二、背景技术:
1、铝及铝合金化学分析方法(GB/F6987-2001),其中的8元素的分析方法列如下:
(1)GB/T6987.6-2001,钼蓝分光光度法测定硅量。
(2)GB/T6987.4-2001,邻二氮杂菲分光光度法测定铁量。
(3)GB/T6987.2-2001,草酰二酰肼分光光度法测定铜量。
(4)GB/T6987.7-2001,高碘酸钾分光光度法测定锰量。
(5)GB/T6987.12-2001,二安替吡啉甲烷分光光充法测定钛量。
(6)GB/T6987.14-2001,丁二酮肟分光光度法测定镍量。
(7)镁的测定:无分光光度法。另有CDTA滴定法和原子吸收光谱法。
(8)锌的测定:无分光光度法。另有EDTA滴定法及原子吸收光谱法。
上述GB/T6987-2001之分析方法,是目前国内最权威的分析方法,这是不容置疑的。但美中不足的是,未列入Mg和Zn的分光光度法。更重要的一点是,Si、Fe、Cu、Mn、Ti、Ni等虽然有分光光度法,但各元素的分析均自成体系,有的在分析过程中必须使用Pt或Ag制品,操作较复杂。在8h内完成一个样品中8个元素的分析,一般需要2~3人同时操作,效率较低。
2、工厂分析化验手册
陈必友,李启华主编,化学工业出版社,2002年9月
在该手册中在铝及铝合金部分,分别介绍了Si、Fe、Cu、Mg、Mn、Ti、Ni的分光光度法和Zn用硫化物沉淀分离的EDTA滴定法,还介绍了Si、Fe、Cu、Mn、Cr、Ti、Ni的联测。这是国内公开发行的工厂用铝合金分析方法,有一定的先进性,其不足之处与GB/T6987基本类似。
3、常用金属材料化学分析方法(内部交流)
主编刘立尧
四川省机械工程学会理化检验分会
编印
成都市机械工程学会理化计量专业委员会
1990年10月成都
这本“常用金属材料化学分析方法”是改革开放后,四川省(包括现重庆市)广大分析化学工作者工作经验和智慧的总结。刘立尧等同志为此付出了艰辛的劳动。他们对全省100余家工厂进行了理化检验认证验收,收集整理了大量化学分析方法,对全省特别是中小型工厂的理化分析技术工作的提高起到了无可估量的推动作用。时至21世纪,对于我国正兴起的众多中小民营企业来说,他们当年的工作业绩至今仍具有现实指导意义。
综上所述,对于铝合金中8元素的分析方法而言,目前国内还没有一个系统的、完善的分光光度法,特别是对Mg、Zn的分光光度法,难度较大,是一技术空白。本发明就是针对上述问题而提出的。
本发明的8元素组合分析法的制定,主要参考了刘立尧主编的上述资料,还吸收了国内外众多分析化学家的专著中的论点,例如美国化学家程广禄、迪安,中国化学家刘绍朴、刘珍、吴性良、高向阳等。并在此基础上,经过借鉴、筛选、创新、验证组合及对比实验才最终确定了分析方法。从而使分析结果的准确性、稳定性、重现性、再现性有了比较大的提高,并达到了快速分析的目标。
三、发明内容:
本发明采用直接比较法(一点回归法,即校准函数使用模型y=bc)和计算处理法直接打印出分析结果。
本发明用与待测样品同牌号标准样品定值同时测定未知样品的吸光度的光度的方法有下列优点:
(1)可消除或减少基体干扰。
(2)可抵消或减少测试过程中出现的各类误差(如系统误差,随机误差等)。
(3)可迅速获得测定结果。
在特殊情况,对于未知合金牌号的试样也可测定,方法是:用两个相同牌号或不同牌号的两个标样定值可确定待测样品的某元素的含量。举例见表一:
未知样品中Zn的测定(表一)
样品名称 |
Zn的标准值 |
光度法测定的结果% |
备注 |
标样:Y112、E2144 |
0.977% |
定值:0.977 |
05.8.19,VIP26,CP5,25℃② |
标样:Y112、E2143 |
0.700% |
0.68 |
在允许误差内 |
未知样品 |
|
0.48 |
发射光谱分析结果:0.48% |
本发明的目的是为了能用分光光度法快速、准确的测定铝合金中8元素百分含量,满足生产的需要,同时还能复验或仲裁多台光电直读光谱仪的测定结果及异常值,对比实验结果分别见表二和表三:
不同仪器分析结果对比(表二)
用分光光度法仲裁发射光谱的异常值实例(表三)
分析日期 |
光谱分析异常值 |
分光光度法 |
质量结论 |
光谱仪,% |
光谱仪,% |
测定结果,% |
合格 |
不合格 |
误差大 |
04.5.11 |
I、Si=6.86 |
II、Si=6.35 |
6.84 |
ISi |
