基于GB/T 5121标准Plasma 2000和Plasma3000型电感耦合等离子体发射光谱仪测定纯铜及铜合金中元素含量

2019-10-28 17:09:33, 钢研纳克钢研纳克检测技术股份有限公司

关键词：Plasma 2000，Plasma3000，纯铜，铜合金，元素

引言

铜合金（copper alloy ）以纯铜为基体加入一种或几种其他元素所构成的合金。纯铜呈紫红色﹐又称紫铜。纯铜密度为8.96﹐熔点为1083℃﹐具有优良的导电性﹑导热性﹑延展性和耐蚀性。常用的铜合金分为黄铜﹑青铜﹑白铜3大类。铜合金在电气工业、电子工业、交通工业、轻工业、建筑业、航天技术上有广泛的应用。铜合金中不同元素含量决定了其化学物理性能，对其应用有着本质的影响。因此对铜合金中各元素含量的准确测定尤为关键。

国家标准GB/T 5121 铜及铜合金化学分析方法对元素的分析采用分光光度法、红外碳硫分析仪及重量法等，分析过程还需使用有毒物质，影响人员健康，本法采用ICP-OES分析铜合金中各元素，可以便面使用有毒物质对人体造成的伤害，保护操作者，而且简便、快速，大大提高了分析效率，节约了分析成本，完全可以满足生产的需求。

仪器特点

Plasma 3000型和Plasma 2000型电感耦合等离子体发射光谱仪（钢研纳克检测技术股份有限公司）是使用方便、操作简单、测试快速的全谱ICP-OES分析仪，具有良好的分析精度和稳定性。仪器特点如下：

Plasma3000	Plasma2000
高效固态射频发生器，超高稳定光源；	高效固态射频发生器，超高稳定光源；
大面积背照式CCD芯片，宽动态范围；	大面积背照式CCD芯片，宽动态范围；
中阶梯光栅与棱镜交叉色散结构，体积小巧；	中阶梯光栅与棱镜交叉色散结构，体积小巧；
多元素同时分析，全谱瞬态直读。	多元素同时分析，全谱瞬态直读；
多种进样系统，可选择性好；	多种进样系统，可选择性好；
垂直矩管，双向观测，检出限更加理想；	垂直矩管水平观测，耐盐性更佳。

实验条件

1、仪器工作参数

表1 Plasma仪器工作参数

雾化气流量（L/min）	辅助气流量（L/min）	冷却气流量（L/min）	炬管中心管（mm）
0.65	0.5	13	1.5
进样泵速（rpm）	RF功率（W）	曝光时间（s）	进样时间（s）
20	1050	8	20

2、试料

样品制样前，应采用0.1%的盐酸将样品用脱脂棉擦拭干净表面，然后乙醇清洗晾干，制样。独立进行两次测定，取其平均值。按如下表样品称取试样量，精确至0.0001g。

表2 试样称样量及溶解酸量

质量分数/%	试料量/g	稀释体积	加入酸量
0.0002~0.01	2.000	50	10ml水，15ml硝酸，5ml盐酸
0.01~0.5	1.000	100	10ml水，10ml硝酸，3ml盐酸
0.5~15.0	0.1000	100	3ml水，3ml硝酸，1ml盐酸
15.0-35.0	0.1000	100(分取10ml定容至100ml测定)	3ml水，3ml硝酸，1ml盐酸

实验方法

1、试料溶液的制备

按表加入酸，待其剧烈反应停止时，置于电热板上180℃加热，待不再产生黄烟时，吹洗杯壁反应5分钟，取下冷却，转移至容量瓶用水稀释至刻度，摇匀待测。随同试料做空白试验。

