快速测定铌铁合金中铌的最新方法

     作者：张文

    铌铁是一种中间合金，是钢铁和合金中铌的添加剂。不锈钢，耐热钢等加入铌可以提高钢的可塑性和抗蚀性；结构钢中添加铌可改善焊接性能并提高强度、可塑性和防止焊缝腐蚀等。铌铁根据铌含量分为FeNb50、FeNb60、FeNb70、FeNb80等多种基体构成的合金产品。过去测定铌铁中基体元素铌主要采用纸上色层分离重量法，该方法操作复杂，检验周期长达24 h，而且大量使用毒害性较强的有机试剂。近年来采用电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)测定铌铁合金中钛、铝、钽等杂质元素以及铌基体元素的文献报道陆续增多。

    通常ICP-AES测定高含量元素多采用内标校正方式，但是优选光谱特性与待测分析线基本一致的内标元素及内标线需要大量试验，人工加内标操作繁琐，校准曲线溶液系列与样品溶液加入内标稍有差异反而影响结果正确度；采用在线内标法则需要专门内标混合器。因此，本实验未应用常规的内标校正方式，采取优化样品稀释比例、选择适宜灵敏度分析谱线及其检测积分与背景校正区域，优化仪器工作条件等措施，将铌元素的检测信号强度调控在适宜水平，同时校准曲线设置更多校正点和以多条分析谱线平均值作为检测结果，确保方法具有良好线性关系和检测精密度，可满足测定铌铁中质量分数为50%—80%基体元素铌的需要，同时样品中共存的钽、硅、铝、钛、铁等对测定不产生干扰。

    1  实验部分

    1.1  主要仪器及工作条件

    iCAP6300型电感耦合等离子体原子发射光谱仪（美国赛默飞世尔公司）：耐氢氟酸进样系统。仪器最佳工作条件见表1。

    1.2  主要试剂

    铌标准储备溶液：2 mg／mL，准确称取1.403 5 g五氧化二铌(W(Nb2()5)≥99. 999%，105℃灼烧th后置于干燥器中冷却至室温）于铂金坩埚中，加入20ml)氢氟酸，缓慢加热至溶解完全，冷却后加入40mL硫酸，蒸发至冒三氧化硫白烟，冷却后以水稀释至500 ml_容量瓶；铁标准储备溶液：1 mg／ml．，准确称取0. 500 0 g纯铁粉(w(Fe)≥99. 99%)于锥形瓶中，以约15 mL水冲洗瓶壁并且加入10 mL硝酸加热至溶解完全，冷却，定容至500 mL容量瓶，摇匀。

    氢氟酸、硝酸、硫酸为优级纯；实验用水为二次蒸馏水。

    1.3  实验方法

    称取o．1 g（精确到0. 0001g）铌铁样品于聚四氟乙烯烧杯中，加入2 mL氢氟酸，加热至反应无气泡产生，约10 mL水冲洗杯壁，然后加入5 mL硝酸，加热至样品消解完全，继续煮沸5min，冷却至室温后转移到500 ml.容量瓶中，定容，摇匀，待测。

    2  结果与讨论

    2.1消解试剂

    铌铁合金中的基体元素铌以及共存杂质硅、钽、钛等均较难消解，尤其铌、钽、钛必须维持在较高酸度介质中以避免其水解。试验采用氢氟酸和硝酸消解样品，不仅反应快速完全，同时将硅杂质以四氟化硅的形式挥发除去。溶液直接用水稀释后，使用配置耐氢氟酸进样系统的ICP光谱仪进行测定。方法操作简单快捷，通过依靠溶液中残留氟离子的络合稳定作用，确保总酸度在小于2% cv／v)的低酸介质中铌、钽、钛等易水解元素均能以离子形态稳定存在于溶液中，从而避免了采用高沸点酸驱赶氢氟酸所导致分析流程延长、操作繁琐以及需要补充大量酸克服水解反应等缺点，或者以硼酸等络合氢氟酸而导致试液盐类浓度增大等缺点。

