有色金屬銅及其合金中微量元素的分析研究

賈 艷

（甘肅省有色金屬地質勘查局蘭州礦產勘查院，甘肅 蘭州 730046）

銅元素在有色金屬當中存在極為廣泛，其屬于過渡元素的一種，大多會應用在電子元件、電氣元件以及電纜制作等領域。當銅和其他的技術之間進行合成之后，能夠形成銅合金，發揮其機械性能優勢，且銅合金還擁有較低的電阻率，因此無論是在電子元件材料制作，還是在航天材料制作過程當中都可以應用。銅還能和酸反應，溶于酸性溶液之后，產生微量元素，合理測定銅合金當中微量元素具體含量，能夠明確合金成分組成，判斷其適用范圍。所以，行業人員需要重點研究銅合金當中微量元素測量方法，尋找更為準確的測量技術，注重技術的創新應用，讓有色金屬銅、銅合金的成分分析工作順利進行。

1 微量元素對于有色金屬銅和其合金產生的影響分析

1.1 氫元素的影響

氫元素和銅之間能夠形成多種氫化物，且氫元素在液態銅、固態銅當中的固溶度不同，隨著環境溫度身高逐漸增大。在液態銅當中，氫元素的固溶度也相對較大，銅凝固的時候也會形成氣孔，使得銅制品表面出現起皮現象，材質具有脆性特點。而固態銅當中氫元素主要以質子的形式而存在，氫電子可以對銅原子S層軌道進行填充，從而形成固溶體，雖然氫元素對于銅本身性能不會產生過高影響，但是對于銅合金來講，如果其大量存在，會導致合金材料退火過程出現裂紋，在氫氣的影響下，與含氧銅之間產生反應，從而生成水蒸氣，造成合金裂紋和氣孔等問題。所以，在銅合金的微量元素檢測過程，應該重點注意氫元素進行檢測[1]。

1.2 氧元素的影響

銅生產過程，可能受到氧化銅產生的影響，氧元素幾乎不會固溶于銅當中，如果溫度在1060℃的時候，固溶量在0.06%，如果溫度在600℃，固溶度在0.002%。所以，銅當中大部分的氧元素都是以Cu2O的形式存在，因為銅和Cu2O能夠組合而形成共晶組織，在晶界外表分布，從而產生共晶反應。

氧元素對于銅、銅合金的性能影響也極為復雜。其中含有微量的氧對于銅的機械性能、導電性不會產生過高影響，因為工業銅通常導電率較高，主要就是其使用氧做清潔劑，可以將銅內部有害雜質去除。如果利用銅制作電真空構件，就需對其含氧量進行有效控制，因為此類器件大多存在于氫氣內密封，如果金屬銅當中含有氧，就會導致器件內部真空環境受損，因此需要選擇無氧銅來制作這類器件。在國家標準當中，明確提出，此類構件生產無氧酮中的氧含量應該在20ppm以內。所以，操作人員在熔煉銅和銅合金的時候，都會采取脫氧處理，使磷、硼和鎂等作為脫氧劑，在中間合金當中加入，其中，磷作為脫氧劑較為有效，然而，需要對其殘留進行嚴格控制，否則磷存在于銅合金或者金屬銅當中，也會對其導電率產生影響。因此，還需要注意對其中氧元素含量進行分析。

1.3 磷元素的影響

銅和磷在溫度達到714℃的時候會發生共晶反應，在反應溫度逐漸下降過程當中，磷元素在銅當中固溶量也會逐漸減少。當溫度達到300℃的時候，磷的固溶量是0.6%，當溫度降為200℃的時候，磷固溶量是0.4%。由于磷的存在，對于銅金屬導電率會產生顯著影響。因為磷屬于銅生產過程重要的脫氧劑，適量的磷存在于銅當中，能夠將熔體流動性提高，從而將銅金屬、銅合金抗軟化能力、耐腐蝕性能以及焊接性能有效提升。

實踐表明，如果銅合金當中磷含量介于0.015%到0.04%之間，此類材料可以應用在建筑水管的生產，還可應用于空調散熱管制造領域。銅合金當中，如果含磷量相對較低，還可應用于化工、電子等行業當中，而集成電路線框架的銅帶也通常使用此類合金進行制造。若磷銅合金當中存在共晶成分，其能夠作為焊接材料，溫度在580～620之間，含磷量較高的銅合金超塑性良好，可以通過熱擠方法，將其制作成直徑3mm～5mm的焊絲，屬于焊接銅、銅合金行業重要材料。

1.4 鉛元素的影響

因為鉛元素和銅不固溶，且在銅合金當中固溶度也相對較小，容易和銅之間形成共晶組織，液態鉛、銅之間不混熔，在凝固過程可以形成偏晶組織，在固態情況之下，銅中的鉛大多以單質的形式存在。若銅合金當中含有鉛，在結晶的時候，晶介鉛就可向晶內轉移，鉛元素的存在對于銅金屬、銅合金的導熱性、導電性都不會產生顯著影響，然而卻可將其切削性能有所改善。

