NONFERROUS METALSPROCESSING
有色金属加工Vol48 No5October2019
DOI:10.3969/j.issn.1671-6795.2019.05.018
系列纯铜光谱分析用标准样品的研制
刘 枫
(洛阳铜加工集团有限责任公司ꎬ河南洛阳471039)
摘 要:通过成分设计、合理的配料原则和加料顺序、熔炼和挤制工艺ꎬ研制出了系列纯铜光谱分析用标准样品ꎮ经国内外8家实验室采用ICP-AES、AAS、分光光度法、燃烧-碘酸钾滴定法等方法进行定值分析ꎮ结果表明ꎬ该系列标准样品的均匀性、成线性良好ꎬ适用于纯铜及高铜合金系列产品中主量元素及杂质元素的分析检测ꎮ关键词:纯铜ꎻ光谱分析ꎻ标准样品
中图分类号:TG146.1+1 文献标识码:B 文章编号:1671-6795(2019)05-0066-05
现代社会对铜及其合金材料的性能需求越来越高ꎬ使铜及其合金材料的研究得以极大发展ꎮ其中高纯化和微合金化成为目前高性能铜合金材料研究的主要方向之一ꎮ传统意义上的纯铜包括无氧铜、纯铜和低合金化的高铜合金ꎬ其主要性能特点是高导电、导热性ꎬ在电传输方面具有举足轻重的作用ꎮ主要用于电力输送的电缆、变压器、高频和超高频发射管、磁控管等电真空器件及热交换管、引线框架材料等ꎮ近年来ꎬ随着我国经济的高速发展ꎬ纯铜生产规模得以不断扩大ꎬ产品竞争更加激烈ꎬ用户对产品质量的要求越来越高ꎬ纯铜系列产品标准也进行了较大的改进和变化ꎻ先进的化学成份检测仪器如光电直读光谱仪、X射线荧光光谱仪和等离子发射光谱仪的广泛应用ꎬ使得光谱分析用标准样品的市场迅速扩大ꎮ目前
市场上紫铜系列标准样品无论在数量上还是在成分上已无法满足要求ꎬ为了满足铜加工行业对纯铜仪器分析用标准物质的需求ꎬ我们研制了系列纯铜光谱标准样品ꎮ
1 主要研制工艺
1.1 成分设计
我们查阅了国内外产品标准及国内企业产品标准(中国、美国、日本、ISO等)ꎬ参照主要的且有代表性的标准进行成份设计ꎬ使其能够满足现行标准的化学成分要求ꎮ考虑到标准中从纯铜到高铜合金元素含量范围跨度较大ꎬ以及Fe、P等元素不易均匀等困难ꎬ该系列标样按9~10个点设计ꎮ本系列标样化学成份设计见表1ꎮ
表1 系列纯铜标样成份设计(质量分数ꎬ%)
Tab.1 CompositiondesignoftheSeriescopperstandardsample(wt.%)
编号T00T01T02T03T04T05
Pb-0.0020.0040.0010.0080.015
Fe0.0020.0070.0050.0030.0100.050
Bi-0.00050.0040.0010.0020.007
Sb-0.0020.0030.0010.0050.008
As-0.0010.0030.0040.0050.009
Sn-0.0010.0020.0030.0070.010
Ni-0.0030.0040.0010.0100.008
Zn0.00150.0030.0050.0100.0200.060
P0.0200.0020.0030.0060.0100.020
S0.0010.0020.0030.0020.0050.006
Se-0.0010.0020.0040.0050.007
Te-0.0010.0020.0040.0060.009
收稿日期:2018-12-30
作者简介:刘枫(1978—)ꎬ男ꎬ工程师ꎬ主要从事光谱分析和标准样品的研制工作ꎮ
第5期
编号T06T07T08T09
Pb0.0500.0300.0600.006
Fe0.0700.1000.0800.140
Bi0.0200.0100.0070.002
Sb0.0200.0100.0090.004
As0.0300.0100.0150.020
有色金属加工
Sn0.0500.0200.0800.060
Ni0.0400.0300.0700.050
Zn0.0500.0400.0300.050
P0.0400.0300.0600.050
S0.0050.0070.0090.010
Se0.0100.0120.015-
Te
67
0.0100.0050.012-
1.2 熔炼和加工工艺
1.2.4 挤制工艺
采用200kW中频感应炉熔炼ꎮ选用高纯阴极铜
