ICP-AES测定镍铁合金中镍的方法技术研究

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　　【摘 要】采用ICP-AES光谱法测定合金中的镍元素含量，经过一系列试验，建立了一套分析方法，镍元素的测定范围为0.5%～20%。与重量法相比，该方法不会降低测试准确度和精密度，并且具有操作简单、高效和环境友好的特点。
　　【关键词】ICP-AES光谱法;操作简单;高效
　　【中图分类号】TG115.33 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2019）05-0144-03
　　0 引言
　　 镍是一种稀缺资源，其化合物和合金也是重要的战略物资。镍是钢中重要的元素之一，其在钢铁中的含量直接影响钢的物理性能和化学性能，例如镍可以提高钢的机械性、防腐蚀性、耐热性、强度、抗酸性及导磁性等。此外，在钢的热加工中，镍又具有防止铜对金属表面产生有害影響的功能。因此，对合金中镍元素含量的检测十分重要。传统镍系合金中镍元素的测定是通过丁二酮肟重量法进行检测，这种测定方法具有检测精密度高、适用范围广的优点，但是也存在步骤繁琐、测试周期长、人工消耗量大、难以大批量快速测试等问题。因此，如何对镍系合金中镍元素进行快速、有效的测定，成为生产实践中一个亟待解决的问题。本文针对这一问题，尝试提出一种新的测试方法——ICP-AES光谱法。经过大量的检测实践和对实验数据的分析，证明这种方法可以在不降低测试准确度的基础上，实现对镍元素含量快速、准确、大批量测定，大大提高了生产效率，满足了生产需求，具有良好的推广价值。
　　1 实验部分
　　1.1 实验仪器、试剂和标准溶液
　　 实验仪器：ICP-AES（6000系列）电感耦合等离子体发射光谱仪;水质要求：三级水及以上;试剂要求：硝酸（分析纯），盐酸（分析纯），高氯酸（分析纯），氢氟酸（分析纯），氧化钇标准物质（99.99%），纯铁标准物质（99.99%）。
　　1.2 标准溶液的配制
　　1.2.1 钇内标液的配制
　　 称取6.3430 g Y2O3放在1 000 mL的烧杯中，然后加入200 mL蒸馏水、100 mL盐酸，加热至样品完全溶解。冷却至室温，补加300 mL的HCl，稀释，定容至5 000 mL，该溶液中钇的浓度为1 000 ug/mL。
　　1.2.2 铁基体溶液的配制
　　 称取0.5 g纯铁（精确至0.001 g）放于200 mL烧杯中，加盖表面皿，加入20 mL HNO3（1+1），置于加热板上，低温反应至样品完全溶解后，再加入5 mL HCl，继续加热5 min，取下，冷却至室温，吹洗表面皿及杯壁，定容至100 mL容量瓶中，该溶液中铁的浓度为5 000μg/mL。
　　1.2.3 镍标准溶液的配制
　　 按照表1配制镍工作曲线。
　　1.3 制样
　　 为保证待测样品中镍元素含量的均匀性并且具有代表性，待测样品的颗粒度应不大于5 mm;而像不锈钢、高温合金钢等锭状试样，则需先处理样品表面的氧化膜。在用乙醇做防氧化剂的条件下，采用钻屑的方式，多点取样，将待测样品制备成粒度不大于5 mm的屑状样品。钻屑后，将样品自然风干，同时为保证测试效果，样品重量应大于5 g。
　　1.4 消解（随同试样做试剂空白试验）
　　 准确称量0.5 g试样放入150 mL烧杯中，加入10 mL HNO3（1+1），加盖表面皿，低温加热至样品不再有明显反应为止。然后，加入5 mL HCl，再低温反应15 min，加入10 mL HClO4，继续加热至冒高氯酸烟。待样品中的碳化物分解完全后，取下样品，冷却至室温，吹洗表面皿及杯壁。视样品中的硅含量滴加少量氢氟酸和水，混合均匀。然后，将样品置于加热板上微沸25 min，赶走多余的氢氟酸。取下试样，冷却至室温，转移，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）钇内标液，分取4 mL原溶液，然后加入5 mL HCl，定容摇匀，制备成溶液待测。
　　1.6 测定
　　 启动电感耦合等离子体发射光谱仪及其操作软件（iTEVA），在正式测试之前点火稳定1 h，按照《ICP-AES灵敏度检查》操作程序核查仪器的灵敏度状态（必要时针对待测元素执行自动寻峰等光谱优化操作）。
　　1.7 ICP-AES仪器工作参数选择
　　 影响仪器测试稳定性的主要因素有载气流量、冲洗时间和及泵速。载气流量影响待测元素的单位强度，冲洗时间和泵速配置直接关系到待测元素记忆效应及测试的稳定性。综合考虑这些因素，经过反复实验，我们优化选择使用的仪器工作参数见表2。
