高頻燃燒紅外吸收光譜法測定鉿合金中碳

鄭 偉 梁清華 魏宏楠 王 寬

(1 西北有色金屬研究院，西安 710016；2 西安漢唐分析檢測有限公司，西安 710016)

前言

鉿及其合金材料外觀像不銹鋼，因具有硬度大、熔點高、耐腐蝕、加工性能好等優點，被廣泛應用于原子能工業、信息產業、生物工程、軍事科學、醫療器械、石油化工、航空航天等領域[1]。碳是金屬及其合金材料中的主要構成元素，碳在金屬及其合金材料中的含量對材料的性能起到極其重要的作用。近年來高頻燃燒紅外吸收光譜法以其檢出限低、操作簡便等優點，已經廣泛應用于鋼鐵材料、礦石、稀有金屬以及難熔材料中碳含量的測定當中[2-7]。采用高頻燃燒紅外吸收光譜法測定鉿合金中的碳含量，通過對各種條件的優化建立了鉿合金中碳的測定方法，該方法準確度高、分析速度快、精密度好，能夠滿足生產、科研的分析測試需要。

1 實驗部分

1.1 主要儀器與試劑

CS600高頻紅外碳硫分析儀(美國， Leco公司)；CP124S型電子天平；(賽多利斯科學儀器有限公司，d=0.1 mg)；錫粒(含碳量小于0.0005%)；純鐵(含碳量小于0.0008%)；鎢粒(含碳量小于0.0008%)；坩堝和坩堝蓋于馬弗爐中1 000 ℃灼燒 2 h，灼燒后的坩堝和坩堝蓋冷卻到常溫后放入干燥器中備用。

鉿屑樣品，經丙酮清洗，取出后冷風吹干，備用。

1.2 標準物質

目前市場上鉿的標準物質相對稀缺，而鋯鉿的理化性質非常相似[1]，選定BCR-276鋯的標準樣品(比利時IRMM研究所研制，碳含量為0.0108 %±0.0011% )來建立校準曲線。

1.3 實驗方法

按照開機順序進行開機，預熱2 h，檢查電路、氣路、儀器環境監測項目(包括載氣及動力氣壓力、恒溫箱溫度、催化劑溫度等)確認各項參數是否達到規定范圍并檢漏。平行3次測定系統中氣路、助熔劑和坩堝的空白，進行空白校正；平行3次測定標準物質(比利時IRMM研究所鋯標BCR-276，碳含量為0.0108% )，進行儀器校準；然后在坩堝中稱取一定量的試樣，按一定比例加入助熔劑，最后將裝有試樣的坩堝放入碳硫分析儀上檢測，儀器自動計算得到樣品中的碳含量。

2 結果與討論

2.1 稱樣量

稱樣量的大小直接影響樣品在燃燒爐的氧化程度，稱樣量太小，會增加天平的稱樣誤差，且試樣量太少，被測氣體濃度較低，會造成檢測靈敏度低，從而影響結果的準確性，如果稱樣量太大，同助熔劑失去一定比例，樣品燃燒不充分，分析結果的波動性也會增加。根據實驗室常規業務對鋯合金及鈦合金標準樣品的多次檢測結果表明，試樣稱取0.4 g 檢測結果最為可靠，且樣品能燃燒充分。

2.2 助熔劑及其用量

碳硫分析常用助熔劑主要有鎢粒、錫粒、鎢錫混合劑、以及純鐵助熔劑(鉿為高溫難熔金屬，在高頻磁場中感應性較弱，加入純鐵后可增加感應耦合，更易氧化熔燒)。其中，純鐵的加入量不宜過多，否則會引起拖尾，導致分析時間延長，且峰形不好；錫粒因為本身空白較低，可迅速產生大量熱量助熔，使得難熔金屬鉿及鉿合金更易氧化熔燒，但是增加錫粒的加入量會產生較多的二氧化錫粉塵，對爐膛內系統造成污染；鎢的加入能夠有效防止實驗過程中樣品的飛濺，促進燃燒，增加燃燒曲線的平滑度。實驗選用多種助熔劑進行，結果見表1。最終選用鎢粒、錫粒與純鐵混合助熔劑，比例為：Fe+Sn+W=0.5 g+0.1 g+1.3 g。

表1 助熔劑的選擇

2.3 分析功率

分析功率的大小，直接影響著樣品的熔融效果和試樣飛濺程度，因此需選擇合適的分析功率以保證樣品中的碳能夠完全釋放又能減少噴濺，降低對爐頭的損耗。實驗選用鉿屑進行功率實驗，當使用小于80%功率分析時，樣品燃燒后熔體不平，有拖尾現象，當使用90%或最大功率100%分析時，分析結果最高且一致性好，說明樣品碳釋放較完全，使用接近100%功率分析時，樣品熔后坩堝內壁光滑，極少有拖尾現象。故實驗中選擇分析功率為100%。

2.4 比較器水平和分析時間

樣品分析時間的長短由最短分析時間及比較器水平決定：較高的比較器水平可以縮短總的分析時間，比較器水平設置過低會使分析時間延長增加積分信號，比較水平設定為1時，能在合理的時間內把全部有效的輸出值收集起來，從而實現最佳分析。最短分析時間過長對低含量分析來說會增加無用的檢測，最短分析時間過短，有用的檢測信號將會被排除在積分之外，使檢測結果偏低，本文選擇最短分析時間45 s，可以保證樣品中碳的完全釋放，同時可以避免因為積分時間過長引起分析結果偏低。

2.5 空白實驗及方法的檢出限

高頻燃燒法測定碳含量的空白值主要來源于氧氣、助熔劑和坩堝。因此采用高純氧氣作為載氣，依次在高溫灼燒過的坩堝中加1.3 g鎢粒、0.5 g錫粒和0.5 g純鐵助熔劑，輸入1.0 g稱樣量，進行分析。以連續測定11次空白得到的空白平均值為0.00042%，標準偏差(SD) 為 0.000063%空白值低且穩定，以其測定結果的 3倍標準偏差計算方法檢出限為0.00019%，以連續測定11次空白值標準偏差10倍對應的含量值作為測定下限為0.00063%。

2.6 精密度實驗

按照實驗方法和選定條件，連續 11次測定鉿合金樣品中的碳含量，如表2所示，樣品的平均值為0.0093 %； 相對標準偏差 RSD為 5.0%

表2 精密度測定結果

2.7 加標回收實驗

采用標準加入法，在鉿合金試樣(樣品含碳量為0.0093%)中加入含量相近的鋯標準樣品(比利時IRMM研究所鋯標BCR-276，C含量為0.0108% )，進行加標回收實驗，結果如表 3所示，回收率范圍為99%～102% 。

表3 加標回收實驗結果

3 結論

利用 CS600高頻紅外碳硫分析儀，建立了測定鉿合金中碳含量的新方法。確立了最佳實驗條件：稱樣量為0.4 g，助熔劑選擇為Fe+Sn+W=0.5 g+0.1 g+1.3 g，最短分析時間為45 s，比較器水平為1，分析功率選擇100%。該方法準確度和精密度符合要求，在生產實踐中取得良好效果，滿足生產及科研快速、準確的分析要求。