鋁銅中間合金（AlCu50）檢測技術(shù)研究

賈旭 楊雷 董清芝

摘 要：筆者采用電感耦合等離子光譜法對鋁-銅中間合金（AlCu50）中的三種微量元素Si、Fe、Zn的測定方法進(jìn)行研究。從元素分析線的選擇以及溶樣方法優(yōu)化兩個(gè)方面進(jìn)行研究，通過標(biāo)準(zhǔn)加入法去除基體中鋁和銅的干擾，研究試劑中硝酸鈉鹽對檢測結(jié)果的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：Si、Fe、Zn三種元素的加標(biāo)回收率為95%～105%，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD≤3%，滿足檢測的精密度和準(zhǔn)確度要求。

關(guān)鍵詞：電感耦合等離子光譜法;鋁銅中間合金;標(biāo)準(zhǔn)加入法

中圖分類號：TG146.2+1 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號：1003-5168（2022）10-0088-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.10.020

Study on the Detection Technology of AlCu50

JIA Xu1? ? YANG Lei2? ? DONG Qingzhi3

（1.Aerospace of? Life-Saving Equipment Co.， Ltd.， Xiangyang? 441002，China;2.Xiangyang Vocational and Technical College，Xiangyang? 441002，China;3.Henan Innovation Science and Technology Magazine，

Zhengzhou 450000，China）

Abstract： The determination of three trace elements Si， Fe and Zn in Al-Cu intermediate alloy （AlCu50） was studied by inductively coupled plasma spectroscopy. In this method， the selection of elemental analysis line and the optimization of dissolution method were studied. The interference of aluminum and copper in the matrix and sodium nitrate in the reagent for the test results were removed by standard addition method. The results show that the recoveries of Si， Fe and Zn are in the range of 95% ～ 105%， and the relative standard deviation （RSD） is less than 3%， which meets the requirements of precision and accuracy.

Keywords： Inductively Coupled Plasma Spectrometry;Al-Cu intermediate alloy;standard addition method

0 引言

鋁及鋁合金在兵器工業(yè)中有著重要的用途，為了控制和改善鋁合金的組織和性能，必須加入一定量的鋁銅中間合金才能使鋁及鋁合金的機(jī)械性能、化學(xué)成分及切削性能達(dá)到產(chǎn)品的要求。鋁銅中間合金的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)是產(chǎn)品質(zhì)量控制與保證的重要前提。因此，對其化學(xué)成分進(jìn)行分析具有重要意義[1]。鋁銅中間合金中的AlCu50可用于熔煉硬鋁、鍛鋁和超硬鋁合金，應(yīng)用中間合金進(jìn)行熔煉需要準(zhǔn)確獲得鋁合金所需的化學(xué)成分，解決高熔點(diǎn)元素加入困難的問題，克服不同比重造成的不均勻性，凈化合金，減少燒損，保證質(zhì)量[2]。AlCu50中規(guī)定的成分含量如表1[3]。

鋁銅中間合金常采用分光光度法或容量法進(jìn)行檢測，過程復(fù)雜，且每個(gè)元素須單獨(dú)測定，消耗時(shí)間長。而電感耦合等離子體發(fā)射光譜法具有檢出限低、精密度好、可多元素同時(shí)測定、分析速度快等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于日常分析中[4]。鋁銅中間合金中Si、Fe、Zn采用常規(guī)的酸溶法，無法實(shí)現(xiàn)同時(shí)檢測。因?yàn)楣枧c鋁幾乎不形成任何化合物，它在材料中存在的形式主要是以單質(zhì)硅或初晶硅與Al-Si二元共晶體狀態(tài)存在。在用鹽酸和硝酸溶解樣品時(shí)，硅主要以固溶體單質(zhì)硅的形式存在于溶液中，而不是以化合物的形式存在。若要使單質(zhì)硅轉(zhuǎn)化成化合物，只能用強(qiáng)堿溶解，再加以H2O2的氧化作用，可以有效地使各種相態(tài)的硅都有效地轉(zhuǎn)化為硅酸鹽[4]。酸溶試樣易造成Si檢測結(jié)果偏低，而酸溶對Fe和Zn的檢測結(jié)果影響不大。為了保證試樣中的Si、Fe、Zn完全溶解且可以達(dá)到同時(shí)測定的目的，選擇先加入質(zhì)量濃度為200 mg·L-1的NaOH溶液，再加熱使試樣充分反應(yīng)，隨后加入幾滴過氧化氫，反應(yīng)完全后，加熱煮沸，使多余的過氧化氫分解，然后用1+1 HNO3進(jìn)行酸化，使試樣溶解完全。同時(shí)鑒于AlCu50無合適的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行基體匹配，無法確定主量元素Al和Cu是否對測定元素Si、Fe、Zn具有光譜干擾，同時(shí)所采用的堿溶酸化的溶樣方法使溶液中存在大量的鈉鹽，導(dǎo)致無法預(yù)見試劑對檢測結(jié)果的影響，因此，選用標(biāo)準(zhǔn)加入法即標(biāo)準(zhǔn)增量法或直線外推法，來保證溶液中的試劑和基體物質(zhì)Al和Cu的含量一致，從而有效地去除溶液中基體的干擾。另外，對于低含量的樣品，標(biāo)準(zhǔn)加入法可以改善測定準(zhǔn)確度[5]。采用電解耦合等離子光譜法對試樣AlCu50進(jìn)行分析，精密度RSD≤3%，加標(biāo)回收率為95%～105%，滿足檢測的精密度和準(zhǔn)確度要求。

