ICP-AES測定鎳鐵合金中鎳的方法技術研究
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【摘 要】采用ICP-AES光譜法測定合金中的鎳元素含量，經過一系列試驗，建立了一套分析方法，鎳元素的測定范圍為0.5%～20%。與重量法相比，該方法不會降低測試準確度和精密度，并且具有操作簡單、高效和環境友好的特點。
【關鍵詞】ICP-AES光譜法;操作簡單;高效
【中圖分類號】TG115.33 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）05-0144-03
0 引言
鎳是一種稀缺資源，其化合物和合金也是重要的戰略物資。鎳是鋼中重要的元素之一，其在鋼鐵中的含量直接影響鋼的物理性能和化學性能，例如鎳可以提高鋼的機械性、防腐蝕性、耐熱性、強度、抗酸性及導磁性等。此外，在鋼的熱加工中，鎳又具有防止銅對金屬表面產生有害影響的功能。因此，對合金中鎳元素含量的檢測十分重要。傳統鎳系合金中鎳元素的測定是通過丁二酮肟重量法進行檢測，這種測定方法具有檢測精密度高、適用范圍廣的優點，但是也存在步驟繁瑣、測試周期長、人工消耗量大、難以大批量快速測試等問題。因此，如何對鎳系合金中鎳元素進行快速、有效的測定，成為生產實踐中一個亟待解決的問題。本文針對這一問題，嘗試提出一種新的測試方法——ICP-AES光譜法。經過大量的檢測實踐和對實驗數據的分析，證明這種方法可以在不降低測試準確度的基礎上，實現對鎳元素含量快速、準確、大批量測定，大大提高了生產效率，滿足了生產需求，具有良好的推廣價值。
1 實驗部分
1.1 實驗儀器、試劑和標準溶液
實驗儀器：ICP-AES（6000系列）電感耦合等離子體發射光譜儀;水質要求：三級水及以上;試劑要求：硝酸（分析純），鹽酸（分析純），高氯酸（分析純），氫氟酸（分析純），氧化釔標準物質（99.99%），純鐵標準物質（99.99%）。
1.2 標準溶液的配制
1.2.1 釔內標液的配制
稱取6.3430 g Y2O3放在1 000 mL的燒杯中，然后加入200 mL蒸餾水、100 mL鹽酸，加熱至樣品完全溶解。冷卻至室溫，補加300 mL的HCl，稀釋，定容至5 000 mL，該溶液中釔的濃度為1 000 ug/mL。
1.2.2 鐵基體溶液的配制
稱取0.5 g純鐵（精確至0.001 g）放于200 mL燒杯中，加蓋表面皿，加入20 mL HNO3（1+1），置于加熱板上，低溫反應至樣品完全溶解后，再加入5 mL HCl，繼續加熱5 min，取下，冷卻至室溫，吹洗表面皿及杯壁，定容至100 mL容量瓶中，該溶液中鐵的濃度為5 000μg/mL。
1.2.3 鎳標準溶液的配制
按照表1配制鎳工作曲線。
1.3 制樣
為保證待測樣品中鎳元素含量的均勻性并且具有代表性，待測樣品的顆粒度應不大于5 mm;而像不銹鋼、高溫合金鋼等錠狀試樣，則需先處理樣品表面的氧化膜。在用乙醇做防氧化劑的條件下，采用鉆屑的方式，多點取樣，將待測樣品制備成粒度不大于5 mm的屑狀樣品。鉆屑后，將樣品自然風干，同時為保證測試效果，樣品重量應大于5 g。
1.4 消解（隨同試樣做試劑空白試驗）
準確稱量0.5 g試樣放入150 mL燒杯中，加入10 mL HNO3（1+1），加蓋表面皿，低溫加熱至樣品不再有明顯反應為止。然后，加入5 mL HCl，再低溫反應15 min，加入10 mL HClO4，繼續加熱至冒高氯酸煙。待樣品中的碳化物分解完全后，取下樣品，冷卻至室溫，吹洗表面皿及杯壁。視樣品中的硅含量滴加少量氫氟酸和水，混合均勻。然后，將樣品置于加熱板上微沸25 min，趕走多余的氫氟酸。取下試樣，冷卻至室溫，轉移，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）釔內標液，分取4 mL原溶液，然后加入5 mL HCl，定容搖勻，制備成溶液待測。
1.6 測定
啟動電感耦合等離子體發射光譜儀及其操作軟件（iTEVA），在正式測試之前點火穩定1 h，按照《ICP-AES靈敏度檢查》操作程序核查儀器的靈敏度狀態（必要時針對待測元素執行自動尋峰等光譜優化操作）。
1.7 ICP-AES儀器工作參數選擇
影響儀器測試穩定性的主要因素有載氣流量、沖洗時間和及泵速。載氣流量影響待測元素的單位強度，沖洗時間和泵速配置直接關系到待測元素記憶效應及測試的穩定性。綜合考慮這些因素，經過反復實驗，我們優化選擇使用的儀器工作參數見表2。
