電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜(ICP-AES)法測(cè)定ZL101鑄鋁合金中硅的含量

翟聲明 馮 霖 王 翔 趙立亞

(山西銀光華盛鎂業(yè)股份有限公司，山西 聞喜 043800)

前言

我國(guó)作為世界上有色金屬鑄件的生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)之一，有色金屬鑄造已成為支撐國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要新興產(chǎn)業(yè)，而鑄鋁合金的生產(chǎn)更是其中強(qiáng)有力的支柱，以其優(yōu)越的性能廣泛應(yīng)用于航空工業(yè)及民用工業(yè)中。

現(xiàn)代鑄造鋁合金按主要加入元素可分為四個(gè)系列，即鋁硅系、鋁銅系、鋁鎂系及鋁鋅系。對(duì)于絕大多數(shù)的鑄鋁合金，硅元素的添加于材料本身的各種性能都有著不容忽視的作用。所以，準(zhǔn)確、快速地測(cè)定鑄鋁合金中硅的含量，將直接影響車間能否及時(shí)生產(chǎn)出合格優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。

對(duì)于鑄鋁合金中高含量硅的測(cè)定，一般采用重量法[1]，適用范圍是0.30%～25.00%，該法雖測(cè)定范圍較寬，具有較高的準(zhǔn)確度，但是操作繁瑣費(fèi)時(shí)費(fèi)力且不適用于較大批量試樣的分析。低含量硅的測(cè)定通常采用硅鉬藍(lán)分光光度法[2]，適用范圍為0.0010%～0.40%，此方法雖靈敏度較高，但對(duì)其測(cè)定條件pH值及溫度的要求又較為苛刻。與經(jīng)典的化學(xué)分析法相比，電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜(ICP-AES)法具有檢出限低、準(zhǔn)確度高、線性范圍靈活可調(diào)，試樣用量少且多種元素可同時(shí)測(cè)定等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前適用范圍較廣的分析方法[3-4]。本文利用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀，探究試樣溶解條件及加酸量對(duì)鑄鋁ZL101合金中硅含量測(cè)定的影響，確定電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法(ICP-AES)測(cè)定鑄鋁ZL101合金中硅含量的工作參數(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器和試劑

6300型電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀(美國(guó)賽默飛世爾公司)；電子天平(梅特勒-托利多(上海)有限公司)；摩爾(MoLecular)純水機(jī)。

高純氬氣(大于99.99%)；氫氧化鈉溶液(GR，400 g/L)；鹽酸(AR，1+1)；硝酸(AR)；鑄造鋁合金ZL105A標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(山東省冶金設(shè)計(jì)研究院)；實(shí)驗(yàn)用水為去離子超純水。

1.2 儀器參數(shù)

ICP-AES儀的工作參數(shù)：觀測(cè)模式為垂直，高度12 mm，射頻功率1 150 W，等離子氣體壓力0.55～0.7 MPa，等離子體氣流速12 L/min，霧化氣體流量0.6 L/min，輔助氣流量0.5 L/min，蠕動(dòng)泵速度50 r/min。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

樣品測(cè)定根據(jù)樣品中的硅含量，稱取0.1 g(精確至0.000 1 g)樣品(厚度小于1 mm)置于350 mL聚乙烯塑料燒杯中，加水約15 mL，加6 mL氫氧化鈉溶液，蓋表面皿，待劇烈反應(yīng)停止，于低溫(低于80 ℃)處小心緩慢溶解至完全(溫度過高，可使燒杯變形損壞。為防止溶液迸濺干涸，導(dǎo)致試樣溶解不完全，溶樣約25 min)，放置3～4 min，加12 mL鹽酸和3 mL硝酸并加熱至溶液清亮，待溶液冷卻至室溫后轉(zhuǎn)入100 mL容量瓶定容，搖勻(必要時(shí)，可分取部分試液并補(bǔ)加3 mL鹽酸)，隨同試樣處理方法做空白實(shí)驗(yàn)。調(diào)整好ICP-AES儀，待測(cè)。

1.4 標(biāo)準(zhǔn)工作曲線繪制

稱取ZL105A鋁合金標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)0.1、0.12、0.14 g(精確至0.000 1 g)分別置于三個(gè)350 mL聚乙烯塑料燒杯中，加約15 mL水、6 mL氫氧化鈉溶液，下同實(shí)驗(yàn)方法操作，制作標(biāo)準(zhǔn)工作溶液。選定儀器測(cè)定硅工作譜線為288.158 nm，將標(biāo)準(zhǔn)工作溶液引入儀器測(cè)定并繪制工作曲線，硅測(cè)定線性相關(guān)系數(shù)為0.999 5。