作原料ꎬZn、Pb、Ni、Bi、Sn、Se、Te元素以纯金属或纯非金属形式加入过选择合理的加料顺序-ꎬFe、P、As、Sb、S分别以Cu-Fe、Cu-P、CuAs、Cu-Sb、CuS中间合金或化合物形式加入、熔铸温度、保温时间以及采ꎮ通取精炼和除气措施等ꎬ采用独特的铸造工艺浇铸成Φ195mm中元素含量×1200mmꎬ确定合理的铸锭温度的铸锭ꎮ根据系列纯铜标准样品、挤制压力并选择合适的模具ꎬ挤制得到Φ45mm棒ꎬ再由拉伸机拉伸成Φ40mm品加工成规格为的棒ꎮ再用锯床和车床Φ40mm×40mm、和铣床分别将标准样Φ40mm×20mm的棒状和屑状ꎮ1.2.1 配料原则
原料(1)ꎬ以保证标准样品中各元素成分符合预期熔炼纯铜标准样品需高品质的高纯阴极铜作
ꎻ(2)将难熔和易挥发、易氧化的元素制成中间合金ꎻ(3)确定配料比时ꎬ应考虑各元素在熔炼过程中的烧损情况ꎬ提高配料比及确定补偿量ꎮ1.2.2 采用合理的加料顺序目的是为了保证熔体品质加料顺序
、
减少金属的熔炼损失ꎮ本试验的加料顺序是ꎬ首先将高纯阴极铜酸洗ꎬ并将其晾干ꎬ保证炉料清洁干燥、无尘土、油污、腐蚀物ꎬ按铜量的4/5加入炉中ꎬ待铜完全熔化后ꎬ加入Ni等难容金属ꎬ熔化完全后ꎬ将剩余的Cu和熔出大量热量的金属同时装炉ꎬ以避免熔体的大量吸气和烧损ꎮ熔化完全后加入Cu-P除气ꎬ再加入Pb、Cu-Fe、Cu-As、CuS、Zn、Bi、Cu-Sb、Te、1.2.3 Se等金属熔炼工艺ꎮ
熔炼温度需要考虑高熔点元素和易氧化挥发元
素的双重影响ꎮ温度过低ꎬ金属熔化不充分ꎬ不完全ꎬ合金化速度慢ꎬ从而造成液相成份的不均匀ꎮ温度过高ꎬ元素烧损严重ꎬ吸气倾向大ꎬ氧化夹杂多ꎬ严重影响标准样品的均匀性ꎮ根据经验该系列标准样品的熔炼温度控制在1120℃~1200℃之间ꎮ
挤制是铜合金标准样品研制的一道重要工序ꎬ使
标准样品更加均匀化ꎬ本试验根据系列纯铜标准样品中元素含量ꎬ确定合理的铸锭温度、挤制压力并选择1.3 合适的模具铸锭样品的金相组织检查
ꎬ经3000t挤压机挤制得到Φ40mm棒ꎮ
从每个样号的上中下3个部位取3块样品进行
金相组织检查ꎬ通过金相试片低倍检验ꎬ可证明铸锭1.4 组织致密铸锭样品的均匀性初检
、均匀、无气孔、疏松和夹杂等缺陷ꎮ
采用SpectroLabS光电直读光谱仪对3个铸锭
试片进行化学成份偏析检验ꎬ每个试片激发3点ꎬ得
到3×3个分析数据ꎬ并依次进行均匀性初检ꎮ其计算和判定方法如下:计算出3个试片共9次测量的标准偏差(S)后ꎬ与测量方法的允许差(Δ)相比较进行判断S>1ꎻ当/2Δ15S≤1/2Δ时ꎬ认为均匀性初检合格ꎻ当151.5 标准样品的均匀性是标样的最关键指标之一标准样品的均匀性检验时ꎬ认为均匀性初检不合格ꎮ
ꎬ标样化学成分必须均匀T409ꎮ根据GB/块ꎬ用-1998Spectro的规定LabꎬS采用随机抽样法抽取T15000-光电直读光谱仪进行测定201994个标准样和YS/ꎬ每个样块激发3次ꎬ每个元素得到3×20个数据ꎬ用极差法进行均匀性检验ꎮ极差法检验公式如下:若RAꎬ则总体均匀ꎻ若R0/R≤R-
-
-
0/R>Aꎬ则总体不均匀ꎻ式中ꎬ
0=Xmax-XminꎻXmax为样品的最大组内平均值ꎻX-
m
min
为样品最小组内平均值ꎻR=
差平均值ꎻRi为样品组内极差∑i=1
Ri/m为各样品的极ꎻA为与抽样数(m)、每1.6 组数据个数定值分析
(n)及置信度(α)有关的统计常数ꎮ
标样的最终定值也是标样的最关键指标之一ꎬ定
值必须准确可靠ꎮ根据GB/T15000和YS/T409中对标准样品定值的有关要求ꎬ我们委托北京有色金属研究总院、澳大利亚USL公司等国内外8家实验室协作分析定值ꎬ每个元素报4个数据ꎬ所得结果如无特殊原因不得任意舍弃ꎬ一般将每个实验室平均值作
68
有色金属加工
第48卷
为无偏估计值ꎬ各实验室平均值的总平均值作为最佳估计值ꎮ各元素定值分析方法见表2
表2 纯铜标准样品分析方法
Tab.2 Standardsampleanalysismethodforpurecopper
元素PbFeSbSnNiBi
ICP-AESꎻAASꎻICP-MS
分析方法
据ꎬ考虑到测定次数的有限性及平均值和中位值比较1.7.1 标准值xij∑∑i=1j=1
N
m
n
接近ꎬ故对非正态分布的数据视同正态分布处理ꎮ
根据GB/T15000ꎬ标准值的计算为ꎬX=
ꎻ式中ꎬm为测量组数ꎻn为每组报出结果
