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1、锆及锆合金化学分析方法第27部分：痕量杂质元素的测定电感耦合等离子体质谱法编制说明（预审稿）西北有色金属研究院2018.11锆及锆合金化学分析方法 第27部分：痕量杂质元素的测定-电感耦合等离子体质谱法编制说明一、 工作简况1.1 任务来源及计划要求根据国标委国家标准委关于下达2017年第四批国家标准制修订计划的通知（国标委综合2017128号）精神的文件精神，由西北有色金属研究院负责起草国家标准锆及锆合金化学分析方法 第27部分：痕量杂质元素的测定 电感耦合等离子体质谱法国家标准，项目计划编号为20173516-T-610，项目要求2018年度完成。1.2 起草单位情况西北有色金属金属研究院
2、成立于1965年。是我国重要的稀有金属材料研究基地和行业技术开发中心、是国内稀有金属科研生产基地项目和稀有金属材料加工国家工程研究中心、金属多孔材料国家重点实验室、超导材料制备国家工程实验室、中国有色金属工业西北质量监督检验中心、层状金属复合材料国家地方联合工程研究中心等的依托单位，地处西安、宝鸡两地六区。研究院现有资产总值64.6亿元，仪器设备3000多台套，占地3428亩，正式职工2874人，其中科技人员近千余人，有中国工程院院士1人，教授、高工200多人，博士、硕士300余名。形成了以钛产业为主业，覆盖超导材料、金属纤维及制品、稀贵金属材料等产业的多元化格局，其产品广泛应用于航空、航天、
3、航海、信息、电子、能源、环保等国民经济重要领域。材料分析中心其前身可追溯至成立于1966年11月的西北有色金属研究院第三研究室（金属物理研究室）和第二研究室（化学分析研究室）。在四十多年的发展中，中心完成各类课题320项，获奖成果24项，其中省部级科技进步二等奖4项、三等奖9项，市局级科技进步一等奖1项、二等奖1项。制/修订国家、国家标准50多项；主持了钛及钛合金化学分析方法、锆及锆合金化学分析方法等标准方法，研制了钛合金化学成分标准物质一套，并获得科技部三等奖；申报专利10余项，发表论文500余篇。中心资质齐全，通过了CMA、CAL、CNAS、DiLAC认证，是全国(稀有金属)质量控制与评价
4、实验室、中国有色金属工业西北质量监督检验中心、陕西省有色金属产品质量监督检验站、陕西省有色金属材料分析检测与评价中心、陕西省核工业用金属材料分析检测与评价中心的主体，同时也承担了钛及钛合金生产许可证、铜及铜合金管材生产许可证检验机构。中心主要业务：有色金属的矿冶产品和加工材、贵金属及其加工产品及钢铁类产品的化学成份分析及物理性能测试任务，授权承接国家和省级技术监督部门规定的定期检验、监督抽查、产品鉴定及企事业单位的委托检验和仲裁检验，同时提供技术咨询、实验室规划设计，分析方法研究，标准试样研制和人员培训等服务项目。中心现有资产4200万元，各类检测设备60台套。1.3主要工作过程和内容 1.3
5、.1工作分工1.3.1.1西北有色金属研究院负责该标准方法起草，完成试验报告并送验证单位验证，征求意见后最终形成讨论稿、预审稿以及送审稿。1.3.1.2宝鸡钛业股份有限公司为第一验证单位，广东省工业分析检测中心、北矿检测技术有限公司、有研亿金新材料有限公司、国核宝钛锆业股份公司、国标（北京）检验认证有限公司为第二验证单位。1.3.2工作进度及标准编制过程根据任务落实会议精神，我院材料分析中心成立钛锆化学分析方法修订课题小组，完成相应的方法研究工作，汇总各验证单位数据，完成标准撰写工作。1）2018年3月14-3月16日昆明会议的“锆及锆合金化学分析方法标准任务落实会会议纪要”要求,批准由西北有
6、色金属研究院负责起草国家标准锆及锆合金化学分析方法 第27部分：痕量杂质元素的测定 电感耦合等离子体质谱法国家标准2）2018年4月组建钛锆化学分析方法起草小组：撰写开题报告，落实课题组长及课题成员的任务，确定标准编审原则。3）2018年5-6月完成相应的分析方法样品收集和研究内容，形成相应的征求意见稿、研究报告、征求意见表等，6月25日连同验证样品一起分别寄往各验证单位。4）截止2018年7月17日，陆续收到宝鸡钛业股份有限公司和有研亿金新材料有限公司的研究报告及反馈意见，汇总完成标准讨论稿、试验报告、意见汇总表及编制说明。5）2018年7月25日7月27日，参加全国稀有金属标准化技术委员会
7、在哈尔滨召开的标准讨论会；会上各位专家对标准提出了以下修改意见：标准封面及前言格式（包括标准分类号、中英文格式和发布单位字体及格式）按GB/T 1.1-2009进行修改；标准正文中的相关术语按GB/T 20001.4-2015进行修改；二、 标准编制原则2018年3月于昆明参加全国有色金属标准任务落实会，落实了锆及锆合金化学分析方法起草任务，批准由西北有色金属研究院主持修订锆及锆合金化学分析方法 第27部分：痕量杂质元素的测定-电感耦合等离子体质谱法。2018年4月西北有色金属研究院组建了钛锆化学分析方法起草小组：撰写开题报告，落实课题组长及课题成员的任务，确定标准编审原则；（1）以满足我国锆
8、及锆合金实际生产和使用的需要为原则。提高标准的适用性。（2）以与实际相结合为原则，提高标准的可操作性。（3）充分考虑国家法律、安全、卫生、环保法规的要求。（4） 完全按照GB/T 1.12009标准化工作导则 第1部分：标准的结构和编写规则、GB/T20001.4-2015标准编写规则 第四部分：试验方法标准的要求对本部分进行了编写。（5）本标准的制定有利于促进国内外锆及锆合金市场公平贸易并与国际痕量杂质元素检验分析接轨，具有可操作性。（6）本标准操作简便，高效。三 确定标准主要内容的依据锆是一种重要的稀有金属，具有较高的抗腐蚀性能、极高的熔点、超高的硬度和强度等特性，被广泛用在航空航天、军工
