電感耦合等離子體原子發射光譜(ICP-AES)法測定ZL101鑄鋁合金中硅的含量

翟聲明 馮 霖 王 翔 趙立亞

(山西銀光華盛鎂業股份有限公司，山西 聞喜 043800)

前言

我國作為世界上有色金屬鑄件的生產和消費大國之一，有色金屬鑄造已成為支撐國民經濟發展的重要新興產業，而鑄鋁合金的生產更是其中強有力的支柱，以其優越的性能廣泛應用于航空工業及民用工業中。

現代鑄造鋁合金按主要加入元素可分為四個系列，即鋁硅系、鋁銅系、鋁鎂系及鋁鋅系。對于絕大多數的鑄鋁合金，硅元素的添加于材料本身的各種性能都有著不容忽視的作用。所以，準確、快速地測定鑄鋁合金中硅的含量，將直接影響車間能否及時生產出合格優質的產品。

對于鑄鋁合金中高含量硅的測定，一般采用重量法[1]，適用范圍是0.30%～25.00%，該法雖測定范圍較寬，具有較高的準確度，但是操作繁瑣費時費力且不適用于較大批量試樣的分析。低含量硅的測定通常采用硅鉬藍分光光度法[2]，適用范圍為0.0010%～0.40%，此方法雖靈敏度較高，但對其測定條件pH值及溫度的要求又較為苛刻。與經典的化學分析法相比，電感耦合等離子體原子發射光譜(ICP-AES)法具有檢出限低、準確度高、線性范圍靈活可調，試樣用量少且多種元素可同時測定等優點，是當前適用范圍較廣的分析方法[3-4]。本文利用電感耦合等離子體原子發射光譜儀，探究試樣溶解條件及加酸量對鑄鋁ZL101合金中硅含量測定的影響，確定電感耦合等離子體原子發射光譜法(ICP-AES)測定鑄鋁ZL101合金中硅含量的工作參數。

1 實驗部分

1.1 儀器和試劑

6300型電感耦合等離子體原子發射光譜儀(美國賽默飛世爾公司)；電子天平(梅特勒-托利多(上海)有限公司)；摩爾(MoLecular)純水機。

高純氬氣(大于99.99%)；氫氧化鈉溶液(GR，400 g/L)；鹽酸(AR，1+1)；硝酸(AR)；鑄造鋁合金ZL105A標準物質(山東省冶金設計研究院)；實驗用水為去離子超純水。

1.2 儀器參數

ICP-AES儀的工作參數：觀測模式為垂直，高度12 mm，射頻功率1 150 W，等離子氣體壓力0.55～0.7 MPa，等離子體氣流速12 L/min，霧化氣體流量0.6 L/min，輔助氣流量0.5 L/min，蠕動泵速度50 r/min。

1.3 實驗方法

樣品測定根據樣品中的硅含量，稱取0.1 g(精確至0.000 1 g)樣品(厚度小于1 mm)置于350 mL聚乙烯塑料燒杯中，加水約15 mL，加6 mL氫氧化鈉溶液，蓋表面皿，待劇烈反應停止，于低溫(低于80 ℃)處小心緩慢溶解至完全(溫度過高，可使燒杯變形損壞。為防止溶液迸濺干涸，導致試樣溶解不完全，溶樣約25 min)，放置3～4 min，加12 mL鹽酸和3 mL硝酸并加熱至溶液清亮，待溶液冷卻至室溫后轉入100 mL容量瓶定容，搖勻(必要時，可分取部分試液并補加3 mL鹽酸)，隨同試樣處理方法做空白實驗。調整好ICP-AES儀，待測。

1.4 標準工作曲線繪制

稱取ZL105A鋁合金標準物質0.1、0.12、0.14 g(精確至0.000 1 g)分別置于三個350 mL聚乙烯塑料燒杯中，加約15 mL水、6 mL氫氧化鈉溶液，下同實驗方法操作，制作標準工作溶液。選定儀器測定硅工作譜線為288.158 nm，將標準工作溶液引入儀器測定并繪制工作曲線，硅測定線性相關系數為0.999 5。

2 結果與討論

2.1 標準物質的選擇

繪制工作曲線選用的標準系列樣品，必須是國家一級標樣，其組成成分與被測試樣一致或相近，方便較長時間保存和保證其化學性質穩定。所用其它試劑等級，應根據生產對測定物質的精確度要求而定。綜合考慮，實驗中選取分析純試劑。

2.2 元素分析譜線的選擇

因為Al、Na是待測溶液中高含量的基體元素，故對本方法的測定有影響的主要是Al、Na兩種元素。因為所選擇的含有被測元素的標準物質樣品與試樣有相同的基質和相同的溶樣條件，所以可以消除Al、Na基體帶來的干擾。第二方面的干擾來自于光譜干擾，分析應該選擇靈敏度高、干擾元素少、干擾程度低、線性范圍寬的譜線，同時參照儀器和文獻的推薦，本方法選取硅激發譜線為288.158 nm。

2.3 試樣前處理對測定結果的影響

根據相關資料報道，若試樣中硅的含量高于0.5%，一般都會采用堿熔的方式，將試液蒸煮至糊狀，反復堿熔2～3次，手續相對繁瑣，用時過長(大于2 h)。實驗采用較低溫(<80℃)緩慢加熱充分溶解，一次操作可完成樣品的溶解，將溶液酸化后即可測定，節省了時間，簡單且容易掌握。兩種處理方法測定的結果基本一致，詳見表1。

表1 樣品處理方法實驗

2.4 鹽酸用量對測定結果的影響

以購買的ZL105A標準物質為例，用氫氧化鈉溶解完全后，加鹽酸使溶液酸化。此時，鹽酸的用量將對測定結果有直接的影響。為了得出對于本方法合適的鹽酸用量，分別實驗不同鹽酸用量下的測定值。相關數據對比見表2。

表2 鹽酸的加入量對測定結果的影響

表2說明，鹽酸用量2～12 mL，測定結果從負偏差逐漸轉向正確，本方法選擇加入10 mL鹽酸，可以獲得準確的測定結果，同時又不致造成浪費和有利于環境保護要求。

2.5 方法的精密度實驗

為了考察方法的精密度，按照實驗方法對ZL101鑄鋁合金中硅平行測定10次，分析數據見表3。從表3看出，測定結果的相對標準偏差RSD為0.92%，有較高的測定精密度。

表3 方法的精密度

2.6 方法檢出限

在相同條件下，對試樣按實驗方法以空白溶液測定10次，求得測定的標準偏差SD，以3倍標準偏差作為本方法對硅測定檢出限，結果見表4。

2.7 準確度實驗

為了驗證本方法的準確度，取用鑄造鋁合金ZL114A、ZL105A、ZL101試樣，分別采用擬定實驗方法和重量法測定硅的含量，測定結果見表5。

表4 方法的檢出限

表5 準確度實驗

從表5可知，采用本方法與國家標準方法測定的結果基本吻合，結果準確可靠。

3 結論

建立的電感耦合等離子體原子發射光譜(ICP-AES)法測定ZL101鑄鋁合金中硅含量的方法，硅測定的標準偏差為0.065%，相對標準偏差為0.92%，標準系列中硅測定相關系數在0.999 5～0.999 8。由于采用了組成與試樣基本一致的標準樣品制作標準工作曲線，消除傳統的常用方法中因基體元素匹配帶來的不便，基本排除了基體對試樣測定的影響。此方法在使用上具有操作簡單、快速和準確等優點，完全滿足了生產配料方案設制和生產過程控制分析要求，表現出在檢驗過程更多方面的靈活性和實用性。