铝铜中间合金（AlCu50）检测技术研究

贾旭 杨雷 董清芝

摘 要：笔者采用电感耦合等离子光谱法对铝-铜中间合金（AlCu50）中的三种微量元素Si、Fe、Zn的测定方法进行研究。从元素分析线的选择以及溶样方法优化两个方面进行研究，通过标准加入法去除基体中铝和铜的干扰，研究试剂中硝酸钠盐对检测结果的影響。试验结果表明：Si、Fe、Zn三种元素的加标回收率为95%～105%，相对标准偏差RSD≤3%，满足检测的精密度和准确度要求。

关键词：电感耦合等离子光谱法;铝铜中间合金;标准加入法

中图分类号：TG146.2+1     文献标志码：A    文章编号：1003-5168（2022）10-0088-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.10.020

Study on the Detection Technology of AlCu50

JIA Xu1    YANG Lei2    DONG Qingzhi3

（1.Aerospace of  Life-Saving Equipment Co.， Ltd.， Xiangyang  441002，China;2.Xiangyang Vocational and Technical College，Xiangyang  441002，China;3.Henan Innovation Science and Technology Magazine，

Zhengzhou 450000，China）

Abstract： The determination of three trace elements Si， Fe and Zn in Al-Cu intermediate alloy （AlCu50） was studied by inductively coupled plasma spectroscopy. In this method， the selection of elemental analysis line and the optimization of dissolution method were studied. The interference of aluminum and copper in the matrix and sodium nitrate in the reagent for the test results were removed by standard addition method. The results show that the recoveries of Si， Fe and Zn are in the range of 95% ～ 105%， and the relative standard deviation （RSD） is less than 3%， which meets the requirements of precision and accuracy.

Keywords： Inductively Coupled Plasma Spectrometry;Al-Cu intermediate alloy;standard addition method

0 引言

铝及铝合金在兵器工业中有着重要的用途，为了控制和改善铝合金的组织和性能，必须加入一定量的铝铜中间合金才能使铝及铝合金的机械性能、化学成分及切削性能达到产品的要求。铝铜中间合金的化学成分符合标准是产品质量控制与保证的重要前提。因此，对其化学成分进行分析具有重要意义[1]。铝铜中间合金中的AlCu50可用于熔炼硬铝、锻铝和超硬铝合金，应用中间合金进行熔炼需要准确获得铝合金所需的化学成分，解决高熔点元素加入困难的问题，克服不同比重造成的不均匀性，净化合金，减少烧损，保证质量[2]。AlCu50中规定的成分含量如表1[3]。

铝铜中间合金常采用分光光度法或容量法进行检测，过程复杂，且每个元素须单独测定，消耗时间长。而电感耦合等离子体发射光谱法具有检出限低、精密度好、可多元素同时测定、分析速度快等特点，已广泛应用于日常分析中[4]。铝铜中间合金中Si、Fe、Zn采用常规的酸溶法，无法实现同时检测。因为硅与铝几乎不形成任何化合物，它在材料中存在的形式主要是以单质硅或初晶硅与Al-Si二元共晶体状态存在。在用盐酸和硝酸溶解样品时，硅主要以固溶体单质硅的形式存在于溶液中，而不是以化合物的形式存在。若要使单质硅转化成化合物，只能用强碱溶解，再加以H2O2的氧化作用，可以有效地使各种相态的硅都有效地转化为硅酸盐[4]。酸溶试样易造成Si检测结果偏低，而酸溶对Fe和Zn的检测结果影响不大。为了保证试样中的Si、Fe、Zn完全溶解且可以达到同时测定的目的，选择先加入质量浓度为200 mg·L-1的NaOH溶液，再加热使试样充分反应，随后加入几滴过氧化氢，反应完全后，加热煮沸，使多余的过氧化氢分解，然后用1+1 HNO3进行酸化，使试样溶解完全。同时鉴于AlCu50无合适的标准物质进行基体匹配，无法确定主量元素Al和Cu是否对测定元素Si、Fe、Zn具有光谱干扰，同时所采用的碱溶酸化的溶样方法使溶液中存在大量的钠盐，导致无法预见试剂对检测结果的影响，因此，选用标准加入法即标准增量法或直线外推法，来保证溶液中的试剂和基体物质Al和Cu的含量一致，从而有效地去除溶液中基体的干扰。另外，对于低含量的样品，标准加入法可以改善测定准确度[5]。采用电解耦合等离子光谱法对试样AlCu50进行分析，精密度RSD≤3%，加标回收率为95%～105%，满足检测的精密度和准确度要求。

