脉冲加热惰气熔融-热导法测定金刚石微粉中的氧氮含量

侯红霞,杨倩倩,郭飞飞

(钢研纳克检测技术有限公司,北京 100094)

脉冲加热惰气熔融-热导法测定金刚石微粉中的氧氮含量

侯红霞*,杨倩倩,郭飞飞

(钢研纳克检测技术有限公司,北京 100094)

目前,金刚石微粉在切削、磨削、钻探等领域的应用日趋广泛,国内外市场需求也有所扩大。文章采用脉冲加热惰气熔融-热导法测定金刚石微粉中的氧氮含量,对分析功率、助熔剂等进行了研究,在称样量为0.02～0.05 g,镍助熔剂为0.37 g,分析功率为5.5 k W的条件下,通过脉冲加热惰气熔融-热导法并同时采用测定金刚石微粉中氧和氮含量的方法,对金刚石微粉样品中氧和氮进行了9次测定,其测定结果的相对标准偏差分别为2.36%和4.08%。结果与脉冲加热惰气熔融-质谱法所得氧和氮的测定值一致。

金刚石微粉;氧氮含量;脉冲加热惰气熔融-热导法;脉冲熔融-飞行时间质谱法

金刚石微粉由于其硬度高、耐磨性好,可广泛用于切削、磨削、钻探等,是研磨抛光硬质合金、陶瓷、宝石、光学玻璃等高硬度材料的理想原料。金刚石微粉中的杂质含量,主要来自细化之前的金刚石原料[1]。杂质含量是测评金刚石微粉的一个重要指标,直接影响后续工程应用中的使用效果。不同的应用领域,对其杂质含量的高低也有所不同,例如将平均粒径小于10μm以下的金刚石微粉用于电镀工具、线锯等,其杂质含量高的微粉极易结成坚硬结块,不容易分散开来,严重影响金刚石制品的质量。氮杂质作为人造金刚石的最主要结构缺陷,对晶体本身的光学、热学、电学和机械性能有着重要影响[2-4]。一般认为,氧在人造金刚石中以微量金属氧化物的形式存在或以可替代方式固溶于人造金刚石中。测定人造金刚石中氧和氮的含量对人们了解氧和氮与人造金刚石性能之间的内在关系有重要的现实意义和经济价值[5-6]。惰气熔融脉冲加热法是目前测定材料中氧和氮最常用的一种分析方法。文章以镍囊作为助熔剂和载体,选用合适的钢铁标样绘制氧、氮校准曲线,建立了脉冲加热惰气熔融-热导法同时测定金刚石微粉中氧和氮的方法,完全能够满足生产需求。

1 实验部分

1.1 主要仪器与材料

仪器:ON-3000氧氮分析仪,钢研纳克检测技术有限公司。电子天平:BS124,Max124g,d= 0.1mg,Sartorius;载气:氦气,纯度≥99.999%,减压阀调至0.25MPa～0.3MPa;动力气:氩气,纯度≥99.5%,减压阀调至0.25MPa～0.3MPa;石墨坩埚:高纯石墨套坩埚;镍囊:高纯免洗镍囊;试剂:稀土氧化铜,无水高氯酸镁,碱石棉(CO2吸收剂),脱脂棉等。

标准样品:[18X HCX(ω(O)/%=0.141,ω (N)/%=0.0111),18X M3/2(ω(O)/%=0.105, ω(N)/%=0.0269),18X M3/2-D(ω(O)/%= 0.41,ω(N)/%=0.042)]

1.2 分析原理

在脉冲电极炉的高温条件下,样品在惰性气氛的石墨坩埚中熔融,气体元素的化合物被还原分解,样品中的O、N分别以CO和N2的形式释放,样气经由转化炉后,CO转化为CO2,CO2、N2在载气(高纯氦)的携带下经过红外检测器,检测CO2后,CO2被碱石棉吸收,最后惰性载气携带N2进入热导检测器进行检测[7]。

1.3 实验方法

采用1.1节中的氧氮标样建立氧和氮校准曲线,并扣除镍囊及石墨坩埚的氧、氮空白值。设定石墨坩埚预脱气功率为5.8 k W,分析功率为5.5k W,在电子天平上称取0.02～0.05g左右的金刚石微粉样品,并将样品放入镍囊中,把样品质量输入氧氮分析仪中,然后进行样品分析,测定样品中氧和氮的含量。

2 结果与讨论

2.1 工作曲线建立

由于金刚石微粉中氧氮的测定没有相应的标准方法和参考物质,因此本文参考钢铁中氧氮的测定标准[7],使用钢标准物质进行校正。根据待测样品的含量选择相近含量标准样品[18X HCX(ω(O)/%= 0.141,ω(N)/%=0.0111),18X M3/2(ω(O)/% =0.105,ω(N)/%=0.0269),18X M3/2-D(ω (O)/%=0.41,ω(N)/%=0.042)]做氧氮通道的校准曲线,氧曲线相关系数R2=0.9997,氮曲线相关系数R2=0.9993,线性良好。

