ICP-AES法測定不銹鋼中14種元素

(西北工業集團計量理化一中心，西安 710043)

1 前言

不銹鋼因良好的耐蝕性、抗氧化性以及優異的力學性能，在軍工行業得到廣泛應用，尤其是18Ni、17-4 PH等材料，其各元素含量對產品的性質和質量有著非常重要的影響。關于不銹鋼分析，一般多采用化學分析法[1]及原子吸收法，此類方法測定元素單一，共存元素干擾多，操作復雜，費時費力，效率低。近年來隨著分析儀器的迅猛發展， 原子發射光譜在金屬材料檢測中不斷地被化學分析者所使用，而ICP-AES是較為理想的分析方法之一，該方法具有靈敏度高、檢出限低、檢測線性范圍寬、可實現多元素同時測定等優點，對測定不銹鋼中主微量元素具有較大的優越性，節約了大量物力人力。用王水、硫磷混酸溶樣，ICP-AES法測定耐磨合金鋼鋼中Ni、Mo、Cr、W、V等元素[2]；用王水、硫磷混酸溶樣，ICP-AES法測定不銹鋼中錳等元素[3]；用王水混酸溶解樣品，ICP-AES法測定不銹鋼中錳、鉬、鈦、銅、鈷等元素[4]等方法已見諸文獻。目前《低合金鋼 多元素含量的測定 電感耦合等離子體原子發射光譜法》有國家標準GB/T20125-2006，《不銹鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發射光譜法》有國家標準GB/T11170-2008，但用ICP-AES法測定不銹鋼中錳、硅、磷、鈷、鉬、鎳、鋁、鈦、銅、鈮、鉻、鎢、釩、鋯等14元素還沒有建立相應的國家標準，行業標準也不完全包括這些元素及含量范圍。本實驗研究了用硝酸-鹽酸溶解樣品、ICP-AES法測定不銹鋼中錳、硅、磷、鈷、鉬、鎳、鋁、鈦、銅、鈮、鉻、鎢、釩、鋯等14種元素，取得了令人滿意的結果，方法簡便、快速、準確，易于推廣應用。

2 試驗部分

2.1 主要儀器與試劑

德國斯派克公司128000型電感耦合等離子體原子發射光譜儀；高純鐵，鐵含量大于99.98%；鐵基體溶液10 g/L；各待測元素標準溶液從國家標準物質中心購買，質量濃度為1000 μg/mL或500 μg /mL。所用酸均為優級純，試劑為分析純，試驗用水為超純水。

2.2 儀器工作參數

等離子體功率1400 W，蠕動泵轉速30 RPm，冷卻氣流量12.00 L/min，輔助氣流量1.00 L/min，霧化器流量1.00 L/min，氬氣工作壓力1.0 MPa，預沖洗時間10 s，預進樣時間30 s，積分時間28 s。

2.3 試驗方法

稱取不銹鋼樣品0.1000g于150mL錐型瓶中，加入王水10 mL～20 mL，低溫加熱至樣品溶解，含鉻試樣加入5 mL高氯酸冒煙(3～5 min)使溶液澄清[5](此溶液不能用來測硅)，取下冷卻，加水10 mL溶解鹽類，冷卻至室溫，移入100 mL容量瓶中，用水稀釋至刻度，混勻。按試驗條件對儀器進行參數設定，建立分析方法，采集標準溶液，擬合標準曲線后，再進行樣品分析。

2.4 工作曲線的制作

根據試樣中鐵的含量，分別稱取適量的高純鐵或移取適量的鐵基體溶液(10 g/L)，于7個150 mL錐型瓶中，按試驗方法溶解樣品[6]，在未稀釋到刻度前，加入適量的待測元素標準溶液，使標準溶液中的溶液酸度與試液基本一致，用水稀釋至刻度，混勻。以不加標準溶液的試液作為空白溶液，在儀器優化后的工作條件下進行測定，繪制各元素的標準曲線。