IISi |
|
04.5.11 |
I、Mg=0.59 |
II、Mg=0.49 |
0.50 |
IIMg |
IMg |
|
04.5.27 |
II、Si=8.33 |
|
7.30 |
|
IISi |
|
04.6.3 |
II、Si=7.60 |
|
7.05 |
|
IISi |
|
04.6.7 |
II、Si=6.036.05 |
|
6.52 |
|
IISi |
|
0.4.6.10 |
II、Mg=0.20 |
|
0.32,0.30 |
|
IIMg |
|
04.6.19 |
I、Mg=0.51、0.390.45、0.38 |
|
0.38 |
|
|
I Mg |
04.9.2 |
III、Si=4.80 |
|
7.03,6.93 |
|
IIISi |
|
04.9.2 |
III、Fe=0.29 |
III、Ti=0.26 |
Fe=0.18,Ti=0.17 |
|
IIIFe、Ti |
|
04.9.15 |
III、Fe=0.18 |
III、Ti=0.17 |
Fe=0.18,Ti=0.17 |
IIIFe、Ti |
|
|
04.11.10 |
IV、Mg<0.05 |
III、Mg=0.40 |
0.38 |
IIIMg |
IVMg |
|
05.2.21 |
IV、Si=7.15 |
III、Si=6.68 |
7.33 |
IVSi |
|
IIISi |
05.3.19 |
IV、Si=8.43 |
III、Si=7.357.41 |
8.02 |
|
IIISi |
|
05.5.4 |
IV、Fe=0.11 |
III、Fe=0.17 |
0.13 |
IVFe |
IIIFe |
|
05.5.7 |
IV、Mg=0.4 |
III、Mg=0.29 |
0.37 |
IVMg |
|
IIIMg |
05.6.9 |
IV、Fe=0.12 |
III、Fe=0.14 |
0.12 |
IVFe |
IIIFe |
|
05.10.1 |
IV、Si=7.43 |
III、Si=7.63 |
721 |
IVSi |
IIISi |
|
05.10.9 |
III、Si=10.1 |
|
9.43 |
|
IIISi |
|
05.11.28 |
IV、Mg=0.28 |
III、Mg=0.46 |
0.45 |
IIIMg |
IVMg |
|
05.11.28 |
IV、Cu=3.20 |
III、Cu=2.46 |
2.50 |
IIICu |
|
IVCu |
05.12.16 |
IV、Cu=3.08 |
III、Cu=2.33 |
2.63 |
IIICu |
|
IVCu |
铝合金中8元素组合分析方法有下列优点:
1、一个铝合金样品(8个元素)的分析,从称取试样开始至分析结果打印为止,只需要一个分析人员用5~6h可完成。若只作Mg元素只需要1~2h(可用Hcl和H2O2溶解试样)。
2、本方法不需要使用昂贵的金属制品(如Pt、Ag器皿)及马弗炉,节约了生产成本。
3、与传统的铝合金中8元素的分别分析法如GB/T6987介绍的方法相比较,可节省1~2名分析人员。
4、分析结果的准确性,本方法与原子吸收光谱法和发射光谱法基本一致。实验结果对比见表二。
5、各种分析方法所用仪器之价格之比较:
表四
序号 |
仪器名称 |
单价(元) |
效率 |
1 |
7230G分光光度计 |
8000 |
5~6h/一个样品 |
2 |
原子吸收光谱仪(国产) |
50000 |
2~3h/一个样品 |
3 |
光电值读光谱仪(英国AKUNM2000) |
300000(4.06万美元) |
0.5~1h/一个样品 |
专家认为:原子发射光谱对高含量元素(>1%)的定量分析会产生较大的误差;仪器设备比较复杂,价格昂贵,难以普及应用(高向阳,“新编仪器分析”,P77,2004,北京科学出版社)。
铝合金中8元素的组合分析方法简介
1、试剂:
1.1、硝酸,HNO3(1+2)。
1.2、氢氟酸,HF(密度1.14g/ml)。
1.3、硼酸,H3BO3饱和溶液。
1.4、硫酸,H2SO41mol/L。
1.5、钼酸铵,(NH4)6M07O24·4H2O,5%。
1.6、酒石酸,C4H6O6,Tart,5%。
1.7、抗坏血酸,C6H8O6,VC,2%。
1.8、盐酸羟胺,NH2OH·Hcl,20%。
1.9、硫脲,TU,(NH2)2CS,5%。
