MPT-AES測定鎳基合金中的鐵

高輝，鄧秀琴，賀小平

(遼寧石油化工大學 順華能源學院，遼寧 撫順 113001)

鎳基合金中的鐵多從原料中引入，其含量一般小于5%，少數鋼種則要求含鐵量小于1%。在合金中，鐵和鎳形成固溶體，存在少量鐵雖不引起重大組織變化，但使r1相不穩定，如加大量鐵則會出現新相，抑制r1相析出。

對鎳基合金中鐵元素的分析，一般采用化學分析法、分光光度法、原子吸收光譜法、ICP-AES 法［1-2］等，而MPT-AES 法對合金中鐵元素的分析鮮有報道。微波等離子體炬是一種新型的激發光源，由于MPT 結合了ICP 和MIP 的優點，使得MPT-AES 光譜儀的應用范圍得以擴展［3-4］。

本實驗利用MPT-AES 法對不同鋼種中的鐵元素進行測定，方法快速、簡便、準確，精密度良好，具有較強的實用性。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

三氧化二鐵，光譜純;鹽酸、硝酸、硫酸均為分析純;鎳、鉻、鋁、鎢、鈦、鉬、猛、鈮、鈷標準溶液(1 mg/mL);亞沸蒸餾水;氬氣(體積分數99.99%);氧氣(體積分數99.9%)。

510 型微波等離子體炬光譜儀(MPT)。

1.2 鐵標準儲備液配制

稱取三氧化二鐵0.357 4 g 于50 mL 燒杯中，加入40 mL(1 +1)鹽酸，加熱使之溶解，冷卻后移入500 mL 容量瓶中，用水稀釋至刻度，混勻，配成0.5 mg/mL鐵標準儲備液，實驗中所用不同質量濃度的鐵標準溶液均由標準儲備液稀釋得到。

1.3 實驗方法

稱取0.100 g 樣品于燒杯中，加入15 mL 王水，低溫加熱使試樣溶解，加入10 mL 硫酸(1 +1)，繼續加熱至硝酸趕盡，燒杯中出現SO2白煙，取下冷卻，用蒸餾水移至200 mL 容量瓶中，定容備用。

開啟MPT 光譜儀，預熱后點燃微波等離子體炬，打開MPT 光譜儀軟件，啟動自動泵進行自動進樣。儀器工作條件如下:載氣流量1 430.2 mL/min，微波功率80 W，工作氣流量430.2 mL/min，氧屏蔽氣壓力0.1 MPa，采用基體匹配法，測定樣品中鐵元素在相應波長下的發射強度，最后由計算機運行程序給出測定結果［4］。

2 結果與討論

2.1 儀器工作參數

2.1.1 鐵分析譜線用5.0 μg/mL 鐵標準溶液，在一定波長范圍內進行掃描，得到鐵的發射光譜圖。選擇信背比高、背景低、干擾小的譜線259.9 nm 為鐵的分析譜線。

2.1.2 微波前向功率調整微波前向功率，對濃度為5 μg/mL 的鐵標準溶液進行發射強度測量，鐵的發射強度隨著微波前向功率的增加而增強，這是由于微波的能量增加導致了等離子體的激發溫度上升，提高了對樣品的離解能力及激發能力，因此發射強度增加［5］。但微波功率增大到一定程度時，等離子炬將不穩定，當微波功率大于80 W 時，同軸電纜發熱，反射功率增加，微波前向功率的大小對等離子體的形狀也有著明顯的影響。本實驗確定80 W 為測定鐵的微波前向功率。

2.1.3 載氣流量調整載氣流量，測定不同流量下5 μg/mL 鐵標準溶液的發射強度，結果見圖1。

圖1 鐵發射強度隨載氣流量的變化關系Fig.1 The changing relation between iron emission intensity with carrier gas flow rate

由圖1 可知，隨載氣流量的增大，鐵的發射強度增加，當載氣流量1 255 mL/min 時增加趨勢變得緩和，在1 430 mL/min 趨于穩定，之后又有下降的趨勢。原因是載氣流量的大小對進樣量、霧化效率及稀釋因子等起著重要作用，載氣流量過小，則霧化效果較差，樣品霧滴顆粒較大，等離子體能耗較高，信號發射強度小。而載氣流量增加，有助于形成中央通道，樣品在中央的距離延長，表現為發射強度增大［6］。但若載氣流量過大，對等離子體會起到冷卻作用，不利于樣品激發，同時對樣品的稀釋作用也增大，樣品在等離子體中停留時間縮短，信號發射強度減弱［4］。經實驗確定1 430.2 mL/min 為測定鐵的載氣流量。

2.1.4 工作氣流量調整工作氣流量，測定不同流量下5 μg/mL 鐵標準溶液的發射強度，結果見圖2。

圖2 鐵發射強度隨工作氣流量的變化關系Fig.2 The changing relation between iron emission intensity with support gas flow rate

由圖2 可知，當工作氣流量達到430.2 mL/min時，鐵發射強度達到頂峰，而后又表現出減小趨勢。本實驗選430.2 mL/min 為測定鐵最適宜的工作氣流量。

