微波消解－电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP－AES）测定高速工具钢中锰、磷、镍、铜、铬、钒

何小虎 甘日星 韦莉

（广西冶金产品质量监督检验站，南宁530023）

0 前言

高速工具钢是一种高碳高合金钢，简称高速钢，俗称锋钢，一般是以钨、钼、铬、钒，有时还有钴为主要合金元素的高碳高合金莱氏体钢，通常用作高速切削工具。在物理性能方面具有红硬性高、耐磨性好、强度高等特性，是作为制造性能要求高的模具、轧辊、高温轴承和高温弹簧等的理想材料［1］。高速工具钢中锰、磷、镍、铜、铬、钒含量对其性能影响很大［2］，对它们分析的精度要求较高，目前对高速工具钢的锰、磷、镍、铜、铬、钒检测，生产上主要是采用容量法、分光光度法、原子吸收光谱法对各种元素分别进行检测，分析时间长，操作繁琐，难以满足现代企业生产简便、快速、准确的要求。本文利用电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP－AES）对高速工具钢的锰、磷、镍、铜、铬、钒同时进行测定［3－7］。

高速工具钢含有较高的钨、铬、钒，钨高速钢样品的分解，一般采用碱熔或硫磷混合酸溶解，文献中也多用此法分解样品，再用ICP－AES法测定高速工具钢中的元素。然而硫磷混合酸溶解对于ICPAES法测定，其粘度大会影响溶液的提升量，而且不容易洗脱，碱熔酸化后溶液盐类浓度较大，也不利于ICP－AES法的测定。本方法采用微波消解仪消解样品，在硫酸和氢氟酸介质中，通过提高溶样的温度和压力，高速工具钢能够完全分解，过量的氢氟酸以饱和硼酸溶液络合，采用基体匹配法消除铁基体等的影响，利用电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP－AES）同时测定锰、磷、镍、铜、铬、钒。测定高速工具钢标准样品，测定值与认定值吻合，且方法简单、快速、准确。本方法的相对标准偏差为0.55%～4.1%。加标回收率为95.6%～114.8%。

1 实验部分

1.1 仪器及工作条件

MARS微波消解仪（美国CEM 公司）：采用Easy prep反应罐；升温时间：25 min；保持温度：210℃；保持时间：20 min；冷却时间：20 min。

IRIS Intrepid II全谱直读等离子体原子发射光谱仪（美国Ther mo Fisher公司）；高频发生器（RF）功率：1 150 W；泵速：130 r/min；雾化器压力：138 k Pa；样品冲洗时间：20 s；长波积分时间：10 s；短波积分时间：5 s。

1.2 试剂

高纯铁粉：质量分数＞99.99%。

饱和硼酸溶液：按7 g/100 mL水混合，然后加热辅助溶解，取上清液。

Mn，P，Ni，Cu，Cr，V标准储备溶液（1 000μg/mL，国家钢铁材料测试中心），使用时将标准储备溶液逐级稀释成100μg/mL或50μg/mL的标准工作溶液。

盐酸、硝酸、硫酸和氢氟酸均为优级纯，所有实验用水为二次去离子水。

1.3 工作曲线

准确称取0.100 0 g高纯铁粉分别置于5个微波消解罐中，依次加入2 mL硝酸，5 mL盐酸，1 mL硫酸，2 mL氢氟酸，盖好罐盖后，将微波消解罐安装好放入微波消解仪中，按工作条件进行消解。微波消解仪完成消解后，取出微波消解罐，将微波消解罐中溶液移入预先加有8 mL饱和硼酸溶液的5个100 mL容量瓶中，按表1分别加入标准溶液，加水稀释至刻度，混匀。

表1 工作曲线Table 1 Series of standard solutions used for constructing working curves /（μg·mL－1）

在实验条件下，对工作曲线溶液进行测定，Mn，P，Ni，Cu，Cr，V 工作曲线的相关系数均大于0.999 5。

1.4 试料处理

准确称取0.100 0 g试料置于微波消解罐中，依次加入2 mL硝酸，5 mL盐酸，1 mL硫酸，2 mL氢氟酸，盖好罐盖后，将微波消解罐安装好放入微波消解仪中，按工作条件进行消解。微波消解仪完成消解后，取出微波消解罐，将微波消解罐中溶液移入预先加有8 mL饱和硼酸溶液的100 mL容量瓶中，用水稀释至刻度，混匀，按仪器条件测定。独立地进行两次测定，取其平均值。