1.10、邻菲罗啉,C12H8N2·H2O,Phen,0.5%。
1.11、缓冲液①配法:82gNaAC,120ml冰乙酸,300ml水,混匀。
1.12、无水乙醇。
1.13、乙醇(1+1)。
1.14、柠檬酸三铵,C6H17O7N3,50%,Cit(I)。
1.15、中性红,0.1%。
1.16、氢氧化铵NH4OH,2+1。
1.17、缓冲液②配法:27gNH4cl+32mlNH4OH+460ml水,混合。
1.18、双环己酮草酰双腙,C14H12O2N4,BCO,0.2%。
1.19、过硫酸铵(NH4)2S2O8,20%。
1.20、定锰混酸:1gAgNO3+20mlHNO3+10mlH3PO4+470mlH2O。
1.21、二安替比林甲烷,C23H24N4O2,DAM,5%。
1.22、抗坏血酸,VC,20%。
1.23、丁二酮肟:C4H8N2O2,Dm,0.5%。
1.24、EDTA,6%
1.25、三乙醇胺:C6H15NO3,TEA,3+7
1.26、缓冲液:a)5gNH4cl+250mlNH4OH+250ml水。
b)2.5gNH4cl+400mlNH4OH+100ml水。
1.27、变色酸2R,C16H10O8S2N2Na2,CTR,0.15%,0.20%。
1.28、柠檬酸三钠,C6H5O7Na3·2H2O.Cit(II).10%。
1.29、六偏磷酸钠,(NaPO3)6,10%
1.30、磺基水扬酸,C7H6O6S,SSA,10%
1.31、缓冲液④:六次甲基四胺,(CH2)6N4,40%
1.32、4-(2-呲啶基偶氮)间苯二酚C11H9O2N3=215.21,PAR,0.04%。
2、仪器:7230G分光光度计。
3、分析步骤(以ZLD101铝锭样品分析为例)
3.1、母液制备:称取0.1000g试样于塑料烧杯中,加入20mlHNO3(1.1),2mlHF(1.2),室温溶解完后,置于70℃水溶中加热20min,取出,加50mlH3BO3(1.3),冷却至室温,移入250ml容量瓶中定容,转入清洁干燥的塑料瓶中,备用。同时选用与样品相同牌号的标样1~2个同步操作。
3.2、Si的显色:移取10ml试液(3.1)于250ml容量瓶中,加5mlH2SO4(1.4),10ml钼酸铵(1.5),将所有容量瓶同时放入100℃的沸水浴中加热30s后取出,加水50ml、10mlTart(1.6)、10mlVC(1.7),冷却,定容,备用。测定波长为650nm、3cm比色皿,水作参比。
3.3、Fe的显色:移取20ml试液(3.1)于50ml两用瓶中,加10滴盐酸羟胺(1.8),5mlTU(1.9),5mlphen(1.10),5ml缓冲液①(1.11),5min后加5ml乙醇(1.12),定容备用。测定波长为510nm,3cm比色皿,以试剂空白为参比。
3.4、Cu的显色:移取20ml试液(3.1)于50ml两用瓶中,滴加2.5mlCit(1.14),用中性红(1.15)指示,滴加NH4OH(1.16)至试液变黄,加10ml缓冲液②(1.17),5mlBCO(1.18),定容、备用,测定波长用600nm,3cm比色皿,以试剂空白为参比。
3.5、Mn的显色:移取20ml试液(3.1)于50ml两用瓶中,加10ml定锰混酸(1.20)、10ml过硫酸铵(1.19),放在电热板上煮沸1min,冷却,定容、备用。测定波长用530nm,3cm比色皿,以水为参比。
3.6、Ti的显色:移取20ml试液(3.1)于50ml两用瓶中,加5mlVC(1.22)、10mlDAM(1.21),5min后加乙醇(1.12)10ml,定容、备用。测定波长为400nm,2cm 比色皿,试剂空白为参比。
3.7、Ni的显色:移取20ml试液(3.1)于50ml两用瓶中,加2ml(NH4)2S2O8(1.19),10mlDm(1.23),2mlEDTA(1.24),定容、备用。测定波长为520nm,2cm比色皿,试剂空白为参比。
3.8、Mg的显色:移取10ml试液(3.1)于150ml干燥的锥形瓶中,加10mlTEA(1.25),10ml缓冲液③(1.26)10mlCTR(1.27),20ml乙醇(1.13),备用。以试剂空白为参比,3cm比色皿,波长为工作波长(即试剂空白可调0的最小波长,一般大于580nm)。
