ICP-AES法测定低合金钢中的微量硼

黄辉，李本涛，李颖，赵华，冀克俭，巩琛，刘霞

（中国兵器工业集团第五三研究所，济南 250031）



ICP-AES法测定低合金钢中的微量硼

黄辉，李本涛，李颖，赵华，冀克俭，巩琛，刘霞

（中国兵器工业集团第五三研究所，济南 250031）

摘要采用电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-AES）测定低合金钢中硼元素的含量。采用密闭微波消解法对样品进行溶解，考察了铁基体元素和共存元素对硼元素测定的影响，确定了硼元素的分析线为208.959 nm，通过基体匹配消除基体的影响。硼的质量浓度在0～5.00 µg/mL范围内与谱线强度呈良好的线性，相关系数r2=0.999 9，方法检出限为0.004 µg/mL，加标回收率为96%～103%，测定结果的相对标准偏差为1.5%～2.9%（n=8）。该方法具有较高的灵敏度和准确度，满足低合金钢中硼元素的分析要求。

关键词低合金钢；硼；电感耦合等离子体光谱法；微波消解

钢铁中微量硼的存在能增加钢的淬透性，随着硼含量的增加，钢的力学性能、耐蚀性能和延展性会明显下降［1］，硼在钢中的溶解度十分有限，在850℃时硼在α-Fe中仅能溶解0.002 8%。当钢中含硼量超过0.003%时，在晶界将会析出网状硼化物，使钢的脆性增加，正因为这种“硼脆”，经1 050℃或稍低于此温度加热后随即缓冷或在900～600℃间等温停留时，含硼量接近0.003%的钢都会有Fe2，3（B，C）d相沿奥氏体晶界析出，而且随着含硼量的增加，冷速减小，则晶界析出物数量增多，尺寸加大，钢的脆性增加。当钢中含硼量由0.002%增到0.004%时脆性转变温度亦逐渐提高。由此可见，硼含量将直接影响低合金钢的性质，因此需对合金中的硼元素进行准确测定。

目前，测定合金钢中硼含量的方法有中和滴定法［2-3］，适用测量范围0.5%～2.0%；甲醇蒸馏-姜黄素光度法［4］，适用范围为0.000 5%～0.2%；姜黄素直接光度法［5］，适用范围为0.000 5%～0.012%；微波消解-电感耦合等离子体质谱法［6-7］，适用范围为0.000 5%～0.10%。对于微量硼，中和滴定法和光度法操作较为复杂，而电感耦合等离子体质谱法由于仪器较为昂贵，一般实验室较难实现。为了提高钢铁中硼元素的检测灵敏度，往往采用多种基体预分离方法［8-9］。电感耦合等离子体光谱法（ICP-AES）检出限低且操作相对简便，可用于多种材料中硼元素的测定［10-12］。笔者采用电感耦合等离子体光谱法测定低合金钢中微量硼，并使用微波消解法进行样品处理，减少了因敞口法处理时造成的硼元素损失，方法的检出限较低，测定结果的精密度和准确度满足低合金钢中硼元素的测定要求。

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

电感耦合等离子体发射光谱仪：iCAP6300型，美国Thermo Fisher公司；

微波消解仪（12罐）：MARS型，美国CEM公司；

电子分析天平：AB204-N型，最大负荷210 g，灵敏度0.1 mg，瑞士Mettler公司；

移液器：量程10～1 000μL和100～5 000μL，符合ISO8655.2-2002要求，德国Eppendorf公司；

盐酸：优级纯，ρ≈1.19 g/mL，硼含量小于20 ng/mL；

硝酸：优级纯，ρ≈1.42 g/mL，硼含量小于20 ng/mL；

氢氟酸：优级纯，硼含量小于20 ng/mL；

水中硼成分分析标准物质：100 μg/mL，GBW （E）080217，中国计量科学研究院；

铁基体溶液：50.0 mg/mL，准确称取5.00 g高纯铁（质量分数不小于99.95%，硼元素质量分数小于0.000 5%），加入30 mL水，25 mL盐酸，低温加热至样品完全溶解后转移至100 mL容量瓶中，用水稀释至标线，混匀，装入聚乙烯瓶中备用；

