ICP-AES測定鎳鐵合金中鎳的方法技術(shù)研究

楊秀敏

【摘 要】采用ICP-AES光譜法測定合金中的鎳元素含量，經(jīng)過一系列試驗(yàn)，建立了一套分析方法，鎳元素的測定范圍為0.5%～20%。與重量法相比，該方法不會降低測試準(zhǔn)確度和精密度，并且具有操作簡單、高效和環(huán)境友好的特點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】ICP-AES光譜法;操作簡單;高效

【中圖分類號】TG115.33 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）05-0144-03

0 引言

鎳是一種稀缺資源，其化合物和合金也是重要的戰(zhàn)略物資。鎳是鋼中重要的元素之一，其在鋼鐵中的含量直接影響鋼的物理性能和化學(xué)性能，例如鎳可以提高鋼的機(jī)械性、防腐蝕性、耐熱性、強(qiáng)度、抗酸性及導(dǎo)磁性等。此外，在鋼的熱加工中，鎳又具有防止銅對金屬表面產(chǎn)生有害影響的功能。因此，對合金中鎳元素含量的檢測十分重要。傳統(tǒng)鎳系合金中鎳元素的測定是通過丁二酮肟重量法進(jìn)行檢測，這種測定方法具有檢測精密度高、適用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)，但是也存在步驟繁瑣、測試周期長、人工消耗量大、難以大批量快速測試等問題。因此，如何對鎳系合金中鎳元素進(jìn)行快速、有效的測定，成為生產(chǎn)實(shí)踐中一個亟待解決的問題。本文針對這一問題，嘗試提出一種新的測試方法——ICP-AES光譜法。經(jīng)過大量的檢測實(shí)踐和對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，證明這種方法可以在不降低測試準(zhǔn)確度的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對鎳元素含量快速、準(zhǔn)確、大批量測定，大大提高了生產(chǎn)效率，滿足了生產(chǎn)需求，具有良好的推廣價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器、試劑和標(biāo)準(zhǔn)溶液

實(shí)驗(yàn)儀器：ICP-AES（6000系列）電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀;水質(zhì)要求：三級水及以上;試劑要求：硝酸（分析純），鹽酸（分析純），高氯酸（分析純），氫氟酸（分析純），氧化釔標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（99.99%），純鐵標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（99.99%）。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制

1.2.1 釔內(nèi)標(biāo)液的配制

稱取6.3430 g Y2O3放在1 000 mL的燒杯中，然后加入200 mL蒸餾水、100 mL鹽酸，加熱至樣品完全溶解。冷卻至室溫，補(bǔ)加300 mL的HCl，稀釋，定容至5 000 mL，該溶液中釔的濃度為1 000 ug/mL。

1.2.2 鐵基體溶液的配制

稱取0.5 g純鐵（精確至0.001 g）放于200 mL燒杯中，加蓋表面皿，加入20 mL HNO3（1+1），置于加熱板上，低溫反應(yīng)至樣品完全溶解后，再加入5 mL HCl，繼續(xù)加熱5 min，取下，冷卻至室溫，吹洗表面皿及杯壁，定容至100 mL容量瓶中，該溶液中鐵的濃度為5 000μg/mL。

1.2.3 鎳標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制

按照表1配制鎳工作曲線。

1.3 制樣

為保證待測樣品中鎳元素含量的均勻性并且具有代表性，待測樣品的顆粒度應(yīng)不大于5 mm;而像不銹鋼、高溫合金鋼等錠狀試樣，則需先處理樣品表面的氧化膜。在用乙醇做防氧化劑的條件下，采用鉆屑的方式，多點(diǎn)取樣，將待測樣品制備成粒度不大于5 mm的屑狀樣品。鉆屑后，將樣品自然風(fēng)干，同時為保證測試效果，樣品重量應(yīng)大于5 g。