1.8 分析譜線的選擇
選擇無明顯基體元素干擾的分析譜線，并選擇合適的位置除背景。表3為推薦使用的分析譜線（實際測試時應根據元素含量、基體元素等因素選擇靈敏度適當的分析譜線）。
2 實驗結果及分析
2.1 計算
按下列公式計算鎳元素的含量，以質量分數表示：
wNi=×100
其中：CNi為待測溶液中鎳元素的濃度，μg/mL;V為原液的體積，mL;m為稱取試樣的質量，g;K為稀釋倍數。
參考丁二酮肟重量法測鎳（GB/T 223.25—94）的精密度要求，求出4個水平下的重復性和再現性數值。
重復性r：
lgr=1.758 0+0.640 7lgm
再現性R：
lgR=1.566 5+0.689 4lgm
2.2 實驗結果
通過這種方式，我們隨同樣品做了一系列標準物質，測試和計算結果見表4。 監控測試過程中儀器的穩定性，每隔6個樣品測定一次核查點，測試時間跨度為2 h。測定值見表5。
2.3 穩定性分析
通過對表5中的數據分析可知，鎳在濃度為20μg/mL的核查點時，在2 h的測試周期內，其極差最大值為0.069，小于相同鎳水平含量的重復性r（0.119），兩者其比值約0.58，即由儀器不穩定因素帶來的誤差最大約0.6 r。從而可以得出結論：在本方案測試過程中，儀器的穩定性符合測試精密度需求。
2.4 準確度和精密度分析
通過表4中的數據分析可知，在4個鎳含量水平下，2個獨立的測試結果之間的差值均小于重復性限r;測得的平均值與標準值之間的差值均小于再現性限R。從而可以得出結論：在本方案測試過程中，儀器的準確度和精密度符合測試精密度需求。
2.5 與重量法測定鎳元素的比較
2.5.1 適用范圍
重量法：適用于各種碳鋼和合金鋼中鎳含量的測定。
ICP-AES光譜法：除用于各種碳鋼和合金鋼中鎳含量的測定外，還可用于鎳鐵、鎳生鐵中鎳含量的測定，檢測材料范圍更廣。
2.5.2 試劑
重量法：丁二酮肟、乙醇溶液、氨水、酒石酸、硫代硫酸鈉溶液、無水亞硫酸鈉溶液和高氯酸、鹽酸、氫氟酸等試劑。
ICP-AES光譜法：僅需要高氯酸、鹽酸、硝酸、氫氟酸等常用試劑，所用試劑種類更少。
2.5.3 實驗設備
重量法：加熱板、過濾設備、負壓抽濾設備、烘箱。
ICP-AES光譜法：加熱板、分液器具、ICP-AES光譜儀，所用設備種類更少。
2.5.4 雜質元素影響的排除
重量法：若待測樣品中含Cr元素，則需要進行揮鉻步驟處理;若待測樣品中含有Co、Cu、W、Mo等元素，則需要調節相關試劑的用量，而且在測試前，要預測材料的大概組成成分，增加了測試的時間，整個測試周期被拉長。
ICP-AES光譜法：通過分液步驟調節待測溶液的濃度，保持在合適的含量范圍（100μg/mL左右）。再配合基體匹配的手段，可以最大限度地降低雜質元素對目標元素的影響;在保證穩定的前提下，通過選擇合適的分析譜線和積分位置，進一步將雜質元素對測試的影響控制在誤差允許范圍內。該方法測試簡單，試驗周期短，生產效率高。
2.5.5 對實驗人員的要求及影響
重量法：對實驗人員的操作水平要求較高;實驗過程中接觸丁二酮肟、氨水、酒石酸等試劑，用量較大，長時間接觸會對操作人員身體危害較大。
ICP-AES光譜法：僅需使用常規無機酸類試劑，操作簡單，對實驗人員的技術要求不高。測試環節可以采用自動進樣的方式，實現最大限度的人機分離，對人體危害性較小。
2.5.6 實驗周期及經濟成本
重量法：受過濾、抽濾等環節的約束，需要單個進行測試，無法進行大批量樣品的檢測;步驟繁瑣，操作程序復雜，通常需要2～3 d才能完成一批樣品的測試，成本高。
ICP-AES光譜法：在保證儀器穩定性的條件下，可以由自動進樣器完成測試步驟，整個環節可連續進行;步驟簡單，操作容易，通常1 d即可完成一批樣品的測試，能較好地完成批量大、周期短的測試任務，顯著降低了檢測成本。
綜上分析可得，ICP-AES光譜法相比重量法具有明顯的優勢。
3 結語
通過實驗證明：在材料鎳元素含量合適的情況下，可充分利用現代化的儀器測試手段，采用ICP-AES方法測定鎳鐵合金中Ni元素的含量，不僅能簡化實驗步驟，降低檢測成本，而且能夠提高測試效率，是一種環境友好型的測試方法。
參 考 文 獻
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[責任編輯：陳澤琦]
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