快速測定鈮鐵合金中鈮的最新方法
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作者：張文
鈮鐵是一種中間合金，是鋼鐵和合金中鈮的添加劑。不銹鋼，耐熱鋼等加入鈮可以提高鋼的可塑性和抗蝕性；結(jié)構(gòu)鋼中添加鈮可改善焊接性能并提高強度、可塑性和防止焊縫腐蝕等。鈮鐵根據(jù)鈮含量分為FeNb50、FeNb60、FeNb70、FeNb80等多種基體構(gòu)成的合金產(chǎn)品。過去測定鈮鐵中基體元素鈮主要采用紙上色層分離重量法，該方法操作復(fù)雜，檢驗周期長達24 h，而且大量使用毒害性較強的有機試劑。近年來采用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法(ICP-AES)測定鈮鐵合金中鈦、鋁、鉭等雜質(zhì)元素以及鈮基體元素的文獻報道陸續(xù)增多。
通常ICP-AES測定高含量元素多采用內(nèi)標(biāo)校正方式，但是優(yōu)選光譜特性與待測分析線基本一致的內(nèi)標(biāo)元素及內(nèi)標(biāo)線需要大量試驗，人工加內(nèi)標(biāo)操作繁瑣，校準(zhǔn)曲線溶液系列與樣品溶液加入內(nèi)標(biāo)稍有差異反而影響結(jié)果正確度；采用在線內(nèi)標(biāo)法則需要專門內(nèi)標(biāo)混合器。因此，本實驗未應(yīng)用常規(guī)的內(nèi)標(biāo)校正方式，采取優(yōu)化樣品稀釋比例、選擇適宜靈敏度分析譜線及其檢測積分與背景校正區(qū)域，優(yōu)化儀器工作條件等措施，將鈮元素的檢測信號強度調(diào)控在適宜水平，同時校準(zhǔn)曲線設(shè)置更多校正點和以多條分析譜線平均值作為檢測結(jié)果，確保方法具有良好線性關(guān)系和檢測精密度，可滿足測定鈮鐵中質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%—80%基體元素鈮的需要，同時樣品中共存的鉭、硅、鋁、鈦、鐵等對測定不產(chǎn)生干擾。
1 實驗部分
1.1 主要儀器及工作條件
iCAP6300型電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀（美國賽默飛世爾公司）：耐氫氟酸進樣系統(tǒng)。儀器最佳工作條件見表1。
1.2 主要試劑
鈮標(biāo)準(zhǔn)儲備溶液：2 mg／mL，準(zhǔn)確稱取1.403 5 g五氧化二鈮(W(Nb2()5)≥99. 999%，105℃灼燒th后置于干燥器中冷卻至室溫）于鉑金坩堝中，加入20ml)氫氟酸，緩慢加熱至溶解完全，冷卻后加入40mL硫酸，蒸發(fā)至冒三氧化硫白煙，冷卻后以水稀釋至500 ml_容量瓶；鐵標(biāo)準(zhǔn)儲備溶液：1 mg／ml．，準(zhǔn)確稱取0. 500 0 g純鐵粉(w(Fe)≥99. 99%)于錐形瓶中，以約15 mL水沖洗瓶壁并且加入10 mL硝酸加熱至溶解完全，冷卻，定容至500 mL容量瓶，搖勻。
氫氟酸、硝酸、硫酸為優(yōu)級純；實驗用水為二次蒸餾水。
1.3 實驗方法
稱取o．1 g（精確到0. 0001g）鈮鐵樣品于聚四氟乙烯燒杯中，加入2 mL氫氟酸，加熱至反應(yīng)無氣泡產(chǎn)生，約10 mL水沖洗杯壁，然后加入5 mL硝酸，加熱至樣品消解完全，繼續(xù)煮沸5min，冷卻至室溫后轉(zhuǎn)移到500 ml.容量瓶中，定容，搖勻，待測。
2 結(jié)果與討論
2.1消解試劑
鈮鐵合金中的基體元素鈮以及共存雜質(zhì)硅、鉭、鈦等均較難消解，尤其鈮、鉭、鈦必須維持在較高酸度介質(zhì)中以避免其水解。試驗采用氫氟酸和硝酸消解樣品，不僅反應(yīng)快速完全，同時將硅雜質(zhì)以四氟化硅的形式揮發(fā)除去。溶液直接用水稀釋后，使用配置耐氫氟酸進樣系統(tǒng)的ICP光譜儀進行測定。方法操作簡單快捷，通過依靠溶液中殘留氟離子的絡(luò)合穩(wěn)定作用，確�？偹岫仍谛∮�2% cv／v)的低酸介質(zhì)中鈮、鉭、鈦等易水解元素均能以離子形態(tài)穩(wěn)定存在于溶液中，從而避免了采用高沸點酸驅(qū)趕氫氟酸所導(dǎo)致分析流程延長、操作繁瑣以及需要補充大量酸克服水解反應(yīng)等缺點，或者以硼酸等絡(luò)合氫氟酸而導(dǎo)致試液鹽類濃度增大等缺點。
2.2 光譜干擾試驗和分析譜線選擇
鈮鐵合金產(chǎn)品種類牌號多，組成復(fù)雜變化大，除了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%～80%的基體元素鈮以外，還含有大量基體元素鐵以及硅、鈦、鉭、鋁等共存雜質(zhì)。因此，進行了基體鐵和雜質(zhì)組分對測定鈮元素的光譜干擾影響試驗，根據(jù)試驗結(jié)果選擇靈敏度適宜的分析譜線以調(diào)控高濃度鈮元素的檢測信號強度至適中水平，并且避免鐵基體以及雜質(zhì)組分對測定的影響。