实验用水为Milli-Q超纯水（电阻率为18 MΩ·cm）；

低合金钢样品：自制的低合金钢成分分析标准物质候选物，包含4个系列，其中硼元素含量呈梯度分布。

1.2 仪器工作条件

发射功率：1 150 W；雾化器气流量：0.65 L/min；辅助气流量：0.5 L/min；蠕动泵转速：50 r/min；垂直观测高度：12 mm；分析谱线：208.959 nm。

1.3 样品处理

称取0.5 g合金钢（精确至0.000 1 g），于100 mL洁净的聚四氟消解罐中，加入4 mL盐酸、4 mL硝酸、2 mL氢氟酸。待剧烈反应停止后，盖紧消解罐，放入消解仪中，采用1 600 W功率，加热至180℃，保温30 min，对样品进行消解。消解完成后冷却至室温，定量转移至100 mL塑料容量瓶中，并用水洗涤消解罐和盖子内壁3～4次，定量转移至100 mL容量瓶中，用水稀释至刻度，摇匀。同时，在微波消解罐中加入4 mL盐酸、4 mL硝酸、2 mL氢氟酸，置于微波消解仪中，按与样品相同的消解条件进行消解，完成后冷却至室温，定量转移至100 mL塑料容量瓶中，用水稀释至刻度，摇匀，得到样品空白溶液。

1.4 工作曲线绘制

准确移取水中硼成分分析标准物质10.0 mL于100 mL容量瓶中，用水定容至标线，得到10 μg/mL硼元素标准储备液。移取0.0，0.1，0.5，1.0，5.0，10.0，50.0 mL标准储备液，于7个洁净的100 mL塑料容量瓶中，同时每个容量瓶中加入4 mL盐酸、4 mL硝酸、2 mL氢氟酸、10 mL铁基体溶液，用水定容至标线，则硼元素系列标准工作溶液的质量浓度为0.0，0.01，0.05，0.10，0.50，1.0，5.00 μg/mL，依次测定，绘制标准曲线。

2 结果与讨论

2.1 样品溶解试验

根据GB/T 20125-2006［10］规定，称取0.5 g样品置于200 mL烧杯中，加入10 mL水、5 mL硝酸，盖上表面皿，缓缓加热至停止冒泡，加入5 mL盐酸，继续加热至完全分解。冷却至室温，将溶液转移至100 mL容量瓶中，用水稀释至标线，混匀。对上述样品溶液进行测定，测得的硼含量偏低约30%，主要是由于硼元素易挥发，在高温敞口环境下进行样品溶解时，易造成硼元素损失，导致测定结果偏低。因此笔者采用密闭微波消解法消解样品，可以有效避免硼元素的损失。

2.2 硼元素分析线的选择

选择 硼 元素 的灵 敏线249.773，249.678，208.959，208.893，182.641，182.591，181.837 nm，测定铁基体在选定波长处所产生的硼的浓度，考察硼元素谱线受干扰情况，最终确定硼元素的分析线为208.959 nm。

2.3 干扰试验

对低合金钢中常见元素进行干扰试验。对5.0 μg/mL的硼进行测定，当相对误差在±5%以内时，结果显示，200倍的Mn，P，Ti，V，Cr，Ni，Cu，100倍的Si不干扰硼的测定。

2.4 工作曲线方程与检出限

在1.2仪器工作条件下，测定1.4中配制硼系列标准工作溶液。以溶液的质量浓度（X，μg/mL）为横坐标，以发射谱线强度（Y ）为纵坐标绘制校准曲线，得线性方程为Y=371.94X+1.994 3，相关系数r2=0.999 9，线性范围为0～5.00 μg/mL。

