微波消解ICP—AES法檢測(cè)馬氏體時(shí)效鋼18Ni300粉體成分

管曉穎 葉國(guó)晨

摘要：18Ni系馬氏體時(shí)效鋼廣泛應(yīng)用于日常生活、生產(chǎn)及尖端科技等多個(gè)領(lǐng)域.18Ni300作為金屬增材制造技術(shù)（3D打印）中選區(qū)激光熔化技術(shù)（selective 1aser mehing，sIM）的專用馬氏體時(shí)效鋼，已獲得廣泛關(guān)注。18M300中不同元素所起的作用不同，因此對(duì)18Ni300的元素成分測(cè)定尤為關(guān)鍵。該文提供一種快速準(zhǔn)確的微波消解ICP-AES法測(cè)定馬氏體時(shí)效鋼18 Ni300粉體中Ni、Co、Mo、Ti、Al含量的新方法，克服現(xiàn)有國(guó)標(biāo)檢測(cè)的不足。采用鹽酸和硝酸進(jìn)行試樣消解，避免氫氟酸對(duì)儀器的腐蝕與污染，同時(shí)匹配酸度和基體含量，減少測(cè)試過(guò)程中的基體效應(yīng)，采用內(nèi)標(biāo)法對(duì)待測(cè)元素進(jìn)行測(cè)定，加標(biāo)回收率在90%～110%，效果良好。

關(guān)鍵詞：微波消解；ICP-AES；18Ni300；內(nèi)標(biāo)法

0引言

馬氏體時(shí)效鋼是一種高合金超高強(qiáng)度鋼，憑借其優(yōu)良的工藝性能和使用性能，已被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、生活或尖端科技等各個(gè)領(lǐng)域。包括18Ni、20Ni和25Ni 3個(gè)典型系列，其中以18Ni系制造最為容易且應(yīng)用最為廣泛。隨著3D打印技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的迅速發(fā)展，18Ni300作為金屬增材制造技術(shù)中選區(qū)激光熔化技術(shù)（selective laser melting，SIN）的專用馬氏體時(shí)效鋼，具有強(qiáng)度高、焊接性好、韌性以及冷熱加q-，性好等特點(diǎn)，現(xiàn)獲得廣泛關(guān)注。

馬氏體時(shí)效鋼是通過(guò)在Fe-Ni合金中添加Co、Mo、Ti、Al等強(qiáng)化元素而形成的合金鋼材料，屈服強(qiáng)度主要靠鈦含量進(jìn)行調(diào)整，表1為18Ni300的額定成分。其合金元素大體分為3類：平衡組織和控制8一鐵素體出現(xiàn)的元素，如Ni、Co、Mn等；形成彌散強(qiáng)化相的元素，如Mo、Ti等；與抗腐蝕性能有關(guān)的元素，如鉻等。不同元素所起到的作用不同，因此對(duì)18Ni300粉末的元素成分測(cè)定尤為關(guān)鍵。

微波消解具有消解完全、消解時(shí)間短、節(jié)省試劑用量等特點(diǎn)：ICP-AES光譜法是以電感耦合等離子體為發(fā)射光源的光譜分析方法，電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法（ICP-AES）因檢出限低、靈敏度高、精密度高以及多元素同時(shí)測(cè)定等優(yōu)點(diǎn)，已得到廣泛應(yīng)用。現(xiàn)有的國(guó)標(biāo)中尚無(wú)符合18Ni300成分的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，本文應(yīng)用ICP-AES法對(duì)18Ni300粉體材料中Ni、Co、Mo、Ti、Al等元素的方法進(jìn)行了探討，結(jié)果滿意。

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1儀器與試劑

電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀：美國(guó)利曼公司PRODIGY 7。

儀器最佳工作條件：射頻功率為1.1 kW；冷卻氣流量14 L/min、輔助氣流量0.1 L/min；霧化氣壓力為45 psi（1 psi=6 894.76 Pa）；觀測(cè)方式為垂直觀測(cè)；樣品提升速率為1.4mL/min；積分延遲時(shí)間為35 s；積分時(shí)間為30 s；積分次數(shù)為2次。

微波消解儀：美國(guó)CEM公司MARS6。功率：800W；溫度：190℃；保溫時(shí)間：20min。

鹽酸、硝酸、氫氟酸均為優(yōu)級(jí)純，試驗(yàn)用水為去離子水。鐵、鎳、鈷、鉬、鈦、鋁標(biāo)準(zhǔn)溶液：1000μg/nm（國(guó)家有色金屬及電子材料分析測(cè)試中心），標(biāo)準(zhǔn)系列由各母液逐級(jí)稀釋而成。

1.2樣品前處理

準(zhǔn)確稱取0.1 g試樣，置于微波消解內(nèi)罐中，加入6 mL HC1、2 mL HN03，放置至反應(yīng)不劇烈后蓋上罐蓋，置于微波消解儀中，按照1.1設(shè)定的條件進(jìn)行消解，待消解結(jié)束后，置于趕酸板加熱至溶液冒煙結(jié)束后，取出冷卻，用約20mL去離子水沖洗罐壁，再置于趕酸板上加熱，重新溶解罐底部的固體，取出待其冷卻后，用去離子水沖洗內(nèi)罐，移入100mL容量瓶中，定容、搖勻、靜止。再用移液管吸取10mL于100 mL容量瓶中，用去離子水稀釋定容、搖勻、靜止，待測(cè)。同時(shí)按同樣實(shí)驗(yàn)步驟做好平行樣品及空白樣品。

