化學分析方法測定鈦合金中Zr

孫巧寅

（撫順特殊鋼鐵股份有限公司，遼寧 撫順113006）

1 引言

鈦是一種金屬結構，也是在21 世紀發展迅速的一種材料。由于鈦合金的耐高溫、耐腐蝕、高強度等物理屬性，而被各個行業廣泛使用。在現代材料中，由于各個國家逐漸認識到鈦合金的重要性，不斷地對鈦合金的屬性及用途進行研究，并逐步將其投入實際應用當中，為科技的進步帶來了積極影響，促使生活更加便利。作為Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si 系鈦合金中的合金化元素，鋯（Zr）是鈦合金中較為重要的元素之一，因為其偏中性且在鈦合金中的溶解度高，所以也是最穩定的元素之一。

測定鋯含量的方法很多，如分光光度法、電化學分析法、ICP-AES，原子熒光光譜法以及質譜分析法等。但是由于上述測定鋯含量的方法均經過要多次稀釋試樣，因而產生的誤差較大，且測量結果容易出現不準確的情況。測定鋯含量時，EDTA 容量法和苦杏仁酸重量法相較于以上方法更為精確。本文對這兩種方法進行了簡要地介紹。

EDTA 絡合滴定法是一種容易操作的測定鈦合金中鋯元素的方法，但是由于EDTA 標定物的改變，其分析結果也相差較大，且由于鋯元素本身的水解作用和聚合作用，如果試驗條件不精確，則容易造成EDTA 的消耗和反色現象的出現。相較于苦杏仁酸重量法，EDTA 滴定法的準確度較低。苦杏仁酸重量法雖然有較高的準確度，但是過程煩瑣，不易掌握和操作，且過程中需要消耗多種大量的酸性溶液，其他的試劑一般也有毒或有氣味。因此，相較于EDTA 滴定法，苦杏仁酸重量法的安全性較低，且耗時較長，無法滿足快速分析的要求[1]。

2 EDTA 容量法測定鈦合金中的鋯元素

2.1 試驗目的和使用范圍

EDTA 容量法是一種快速測定的試驗方法，運用此方法測定鈦合金中所含的鋯元素，過程相對比較簡單，容易操作。

2.2 儀器設備

①一支50mL 酸式滴定管；②一個滴定臺和一個滴定管夾；③十支10mL 大肚移液管；④一只200mL 錐形瓶；⑤一只2000mL（或1000mL）或十只300mL 燒杯；⑥一只1000mL 容量瓶；⑦一根玻璃棒；⑧100mL 和5mL 量筒各一個，50mL 量筒兩個；⑨大于1200mL 的搪瓷杯一個；⑩毛刷、吸水管、塑料勺、特種鉛筆；1○一只500mL 塑料洗瓶。

2.3 試驗試劑

①0.1mL/m3乙二胺四乙酸二鈉（即EDTA 二鈉）標準液的配制：使用稱量儀器準確稱取37.266g 固體EDTA 二鈉，用有余溫的無二氧化碳蒸餾水將其溶解，當其全部溶解后，待其溫度降至與室溫平衡，用容量瓶將其定容至1000mL。②鹽酸溶液：配制1.19g/mL 的鹽酸溶液。③固體鹽酸羥胺。④二甲酚橙（0.2%）。⑤鋯的標準溶液（0.5mg/mL）的配制：用蒸餾水溶化適量的硫酸亞鐵，然后加入濃硫酸，待其冷卻后用水稀釋，最后用重鉻酸鉀的標準液標定該液體。

2.4 試驗步驟

2.4.1 試驗準備

首先準備兩份試驗樣品，然后分別稱取0.5g 鋯含量不同的試樣，再準備適量的1：1 鹽酸待用。

2.4.2 試驗方法

①將多份適量的鹽酸（50mL 左右）加入裝有相同重量試樣的錐形瓶中，將錐形瓶放在低溫爐中進行加熱，待其中的試樣完全溶解后，加入200mL 的水繼續加熱至溶液沸騰。②在取出煮沸后的溶液試樣后，立即加入鹽酸羥胺0.5g，再加入0.5mL 0.2%二甲酚橙試液，用EDTA 標準液對該溶液進行試樣滴定，當試液由紅變黃時停止滴定，并記錄EDTA 標準液的消耗量。