对空白溶液进行11次测量，计算测定结果的相对标准偏差，以3倍标准偏差计算方法的检出限为0.004 µg/mL。

2.5 精密度试验

在1.2仪器工作条件下对4种低合金钢中的硼元素进行重复测定，结果见表1。由表1可知，测定结果的相对标准偏差为1.5%～2.9%，说明方法的精密度良好。

表1 精密度试验结果 %

2.6 样品测定与加标回收试验

用所建方法对某低合金钢中的硼元素进行测定，并进行加标回收试验，结果见表2。由表2可知，该方法的加标回收率在96%～103%范围内，满足实验室测定低合金钢中B元素含量的要求。

表2 样品测定与加标回收试验结果 %

3 结语

采用电感耦合等离子体发射光谱法测定低合金钢中的硼元素含量。采用密闭微波消解仪消解样品，确保样品消解完全，硼元素没有损失。该方法测定结果准确、可靠，满足低合金钢中硼元素分析的要求。

参 考 文 献

［1］ 佴启亮，郑文杰，宋志刚，等. 硼含量对含硼不锈钢组织和性能的影响 ［J］. 钢铁研究学报，2013，25（6）： 53-57.

［2］ GB/T 223.6-1994 钢铁及合金化学分析方法 中和滴定法测定硼量［S］.

［3］ 杨竞，张秀华，田志宏.酸碱滴定法测定硅质耐火材料中硼［J］.冶金分析，2014，34（4）： 78-80.

［4］ GB/T 223.75-2008 钢铁及合金硼含量的测定 甲醇蒸馏-姜黄素光度法［S］.

［5］ GB/T 223.78-2000 钢铁及合金化学分析方法 姜黄素直接光度法测定硼含量［S］.

［6］ GB/T 223.81-2007 钢铁及合金总铝和总硼含量的测定 微波消解-电感耦合等离子体质谱法［S］.

［7］ 杨贤，张洁，蔡金芳，等.电感耦合等离子体质谱法测定地质样品中硼［J］.冶金分析，2014，34（6）： 7-10.

［8］ Fujimoto K， Fujimoto M， Shimura， S. Determination of trace amounts of antimony and boron in high-purity iron and steel by isotope dilution/inductively coupled plasma mass spectrometry ［J］. Mater Trans， 2002， 43： 101-104.

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［10］ GB/T 20125-2006 低合金钢 多元素含量的测定 电感耦合等离子体原子发射光谱法［S］.

［11］ 徐晓云，贾德华，刘军，等.电感耦合等离子体发射光谱法测定硅质耐火原料中的硼［J］.化学分析计量，2015，24（4）： 29-31.

［12］ 彭昱菲，王本辉，徐晓莹，等.电感耦合等离子体原子发射光谱法测定耐火材料中三氧化二硼［J］.冶金分析，2014，34（6）：38-41.

联系人：黄辉；E-mail： huanghuicc@sina.com；

中图分类号：O657.3

文献标识码：A

文章编号：1008-6145（2016）01-0047-03

doi：10.3969/j.issn.1008-6145.2016.01.013

收稿日期：2015-09-08

Determination of Trace Boron in Low-Alloy Steel by Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectrometry

Huang Hui， Li Bentao， Li Ying， Zhao Hua， Ji Kejian， Gong Chen， Liu Xia
（CNGC Institue 53， Jinan 250031， China）

AbstractThe content of boron in low-alloy steel was determined by inductively coupled plasma atomic emission spectrometry （ICP-AES）. The sample was decomposed in microwave digestion instrument. The interference from matrix and co-existing elements were studied. The analysis line of boron was set on 208.959 nm. The matrix effect was corrected by matrix matching. The concentration of boron was linear with intensity of spectral line in the range of 0-5.00 µg/mL，with correlations coefficient （r2） of 0.999 9. The detection limit was 0.004 µg/mL，the recovery rate was 96%-103% and the relative standard deviation of determination results was 1.5%-2.9%（n=8）. The method has good sensitivity and accuracy， which can be used in the determination of boron in low-alloy steel.

Keywordlow-alloy steel； boron； inductively coupled plasma atomic emission spectrometry （ICP-AES）； microwave digestion