1.4 消解（隨同試樣做試劑空白試驗(yàn)）

準(zhǔn)確稱量0.5 g試樣放入150 mL燒杯中，加入10 mL HNO3（1+1），加蓋表面皿，低溫加熱至樣品不再有明顯反應(yīng)為止。然后，加入5 mL HCl，再低溫反應(yīng)15 min，加入10 mL HClO4，繼續(xù)加熱至冒高氯酸煙。待樣品中的碳化物分解完全后，取下樣品，冷卻至室溫，吹洗表面皿及杯壁。視樣品中的硅含量滴加少量氫氟酸和水，混合均勻。然后，將樣品置于加熱板上微沸25 min，趕走多余的氫氟酸。取下試樣，冷卻至室溫，轉(zhuǎn)移，定容到200 mL的容量瓶中。

1.5 分液

在100 mL的容量瓶中，提前加入1 mL（1 000μg/mL）釔內(nèi)標(biāo)液，分取4 mL原溶液，然后加入5 mL HCl，定容搖勻，制備成溶液待測。

1.6 測定

啟動電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀及其操作軟件（iTEVA），在正式測試之前點(diǎn)火穩(wěn)定1 h，按照《ICP-AES靈敏度檢查》操作程序核查儀器的靈敏度狀態(tài)（必要時針對待測元素執(zhí)行自動尋峰等光譜優(yōu)化操作）。

1.7 ICP-AES儀器工作參數(shù)選擇

影響儀器測試穩(wěn)定性的主要因素有載氣流量、沖洗時間和及泵速。載氣流量影響待測元素的單位強(qiáng)度，沖洗時間和泵速配置直接關(guān)系到待測元素記憶效應(yīng)及測試的穩(wěn)定性。綜合考慮這些因素，經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，我們優(yōu)化選擇使用的儀器工作參數(shù)見表2。

1.8 分析譜線的選擇

選擇無明顯基體元素干擾的分析譜線，并選擇合適的位置除背景。表3為推薦使用的分析譜線（實(shí)際測試時應(yīng)根據(jù)元素含量、基體元素等因素選擇靈敏度適當(dāng)?shù)姆治鲎V線）。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 計(jì)算

按下列公式計(jì)算鎳元素的含量，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示：

wNi=×100

其中：CNi為待測溶液中鎳元素的濃度，μg/mL;V為原液的體積，mL;m為稱取試樣的質(zhì)量，g;K為稀釋倍數(shù)。

參考丁二酮肟重量法測鎳（GB/T 223.25—94）的精密度要求，求出4個水平下的重復(fù)性和再現(xiàn)性數(shù)值。

重復(fù)性r：

lgr=1.758 0+0.640 7lgm

再現(xiàn)性R：

lgR=1.566 5+0.689 4lgm

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過這種方式，我們隨同樣品做了一系列標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，測試和計(jì)算結(jié)果見表4。

監(jiān)控測試過程中儀器的穩(wěn)定性，每隔6個樣品測定一次核查點(diǎn)，測試時間跨度為2 h。測定值見表5。

2.3 穩(wěn)定性分析

通過對表5中的數(shù)據(jù)分析可知，鎳在濃度為20μg/mL的核查點(diǎn)時，在2 h的測試周期內(nèi)，其極差最大值為0.069，小于相同鎳水平含量的重復(fù)性r（0.119），兩者其比值約0.58，即由儀器不穩(wěn)定因素帶來的誤差最大約0.6 r。從而可以得出結(jié)論：在本方案測試過程中，儀器的穩(wěn)定性符合測試精密度需求。

2.4 準(zhǔn)確度和精密度分析

通過表4中的數(shù)據(jù)分析可知，在4個鎳含量水平下，2個獨(dú)立的測試結(jié)果之間的差值均小于重復(fù)性限r(nóng);測得的平均值與標(biāo)準(zhǔn)值之間的差值均小于再現(xiàn)性限R。從而可以得出結(jié)論：在本方案測試過程中，儀器的準(zhǔn)確度和精密度符合測試精密度需求。

