超高锰钢中铬、铜、镍、锰、磷、硅含量的ICP―OES法研究

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【摘要】超高锰钢样品用硝酸（1∶3）溶解，利用同一个工作曲线，称取与工作曲线一致的称样量测定超高锰钢中的铬、铜、镍、磷、硅五元素，减少试样称样量测定其中的锰元素，试验研究了各元素的工作条件和测定锰元素时的称样量，通过与湿法分析对比，验证了本方法的准确度。

【关键词】电感耦合等离子体发射光谱仪 超高锰钢 铬 铜 镍 磷 硅

高锰钢是一类高锰奥氏体铸钢，它在强力冲击载荷下发生冷作硬化，具有高抗冲击磨损性能，用于制作各式碎石机的衬板、腭板、挖掘机斗齿、坦克履带板等。而超高锰钢的性能则更好，分析其中的铬、铜、镍、锰、磷、硅元素含量则显得很重要。超高锰钢中锰元素含量较高，传统的湿法分析所用试剂多，周期长。目前还未见有用icp-oes法测试超高锰钢中各元素含量的报道。我们实验室经过大量的实验研究，用高锰钢标准样品做工作曲线，含量较低的铬、镍、磷、硅、铜元素，称取与工作曲线一致的称样量在ICP-OES上测定；减少试样称样量在同一个工作曲线上测定WMn>15%锰元素含量。通过实验确定了各元素工作条件和锰元素的最佳试样称取量。该方法在应用中取得了满意的效果。

1 试验部分

1.1 仪器与试剂

（1）电子天平：型号 先行者CP114；

（2）光电藕合等离子体发射光谱仪：型号 Varian-OES 725；

（3）优普系列超纯水机：型号 UPH―

I―20T；

（4）硝酸（HNO3）分析纯；

（5）硝酸（HNO3）分析纯：1+3。

1.2 仪器工作条件

功率：1.10KW；等离子气流量：15.0L/ min；辅助气流量：1.50L/min；雾化器压力：200KPa；观测高度：10mm；读数时间：2.00s/次；读数次数：3次；

各元素分析谱线波长（n m）：C r 267.716，Cu 327.395，Mn 257.610，Ni 231.604，P 178.222，Si 251.611。

1.3 试验方法

（1）称取0.1000g试样与100mL容量瓶中，加入10mL分析纯硝酸（1+3），放在低温电炉上加热溶解试样，煮到冒大气泡，取下，冷却后，定容到刻度，摇匀后测定铬、镍、磷、硅、铜元素含量。

（2）称取0.0800g试样与100mL容量瓶中，加入10mL分析纯硝酸（1+3），放在低温电炉上加热溶解试样，煮到冒大气泡，取下，冷却后，定容到刻度测定锰元素含量。

2 结果与讨论

2.1 样品制备条件选择

2.1.1 测定铬、镍、磷、硅、铜元素样品制备条件

根据我们对ICP-OES的操作实践，已经总结出了很多相关经验，根据总结的经验，选择称取0.1000g样品，用分析纯硝酸（1+3）10mL溶解样品，定容到100mL的容量瓶中，发现铬、镍、磷、硅、铜元素的灵敏度、准确度和工作曲线都取得了令人满意的结果。

2.1.2测定锰元素的样品制备条件

由于超高锰钢中锰元素含量较高，超出工作曲线中锰元素的测定上限，因此在实验时我们减少样品的称样量，经过试验研究发现，工作曲线上的标准样品称取0.1000g，试样分别称取0.0500g、0.0600g、0.0700g、0.0800g，均用分析纯硝酸（1+3）10mL溶解样品，在电感耦合等离子体上测定发现，试样称取0.0800g时测得的分析结果与湿法分析结果最接近，误差最小。因此在测定试样中锰元素时称量0.0800g。

2.2 仪器工作条件选择[1-3]

化学分析准确度的大小与条件的选择密切相关，条件选择得当，分析结果就会十分准确。在ICP发射光谱中，有几个主要分析参数影响分析性能，它们主要是：高频功率、雾化器压力、观测高度、读数时间、各元素分析谱线波长等，直接影响元素分析的准确度和精密度。在以下的内容中将一一对这些方面进行讨论。

2.2.1分析谱线的选择

分析谱线选择经过查阅谱线图选择拟用谱线，再在实际工作条件下进行测量，抓住元素的谱峰图，通过对谱峰图的观察，分析判断，除去实际干扰较大的谱线，选择没有干扰或干扰一致、强度相对适中的谱线作为分析用谱线。分析谱线的选择结果见表1。