ICP-AESꎻAASꎻ邻二氮杂菲分光光度法ꎻICP-MSICP-AESꎻAASꎻ碘化钾分光光度法ꎻICP-MSICP-AESꎻAASꎻ甲苯萃取分光光度法ꎻICP-MSICP-AESꎻAASꎻ萃取钼蓝分光光度法ꎻICP-MSICP-AESꎻPF-OP分光光度法ꎻICP-MSICP-AESꎻAASꎻICP-MSICP-AESꎻAASꎻICP-MS酸盐分光光度法
1.7.2 标准值的不确定度性(SW)ꎮ
数ꎻN为报出结果总数ꎻxij为单次测量值ꎮ
标准值的不确定度由3个方面组成ꎬ即定值不确
As
定性(S0)、标准样品不均匀性(SL)和标准样品不稳定
⑴定值不确定度ꎬ即总平均值的标准不确定度
(xi∑i=1
m
ZnPSSeTe
ICP-AESꎻ萃取钼蓝光度法ꎻ钒钼黄光度法ꎻICP-MSꎻ钼燃烧-滴定法ꎻ红外碳硫法ꎻICP-MSICP-AESICP-AES
S0ꎬS0=
-x)2
⑵标准样品不均匀性的不确定度ꎬ即样品组内、组
1Q1Q2
-)ꎻ式中ꎬQ1=(nv1v2
m(m-1)
ꎻ式中ꎬx为组内平均值ꎮ
间均方根误差SLꎬSL=n∑i=1
m
2
1.7 数据处理和标准值的确定
(xi-x)ꎬ即组间差平方和ꎻQ2=
对各实验室的测试数据进行汇总ꎬ各元素的测试
数据用Dixon检验法进行异常值检验ꎬ用Shapiro-
(xij-xi)2ꎬ即组内差平方和ꎻv1=m-1ꎻv2=m(n-1)ꎻm为抽取样品数ꎬn为对每个样品测量次数ꎮ
(3)标准样品不稳定性的不确定度ꎬ我们曾对70
∑∑i=1j=1
mn
Wilk检验法对各组平均值的正态性进行检验ꎬ用Cochran检验法对各组数据进行等精度检验ꎮ对于出现异常的值与其余几家结果平均值差值和化学分析方法的再现性限比对ꎬ小于化学分析方法的再现性限ꎬ说明该值可信ꎬ可参与定值结果的统计ꎬ反之ꎬ予以剔除ꎮ剔除异常值后ꎬ以各成分的单元平均值作为一组新的测试数据ꎬ计算平均值和标准偏差ꎬ以所得平均值作为最终定值结果ꎮ对于检验出的非正态数
年代研制的铜合金标样进行了稳定性试验ꎬ其定值结果稳定ꎮ因此ꎬ该项不确定度可以忽略ꎮ
(4)合成不确定度U合ꎬU合=
(5)扩展不确定度UPꎬUP=kpU合ꎮ(1)金相组织检查结果如图1所示ꎮ
S0
2+SL
2ꎮ
2 结果与分析
图1 Fig.1
第5期
有色金属加工
69
检查结果表明ꎬ该套标准样品内部组织结构完全可满足光谱分析的需要ꎮ(2)铸锭样品均匀度初检结果见表3ꎮ检验结果表明ꎬ所得系列纯铜标准样品铸锭化学成分均匀ꎬ无偏析ꎻ各元素的1.5S均小于1/
2Δꎮ因此ꎬ所得系列纯铜标准样品铸锭化学成分均05ꎬ3ꎬ20)1.827ꎬ因此ꎬ可认为该套标准样品是均匀的ꎮ(4)纯铜标准样品定值结果及不确定度见表4ꎮ匀ꎬ无偏析ꎮ(3)经检验ꎬ统计值均小于临界值A(0.
表3 铸锭样品均匀度初检结果
Tab.3 Initialtestresultofingotsampleuniformity
元素
T01
1.5S1/2Δ1.5S1/2Δ1.5S1/2Δ1.5S1/2Δ1.5S1/2Δ1.5S1/2Δ1.5S1/2Δ1.5S1/2Δ1.5S1/2Δ1.5S1/2Δ
Pb--0.000150.000250.000210.000250.000140.000250.000200.000650.000680.001500.000780.002500.000630.00250.000150.000400.000270.00065
Fe0.00010.00030.00030.00050.000250.000500.000210.00025--0.001260.002000.00170.00400.000780.001000.00140.00400.0050.010
-0.000090.00010.000130.000200.000070.000100.000090.000200.000120.000200.00050.00100.000230.000500.000180.000500.00010.0002Bi
Sb--0.000130.00020.000080.000500.000100.000200.000170.000500.000210.000500.000370.00200.000220.00100.000280.0010--