9、、核反应、原子能等领域。核安全引起全世界的广泛关注。民用锆及锆合金对杂质要求相对宽泛，但军用海绵锆或核级海绵锆对杂质含量要求非常严格，一些企业对有特殊用途的锆及锆合金材料中杂质元素的测定下限远低于产品标准。现有的原子能级海绵锆产品标准对杂质含量有明确要求（不大于）：硼0.00005%；钴0.002%；铜0.003%；锡、锰、钛、钒、钨和钼0.005%；镍0.007%；铝0.0075%；铪、铅0.010%；铬不大于0.020%；镁0.060%。但在样品测定过程中，发现铬、镁的含量也很低，一般均小于0.010%，适用于ICP-MS各杂质元素含量的分析主要以化学法为主，只能进行单一元素测定且操作繁琐
10、、周期长，某些元素的测定下限难以满足军用产品标准要求。因此建立快速准确可靠的锆中多元素杂质含量同时测定的分析方法尤为迫切。本研究经硝酸和氢氟酸低温加热溶解试料。用电感耦合等离子体质谱法测定铝、硼、钴、铜、铬、铪、镁、锰、钼、镍、铅、锡、钛、铀、钒和钨的含量；以内标法校正基体的影响。按工作曲线法计算各元素的质量浓度，以质量分数表示测定结果。其中铝、钴、铜、铬、铪、镁、锰、钼、镍、铅、锡、钛、铀、钒和钨的测定范围（质量分数）为0.0001%0.010%；硼的测定范围（质量分数）为0.00005%0.010%。方法灵敏度高、重现性好，实用性强。实验中主要完成了以下技术实验：RF功率（RF Power
11、）的确定图1 RF Power 对ICP-MS灵敏度的影响（以In为例）其他条件不变，在不同RF功率下测定10ng/mL In溶液的强度值。通过图1可看出：RF功率在1200W时In强度值最大，故确定RF功率为1200W。雾化器流量（Neb Gas Flow）的确定雾化器流量既可以影响ICP-MS的灵敏度，也可以影响氧化物离子和双电荷离子的浓度。氧化物离子和双电荷离子对分析中的许多原子都会造成质谱干扰，所以其浓度也必须控制在一定范围内。一般以CeO与Ce的强度比衡量氧化物含量，CeO/Ce0.03，以Ce +与Ce +的强度比衡量双电荷离子含量，Ce +/ Ce +0.03。图2 Neb Ga
12、s Flow 对ICP-MS灵敏度的影响（以In为例）图3 Neb Gas Flow 对CeO/Ce强度比的影响为了确定雾化器流量，首先在其他条件不变，不同雾化器流量下测定10ng/mL In溶液的强度值，如图2。其次，在其他条件不变，不同雾化器流量下测定10ng/mL Ce溶液中的CeO、Ce+的强度值，计算其强度值比，如图3。最后，在其他条件不变，不同雾化器流量下测定10ng/mL Ce溶液中的Ce+、Ce+的强度值，计算其强度值比，如图4。图4 Neb Gas Flow 对Ce+/Ce+度比的影响图2表明，雾化器流量在0.93 L/min时In强度值最大；图3表明，雾化器流量在0.90
13、L/min时CeO/Ce+比值达0.03，图4表明，雾化器流量,0.750.95时Ce +/ Ce +比值都在0.03以下。综合以上考虑，确定雾化器流量为0.90/min。表2 不同透镜电压下各元素的强度值Auto Lens Voltage (V)Be7 Intensity (cps)Co59 Intensity (cps)In115 Intensity (cps)5.0193937174484455.5244951265629106.0270965061816266.5280871486987117.02626741311159247.52409691341243478.0218866874
14、1296918.51792609201244499.01744589391180039.5145452287108256自动离子透镜（Auto Lens）电压的确定其他条件不变，对10ng/mL Be、Co、In混合溶液中的各元素从小到大依次施加不同程度的透镜电压，测定其强度值，如表2。表2表明Be7、Co59、In115分别在透镜电压6.5V、7.0V、8.0V时强度值最大，以透镜电压这三点对原子质量数作图，拟合形成一次曲线Y=0.017x+6.324，如图5。图5的曲线表明不同质量数的原子获得最佳灵敏度所需的不同电压，离子透镜将根据不同质量数自动调整施加电压值。图5 Auto Lens 校
15、准曲线测定同位素的选择根据被测元素同位素丰度高和无干扰的原则来进行选择，各元素测定同位素如表3所示。表3 同位素选择元素同位素质量数天然丰度/%Al 27100B1180.1Co59100Cu6369.1Cr5283.8Hf18035.1Mg2478.6Mn55100Mo9824.1Ni6026.2Pb208100Sn11824.2Ti495.41U23899.3V5199.8W18430.6检出限和检测下限对11份全流程空白溶液进行测定，计算标准偏差，以3倍的标准偏差作为检出限，10倍的标准偏差作为检测下限，各元素检出限和检测下限统计结果见表4。表4 检出限和检测下限元素检测限ng/mL检测下限ng/mLAl0.0250.083B0.0120.040Co0.0590.20Cu0.461.5Cr