2 結(jié)果與討論

2.1 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的選擇

繪制工作曲線選用的標(biāo)準(zhǔn)系列樣品，必須是國(guó)家一級(jí)標(biāo)樣，其組成成分與被測(cè)試樣一致或相近，方便較長(zhǎng)時(shí)間保存和保證其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。所用其它試劑等級(jí)，應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)對(duì)測(cè)定物質(zhì)的精確度要求而定。綜合考慮，實(shí)驗(yàn)中選取分析純?cè)噭?/p>

2.2 元素分析譜線的選擇

因?yàn)锳l、Na是待測(cè)溶液中高含量的基體元素，故對(duì)本方法的測(cè)定有影響的主要是Al、Na兩種元素。因?yàn)樗x擇的含有被測(cè)元素的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)樣品與試樣有相同的基質(zhì)和相同的溶樣條件，所以可以消除Al、Na基體帶來的干擾。第二方面的干擾來自于光譜干擾，分析應(yīng)該選擇靈敏度高、干擾元素少、干擾程度低、線性范圍寬的譜線，同時(shí)參照儀器和文獻(xiàn)的推薦，本方法選取硅激發(fā)譜線為288.158 nm。

2.3 試樣前處理對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響

根據(jù)相關(guān)資料報(bào)道，若試樣中硅的含量高于0.5%，一般都會(huì)采用堿熔的方式，將試液蒸煮至糊狀，反復(fù)堿熔2～3次，手續(xù)相對(duì)繁瑣，用時(shí)過長(zhǎng)(大于2 h)。實(shí)驗(yàn)采用較低溫(<80℃)緩慢加熱充分溶解，一次操作可完成樣品的溶解，將溶液酸化后即可測(cè)定，節(jié)省了時(shí)間，簡(jiǎn)單且容易掌握。兩種處理方法測(cè)定的結(jié)果基本一致，詳見表1。

表1 樣品處理方法實(shí)驗(yàn)

2.4 鹽酸用量對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響

以購(gòu)買的ZL105A標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)為例，用氫氧化鈉溶解完全后，加鹽酸使溶液酸化。此時(shí)，鹽酸的用量將對(duì)測(cè)定結(jié)果有直接的影響。為了得出對(duì)于本方法合適的鹽酸用量，分別實(shí)驗(yàn)不同鹽酸用量下的測(cè)定值。相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)比見表2。

表2 鹽酸的加入量對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響

表2說明，鹽酸用量2～12 mL，測(cè)定結(jié)果從負(fù)偏差逐漸轉(zhuǎn)向正確，本方法選擇加入10 mL鹽酸，可以獲得準(zhǔn)確的測(cè)定結(jié)果，同時(shí)又不致造成浪費(fèi)和有利于環(huán)境保護(hù)要求。

2.5 方法的精密度實(shí)驗(yàn)

為了考察方法的精密度，按照實(shí)驗(yàn)方法對(duì)ZL101鑄鋁合金中硅平行測(cè)定10次，分析數(shù)據(jù)見表3。從表3看出，測(cè)定結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD為0.92%，有較高的測(cè)定精密度。

表3 方法的精密度

2.6 方法檢出限

在相同條件下，對(duì)試樣按實(shí)驗(yàn)方法以空白溶液測(cè)定10次，求得測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)偏差SD，以3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差作為本方法對(duì)硅測(cè)定檢出限，結(jié)果見表4。

2.7 準(zhǔn)確度實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本方法的準(zhǔn)確度，取用鑄造鋁合金ZL114A、ZL105A、ZL101試樣，分別采用擬定實(shí)驗(yàn)方法和重量法測(cè)定硅的含量，測(cè)定結(jié)果見表5。

表4 方法的檢出限

表5 準(zhǔn)確度實(shí)驗(yàn)

從表5可知，采用本方法與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定的結(jié)果基本吻合，結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

3 結(jié)論

建立的電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜(ICP-AES)法測(cè)定ZL101鑄鋁合金中硅含量的方法，硅測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.065%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.92%，標(biāo)準(zhǔn)系列中硅測(cè)定相關(guān)系數(shù)在0.999 5～0.999 8。由于采用了組成與試樣基本一致的標(biāo)準(zhǔn)樣品制作標(biāo)準(zhǔn)工作曲線，消除傳統(tǒng)的常用方法中因基體元素匹配帶來的不便，基本排除了基體對(duì)試樣測(cè)定的影響。此方法在使用上具有操作簡(jiǎn)單、快速和準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，完全滿足了生產(chǎn)配料方案設(shè)制和生產(chǎn)過程控制分析要求，表現(xiàn)出在檢驗(yàn)過程更多方面的靈活性和實(shí)用性。