結(jié)果表明：在常用的鈮元素分析譜線Nb269. 706 nm( 125)、Nb 292. 781 nm( 115)、Nb309. 418 nm( 109)、Nb 313. 079 nm( 108)、Nb316. 340 nm( 106)、Nb 319. 498 nm( 106)、Nb322. 548 nm(115)和Nb 322. 548 nm(105)的掃描窗口內(nèi)，由質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2%的主要共存雜質(zhì)硅、鉭、鎢、鈦、鋁、錳以及質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的鐵基體組成的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，在鈮分析線檢測積分和背景校正區(qū)域均不產(chǎn)生譜峰，其信號掃描線為一條平直信號基線，強度與試劑空白基本一致，表明基體鐵以及共存雜質(zhì)組分對鈮元素的測定不產(chǎn)生光譜干擾，如圖1和圖2所示。試驗結(jié)合高濃度鈮檢測對譜線靈敏度的要求選擇了鈮分析譜線及其背景校正和檢測區(qū)域，如表2所示。實際分析時可采用表2所列5條譜線中任一條作為測定鈮鐵中鈮的分析譜線，也可采用5條譜線測定結(jié)果的平均值作為檢測結(jié)果。
2.3線性范圍和相關(guān)系數(shù)
實驗方法采用基體匹配法消除鈮鐵樣品基體效應(yīng)的影響，以2 mg／mL鈮標(biāo)準(zhǔn)儲備溶液和1 mg/mL鐵標(biāo)準(zhǔn)儲備溶液配制鐵基匹配的校準(zhǔn)曲線系列標(biāo)準(zhǔn)溶液，該系列標(biāo)準(zhǔn)溶液中鈮量相當(dāng)于樣品中鈮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50. 00%. 52. 00%. 55. 00%. 58. 00%.60. 00% .62. 00% .64. 00% .66. 00%.68. 00% .70. 00%、72. 00%、74. 00%.76. 00%.78. 00 %.80. 00%，鐵量相當(dāng)于樣品中鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%.48%.45~6.42%.40%、38%、36%、34%、32%、30%、28%、26%、24%、22%、20%。按照儀器工作條件對上述系列標(biāo)準(zhǔn)溶液進行測定，校準(zhǔn)曲線線性方程及相關(guān)系數(shù)見表3。方法能夠滿足測定鈮鐵合金樣品中質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%～80%鈮的需要。
2.4精密度試驗
按照實驗方法對2個鈮鐵標(biāo)準(zhǔn)樣品中鈮含量進行8次平行測定，并計算標(biāo)準(zhǔn)偏差(SD)和相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)，結(jié)果見表4
3樣品分析
按照實驗方法測定6個鈮鐵合金標(biāo)準(zhǔn)樣品中鈮的含量，結(jié)果與認(rèn)定值一致，結(jié)果見表5。
任選2個鈮鐵樣品，采用實驗方法和GB/T3654. 1-2007《紙上色層分離重量法》分別進行鈮含量測定，實驗方法測定結(jié)果與重量法的基本一致，結(jié)果見表6。
4摘要：
鈮鐵樣品以氫氟酸和硝酸消解，直接在氫氟酸介質(zhì)中使用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法(ICP-AES)測定鈮含量。試驗考察了共存基體元素鐵以及常量雜質(zhì)硅、鈦、鋁、鉭等對測定的基體效應(yīng)、光譜干擾以及背景噪聲等因素的影響。通過采取優(yōu)化樣品稀釋比例、選擇適宜靈敏度分析譜線及其檢測積分與背景校正區(qū)域，優(yōu)化儀器工作條件等措施，將鈮元素的檢測信號強度調(diào)控在適宜水平，以確保方法具有良好線性范圍以及精密度和正確度水平。試驗采用基體匹配法繪制校準(zhǔn)曲線，并進行同步背景校正，檢驗周期僅需10～15 min。結(jié)果表明：在鈮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%～80%范圍內(nèi)，校準(zhǔn)曲線線性相關(guān)系數(shù)r>0. 999 5。按照實驗方法進行測定，實際鈮鐵合金樣品測定結(jié)果的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD，n=8）不大于0.2%；鈮鐵標(biāo)準(zhǔn)樣品的測定結(jié)果與認(rèn)定值一致；實際鈮鐵合金產(chǎn)品的測試結(jié)果與紙上色層分離重量法的測試結(jié)果也一致。
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