3 結果與討論

3.1 溶樣方法的選擇

不銹鋼屬于高合金鋼中的一種，它的特點是含有較高的合金元素鎳、鉻、鉬等，與碳素鋼不同，不銹鋼溶樣時易生成碳化物及其他不溶物，需要專門處理[7]。由于基體成分復雜，譜線干擾問題較多，不同型號的不銹鋼材料,溶樣方法也不盡相同。在ICP-AES分析中，因為硫酸、磷酸粘度較大，易堵塞毛細管，影響進樣效率；盡量少用硫酸、磷酸、氫氟酸或高鹽試劑，氫氟酸易腐蝕進樣系統及矩管；高鹽類溶液霧化時易在噴口處沉積，阻塞通道，降低載氣流量，使光譜背景增加[8]。 所以溶樣首選硝酸或鹽酸，需要時可加入過氧化氫或高氯酸進一步消解。本試驗選用王水15 mL溶解試樣，對測定18Ni中鈷、鉬、鎳、鋁、鈦、磷、錳、硅元素的含量，獲得了令人滿意的結果。對17-4PH，1Cr18Ni9Ti等材料，采用加5 mL高氯酸，加熱蒸發至冒高氯酸煙(3～5)min使溶液澄清，即使鉻含量較高(4%～30%)，也可以同時測定錳、磷、鈷、鉬、鎳、鋁、鈦、銅、鈮、鉻、鎢、釩、鋯等13種元素，其精密度、準確度滿足日常分析要求。

3.2 分析譜線的選擇

從128000型發射光譜儀的譜線庫中，查看各元素的譜線干擾和強度信息,選用強度較大的譜線作為預選分析線。用標準溶液和基體溶液進行各元素的譜圖疊加與對照，選擇干擾少、信背比高的譜線作為分析線。所選元素分析線見表1。

表1 元素分析譜線 (nm)

3.3 霧化器流量、蠕動泵轉速的選擇

霧化器流量和蠕動泵轉速會影響樣品在等離子體通道的停留時間，過快的流速和蠕動泵轉速會使等離子體的停留時間過短影響霧化效率，而過低的流速和蠕動泵轉速會使譜線強度下降。考慮到磷譜線的信號較弱，除了選擇178 nm次靈敏線以外，我們把霧化器流量由0.8 L/min調整為1.00 L/min，蠕動泵轉速由45 RPm調整為30 RPm，效果較佳。

3.4 鐵的干擾及消除

在待測元素溶液中分別加入不同的鐵量，按試驗方法進行處理，溶液中由于鐵的影響，大部分元素的譜線背景強度增高，而Cr、 Ni、 Mn元素的譜線強度隨鐵的增加而降低，試驗證明，在標準溶液中加入與待測試樣匹配的鐵量，即可消除鐵的干擾。另外，在滿足測量下限的條件下，盡量減少樣品的稱樣量，也可減少鐵的干擾。

3.5 標準曲線和檢出限

分別取8 mL鐵基體溶液(10 g/L)于7個100 mL容量瓶中，加入待測元素標準溶液，使各元素達到表2要求，以水稀釋至刻度。對系列標準溶液進行測定。各元素濃度與其對應的發射強度呈線性關系，各元素線性相關系數及檢出限見表2。

表2 標準系列溶液濃度及檢出限 (μg/mL)

由表2可以看出，標準曲線線性好，各元素的相關系數均在 0.999以上。

3.6 精密度及加標回收試驗

在不銹鋼樣品中加入一定量待測元素標準溶液，按試驗方法處理樣品，做加標回收和精密度試驗，結果見表3。由表3可見：回收率在96.5%～102.7%之間，相對標準偏差(n=6)在0.6%～1.5%之間。

表3 精密度和回收試驗結果(n=6)

3.7 方法的準確度試驗

選擇5個不同的國家標準樣品，按試驗方法進行分析，結果對照見表4。從表4可以看出：標準樣品的測定值與標準值基本吻合。

表4 準確度實驗 (%)

續表4

4 結論

本方法采用基體匹配技術，其精密度和準確度均能滿足測試要求。由于對不銹鋼中多元素可同時分析，無需單獨分離，因此，具有簡單、快速、準確的特點，在實際中有應用價值。

[1]GB/T223.11-2008可視滴定法測定鉻量.

[2]賀與平，李露明.光譜實驗室，1998，15(6)：51.

[3]劉虹，楊勝喜.冶金分析， 2002，22(6)：40.

[4]費浩，王樹安，張泓濤.分析實驗室， 2009，28(5)：268.

[5]鞍鋼鋼鐵研究所. 沈陽鋼鐵研究所,實用冶金分析方法與基礎 [M].沈陽：遼寧科學技術出版社，1990：402-409.

[6]機械工業部科技與質量監督司，中國機械工程學會理化檢驗分會.機械工程材料測試手冊 [M].沈陽:遼寧科學技術出版社，1996：103-105.

[7]辛仁軒.等離子體發射光譜分析[M].北京：化學工業出版社，2005.

[8]壽曼立.原子光譜分析[M].北京:地質出版社，1994.