學(xué)光度法樣品前處理復(fù)雜，分析時(shí)間長(zhǎng)，操作過(guò)程繁瑣，不能滿足快速分析的要求，同時(shí)氫氟酸處理試樣時(shí)對(duì)人體有危害；直讀光譜法只能分析塊狀樣品，要求表面光潔且具有一定的致密程度，直讀光譜法分析雖然樣品前處理簡(jiǎn)單，分析速度快，但是不能用于仲裁分析，因此只適合爐前快速分析［10］。電感耦合等離子體發(fā)射光譜（ICP-AES）法具有線性范圍廣，檢出限低，精密度高，基體效應(yīng)小，干擾少且易排除，可同時(shí)進(jìn)行多元素含量分析的特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于多種冶金材料檢測(cè)［11-13］。國(guó)內(nèi)采用ICP-AES 法分析生鑄鐵中的硅含量還沒(méi)有公開(kāi)的標(biāo)準(zhǔn)，但是相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道中樣品預(yù)處理繁瑣［14-16］。筆者參考相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)樣品的前處理方式、分析譜線選擇等進(jìn)行了優(yōu)化，縮短了溶樣時(shí)間，采用基體匹配的方法消除基體干擾，建立了ICP-AES 法測(cè)定生鑄鐵中硅含量的方法，該分析方法快速、準(zhǔn)確、環(huán)保，測(cè)定范圍寬，滿足冶金行業(yè)分析的需要。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器與試劑

全譜直讀等離子體原子發(fā)射光譜儀：ICP7400型，美國(guó)熱電公司；

電子天平：ME204E 型，感量為0.1 mg，瑞士梅特勒-托利多公司；

高純鐵：質(zhì)量分?jǐn)?shù)不小于99.98%，國(guó)家鋼鐵材料測(cè)試中心；

鑄造生鐵：編號(hào)為YSB C 11003a-95，冶金工業(yè)部鋼鐵研究總院；

合金鑄鐵：編號(hào)分別為機(jī)字92-072，92-074，鄭州機(jī)械研究有限公司；

生鐵：編號(hào)為BH2011-3，山東省冶金科學(xué)研 究院。

硅標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液：編號(hào)為GSB G 6207-90，質(zhì)量濃度為500 mg／L，國(guó)家鋼鐵材料測(cè)試中心；

硫酸、硝酸：密度分別為1.84 g／cm3，1.42 g／cm3，優(yōu)級(jí)純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；

試驗(yàn)用水為符合GB／T 6682 的二級(jí)水。

1.2 儀器工作條件

RF 功率：1 150 W；載氣：高純氬氣（純度為99.999%） ；冷卻氣流量：12 L／min；輔助氣流量：0.5 L／min；霧化器氣體流量：0.70 L／min；分析泵速：50 r／min；沖洗泵轉(zhuǎn)速：100 r／min；樣品沖洗時(shí)間：30 s；光室溫度：38℃；垂直觀測(cè)高度：12 mm。

1.3 樣品處理

稱取試樣0.10 g（精確至0.000 1 g）置于100 mL 鋼鐵容量瓶中，加入20 mL 硫酸-硝酸-水混合液（體積比為50∶8∶942），置于電壓為40 V 的電爐上緩慢加熱溶解，待反應(yīng)停止后，滴加7～8 滴硝酸氧化，繼續(xù)加熱直至樣品溶解完全，冷卻至室溫，用水稀釋至標(biāo)線，搖勻，過(guò)濾。同步做空白試驗(yàn)。

1.4 校準(zhǔn)曲線繪制

稱取5 份0.10 g（精確至0.000 1 g）高純鐵（純度大于99.98%）至100 mL 鋼鐵容量瓶中，按照1.3的處理方法進(jìn)行溶解，此溶液作為基體空白溶液。取5 份基體空白溶液置于100 mL 容量瓶中，分別加入500 mg／L 的硅標(biāo)準(zhǔn)溶液0，1，2，4，8 mL，加水稀釋至標(biāo)線，搖勻，配制成硅質(zhì)量濃度為0%，0.5%，1%，2%，4%的系列標(biāo)準(zhǔn)工作溶液。測(cè)定系列標(biāo)準(zhǔn)工作溶液中硅元素的譜線強(qiáng)度，以溶液中硅含量（x）為橫坐標(biāo)，發(fā)射光譜強(qiáng)度（y）為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)工作曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 稱樣及樣品溶解方法的選擇