1 試驗(yàn)部分

1.1 主要儀器以及試劑

1.1.1 主要儀器。ICAP 6300電感耦合等離子光譜儀（Thermo scientific公司），須采用耐高鹽進(jìn)樣系統(tǒng);APRE465封閉電爐（天津拓至明實(shí)驗(yàn)儀器技術(shù)開發(fā)有限公司）;ULUP系列超純水機(jī)（四川杜伯特科技有限公司）。

1.1.2 試劑。標(biāo)準(zhǔn)系列標(biāo)液：硅標(biāo)準(zhǔn)溶液500 μg ·mL-1，鐵、鋅標(biāo)準(zhǔn)溶液均為1 000 μg·mL-1（鋼鐵研究總院）;氫氧化鈉、硝酸、過氧化氫均為優(yōu)級純;200 mg·L-1氫氧化鈉溶液;1+1 HNO3;冷卻氣體為高純氬，純度為99.999%。

試驗(yàn)過程中使用玻璃器皿以及聚四氟乙烯塑料燒杯均須用1%的鹽酸浸泡24 h，然后用自來水洗凈后，用二級水沖洗干凈，備用。

1.2 儀器工作條件

高頻發(fā)生器功率為1 150 kW，垂直矩管，霧化氣流量為0.7 L·min-1，輔助氣流量為0.5 L ·min-1，垂直觀察高度為12 mm，泵的流速為50 r ·min-1，沖洗時(shí)間為30 s，讀數(shù)3次，短波積分時(shí)間為15 s，長波積分時(shí)間為5 s。

1.3 試驗(yàn)方法

準(zhǔn)確稱取8份同批次試樣 0.100 0 g（精確到0.000 1），放到聚四氟乙烯燒杯中，加入10 mL質(zhì)量濃度200 mg·L-1的氫氧化鈉溶液，將燒杯放置到封閉電爐上加熱，使其充分溶解，然后取下冷卻，在燒杯中加入幾滴過氧化氫，反應(yīng)完全后，加熱煮沸，使多余的過氧化氫分解，再加入20 mL1+1 HNO3 ，加熱使試樣溶解完全，取下冷卻至室溫，倒入100 mL的聚四氟乙烯容量瓶中。

1.4 標(biāo)準(zhǔn)加入法標(biāo)準(zhǔn)曲線的建立

向放入4份同爐批次試樣的容量瓶中依次加入硅、鋅、鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液（逐級稀釋），配制成系列標(biāo)準(zhǔn)溶液，然后加入去離子水定容到刻度，搖勻。其余4份同理加入標(biāo)準(zhǔn)溶液。

2 結(jié)果與討論

2.1 元素分析線的選擇

電感耦合等離子光譜儀的最佳工作條件見1.2，運(yùn)行系列標(biāo)準(zhǔn)溶液STD1、STD2、STD3、STD4，分別在以Si、Fe、Zn分析線為中心的附近0.067 nm范圍內(nèi)進(jìn)行光譜掃描，對其分析譜圖進(jìn)行疊加，分析其分析線是否存在光譜干擾，Si、Fe、Zn這三種元素常用的分析線見表2。

從圖1中可以看出，Si兩條分析線288.158 nm、251.611 nm均無明顯的光譜干擾，但是相對而言，Si 251.611 nm比 288.158 nm的信背比低，信背比低可以得到較低的檢出限，AlCu50中Si的含量屬于微量范疇，應(yīng)該選擇信背比低的分析線Si 251.611 nm。從圖2中可以看出，F(xiàn)e分析線239.562 nm的左側(cè)239.541 nm處有一處光譜干擾。從圖3中可以看出，Zn分析線213.856 nm處有一個(gè)屬于背景干擾中典型的斜坡的光譜干擾，主要是受到Cu分析線213.853 nm的干擾。而分析線Si 251.611 nm、Fe 259.940 nm、Zn 206.200 nm的波峰的譜圖波形簡單、平滑，無明顯的背景干擾和其他元素干擾。從分析線的譜圖疊加上可以看出，STD1、STD2、STD3、STD4譜線的背景完全重合，可以看出標(biāo)準(zhǔn)加入法能有效去除溶液中的試劑鈉鹽和基體物質(zhì)Al和Cu的干擾。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線的建立