2.5 與重量法測定鎳元素的比較

2.5.1 適用范圍

重量法：適用于各種碳鋼和合金鋼中鎳含量的測定。

ICP-AES光譜法：除用于各種碳鋼和合金鋼中鎳含量的測定外，還可用于鎳鐵、鎳生鐵中鎳含量的測定，檢測材料范圍更廣。

2.5.2 試劑

重量法：丁二酮肟、乙醇溶液、氨水、酒石酸、硫代硫酸鈉溶液、無水亞硫酸鈉溶液和高氯酸、鹽酸、氫氟酸等試劑。

ICP-AES光譜法：僅需要高氯酸、鹽酸、硝酸、氫氟酸等常用試劑，所用試劑種類更少。

2.5.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

重量法：加熱板、過濾設(shè)備、負(fù)壓抽濾設(shè)備、烘箱。

ICP-AES光譜法：加熱板、分液器具、ICP-AES光譜儀，所用設(shè)備種類更少。

2.5.4 雜質(zhì)元素影響的排除

重量法：若待測樣品中含Cr元素，則需要進(jìn)行揮鉻步驟處理;若待測樣品中含有Co、Cu、W、Mo等元素，則需要調(diào)節(jié)相關(guān)試劑的用量，而且在測試前，要預(yù)測材料的大概組成成分，增加了測試的時間，整個測試周期被拉長。

ICP-AES光譜法：通過分液步驟調(diào)節(jié)待測溶液的濃度，保持在合適的含量范圍（100μg/mL左右）。再配合基體匹配的手段，可以最大限度地降低雜質(zhì)元素對目標(biāo)元素的影響;在保證穩(wěn)定的前提下，通過選擇合適的分析譜線和積分位置，進(jìn)一步將雜質(zhì)元素對測試的影響控制在誤差允許范圍內(nèi)。該方法測試簡單，試驗(yàn)周期短，生產(chǎn)效率高。

2.5.5 對實(shí)驗(yàn)人員的要求及影響

重量法：對實(shí)驗(yàn)人員的操作水平要求較高;實(shí)驗(yàn)過程中接觸丁二酮肟、氨水、酒石酸等試劑，用量較大，長時間接觸會對操作人員身體危害較大。

ICP-AES光譜法：僅需使用常規(guī)無機(jī)酸類試劑，操作簡單，對實(shí)驗(yàn)人員的技術(shù)要求不高。測試環(huán)節(jié)可以采用自動進(jìn)樣的方式，實(shí)現(xiàn)最大限度的人機(jī)分離，對人體危害性較小。

2.5.6 實(shí)驗(yàn)周期及經(jīng)濟(jì)成本

重量法：受過濾、抽濾等環(huán)節(jié)的約束，需要單個進(jìn)行測試，無法進(jìn)行大批量樣品的檢測;步驟繁瑣，操作程序復(fù)雜，通常需要2～3 d才能完成一批樣品的測試，成本高。

ICP-AES光譜法：在保證儀器穩(wěn)定性的條件下，可以由自動進(jìn)樣器完成測試步驟，整個環(huán)節(jié)可連續(xù)進(jìn)行;步驟簡單，操作容易，通常1 d即可完成一批樣品的測試，能較好地完成批量大、周期短的測試任務(wù)，顯著降低了檢測成本。

綜上分析可得，ICP-AES光譜法相比重量法具有明顯的優(yōu)勢。

3 結(jié)語

通過實(shí)驗(yàn)證明：在材料鎳元素含量合適的情況下，可充分利用現(xiàn)代化的儀器測試手段，采用ICP-AES方法測定鎳鐵合金中Ni元素的含量，不僅能簡化實(shí)驗(yàn)步驟，降低檢測成本，而且能夠提高測試效率，是一種環(huán)境友好型的測試方法。

參 考 文 獻(xiàn)

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[責(zé)任編輯：陳澤琦]