考慮到生鑄鐵中硅含量為常量范圍，試驗(yàn)稱取0.10 g（精確至0.000 1 g）樣品于100 mL 鋼鐵容量瓶中，置于電壓為40 V 的電爐上緩慢加熱，分別采用硝酸-水（體積比為1∶10）、鹽酸-硝酸-水混合液（體積比為3∶1∶10）、硫酸-硝酸-水混合液（體積比為50∶8∶942）三種方式溶解生鑄鐵樣品，結(jié)果見(jiàn)表1。試驗(yàn)結(jié)果表明，硫酸-硝酸-水混合液的溶樣效果最好，在20 min 內(nèi)樣品能溶解完全。因此，選擇硫酸-硝酸-水混合液作為溶解體系。

表1 溶樣方式試驗(yàn)結(jié)果

2.2 基體干擾及消除

分別配制含純鐵基體0.10 g 與不含純鐵基體的標(biāo)準(zhǔn)溶液，采用電感耦合等離子發(fā)射光譜法測(cè)定硅元素的光譜強(qiáng)度，測(cè)定結(jié)果列于表2。

表2 不同基體下硅元素的光譜強(qiáng)度

由表2 可知，在不同的分析譜線下對(duì)不含基體和含0.10 g 鐵基體的標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行測(cè)定，硅的發(fā)射強(qiáng)度無(wú)顯著差異，說(shuō)明鐵基體的存在對(duì)硅元素的測(cè)定結(jié)果基本沒(méi)有影響。但是為了保證測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性，建議在在繪制工作曲線時(shí)進(jìn)行基體匹配，帶基體空白，以防止基體干擾。此外，每次測(cè)試時(shí)溶解樣品的條件和酸的用量也應(yīng)保持一致。

2.3 分析譜線的選擇

分析譜線應(yīng)不受光譜干擾，并且要有足夠?qū)挼木€性范圍和合適的靈敏度。配制基體溶液和不同硅元素濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液，在1.2 儀器工作條件下對(duì)分析譜線進(jìn)行多次掃描，得到硅的分析譜圖，查看響應(yīng)值及干擾情況，最終按照響應(yīng)值高，靈敏度適中，受干擾情況小，峰形美觀的原則，篩選出Si 212.412 nm 作為最佳分析譜線。

2.4 線性方程、線性范圍和檢出限

在1.2 儀器工作條件下，對(duì)系列標(biāo)準(zhǔn)工作溶液進(jìn)行測(cè)定，以硅元素的質(zhì)量濃度（%）為橫坐標(biāo)，光譜發(fā)射強(qiáng)度（y）為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)工作曲線。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)空白溶液連續(xù)進(jìn)行11 次測(cè)定，以3 倍光譜強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)偏差與斜率的比值為該方法的檢出限。硅元素的線性方法、線性方程、相關(guān)系數(shù)及檢出限見(jiàn)表3。

表3 線性范圍、線性方程、相關(guān)系數(shù)及檢出限

由表3 可知，該方法的線性范圍寬，線性相關(guān)性好，檢出限低，能滿足測(cè)定的要求。

2.5 精密度試驗(yàn)

選擇3 個(gè)硅含量不同的生鑄鐵樣品，按照1.3的方式進(jìn)行樣品前處理，在1.2 儀器工作條件下進(jìn)連續(xù)測(cè)定10 次，測(cè)定結(jié)果列于表4。

表4 精密度試驗(yàn)結(jié)果 %

由表4 可知，測(cè)定結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差在0.18%～0.21%之間，平均值與標(biāo)準(zhǔn)值基本一致，相對(duì)誤差為-0.65%～1.10%，表明該方法精密度和準(zhǔn)確度均較好。

2.6 加標(biāo)回收試驗(yàn)

選擇不同含量的標(biāo)準(zhǔn)樣品，按照1.3 進(jìn)行樣品前處理，在1.2 儀器工作條件下進(jìn)行加標(biāo)回收試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表5。由表5 可知，硅元素的加標(biāo)回收率為96%-103%，說(shuō)明該方法測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確、可靠。

表5 回收試驗(yàn)結(jié)果 %

3 結(jié)語(yǔ)

建立了采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測(cè)定鑄鐵中硅含量的方法。采用硫酸-硝酸-水（體積比為50∶8∶942）混合溶液溶解樣品，確定硅元素的最佳分析譜線為212.412 nm，采用基體匹配法消除基體干擾。該方法測(cè)量方法準(zhǔn)確、可靠，可滿足日常分析的需要。