同時，鉛質點為固相，利用此類銅合金可以加工軸承。如果黃銅當中含有鉛，那么鉛質點越小，而且分布狀態越均勻，就代表其性能良好[2]。

1.5 砷硼元素影響

砷在硼當中擁有的固溶度效率就高，砷在銅當中能夠降低其導熱和導電性能，以上元素通常作為變質劑，研究顯示，黃銅當中如果含鋅量介于0.1%到0.15%，就能預防黃銅腐蝕，所以在冷凝管制造過程當中，可以通過砷元素的添加，改善其泄漏性能。

在銅合金檢測領域技術的快速發展，利用砷元素為銅合金制造的中間加入物質，能夠有效降低銅合金電極電位，控制電化學腐蝕問題。硼元素大多作為銅或合金脫氧劑，在銅合金內添加硼元素，加入量0.01%～0.04%，能夠有效預防銅脫鋅受到腐蝕。

1.6 金屬元素影響

鐵、銀、鎘、鋯等金屬元素固溶于銅中的含量有限，隨著固溶溫度不斷提高，固溶度也發生變化。所以檢測以上微量元素的時候，可以根據有色金屬銅當中的固溶度情況，改變溫度環境，讓金屬化合物、單質從固態相當中被析出。如果有色金屬銅當中含有適量的銀，對于通導熱率和導電率產生的影響并不明顯，還能提高其再結晶過程當中對于溫度的要求，耐磨性和抗蠕變性要求更高。銅合金當中如果含有適量的鎘，此類合金在受到沖擊的時候，不會產生火花，可以用作航空儀表制造材料。鋯在銅合金當中的存在，可將其導電率提高。所以，通過檢測技術對于以上金屬元素在銅和銅合金當中的含量進行測量，能夠輔助相關人員確認材料適用的領域，為行業生產提供指導。

2 有色金屬銅和其合金中微量元素檢測現狀

在礦物當中，有色金屬銅和銅合金屬于重要有色金屬類型，因為以上物質種類多，使得成分測定過程應用的分析方法也相對較多，不同檢測技術應用方法不同，即使對于金屬或者合金中的相同元素進行檢測，分析方法也有所差異。當前，我國在有色金屬領域應用的檢測技術主要為化學分析，該方法源自蘇聯，適合應用于黃、白、鉻青等有色金屬銅的檢測。同時，還能檢測出金屬和合金當中的其他微量元素。

從有色金屬的檢測體系方面分析，主要方法有如下幾種：第一，德國與法國應用的檢測方法，有色金屬鋁合金當中某一元素進行檢查，檢測體系極為完整，銅與銅合金的檢測方法應用也日益完善。第二，特殊類型銅合金、有色金屬銅二者融合檢測方法，在美、英、日等國家應用廣泛，融合檢測屬于色金屬檢測領域的過度檢測技術；第三，根據牌號配合鋁合金類型建立的檢測結構，我國在黃銅內部的金屬微量元素檢測方面，已經獲得了較為標準的檢測體系，特別在單一元素檢測方面結果準確度較高[3]。

3 有色金屬銅和其合金當中微量元素的檢測方法應用

3.1 電感耦合法

所謂電感耦合法是基于原子光譜分析方法，利用等離子體來發射光譜，并將其作為激發光源，屬于化學分析方法的一種。例如選擇電感耦合技術，等離子體也就是激發光源，用來發射光譜，該分析方法在光譜分析領域應用廣泛，屬于一種有效的礦石分析法。

在技術應用階段，可以使用電感耦合等離子體特點，利用直讀儀器進行測量分析，因其分辨率相對較高，所以適合應用在較為復雜礦物成分中的元素分析，也可用于合金材料當中量元素檢測儀器。所以，在有色金屬銅、銅合金的微量元素測量過程，可以使用該技術，能夠獲得較為準確的測量結果。對于銅礦物的檢測可將前期操作省略，能夠在一定程度上簡化分析流程，提高分析效率。對于礦物進行分析，該方法應用價值顯著。在技術運用階段，主要是利用測量儀器、化學試劑輔助測量工作開展。常用的測量儀器包括電子天平，型號可選擇AL104，還需選擇電感耦合光譜儀，型號可選擇Optima，電壓7300V，還需要選擇電熱板。化學試劑主要利用鹽酸、氫氟酸、硝酸等，還需利用金屬銅標準液，實驗過程在物理檢測實驗室當中進行，應該利用高純度水。應用該技術與銅礦石中的微量元素進行檢測，不但靈敏度高，而且檢測出限值低，精度良好，線性范圍寬，能夠同時分析多種元素。當分析礦物內部銅金屬含量的時候，合理選擇標準也極其重要，還需要保證分析儀器穩定，合理把控校準曲線，才能獲得較為精準地分析結果[4]。