    2.2  光谱干扰试验和分析谱线选择

    铌铁合金产品种类牌号多，组成复杂变化大，除了质量分数为50%～80%的基体元素铌以外，还含有大量基体元素铁以及硅、钛、钽、铝等共存杂质。因此，进行了基体铁和杂质组分对测定铌元素的光谱干扰影响试验，根据试验结果选择灵敏度适宜的分析谱线以调控高浓度铌元素的检测信号强度至适中水平，并且避免铁基体以及杂质组分对测定的影响。

    结果表明：在常用的铌元素分析谱线Nb269. 706  nm( 125)、Nb  292. 781   nm( 115)、Nb309. 418  nm( 109)、Nb  313. 079   nm( 108)、Nb316. 340  nm( 106)、Nb  319. 498  nm( 106)、Nb322. 548 nm(115)和Nb 322. 548 nm(105)的扫描窗口内，由质量分数分别为2%的主要共存杂质硅、钽、钨、钛、铝、锰以及质量分数为40%的铁基体组成的混合标准溶液，在铌分析线检测积分和背景校正区域均不产生谱峰，其信号扫描线为一条平直信号基线，强度与试剂空白基本一致，表明基体铁以及共存杂质组分对铌元素的测定不产生光谱干扰，如图1和图2所示。试验结合高浓度铌检测对谱线灵敏度的要求选择了铌分析谱线及其背景校正和检测区域，如表2所示。实际分析时可采用表2所列5条谱线中任一条作为测定铌铁中铌的分析谱线，也可采用5条谱线测定结果的平均值作为检测结果。

    2.3线性范围和相关系数

    实验方法采用基体匹配法消除铌铁样品基体效应的影响，以2 mg／mL铌标准储备溶液和1 mg/mL铁标准储备溶液配制铁基匹配的校准曲线系列标准溶液，该系列标准溶液中铌量相当于样品中铌质量分数为50. 00%. 52. 00%. 55. 00%. 58. 00%.60. 00% .62. 00% .64. 00% .66. 00%.68. 00% .70. 00%、72. 00%、74.  00%.76.  00%.78.  00 %.80.  00%，铁量相当于样品中铁质量分数为50%.48%.45~6.42%.40%、38%、36%、34%、32%、30%、28%、26%、24%、22%、20%。按照仪器工作条件对上述系列标准溶液进行测定，校准曲线线性方程及相关系数见表3。方法能够满足测定铌铁合金样品中质量分数为50%～80%铌的需要。

    2.4精密度试验

    按照实验方法对2个铌铁标准样品中铌含量进行8次平行测定，并计算标准偏差(SD)和相对标准偏差(RSD)，结果见表4

    3样品分析

    按照实验方法测定6个铌铁合金标准样品中铌的含量，结果与认定值一致，结果见表5。

    任选2个铌铁样品，采用实验方法和GB/T3654. 1-2007《纸上色层分离重量法》分别进行铌含量测定，实验方法测定结果与重量法的基本一致，结果见表6。

    4摘要：

    铌铁样品以氢氟酸和硝酸消解，直接在氢氟酸介质中使用电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)测定铌含量。试验考察了共存基体元素铁以及常量杂质硅、钛、铝、钽等对测定的基体效应、光谱干扰以及背景噪声等因素的影响。通过采取优化样品稀释比例、选择适宜灵敏度分析谱线及其检测积分与背景校正区域，优化仪器工作条件等措施，将铌元素的检测信号强度调控在适宜水平，以确保方法具有良好线性范围以及精密度和正确度水平。试验采用基体匹配法绘制校准曲线，并进行同步背景校正，检验周期仅需10～15 min。结果表明：在铌质量分数为50%～80%范围内，校准曲线线性相关系数r>0. 999 5。按照实验方法进行测定，实际铌铁合金样品测定结果的相对标准偏差（RSD，n=8）不大于0.2%；铌铁标准样品的测定结果与认定值一致；实际铌铁合金产品的测试结果与纸上色层分离重量法的测试结果也一致。