1 试验部分

1.1 主要仪器以及试剂

1.1.1 主要仪器。ICAP 6300电感耦合等离子光谱仪（Thermo scientific公司），须采用耐高盐进样系统;APRE465封闭电炉（天津拓至明实验仪器技术开发有限公司）;ULUP系列超纯水机（四川杜伯特科技有限公司）。

1.1.2 試剂。标准系列标液：硅标准溶液500 µg ·mL-1，铁、锌标准溶液均为1 000 µg·mL-1（钢铁研究总院）;氢氧化钠、硝酸、过氧化氢均为优级纯;200 mg·L-1氢氧化钠溶液;1+1 HNO3;冷却气体为高纯氩，纯度为99.999%。

试验过程中使用玻璃器皿以及聚四氟乙烯塑料烧杯均须用1%的盐酸浸泡24 h，然后用自来水洗净后，用二级水冲洗干净，备用。

1.2 仪器工作条件

高频发生器功率为1 150 kW，垂直矩管，雾化气流量为0.7 L·min-1，辅助气流量为0.5 L ·min-1，垂直观察高度为12 mm，泵的流速为50 r ·min-1，冲洗时间为30 s，读数3次，短波积分时间为15 s，长波积分时间为5 s。

1.3 试验方法

准确称取8份同批次试样 0.100 0 g（精确到0.000 1），放到聚四氟乙烯烧杯中，加入10 mL质量浓度200 mg·L-1的氢氧化钠溶液，将烧杯放置到封闭电炉上加热，使其充分溶解，然后取下冷却，在烧杯中加入几滴过氧化氢，反应完全后，加热煮沸，使多余的过氧化氢分解，再加入20 mL1+1 HNO3 ，加热使试样溶解完全，取下冷却至室温，倒入100 mL的聚四氟乙烯容量瓶中。

1.4 标准加入法标准曲线的建立

向放入4份同炉批次试样的容量瓶中依次加入硅、锌、铁标准溶液（逐级稀释），配制成系列标准溶液，然后加入去离子水定容到刻度，摇匀。其余4份同理加入标准溶液。

2 结果与讨论

2.1 元素分析线的选择

电感耦合等离子光谱仪的最佳工作条件见1.2，运行系列标准溶液STD1、STD2、STD3、STD4，分别在以Si、Fe、Zn分析线为中心的附近0.067 nm范围内进行光谱扫描，对其分析谱图进行叠加，分析其分析线是否存在光谱干扰，Si、Fe、Zn这三种元素常用的分析线见表2。

从图1中可以看出，Si两条分析线288.158 nm、251.611 nm均无明显的光谱干扰，但是相对而言，Si 251.611 nm比 288.158 nm的信背比低，信背比低可以得到较低的检出限，AlCu50中Si的含量属于微量范畴，应该选择信背比低的分析线Si 251.611 nm。从图2中可以看出，Fe分析线239.562 nm的左侧239.541 nm处有一处光谱干扰。从图3中可以看出，Zn分析线213.856 nm处有一个属于背景干扰中典型的斜坡的光谱干扰，主要是受到Cu分析线213.853 nm的干扰。而分析线Si 251.611 nm、Fe 259.940 nm、Zn 206.200 nm的波峰的谱图波形简单、平滑，无明显的背景干扰和其他元素干扰。从分析线的谱图叠加上可以看出，STD1、STD2、STD3、STD4谱线的背景完全重合，可以看出标准加入法能有效去除溶液中的试剂钠盐和基体物质Al和Cu的干扰。