2 结果与讨论

2.1 溶样酸的选择

高速工具钢含有较高的钨、铬、钒。钨的性质稳定，不易被单一的盐酸、硝酸及王水分解，但它与高速工具钢中锰、磷、镍、铜、铬、钒等元素一样能在硝酸－氢氟酸中消解，因此溶样酸选择王水加上氢氟酸，加入硫酸的主要目的是提高微波消解时的温度，但因为硫酸粘度大，会影响到仪器的进样，降低方法的灵敏度，所以硫酸的加入量选择1 mL。另一方面过量的氢氟酸会腐蚀ICP－AES仪器的进样系统，不宜多加，所以氢氟酸加入量选择为2 mL，并以饱和硼酸络合过量的氢氟酸［8－9］。

2.2 分析谱线的选择

高速工具钢的主要基体为铁，同时高速工具钢也含有较高的钨，故对本方法的测定有影响的主要是铁和钨两元素。钨元素对方法的影响，通过实验发现随着加入钨量的增加，各待测元素的强度值没有太大的变化，因此可以忽略钨基体带来的影响，实验结果见表2。

表2 钨元素的干扰Table 2 Interference of tungsten

在工作曲线系列溶液中加入等量的高纯铁，采用与试样相同的介质，可以消除铁基体带来的干扰。第二方面的干扰来自于光谱干扰，分析应该选择检出限低、灵敏度高、干扰元素少、干扰程度低、线性范围宽的谱线。本方法所选择谱线见表3。

表3 各元素的分析谱线Table 3 The spectral lines of the elements /nm

2.3 方法的检出限

对空白溶液连续进行11次测定，测定结果的标准偏差的3倍作为分析方法的检出限，结果见表4。

表4 检出限Table 4 Detection limits of the method /（μg·mL－1）

2.4 方法的精密度

为了验证分析方法的精密度，分别对上述两个标准样品进行了多次测定，结果见表5。

为了验证分析方法的精密度，分别对上述两个标准样品进行了多次测定，结果见表5。

表5 方法的精密度Table 5 Precision of the method（n＝5） /%

结果表明，相对标准偏差RSD值在0.55%～4.1%，说明精密度较好。

2.5 分析方法的加标回收实验

为了验证分析方法的准确度，我们分别对上述两个标准样品加入各待测元素标准工作溶液，按实验方法及选定的检测条件作标准加标回收实验，结果见表6。

表6 方法的加标回收率Table 6 Recovery of the method /（μg·mL－1）

方法的加标回收率在95.6%～114.8%，说明该方法是准确可靠的。

3 结语

采用微波消解法消解高速工具钢，所用酸较少，能够完全溶解样品，测定其中锰、磷、镍、铜、铬、钒的含量，结果准确，而且快速简便，减少了分析过程的繁琐，并且对环境的污染少。

［1］吴元昌 .近年国外粉末冶金工具钢的进展［J］.粉末冶金工业，2004，14（4）：24－28.

［2］巩春连，牛相山 .类型控制试样法直读光谱分析高速工具钢的化学成份［J］.化学工程师，2002，9（4）：35－36.

［3］鞍钢钢铁研究所，沈阳钢铁研究所 .实用冶金分析—方法与基础［M］.第一版 .沈阳：辽宁科学技术出版社，1990.

［4］吴旭晖.ICP－OES法测定高速工具钢中钨、铬、钒、钼［J］.福建分析测试，2006，15（3）：8－9.

［5］孙美丽，杜立新.ICP－AES法测定高速工具钢中12种元素［J］.四机科技，2006（4）3：5－38.

［6］周勇义，谷学新，范国强，等 .微波消解技术及其在分析化学中的应用［J］.冶金分析，2004，24（2）：30－36.

［7］阮桂色 .电感耦合等离子体原子发射光谱（ICP－AES）技术的应用进展［J］.中国无机分析化学，2011，1（4）：15－18.

［8］韦莉，周素莲，何小虎 .微波消解－电感耦合等离子体原子发射光谱法测定中低合金钢中铌钨锆钴钒锡［J］.冶金分析，2012，32（8）：75－78.

［9］韦莉，何小虎 .电感耦合等离子体发射光谱法（ICPAES）快速测定电解金属锰中的硒［J］.化工技术与开发，2012，41（9）：37－39.