上述公式是計算鋯含量的公式，Vc 是滴定的EDTA 標準液的使用量，G 是試驗樣品的重量。

2.5 試驗中的注意事項

①在對樣品進行試驗的過程中，要保證試樣溶解時的溫度為低溫，因為鹽酸容易揮發，所以要定時用水洗杯壁，防止蒸發過多。②滴定前，將試液加熱至沸騰，以便觀察溶液顏色的變化，找到滴定重點。③在試驗過程中需要謹慎和小心，試驗結果應控制在誤差范圍內，嚴格按照實驗室規定進行試驗操作，確保試驗人員和儀器的安全。

2.6 允許差

表1

3 苦杏仁酸重量法測定鈦合金中的鋯元素

3.1 試驗原理

在鹽酸存在的條件下，鋯元素可與苦杏仁酸發生化學反應產生一種白色沉淀，這種沉淀叫做苦杏仁酸鋯沉淀[2]。試液在經過過濾、灼燒等操作后，可得到二氧化鋯。將二氧化鋯進行稱重，然后用焦硫酸鉀熔融后，再運用過氧化氫分光光度法對二氧化鈦的含量進行測定，最后計算出鋯在其中的含量。

3.2 試驗試劑和器材

在試驗開始前，準備鹽酸溶液、硫酸溶液、硝酸溶液、苦杏仁酸溶液、過氧化氫溶液、二氧化鈦標準溶液以及苦杏仁酸洗滌液。在試驗的過程中，需要使用的儀器有：分光光度計、燒杯、坩鍋、濾紙、漏斗、玻璃棒、鐵架臺以及容量瓶等。

3.3 試驗步驟

①首先獲取兩種鋯含量不同的試樣，并將其分別放入兩個燒杯中，向燒杯中加入鹽酸，保持低溫狀態防止鹽酸揮發，對其進行加熱，使試樣完全溶解在溶劑中，然后再向燒杯中緩緩加入水，過濾此時的溶液后，放入另外的兩個燒杯中，最后用鹽酸對燒杯和濾紙進行洗滌防止污染。②加熱約200mL 的濾液至沸騰，然后一邊攪拌，一邊加入步驟一中經過過濾操作后的苦杏仁酸溶液，持續緩慢攪拌至有沉淀物析出，然后放置85℃左右的熱水中保溫40min。③放置較長時間后，用濾紙對沉淀物進行過濾，再使用苦杏仁酸溶液洗滌劑對沉淀物洗滌10 次左右，將沉淀物放入坩鍋中烘干，然后灰化，最后放在高溫爐中加熱至1000℃進行灼燒操作，將沉淀物取出后放置干燥器中，待其冷卻至室溫。④向坩鍋中加入焦硫酸鉀，將坩鍋放置高溫爐中加熱至700℃左右，最終得到熔融物，取出后將該熔融物轉移至燒杯中冷卻，最后加入水[3]。⑤將溶液轉移至容量瓶中冷卻一段時間，然后加入硫酸并且滴入過氧化氫，用水稀釋后搖晃均勻。取出部分溶液后，在吸光池中測量吸光度，查詢得知二氧化鈦的質量為m2。⑥根據公式計算結果：Zr（%）=（m1-m2）×0.7403÷m×100，m1表示二氧化鋯和二氧化鈦的含量，單位為g，m2表示二氧化鈦的質量，單位為g，0.7403 是二氧化鋯轉換成鋯的系數，m 表示試驗樣品的總質量，單位為g。

3.4 允許差

表2

鈦和鋯在多種礦物中共生，且化學性質較為相似，因而對鋯鈦混合物的分離和測定都不容易操作。但是，采取上述方法將鈦和鋯分離成二氧化鈦和二氧化鋯并進行測定，可以有效保證試驗結果的準確度和精密度。

4 結語

近年來，由于鈦合金在各個領域的應用越來越廣泛，促使各個國家的科學工作者對其進行試驗與研究。通過化學分析的方法來測量合金中的元素含量被廣泛地應用，不僅測量結果精密、準確，試驗成本低且容易操作。