2結(jié)果與討論

2.1酸度實(shí)驗(yàn)

樣品溶液中的所含酸的濃度會(huì)影響溶液的密度、黏度和表面張力，進(jìn)而影響溶液的霧化率及分析物溶液的提升率及譜線強(qiáng)度。本文采用鹽酸和硝酸介質(zhì)，以去離子水為低標(biāo)，以配制的Ni、Co、Mo，Ti、A1混合標(biāo)準(zhǔn)溶液為高標(biāo)，另在數(shù)份含相同成分的合成混合標(biāo)準(zhǔn)溶液中分別加入不同量的鹽酸和硝酸，在儀器選定的條件下對(duì)Ni、Co、Mo、Ti、A1元素進(jìn)行酸度影響試驗(yàn)。其元素譜線強(qiáng)度結(jié)果如表2和圖1所示。

從圖1可看出，隨著鹽酸和硝酸加入量的增大，5種元素強(qiáng)度值均緩慢減小。因此為使測(cè)量盡可能精確，在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中需嚴(yán)格控制酸的用量，使標(biāo)準(zhǔn)溶液和試樣溶液中酸的濃度基本保持一致。

2.2基體匹配實(shí)驗(yàn)

基體成分的變化影響分析元素的激發(fā)過(guò)程，從而影響其信號(hào)輸出，克服基體效應(yīng)最有效的辦法就是使標(biāo)準(zhǔn)溶液與試樣溶液進(jìn)行基體匹配。

取不同量的Fe標(biāo)液數(shù)份作為底液，按18Ni300成分比例分別加入幾種待測(cè)元素，以含6.72 mg Fe底液的待測(cè)元素溶液為高標(biāo)，以不含F(xiàn)e的空白實(shí)驗(yàn)溶液為低標(biāo)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表3。從表中數(shù)據(jù)可以看出，隨著基體成分Fe的增加，分析元素測(cè)定的信號(hào)強(qiáng)度也隨之降低。因此為精確實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中要盡可能將標(biāo)準(zhǔn)溶液和待測(cè)溶液進(jìn)行基體匹配，即根據(jù)待測(cè)樣品主元素的含量，在配制的系列標(biāo)準(zhǔn)溶液中加入與待測(cè)樣品主元素含量基本一致的主元素標(biāo)準(zhǔn)溶液。

2.3內(nèi)標(biāo)法及內(nèi)標(biāo)元素的選擇實(shí)驗(yàn)

樣品中發(fā)生的一切改變?cè)趦?nèi)標(biāo)中同樣存在，試驗(yàn)樣品與內(nèi)標(biāo)在樣品引入或等離子體中所發(fā)生的變化是一致的。在測(cè)量過(guò)程中內(nèi)標(biāo)信號(hào)增加或降低的系數(shù)與樣品中待測(cè)元素相同。內(nèi)標(biāo)元素與被測(cè)元素的比值關(guān)系是相對(duì)不變的，通過(guò)計(jì)算兩者強(qiáng)度的比值，來(lái)校正測(cè)量數(shù)值的增加或降低。內(nèi)標(biāo)元素一般選擇化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、不受光譜干擾、不對(duì)其他分析元素產(chǎn)生光譜干擾，且在標(biāo)準(zhǔn)、空白及樣品中不存在的元素。本文分別選擇釔（Y）和鈧（Sc）為內(nèi)標(biāo)元素，與未加內(nèi)標(biāo)元素做對(duì)比。結(jié)果如表4所示，采用內(nèi)標(biāo)法，測(cè)得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果更接近于標(biāo)準(zhǔn)值，且實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定性更好，RsD（相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差）值更小，綜合比較，選擇釔（Y）作為內(nèi)標(biāo)元素。

2.4方法檢出限及精密度

采用貝塞爾公式法，連續(xù)測(cè)定空白溶液12次，以其3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差所對(duì)應(yīng)的濃度值計(jì)算各個(gè)元素的檢出限。

將處理好的待測(cè)樣品溶液進(jìn)行測(cè)試，獨(dú)立測(cè)定10次，計(jì)算各元素測(cè)定結(jié)果的平均值和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差，并與額定值對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

結(jié)果表明，通過(guò)ICP-AES測(cè)定18Ni300中Ni、co、Mo、Ti、A1等元素，選擇釔（Y）作為內(nèi)標(biāo)元素均可較好地控制由于儀器工作條件和霧化效率等發(fā)生變化而造成的非光譜干擾，有效地消除基體效應(yīng)影響，元素檢出限低，測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確度高，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小。

2.5加標(biāo)回收試驗(yàn)驗(yàn)證

在測(cè)試樣品中加入標(biāo)準(zhǔn)溶液，進(jìn)行加標(biāo)回收試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6，各個(gè)元素回收率在90%～110%之間，表明該方法準(zhǔn)確可靠。

3結(jié)束語(yǔ)

本文使用微波消解處理樣品，樣品消解完全、消解時(shí)間短，節(jié)省消解試劑用量，與常規(guī)的加熱板加熱消解試樣相比，具有更大的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)試樣溶液和標(biāo)準(zhǔn)溶液的酸度和基體匹配，減少了測(cè)試過(guò)程中的基體效應(yīng)，增加了檢測(cè)的可靠性，采用內(nèi)標(biāo)法較好的控制由于儀器工作條件和霧化效率等發(fā)生變化而造成的非光譜干擾，通過(guò)加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了該實(shí)驗(yàn)方法的準(zhǔn)確度，彌補(bǔ)了現(xiàn)有國(guó)標(biāo)檢測(cè)的不足。