2.2 分析条件的确定

2.2.1 分析功率的选择

分析功率的大小对样品的熔融效果起关键作用[8],因此设定不同的分析功率来考察样品的释放情况,以1#样品为例,分别设定分析功率为4.5、5.0、5.5 k W,结果如表1所示。

表1 分析功率对实验结果的影响Table 1 Influence of analysis power on test result

从表1可以看出,随着功率的增加,氧和氮的释放越来越完全,分析功率在5.5k W时样品释放比较完全,氧氮的结果稳定性较好。因此,在本次研究的后续实验中,均采用5.5 k W的分析功率。

2.3.2 助熔剂的选择

助熔剂可以降低样品的熔点,增加熔融的效果,同时也起到容器的作用。氧氮分析中一般使用镍箔、镍囊、镍篮等作为助熔剂[9]。本文以2#样品为例,在5.5k W的分析功率下试验了镍箔、镍蓝和镍囊的熔融效果。

表2 助熔剂对实验结果的影响Table 2 Influence of fluxing agent on test result

由表2可以看出,使用不同的助熔剂对氮的释放有较大影响,使用镍囊样品熔融释放完全,精度较好。因此,本次试验样品均装入镍囊后直接投样分析。

2.4 检出限的测定

由于样品称样量较少,为了准确测定样品合金中氮的含量,获得低而稳定的空白值是必要的。氮空白值主要是由石墨坩埚、助熔剂、载气以及炉膛空白等引起的。本文在5.5k W的分析功率下,将镍囊投入到高纯石墨套坩埚中进行测定。实验结果表明,镍囊中氧空白值是0.0005%,氮空白值是0.0001%,标准偏差分别为0.000 07%和0.000 02%。以空白标准偏差的3倍计算出氧和氮检出限分别为0.000 21%和0.00006%,以空白标准偏差的10倍计算出氧和氮测定下限分别为0.0007%和0.0002%。因此,本文实验结果均为扣除空白值的结果[10]。

2.5 方法精密度

采用本方法利用在2.1所建立的工作曲线的条件下,以3#样品为例,称取0.02～0.05g,装入镍囊后投样分析,分析功率5.5k W,平行测定9次,测定结果如表3所示。

表3 精密度实验结果Table 3 Test results of precision(n=9)

从表3可以看出,氧和氮测定结果的相对标准偏差(RSD)分别小于为2.36%和4.08%,满足金刚石微粉中氧和氮的分析要求。

2.6 样品分析

采用本方法利用在2.1所建立工作曲线的条件下,以4#、5#样品为例,称取0.03～0.05g,装入镍囊后投样分析,分析功率5.5k W,平行测定7次,测定结果与钢研纳克检测技术有限公司的PMA-1000 (脉冲熔融-飞行时间质谱仪)测定氧和氮[11][12]的参考值进行比对,结果如表4所示。

表4 金刚石微粉中氧氮的测定结果对比Table 4 Table 4 Comparison of measurement results of oxygen-nitrogen content in diamond micro-powder

如表4所见,采用本文方法使用脉冲熔融-惰气热导法和脉冲熔融-飞行时间质谱法所测样品的氧和氮的结果基本保持一致。

4 结论

本文用惰气熔融-热导法来测定金刚石微粉中的氧氮含量,研究表明分析功率在5.5k W、使用镍囊做助熔剂时其结果稳定性较好,氧和氮的释放比较完全且趋于稳定。测定结果与脉冲熔融-飞行时间质谱法测定氮的参考值进行比对,结果基本吻合。

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Measurement of Oxygen-Nitrogen Content in Diamond Micro-powder through Pulse Heating Inert Gas Fusion-Thermal Conductivity Method

HOU Hong-xia*,YANG Qian-qian,GUO Fei-fei
(CISRI NCS Detection Technology Co.,Ltd,Beijing,China 100094)

At present,diamond micro-powder has been widely used in fields such as cutting,grinding and drilling.The market demand for it in both China and overseas has been expanded.In this article,the oxygen-nitrogen content in diamond micro-powder is measured through pulse heating inert gas fusion-thermal conductivity method,and the analysis power and fluxing agent have been studied.The oxygen-nitrogen content in diamond micro-powder has been measured for nine times through pulse heating inert gas fusion-thermal conductivity method under the following testing conditions:the sampling weight is 0. 02～0.05 g,nickel fluxing agent 0.37 g,the analysis power is 5.5 k W.RSD(relative standard deviation)of the measurement results are respectively 2.36%and 4.08%.The result is the same as that obtained through pulse heating inert gas fusion-mass-spectrography method.

diamond micro-powder,oxygen-nitrogen content,pulse heating inert gas fusion-thermal conductivity method,pulse melting-time of flight mass spectrometry

TQ164

A

1673-1433(2015)06-0005-05

2015-09-15

侯红霞(1978-),女,工程师,主要从事仪器分析测试方面的工作。

侯红霞,杨倩倩,郭飞飞.脉冲加热惰气熔融-热导法测定金刚石微粉中的氧氮含量[J].超硬材料工程,2015,27(6):5-8.