2.2.2基体和共存元素干扰的消除

在此试验中，由于基体是铁元素，为了消除基体的影响，用加入基准纯铁制备的空白液与不加基准纯铁制备的空白液进行对比实验，实验结果表明，它主要干扰锰和铜的测定，因此必须消除铁基体的干扰。我们采用选择与待测样品含量相近的标准钢样来绘制工作曲线，以消除基体的干扰。对于共存元素的干扰，有表一可以看出，在选用的分析波长条件下，含量较高的锰和铬元素不干扰其余元素的的测定。超高锰钢中Mo、W、Co、As含量几乎没有，因此不会对铬、镍、磷元素的测定造成干扰。超高锰钢中镍含量很低，经过试验确定，在P、Si选用的分析谱线处不会对其的测定造成干扰。

2.2.3仪器分析条件的选择

对等离子体高频功率、雾化器压力、观测高度、读数时间进行了优化选择。

（1）等离子体高频功率的选择

等离子体的高频功率发生变化时，各元素的信背比也发生不同程度的变化，对不同元素及其不同谱线其影响不同。在等离子气流量15.0L/min；辅助气流量1.50L/min；雾化器压力200KPa；观测高度10mm；读数时间2s/次；仪器稳定时间10s/次的条件下，对等离子体高频功率进行优化选择。随着高频功率的增加，各元素的信背比呈递减趋势，我们综合考虑信背比和发射强度，选择功率1.10KW作为分析条件。

（2）雾化器压力的选择

雾化器压力决定分析液体的雾化效果，决定进入等离子体―燃烧炬管样品的数量和均匀性，对分析结果有直接的影响。通过实验对雾化器压力进行优化选择。

在雾化器压力为200 KPa时各元素信背比最好，均达到最大值，因此选择压力200KPa作为分析条件。

（3）观测高度选择

观测高度是指从感应圈上端到测定轴为止的距离。等离子体光源由真空区、燃烧区、尾焰区组成。采光区域必须选定在燃烧区内，才能保证元素产生的最强发射光谱进入检测器。在等离子体功率1.10KW、等离子气流量15.0L/min；辅助气流量1.50L/min；雾化器压力200KPa；读数时间2s/次；仪器稳定时间10s/次的条件下，通过实验对观测高度进行优化选择，由实验得出，观测高度为10mm时适合各元素的分析。

（4）读数时间选择

原则上低含量元素分析选择分析时间相对较长2～4s，高含量元素分析选择分析时间相对较短1～3s。在等离子体功率1.10KW、等离子气流量15.0L/min；辅助气流量1.50L/min；雾化器压力200 KPa；观测高度10mm；仪器稳定时间10s/次的条件下，通过实验对读数时间进行优化选择。由实验得出，读数时间的长短对其信背比影响不是很大，为了仪器的使用寿命和节约资源，我们选择2s为读数时间。

2.3 工作曲线的绘制

选取有含量梯度的高锰钢标样，称取0.1000g该标准钢样，放入100mL的容量瓶中，加入10mL分析纯硝酸（1+3）溶解后，冷却后定容到刻度。在光电藕和等离子体发射光谱仪测定，绘制校正曲线。各元素线性方程和相关系数见表2。

2.4 准确度实验

选取合适的标准样品对各元素进行准确度试验，试验结果如下表3。

2.5 精密度实验

使用本文建立的方法，选取含量合适的标样钢样，做精密度试验，计算各元素的相对标准偏差（表4）。

3 结束语

经过查阅资料和大量的实验研究，我们最终确定了超高锰钢中Cr、Cu、Mn、Ni、P、Si等元素的测定。本方法具有快速、灵活、方便的特点，既可省人力，又可节约试剂，简化了操作步骤，具有很强的适用性。

参考文献

[1] R K Winge.电感耦合等离子体发射光谱图册[M].钱国贤，等译.北京：中国光学会光谱学会，1986

[2] M Thompson ，J N Walsh..ICP 光谱分析指南[M].符斌译.北京：冶金工业出版社，1991

[3] 辛仁轩.等离子体发射光谱分析[M].北京：化学工业出版社，2000

作者简介

王翠翠（1982―），女，河南人，工程师，主要从事钢铁化学分析工作。