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钢铁和高温合金中钨含量的测定方法及钒的干扰问题

时间:2023-06-23 理论教育 版权反馈
【摘要】:钒虽然也能被还原为四价,但仍然能生成浅黄色的化合物而干扰钨的测定。本方法适用于钢铁及高温合金中钨含量的测定,测定范围为0.05%~20%。5)试样中含钒时,将形成与钨相似的色泽,使钨的测定结果偏离。在波长420nm处测量,1%钒相当于0.2%钨;在波长450nm处测量,1%钒相当于0.15%钨。但是,对于高钒低钨试样,采用校正值法误差较大,可采用铜铁试剂-三氯甲烷萃取分离钒后测定。

钢铁和高温合金中钨含量的测定方法及钒的干扰问题

钨作为钢中的合金元素之一,可以提高钢的蠕变强度,改善钢的耐回火性,提高高温强度,以及形成特殊碳化物而提高其耐磨性。因此,钨通常用于高温合金、各种工具钢以及硬质合金中。

钢中钨的含量差别很大,一般为0.3%~20%(质量分数),主要以碳化物形式存在,如WC、W2C、W3C、Fe2C·WC、Fe3C·3WC、3W2C·2FeC等,部分钨形成固溶体及Fe2W、W2N等形式。

钨不与盐酸硫酸作用,仅微溶于硝酸氢氟酸王水中。为了使钨溶解,可以使它形成络合物。例如,在浓磷酸中,磷酸与钨生成磷钨酸H3[P(W3O104],能促使钨溶解。钨还可溶解于硝酸-氢氟酸中,也能溶于过氧化氢中。

含钨钢通常溶解于盐酸(1+1)或硫酸(1+4)中,但试样中钨及其碳化物常以重质的黑色粉末状物沉淀,因此必须用氧化剂将其破坏,生成钨酸而溶解完全。但是,如果加硝酸的速度过快,又会使钨酸中夹杂有铁、铬、钒、钼、钛、锆、锡、磷、硅等,且钨酸微溶解于水及过量的盐酸和硝酸的混合酸中,在重量法或滴定法中,以钨酸形式析出时必须引起注意。

钨酸可溶于磷酸中,也能在碱溶液中与柠檬酸酒石酸等络合而存在于溶液中。钨对化学分析的影响,主要是由于钨含量高时极易水解产生钨酸浑浊,但要将其完全分离是困难的,并且以钨酸的形式分离时还会有吸附。消除这种影响的方法有三种:

①加磷酸、酒石酸或柠檬酸掩蔽。

②在冒硫酸或高氯酸烟时钨酸脱水后过滤。

③用强碱使钨酸转变为可溶性钨酸钠。

测定钨的重量法有辛可宁重量法、8-羟基喹啉重量法等。这些方法操作过程繁杂、冗长,还常常带有夹杂。其滴定分析法主要是将钨以钨酸形式沉淀析出后用强碱溶解,再控制一定的酸度,用钡盐、钙盐或铅盐沉淀为相应的钨酸盐,用EDTA滴定过剩的金属离子,从而间接求得钨含量。然而,在钢铁分析中,应用最多的是光度分析法,如硫氰酸盐光度法、对苯二酚光度法、邻苯二酚紫光度法、硫氰酸盐-氯化四苯胂-三氯甲烷萃取光度法、硫氰酸盐-盐酸氯丙嗪-三氯甲烷萃取光度法。

1.硫氰酸盐光度法

(1)方法提要 试样经酸分解,硫磷酸冒烟,使钨形成磷钨络合物,在盐酸介质中,用氯化亚锡及三氯化钛还原铁(Ⅲ)、钨(Ⅵ)、钼(Ⅵ),然后钨(Ⅴ)与硫氰酸盐生成黄绿色的钨酰硫氰酸络合物,以此进行光度法测定钨。

单独用氯化亚锡还原时,钼及钒有干扰。钼虽然能被还原成无色的硫氰酸钼(三价),但有一小部分是五价状态,形成橙红色,加少量三氯化钛可破坏微量残余硫氰酸钼的色泽。钒虽然也能被还原为四价,但仍然能生成浅黄色的化合物而干扰钨的测定。可以通过加入与试样中相近量的钒加以补偿,或以系数扣除法消除干扰。