樣品的處理過程依照1.3，然后根據(jù)1.4來配制一系列標(biāo)準(zhǔn)溶液，在1.2闡述的儀器最佳工作條件下運(yùn)行系列標(biāo)準(zhǔn)溶液STD1、STD2、STD3、STD4，建立標(biāo)準(zhǔn)加入法的標(biāo)準(zhǔn)曲線，并且測量出分析線Si 251.611 nm、Fe 259.940 nm、Zn 206.200 nm的相關(guān)系數(shù)。添加的Si、Fe、Zn三種元素標(biāo)準(zhǔn)溶液的質(zhì)量濃度和線性相關(guān)系數(shù)見表3。

根據(jù)上述方法用標(biāo)準(zhǔn)加入法做的標(biāo)準(zhǔn)曲線，分析線Si 251.611 nm、Fe 259.940 nm、Zn 206.200 nm的線性擬合系數(shù)都在0.999以上，滿足檢測的要求。

樣品的處理過程依照1.3，然后根據(jù)1.4來配制一系列標(biāo)準(zhǔn)溶液，在1.2闡述的儀器最佳工作條件下運(yùn)行系列標(biāo)準(zhǔn)溶液STD1、STD2、STD3、STD4，建立標(biāo)準(zhǔn)曲線。以圖4 Fe的標(biāo)準(zhǔn)曲線為例，在同一條件下激發(fā)光譜，譜線強(qiáng)度與質(zhì)量濃度呈線性關(guān)系，同時(shí)稱取的試樣質(zhì)量相同，則保證了基準(zhǔn)中Fe的質(zhì)量濃度相同。在此基礎(chǔ)上做出標(biāo)準(zhǔn)曲線以及曲線的線性公式，使用外推法測定標(biāo)準(zhǔn)曲線與X負(fù)軸的交點(diǎn)，即為試樣中Fe的質(zhì)量濃度。同樣的方法適用于Si和Zn的測定。

2.3 精密度以及準(zhǔn)確度

相同爐批號的試樣取8份，4份樣品為一組，平行測試樣品兩次，標(biāo)準(zhǔn)加入法中使用的系列標(biāo)準(zhǔn)溶液依照表3配制，然后在1.2所列的儀器最佳工作條件下運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)溶液，利用標(biāo)準(zhǔn)加入法，外推標(biāo)準(zhǔn)曲線與X負(fù)軸的交點(diǎn)測出試樣中Si、Fe、Zn的含量。做出的標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性相關(guān)系數(shù)都能達(dá)到0.999以上，同時(shí)測定試樣的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD≤3%，其測定結(jié)果見表4。

由于AlCu50沒有標(biāo)準(zhǔn)樣品，對準(zhǔn)確度的分析采用加標(biāo)回收率來進(jìn)行判定，即是指在含有被測元素的樣品中加入定量的被測元素的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，按照樣品的處理步驟分析，得到測定值與理論值的比值。表4中表示4批試樣加入相應(yīng)濃度的Si、Fe、Zn標(biāo)準(zhǔn)溶液，測定其加標(biāo)回收率，這三種元素的加標(biāo)回收率為96%～105%，說明此方法的準(zhǔn)確度滿足試驗(yàn)的要求。

3 結(jié)語

采用電感耦合等離子光譜法對鋁銅中間合金（AlCu50）中的三種微量元素Si、Fe、Zn的測定方法進(jìn)行研究。分析線Si 251.611 nm、Fe 259.940 nm、Zn 206.200 nm的波峰譜圖簡單、平滑，無明顯的背景干擾和其他元素干擾。選擇堿溶酸化的方式保證試樣中Si的充分溶解。通過標(biāo)準(zhǔn)加入法去除基體中鋁和銅的干擾，消除試劑中硝酸鈉鹽對檢測結(jié)果的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，使用標(biāo)準(zhǔn)加入法測定分析線Si 251.611 nm、Fe 259.940 nm、Zn 206.200 nm的標(biāo)準(zhǔn)曲線的相關(guān)系數(shù)在0.999以上，三種元素的加標(biāo)回收率為95%～105%，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD≤3%，滿足檢測的精密度和準(zhǔn)確度要求。

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