2.1.5 氧屏蔽氣壓力調整氧屏蔽氣的壓力，測定不同壓力下5 μg/mL 鐵標準溶液的發射強度，結果見圖3。

圖3 鐵發射強度隨氧屏蔽氣壓力的變化關系Fig.3 The changing relation between iron emission intensity with oxygen shield gas pressure

由圖3 可知，起初氧屏蔽氣壓力對鐵的發射強度有降低的作用，隨著氧屏蔽氣壓力的增大，發射信號逐漸減小，直至0.10 MPa 時，信號趨于穩定，再增加氧氣流則發射信號又減弱。MPT 光源直接暴露在大氣中，引入O2屏蔽氣可以有效地防止外圍氣體卷入等離子體中，明顯降低了背景光譜中與N 有關的分子帶狀發射，起到了很好的屏蔽作用，使光源的分析性能得以改進。本實驗選擇0.10 MPa 為測定鐵的氧屏蔽氣壓力。

2.2 酸度

在樣品處理環節中，溶液經蒸發冒硫酸煙，定容稀釋后，溶液中鹽酸、硝酸的影響可不予考慮，故本實驗主要考察了硫酸對發射強度的影響。結果表明，硫酸濃度增大，鐵的發射強度隨之急劇上升，而當硫酸濃度在0.15 ～0.50 mol/L 時發射強度基本變化不大。可見在本實驗控制酸度范圍內，硫酸對鐵的測定不會產生干擾。

2.3 共存離子的干擾

考察了鎳基合金中共存離子對鐵的影響。按實驗方法分別對2.00 μg/mL 鐵標準溶液進行測定，當相對誤差為±5%時，Ni2+(500)、Cr3+(500)、Al3+(100)、W6+(80)、Ti4+(50)、Mo6+(50)、Mn2+(20)、Nb5+(20)、Co2+(10)對鐵的測定不產生干擾。對鋼中共存離子含量大于上述范圍的，采用基體匹配的方法，用相同或近似鋼種的標鋼作工作曲線，以消除干擾。

2.4 檢出限、精密度、線性范圍

在實驗條件下，對500 ng/mL 鐵標準溶液平行測定11 次，檢出限(DL)定義為產生3 倍空白標準偏差的信號所對應的待測元素的質量濃度［5］，其計算公式:DL=3S0/S，式中S0為試劑空白測量的標準偏差;S 為標準曲線的斜率。利用儀器自身軟件得到鐵的檢出限和精密度見表1。

表1 鐵的檢出限和精密度Table 1 The detection limit ＆ precision of iron

對系列濃度的鐵標準溶液在確定的實驗條件下測定其發射強度，得到鐵的線性范圍為0.01 ～100 μg/mL。

2.5 樣品分析

按照實驗方法，采用基體匹配法測定試樣，結果見表2。

表2 樣品測定結果(n=11)Table 2 The sample determining result

由表2 可知，本方法分析結果同國標法相符，相對標準偏差＜4%，方法準確、快速、簡便，適用于鎳基合金中鐵元素的分析測定。

3 結論

確定了適宜的儀器工作參數，選擇鐵的分析譜線259. 9 nm，微波前向功率80 W，載氣流量1 430.2 mL/min，工作氣流量430. 2 mL/min，氧屏蔽氣壓力0.10 MPa。考察了酸度和鎳基合金中共存離子的影響，硫酸濃度在0.15 ～0.50 mol/L 范圍內對鐵的測定不會產生干擾，鎳基合金中共存離子的干擾采用基體匹配法消除。方法檢出限18.96 ng/mL，RSD(n =11)為3.65%，測定鐵的線性范圍0. 01 ～100 μg/mL。MPT-AES 法測定結果與國家標準方法測定結果相符合，本方法準確、快速、簡便，可用于測定鎳基合金中鐵元素含量。

［1］ 李佗.電感耦合等離子體-原子發射光譜法測定鎳基高溫合金中的硅、錳、鐵、鉻、鉬、鈷和鎢［J］. 光譜實驗室，2013，30(2):840-842.

［2］ 鄒亞娟，許實. 電感耦合等離子體原子發射光譜法測定鎳基高溫合金中鉻、鈦、鈮、鋁、鐵、硼的含量［J］.理化檢驗:化學分冊，2010(5):491-492，496.

［3］ 韋琳驥，李麗華，張金生，等.微波消解-MPT-AES 法同時測定綠茶中錳、鋅、銅、鐵、鉻、硒［J］. 食品工業科技，2011，32(12):458-461.

［4］ 李麗華，高輝，張金生，等. 微波等離子體炬原子發射光譜法測定鋼中鎳和鉻［J］. 冶金分析，2007，27(6):41-44.

［5］ 王永艷，李麗華，張金生，等. MPT-AES 法測定黃瓜籽油中的Cu 和Fe［J］.遼寧石油化工大學學報，2009，29(3):12-14.

［6］ 李麗華，張麗靜，張金生，等.微波消解-MPT-AES 法測定豆制品中的Cu、Fe、Ni、Cd［J］. 大豆科學，2007，26(2):240-244.

［7］ 冶金工業信息標準研究院. GB/T 223.70—1989 鋼鐵及合金化學分析方法鄰菲啰啉分光光度法測定鐵量［S］.北京:中國標準出版社，2006.