特别说明：

当Si、B为待测元素时，器皿应用聚四氟乙烯器皿或同类器皿代替，溶解试样时需等反应完全静止后，冷却至室温，加入1ml氢氟酸，吹洗杯壁，静置10分钟。转移至塑料容量瓶中稀释至刻度线摇匀待测。工作曲线也应加入相应含量氢氟酸。
Ca、Mg、Si、Zn为易污染元素，配置标准曲线时，应单独配置。
Sn为易水解元素，当Sn含量较高（>1%）时且为待测元素，应加入10ml盐酸，10ml双氧水反应。
当Ag>0.001%为待测元素时，稀硝酸溶解，不能加盐酸，否则Ag离子沉淀，测定结果偏低。

2、标准曲线的配置

表3 标准曲线浓度梯度设置

基底	元素	S0	S1	S2	S3	S4	S5	S6
2g纯铜作为基底，15ml硝酸，5ml盐酸定容至50mL	Fe、Pb、Cd、Bi、Al、Sb、As、Ni、P、Sn、S; Ca、Mg、Zn; Si; Mo、Sr、V、Hg、Zr、Te、	0.0%	0.0002%	0.0005%	0.001%	0.002%	0.006%	0.01%
2g纯铜作为基底，15ml硝酸，5ml盐酸定容至50mL		0	4ug	10ug	20ug	40ug	120	200
2g纯铜作为基底，20ml硝酸，定容至50mL	Ag	0.0%	0.0002%	0.0005%	0.001%	0.002%	0.006%	0.01%
2g纯铜作为基底，20ml硝酸，定容至50mL	Ag	0	4ug	10ug	20ug	40ug	120	200
1g纯铜作为基底，10ml硝酸，3ml盐酸，定容至100ml	P、Ni、Zn、Mn、Fe、Sn、Mg、Pb；	0	0.01%	0.05%	0.1%	0.3%	0.6%
1g纯铜作为基底，10ml硝酸，3ml盐酸，定容至100ml	P、Ni、Zn、Mn、Fe、Sn、Mg、Pb；	0	100	500	1000	3000	6000
0.1g纯铜作为基底，3ml硝酸，1ml盐酸，定容至100ml，加入2ml 100μg/ml Y内标溶液	Zn、Sn、Ni	0	0.5%	2%	4%	8%	10%	15%
0.1g纯铜作为基底，3ml硝酸，1ml盐酸，定容至100ml，加入2ml 100μg/ml Y内标溶液	Zn、Sn、Ni	0	500	2000	4000	8000	10000	15000

测定元素含量>10%时，称取0.1g，按表1酸量溶解，定容至100ml容量瓶，分取10ml定容至100ml，加入2ml100μg/ml Y内标溶液。按以下含量配置标准曲线。

表4 高含量标准曲线配置

	Cu	Ni	Zn	Sn
S1	10%	40%	40%	10%
S2	50%	20%	25%	5%
S3	70%	10%	17%	3%
S4	90%	5%	4%	1%
S5	100%	0	0	0

3、元素分析谱线

在测定中，遵循低含量元素用灵敏线，高含量元素次灵敏线的原则，从基体干扰和背景校正两方面考虑选出各元素的最佳测定谱线(见表5)。由于已进行基体匹配，只考虑光谱干扰和背景影响确定分析谱线，选择灵敏度高且无共存元素干扰的谱线作为分析线，为提高灵敏度，对多数低含量分析元素采用扣除背景方式进行测定。Plasma3000测定谱线参见测定结果，测定含量小于0.01%时，采用轴向观测，含量大于0.01%时采用径向观测，遵循低含量元素用灵敏线，高含量元素次灵敏线的原则。

表5 Plasma2000仪器高纯无氧铜中各杂质元素的最佳分析谱线

分析元素	最佳分析线/ nm	分析元素	最佳分析线/ nm
Ag	328.068	Bi	190.241
Mn	257.610	Ni	231.604
Si	251.611	Cd	214.438
Al	396.152	La	333.749
Fe	238.204	Se	196.090
Pb	220.353	Zn	334.557
Sn	189.925	Cr	267.716
Co	228.616	Sb	206.834
As	193.759	Zr	339.198