3.9、Zn的测定:移取10ml试液(3.1)于50ml两用瓶中,加2.5mlTEA(1.25)、10mlTU(1.9)、2.5mlCit(II)(1.28)、2.5mlSSA(1.30)、5ml缓冲液④(1.31)、1mlPAR(1.32),定容。室温20℃时15min后测定。测定时,波长为工作波长(500~530),试剂空白为参比,2cm比色皿。
3.10、分析结果的测定方式:
3.10.1、单元素测定:调整好7230G分光光度计的程序,首先输入标样值,用一点回归法可直接得出该元素的百分含量。
3.10.2多元素连续测定:
3.10.2.1、发色顺序为:Si→Fe→Cu→Mn→Ti→Ni→Mg→Zn。
3.10.2.2、测定顺序为:Zn→Mg→Si→Fe→Cu→Mn→Ti→Ni。
四、具体实施方式
1、用于分析未知样品的标准样品(即定值标样)的选定:
选择数个同牌号标样与待测样品同时同条件进行分析操作,选择误差较小的标样与分析样品同条件进行分析操作,必要时,选用与样品的基体成份基本一致的已知样对比分析,进行验证。必要时,标准样品之间也需验证。
例如,用ZL101-2#标样可作为分析ZL101、ZL101A、A356.0等牌号样品的定值标样。
2、试液移取量的选取原则:
为了使 在测量中,一般控制透光度在10%-80%,即吸光度A为0.1~1.0(吴性良等编“分析化学原理”P311,化学工业出版社,2004年)。
实际试液移取量根据所选定的分析方法由实验求出。举例见下表:
(表五)
分析元素 |
样品牌号 |
移取试液量 |
大约吸光度A |
Fe |
ZL 101 |
20(ml) |
0.2 |
Y 112 |
10(ml) |
0.5 |
Cu |
ZL 101 |
20(ml) |
0.2 |
Y 112 |
10(ml) |
1.0 |
Zn |
ZL 101 |
10(ml) |
0.4 |
Y 112 |
1或2(ml) |
0.6 |
3、试剂的质量及分子结构问题举例:
例①PAR:市场上可能有三种商品出售,它们是:
1)PAR染料游离酸(H2L),C13H9N3O2,分子量=215.21,微溶于水(10℃时为5mg/100ml);
2)PAR一钠盐(NaHL·H2O),易溶于水;
3)PAR二钠盐(Na2L·2H2O),易溶于水。
使用时,配制的方法是不一致的,可能是灵敏度也不一样。不考虑这些因素,可能会引出错误的结果。
例②HF:市场上可能有三种不同规定出售,其标签上显示了HF和H2SiF6的不同含量,它们准确的名称分别是:
1)高度HF:2)低度低硅HF;3)低度高硅HF。
拟将2)、3)两种HF与水同时同条件作试剂空白,分别测定吸光度:
试剂空白吸光度测定(表六)
序号 |
样品名称 |
移取试液ml |
入nm |
比色皿mm |
吸光度A |
参比 |
备注 |
1 |
H2O |
5 |
650 |
10 |
0.032 |
空气 |
分析时间2002、10月 |
2 |
低度高硅HF |
5 |
650 |
10 |
1.000 |
空气 |
3 |
低度低硅HF |
10 |
650 |
30 |
0.080 |
水 |
由此可见必须根据上述情况分别制定Si的不同分析方法。否则将引出较大误差。
例③有机试剂存放超过两年,可能自己变质,将影响测试准确度。以CTR为例,实验数据如下:
不同的CTR分析结果对比(表七)
实验号 |
样品名称 |
CTR状况 |
备注 |
旧CTR(990703) |
新购CTR(20010208) |
分析时间:2002.9 |
生产时间:1999年7月 |
生产时间:2001年2月 |
截止2002年:三年 |
截止2002年:一年 |
分析结果% |
分析结果% |
A |
C |
A |
C |
1 |
标样 |
0.036 |
定值0.239 |
0.096 |
定值0.239 |
标样:Y112、E214 |
2 |
铝锭 |
0.078 |
0.548 |
0.153 |
0.382 |
发射光谱分析结果为0.38% |
3 |
0.084 |
0.590 |
0.154 |
0.387 |
以上表明:1999年生产的CTR至今(2002年9月),已三年,其纯度已大大降低,至使分析结果错误。克服的办法是:
①、可加大CTR的用量,重新选择或调整波长并进行验证。
②使用新购试剂。
4、氢氟酸,HF:无色液体,有刺激嗅味,强腐蚀性,极毒。
因此,在无抽风条件,在未采取有效可靠的安全措施之前,不能开始分析操作。