2.2 标准曲线的建立

样品的处理过程依照1.3，然后根据1.4来配制一系列标准溶液，在1.2阐述的仪器最佳工作条件下运行系列标准溶液STD1、STD2、STD3、STD4，建立标准加入法的标准曲线，并且测量出分析线Si 251.611 nm、Fe 259.940 nm、Zn 206.200 nm的相关系数。添加的Si、Fe、Zn三种元素标准溶液的质量浓度和线性相关系数见表3。

根据上述方法用标准加入法做的标准曲线，分析线Si 251.611 nm、Fe 259.940 nm、Zn 206.200 nm的线性拟合系数都在0.999以上，满足检测的要求。

样品的处理过程依照1.3，然后根据1.4来配制一系列标准溶液，在1.2阐述的仪器最佳工作条件下运行系列标准溶液STD1、STD2、STD3、STD4，建立标准曲线。以图4 Fe的标准曲线为例，在同一条件下激发光谱，谱线强度与质量浓度呈线性关系，同时称取的试样质量相同，则保证了基准中Fe的质量浓度相同。在此基础上做出标准曲线以及曲线的线性公式，使用外推法测定标准曲线与X负轴的交点，即为试样中Fe的质量浓度。同样的方法适用于Si和Zn的测定。

2.3 精密度以及准确度

相同炉批号的试样取8份，4份样品为一组，平行测试样品两次，标准加入法中使用的系列标准溶液依照表3配制，然后在1.2所列的仪器最佳工作条件下运行标准溶液，利用标准加入法，外推标准曲线与X负轴的交点测出试样中Si、Fe、Zn的含量。做出的标准曲线的线性相关系数都能达到0.999以上，同时测定试样的相对标准偏差RSD≤3%，其测定结果见表4。

由于AlCu50没有标准样品，对准确度的分析采用加标回收率来进行判定，即是指在含有被测元素的样品中加入定量的被测元素的标准物质，按照样品的处理步骤分析，得到测定值与理论值的比值。表4中表示4批试样加入相应浓度的Si、Fe、Zn标准溶液，测定其加标回收率，这三种元素的加标回收率为96%～105%，说明此方法的准确度满足试验的要求。

3 结语

采用电感耦合等离子光谱法对铝铜中间合金（AlCu50）中的三种微量元素Si、Fe、Zn的测定方法进行研究。分析线Si 251.611 nm、Fe 259.940 nm、Zn 206.200 nm的波峰谱图简单、平滑，无明显的背景干扰和其他元素干扰。选择碱溶酸化的方式保证试样中Si的充分溶解。通过标准加入法去除基体中铝和铜的干扰，消除试剂中硝酸钠盐对检测结果的影响。试验结果表明，使用标准加入法测定分析线Si 251.611 nm、Fe 259.940 nm、Zn 206.200 nm的标准曲线的相关系数在0.999以上，三种元素的加标回收率为95%～105%，相对标准偏差RSD≤3%，满足检测的精密度和准确度要求。

参考文献：

[1] 刘博涛，王东升，史冬虹，等.碘酸钾滴定法测定铝铜中间合金中锡[J].冶金分析，2013，33（9）：73-76.

[2] 国家国防科技工业局.铝基中间合金碇规范：HB 5371—2014[S].北京：中国航空综合技术研究出版社，2015：3.

[3] 陶俊.电感耦合等离子体发射光谱法测定铝合金中多元素[J].理化检验（化学分册），2007，50（2）：769-770.

[4] 李彩华.ICP-AES测定铝合金中的硅、锰、镁、铬、铜、镍、铁、钛、锌[J].湖南冶金，2006，34（4）：40-41.

[5] 辛仁轩.等离子体发射光谱分析[M].北京：化学工业出版社，2010：127.