方法检出限

以10 %的稀王水作空白测试，在上述选定的工作条件下，重复测量空白溶液11次，以空白测定的标准偏差的3倍计算各元素的方法检出限，结果列于表6。由表6可知，各元素的方法检出限均满足测定要求。

表6高纯铜中各杂质元素所选谱线估算的方法检出限

分析元素	最佳分析线/ nm	方法检出限LD/%	分析元素	最佳分析线/ nm	方法检出限LD/%
Ag	328.068	0.001	Bi	190.241	0.002
Mn	257.610	0.0001	Ni	231.604	0.0005
Si	251.611	0.0005	Cd	214.438	0.0001
Al	396.152	0.002	La	333.749	0.0001
Fe	238.204	0.0002	Se	196.090	0.002
Pb	220.353	0.001	Zn	334.557	0.001
Sn	189.925	0.001	Cr	267.716	0.0005
Co	228.616	0.0005	Sb	206.834	0.002
As	193.759	0.001	Zr	339.198	0.002

结果与讨论

为评价方法精密度及准确度，对高纯无氧铜样品中的18种杂质元素进行了加标回收率试验及精密度试验（见表7），各元素的回收率均在83%-120%之间（结果见表7）。

表7 加标回收率（%）

分析元素	加入量/%	检出量/%	回收率/%	RSD /%	分析元素	加入量 /%	回收量/%	回收率/%	RSD /%
Ag	0.010	0.010	100.0	1.91	Bi	0.010	0.012	120.0	5.05
Mn	0.010	0.0099	99.0	1.78	Ni	0.010	0.0102	102.0	3.02
Si	0.010	0.0083	83.0	5.56	Cd	0.010	0.0105	105.0	3.72
Al	0.010	0.0096	96.0	3.21	La	0.010	0.0106	106.0	1.21
Fe	0.010	0.0104	104.0	1.22	Se	0.010	0.0109	109.0	4.98
Pb	0.010	0.0102	102.0	2.54	Zn	0.010	0.0105	105.0	1.06
Sn	0.010	0.0114	114.0	4.45	Cr	0.010	0.0093	93.0	2.06
Co	0.010	0.0104	104.0	1.78	Sb	0.010	0.0095	95.0	3.01
As	0.010	0.012	120.0	5.09	Zr	0.010	0.0099	99.0	1.99

表8高纯无氧铜测定结果（%）

样品编号	分析项目/%
样品编号	Ag	Bi	Mn	Ni	Si	Co
1#	0.0011	＜0.001	＜0.001	<0.002	<0.001	＜0.0005
2#	0.0011	＜0.001	＜0.001	<0.002	<0.001	＜0.0005
	Al	Cd	Fe	La	Pb	Se
1#	＜0.0005	<0.0001	0.0033	<0.001	＜0.002	<0.002
2#	＜0.0005	<0.0001	0.0067	0.0020	＜0.002	<0.002
	As	Sb	Zr	Sn	Zn	Cr
1#	＜0.002	＜0.002	0.001	0.029	0.0017	＜0.002
2#	＜0.002	＜0.002	0.0011	<0.001	0.0053	＜0.002

对铜合金通过不同分析技术对比和标准物质验证保证数据可靠性。

表9铜合金测定结果（%）

本文使用Plasma2000型全谱电感耦合等离子体发射光谱仪测定高纯无氧铜中的杂质元素，通过计算检出限、回收率和精密度，分析结果准确稳定，可用于无氧铜中Ag、Mn、Si、Al、Fe、Pb、Sn、Co、As、Zr、Bi、Ni、Cd、La、Zn、Cr、Sb、Se等多种杂质元素的分析测定。采用Plasma3000型电感耦合等离子体发射化学法测定铜合金中的33种元素，在GB5121.27-2008的基础上对方法进行改进，扩展了测定元素范围与种类，通过不同技术手段对比、标准物质验证，分析结果准确稳定，可用于铜合金中33种元素的测定。