As--0.000100.00020.000150.000200.000120.000500.000150.000500.000330.001000.00030.00200.000230.00100.000280.00100.00020.0020
Sn--0.000140.00020.000100.000200.000100.000500.00010.00100.000440.00200.00050.00400.000480.002000.00080.00500.00140.0040
Ni--0.000110.00040.000180.000400.000100.000200.00010.00150.000180.000750.00080.00250.00050.00250.00070.00300.00110.0050
Zn0.00020.00040.000180.000350.000230.000350.00030.00100.00060.0030--0.00090.00300.00130.00300.00170.00200.00140.010
P0.00130.00150.000100.00150.000240.000400.000230.000600.00090.00150.000770.001500.00150.00200.00120.00200.00020.00050.00120.0020
S0.00010.00020.000150.000250.000180.000250.000080.000150.000210.000250.000330.000500.00020.00050.000290.000500.00060.00250.00020.0005
Se--0.000110.000250.000090.00025--0.000120.000350.000170.000450.00020.00100.000150.000250.00020.0005--
Te--0.000120.000250.000100.00025--0.000180.000300.000200.000500.00030.00100.000210.00025----
T01
T02
T03
T04
T05
T06
T07
T08
T09
表4 纯铜标准样品的标准值和扩展不确定度(置信概率95%ꎬKp=2.37ꎬn=8)
Tab.4 Standardvalueandextendeduncertaintyofpurecopperstandardsamples(Confidenceprobability95%ꎬKp=2.37ꎬn=8)
编 号
T00
标准值(w/%)不确定度(w/%)标准值(w/%)不确定度(w/%)
Pb--0.00160.0002
Fe0.00220.00020.00700.0003
Bi--0.000600.00007
Sb--0.00210.0001
As--0.00130.0002
Sn--0.000970.00017
Ni--0.00250.0001
Zn0.00150.00010.00240.0002
P0.02000.00100.00170.0002
S0.0013-0.00210.0003
Se--0.0013-
Te--0.0016-
T01
70
编 号
T02
标准值(w/%)不确定度(w/%)标准值(w/%)不确定度(w/%)标准值(w/%)不确定度(w/%)标准值(w/%)不确定度(w/%)标准值(w/%)不确定度(w/%)标准值(w/%)不确定度(w/%)标准值(w/%)不确定度(w/%)标准值(w/%)不确定度(w/%)
Pb0.00370.00020.000970.000070.00790.00020.01540.00060.0445-0.0312-0.0558-0.00570.0003
Fe0.00470.00040.00320.0003--0.04750.00110.06520.00260.01980.0012--0.1420.007
Bi0.00330.00030.000950.000070.00170.00020.00590.00030.0190-0.0093-0.0062-0.00190.0002
Sb0.00320.00020.000980.000110.00520.00030.00770.00040.0210-0.0108-0.0078---