　　1.8 分析谱线的选择
　　 选择无明显基体元素干扰的分析谱线，并选择合适的位置除背景。表3为推荐使用的分析谱线（实际测试时应根据元素含量、基体元素等因素选择灵敏度适当的分析谱线）。
　　2 实验结果及分析
　　2.1 计算
　　 按下列公式计算镍元素的含量，以质量分数表示：
　　 wNi=×100
　　 其中：CNi为待测溶液中镍元素的浓度，μg/mL;V为原液的体积，mL;m为称取试样的质量，g;K为稀释倍数。
　　 参考丁二酮肟重量法测镍（GB/T 223.25—94）的精密度要求，求出4个水平下的重复性和再现性数值。
　　 重复性r：
　　 lgr=1.758 0+0.640 7lgm
　　 再现性R：
　　 lgR=1.566 5+0.689 4lgm
　　2.2 实验结果
　　 通过这种方式，我们随同样品做了一系列标准物质，测试和计算结果见表4。 　　 监控测试过程中仪器的稳定性，每隔6个样品测定一次核查点，测试时间跨度为2 h。测定值见表5。
　　2.3 稳定性分析
　　 通过对表5中的数据分析可知，镍在浓度为20μg/mL的核查点时，在2 h的测试周期内，其极差最大值为0.069，小于相同镍水平含量的重复性r（0.119），两者其比值约0.58，即由仪器不稳定因素带来的误差最大约0.6 r。从而可以得出结论：在本方案测试过程中，仪器的稳定性符合测试精密度需求。
　　2.4 准确度和精密度分析
　　 通过表4中的数据分析可知，在4个镍含量水平下，2个独立的测试结果之间的差值均小于重复性限r;测得的平均值与标准值之间的差值均小于再现性限R。从而可以得出结论：在本方案测试过程中，仪器的准确度和精密度符合测试精密度需求。
　　2.5 与重量法测定镍元素的比较
　　2.5.1 适用范围
　　 重量法：适用于各种碳钢和合金钢中镍含量的测定。
　　 ICP-AES光谱法：除用于各种碳钢和合金钢中镍含量的测定外，还可用于镍铁、镍生铁中镍含量的测定，检测材料范围更广。
　　2.5.2 试剂
　　 重量法：丁二酮肟、乙醇溶液、氨水、酒石酸、硫代硫酸钠溶液、无水亚硫酸钠溶液和高氯酸、盐酸、氢氟酸等试剂。
　　 ICP-AES光谱法：仅需要高氯酸、盐酸、硝酸、氢氟酸等常用试剂，所用试剂种类更少。
　　2.5.3 实验设备
　　 重量法：加热板、过滤设备、负压抽滤设备、烘箱。
　　 ICP-AES光谱法：加热板、分液器具、ICP-AES光谱仪，所用设备种类更少。
　　2.5.4 杂质元素影响的排除
　　 重量法：若待测样品中含Cr元素，则需要进行挥铬步骤处理;若待测样品中含有Co、Cu、W、Mo等元素，则需要调节相关试剂的用量，而且在测试前，要预测材料的大概组成成分，增加了测试的时间，整个测试周期被拉长。
　　 ICP-AES光谱法：通过分液步骤调节待测溶液的浓度，保持在合适的含量范围（100μg/mL左右）。再配合基體匹配的手段，可以最大限度地降低杂质元素对目标元素的影响;在保证稳定的前提下，通过选择合适的分析谱线和积分位置，进一步将杂质元素对测试的影响控制在误差允许范围内。该方法测试简单，试验周期短，生产效率高。
　　2.5.5 对实验人员的要求及影响
　　 重量法：对实验人员的操作水平要求较高;实验过程中接触丁二酮肟、氨水、酒石酸等试剂，用量较大，长时间接触会对操作人员身体危害较大。
　　 ICP-AES光谱法：仅需使用常规无机酸类试剂，操作简单，对实验人员的技术要求不高。测试环节可以采用自动进样的方式，实现最大限度的人机分离，对人体危害性较小。
　　2.5.6 实验周期及经济成本
　　 重量法：受过滤、抽滤等环节的约束，需要单个进行测试，无法进行大批量样品的检测;步骤繁琐，操作程序复杂，通常需要2～3 d才能完成一批样品的测试，成本高。
　　 ICP-AES光谱法：在保证仪器稳定性的条件下，可以由自动进样器完成测试步骤，整个环节可连续进行;步骤简单，操作容易，通常1 d即可完成一批样品的测试，能较好地完成批量大、周期短的测试任务，显著降低了检测成本。
　　 综上分析可得，ICP-AES光谱法相比重量法具有明显的优势。
　　3 结语
　　 通过实验证明：在材料镍元素含量合适的情况下，可充分利用现代化的仪器测试手段，采用ICP-AES方法测定镍铁合金中Ni元素的含量，不仅能简化实验步骤，降低检测成本，而且能够提高测试效率，是一种环境友好型的测试方法。
　　参 考 文 献
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　　[责任编辑：陈泽琦]
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