3.2 X射線光譜法

X射線光譜屬于熒光光譜分析法，也是化學分析的一種，利用射線光譜原理，對于礦物內部的有色金屬銅、銅合金當中微量元素含量進行檢測，受到X射線的照射，礦物內會產生空穴，屬于內殼層原子逐漸向其內部躍遷，一旦礦物原子躍遷過程當中，發出與待檢測元素的特點相符的射線，就可獲得分析結果。因為不同元素反映出來的X射線能量波長不同，礦物元素反映出來的射線強度需要和金屬銅原子實際含量成正比。如果待測量的礦物樣品擁有較強的X射線強度，如何運用該方法分析礦物內部有色金屬，通過對比和分析，判斷有色金屬在礦物中的比例。該技術運用主要是選擇X射線光譜儀，配合真空光路，借助以上設備完成有色金屬銅化學分析。

選擇該技術對于銅礦石進行分析，對比于原子分析和ICP等技術，需要保證礦物樣品銅含量過10%，還可精準分析其內部微量元素。礦物分析實踐階段，能夠輔助人們利用定量分析方法完成操作。X射線光譜分析法還能分析鹵族元素，應用過程分析速度快，且成本低廉，應用范圍廣。針對樣品質地方面的分析也相對簡單，可以利用該技術對于固體或者粉末直接分析，既能保證分析成本可控，也不會對樣品性質造成影響，還能保證分析結果準確。

3.3 磁微粒發光法

對于有色金屬銅、銅合金內部微量元素進行檢測，使用磁微粒發光法原理是，合金內部存在磁微粒、核酸基等，通過磁微粒造影這一方法能夠實現對其中微量元素進行檢測，從而抑制有色金屬銅、合金元素中的TSH。檢測過程，可向待檢測物質當中添加堿性沉淀劑，金屬就會出現高密度脂聚合，為了加快反應速度，可以通過攪拌的方式輔助檢測，反應一段時間以后，能夠獲得特定微量元素中的螺旋體。檢測過程，需要對造影劑進行合理選擇，之后利用磁性分離這項技術，能夠獲得磁性微粒，主要成分是Cu3O4，材料為納米級別[5]。

研究人員應該技術對于有色金屬銅、銅合金內部微量元素進行檢查，通過自制磁微粒，將其作為載體，能夠有效得到蛋白含量，之后利用統計學軟件展開分析，確認待檢測物質中的微量元素，最終獲得膠體金。還可利用碳碳三鍵加以轉化，使之可以合成納米級別的顆粒。檢測過程，在待檢測物質當中添加引發劑，濃度為10%摩爾，之后對于固形物展開測量，從而能夠形成光學斷層成像。根據待檢測物質當中所含微量元素造影，判斷產生化學反應。在引發劑的使用下，選擇檸檬酸鈉水，控制電流密度為1.4A/dm2，完成化學滴定，造影劑可以選擇乙酸，或者丙酮和乙酰胺，即可獲得有色金屬銅、銅合金內部磁微粒，之后加入輸水膠溶液，直至產生負離子集，之后將三氯化釹加入其中，濃度1%，可以獲得沉積層。合金內部微量元素產生反流現象，并且反流時間在800ms以上。將銅與其核心氧烷分子置于振蕩器之內，控制其中溫度37℃，按照速度200rpm/min進行振蕩，時間一小時，之后添加PBS10μL，即可對金屬銅、銅合金內部微量元素樣本進行提取，之后將經過純化AgrC蛋白，就能獲得磁化以后的四氧化三鐵顆粒，讓膠體金的粒子質體、化學微米之間的比保持在300∶1，此時利用紫外分光光度計對于在檢測金屬內部微量元素進行測定。利用一價鎳產生的中間體完成化學加成，從而獲得有色金屬銅、銅合金當中的微量元素磁微粒曲線。

通過以上技術流程，完成化學分析，借助磁微粒發光法，檢測有色金屬銅、銅合金當中的微量元素，并利用發光原理，對于其中微量元素具體含量進行檢測[6]。實踐表明，向有色金屬銅、銅合金當中添加抗原磁微粒，保持環境溫度37℃，在振蕩器內振蕩30分鐘，對于待檢測金屬中的微量元素磷脂、金磁微粒等含量進行測定，之后選擇表面活性劑將蛋白脂質體進行溶解，獲得膠體金微粒，粒徑均值在2μm～3μm，使用動態光散射儀對于有色金屬、合金內部微量元素金屬納米粒子進行測定，使其和膠體金微粒（15nm～20nm）進行混合，通過熒光分析方法，獲得有色金屬銅、合金微量元素熒光光譜，各個波段都可精準呈現微量元素的含量。

由此可見，利用磁微粒方法對于有色金屬銅、銅合金中微量元素進行分析檢測，能夠充分發揮熒光光譜的應用優勢，從光譜分析的結果來看，該技術應用適應性良好[7]。

4 結語

綜上分析，因為有色金屬銅和銅合金當中含有的微量元素種類豐富，元素性質不同，與銅之間的融合程度也各不相同，對于金屬銅和銅合金都可產生重要影響。所以，在測量其中的微量元素過程，可以根據不同需求選擇不同的測量方法，對于礦物質金屬銅或者銅合金中的微量元素進行分析，保證得到的結論準確，為金屬與合金在各領域中的應用提供支持。