有色金属加工
As0.00260.00020.00320.00020.00520.00030.00830.00040.0250-0.0136-0.0139-0.0201-
Sn0.00180.00020.00370.00030.00700.00040.01420.00060.04890.00070.01830.00050.06890.00100.05920.0010
Ni0.00350.00010.00110.00010.01180.00030.00900.00020.04230.00100.02420.00070.06870.00140.05270.0010
Zn0.00420.00030.00870.00030.01820.0012--0.04430.00200.03310.00190.02470.00140.05120.0025
P0.00290.00020.00880.00040.01030.00180.02220.00100.04140.00150.02990.00140.05870.00230.03360.0013
S0.00370.00020.00190.00030.0050-0.00470.00030.00440.00020.00630.00030.00910.00030.0077-
Se0.0022---0.0051-0.0071-0.0109-0.0070-0.0104---
第48卷
Te0.0016---0.0052-0.0082-0.0120-0.0054-0.0087--
T03
T04
T05
T06
T07
T08
T09
注:表中没有给出不确定度的为3家定值结果ꎮ
随机抽取3套标准样品ꎬ使用光电直读光谱仪ꎬ在最佳分析条件下测定标准样品ꎬ每个样品测定3次ꎬ以各元素平均强度值与标准值制作工作曲线ꎬ工作曲线呈良好的线性ꎬ无严重偏离曲线的点存在ꎮ其各元素工作曲线相关系数为ꎬKBi=0.9957ꎬKPb==0.9997ꎬKSb=0.9943ꎬKP=0.9962ꎬKZn=0.9951ꎮ09978ꎬKNi=0.9998ꎬKAs=0.9985ꎬKFe=0.9980ꎬKSn
成分均匀ꎬ覆盖面广ꎬ工作曲线呈线性好ꎬ可替代同类进口标样ꎮ本系列标准样品的研制成功必将对纯铜系列产品的分析和质量控制产生积极作用ꎮ
参考文献
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析ꎬ2001ꎬ21(3):64-67.
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ResearchonSeriesofStandardSamplesforSpectralAnalysisofPureCopper
(LuoyangCopperGroupCo.ꎬLtd.ꎬLuoyang471039ꎬChina)
LiuFeng
Abstract:Basedoncompositiondesignꎬreasonablebatchingprincipleꎬfeedingsequenceꎬmeltingandextrusionprocessꎬa
seriesofstandardsamplesforpurecopperspectralanalysisaredeveloped.TheconstantvalueanalysisbyICP-AESꎬAASꎬspectrophotometryꎬandcombustion-potassiumiodatetitrationin8laboratoriesathomeandabroadshowsthattheseriesofstandardsampleshavegooduniformityandlinearityꎬwhichissuitablefortheanalysisanddetectionofmajorandimpurityelementsinpurecopperandhighcopperalloyseriesproducts.Keywords:purecopperꎻspectrumanalysisꎻreferencematerials
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