本方法适用于钢铁及高温合金中钨含量的测定,测定范围为0.05%~20%(质量分数)。

(2)主要试剂

1)硫磷混合酸:将150mL硫酸溶于500mL水中,加300mL磷酸,冷却,用水稀释至1000mL。

2)氯化亚锡溶液(0.5%):将2.5g氯化亚锡溶于250mL盐酸,用水稀释至500mL。

3)三氯化钛溶液(1%钛):移取2mL市售三氯化钛溶液(15%),用盐酸(1+3)稀释至10mL,加少量纯锌还原处理。或将1g金属钛溶于25mL盐酸中,冷却,用水稀释至100mL。稀释后的溶液应当天使用。

4)硫氰酸钠溶液(25%):储于棕色瓶中。

(3)分析步骤 称取0.1000~0.5000g试祥(钨含量小于3%时,称取0.5g),置于200mL锥形瓶中,加20mL硫磷混合酸,加热溶解(或在王水中溶解后加硫磷酸),滴加2~3mL硝酸氧化,然后蒸发至冒白烟,冷却,加约30mL水溶解盐类(必要时可过滤),冷却,于容量瓶中稀释至50mL。

移取5mL试液两份,分别置于500mL容量瓶中,用于制备显色溶液和参比溶液。

显色溶液:加入40mL氯化亚锡溶液(0.5%)、3mL硫氰酸钠溶液(25%),用吸管加入1mL三氯化钛溶液(1%),用氯化亚锡溶液(0.5%)稀释至刻度。注意:每次加入试剂时都必须摇匀。

参比溶液:用氯化亚锡溶液(0.5%)稀释至刻度。

放置5~10min,用1~3cm比色皿,在波长420nm处测量吸光度。

(4)校准曲线的绘制 称取相应牌号的标准试样,按分析步骤操作,以吸光度对钨的质量分数绘制校准曲线。

(5)附注

1)溶解酸中的磷酸量及冒烟处理对硫氰酸盐光度法测定钨非常重要。50mL试样中应含有6mLH3PO4磷酸含量少,钨含量高时(即当称样量为0.5g,试样中钨含量为1.6%;或当称样量为0.1g,试样中钨含量为8%时),会偏离直线(即偏向浓度轴,吸光度值偏低)。增加磷酸并冒烟,可克服这一限度,可测至20%(称样量为0.1g)。如果只增加磷酸含量,但进行不冒烟处理,则不能克服这一现象。

2)显色时盐酸浓度影响很大,约控制在c(HCl)=5mol/L的条件下显色。酸度低时,显色速度慢,灵敏度也略低。钼的干扰在酸度低时严重,因此不宜采用。

3)钼含量大于3.5%时,形成的硫氰酸钼红色不能完全褪尽,可以增加三氯化钛溶液(1%)用量至1.5mL。

4)一般选择在波长420nm处测量吸光度,钨含量高的试样也可以选择在波长450nm处测量。钼含量高的试样选择在波长435nm处测量,可以抵消钼的影响。(www.xing528.com)

5)试样中含钒时,将形成与钨相似的色泽,使钨的测定结果偏离。在波长420nm处测量,1%钒相当于0.2%钨;在波长450nm处测量,1%钒相当于0.15%钨。因此,在用含钒标准试样绘制校准曲线时,钨的质量分数中应加上这一校正值。对含钒试祥进行分析时,应从校准曲线上查得的质量分数中减去钒校正值。但是,对于高钒低钨试样,采用校正值法误差较大,可采用铜铁试剂-三氯甲烷萃取分离钒后测定。

6)铜的质量分数大于2%时,将生成白色硫氰酸亚铜沉淀,必须在离心分离后取其澄清液进行测量。铌(Ⅴ)也可生成浅黄色的H[NbO(SCN)4]而干扰测定,可用草酸或磷酸络合将其掩蔽。

7)参比溶液如果按显色溶液操作加三氯化钛溶液(1%),则钨(Ⅵ)将逐渐被还原而呈现“钨蓝”色泽,因此不应加三氯化钛溶液(1%),但是这样会导致校准曲线不从“零”点开始(由于三氯化钛呈紫色)。在测定钨含量小于0.5%(质量分数)的试样时,应做试剂空白,即取2mL硫磷混合酸,置于50mL容量瓶中,按分析步骤操作,与氯化亚锡溶液比较测量吸光度,并自试样及校准曲线测量的吸光度中将其减去。

2.硫氰酸盐-盐酸氯丙嗪-三氯甲烷萃取光度法

(1)方法提要 试样经酸分解,在磷酸介质中用高氯酸冒烟。在c(HC1)=4~6mol/L的介质中,用氯化亚锡、三氯化钛还原铁(Ⅲ)、钨(Ⅵ)、钼(Ⅵ),然后钨(Ⅴ)与硫氰酸盐生成的络阴离子,再与盐酸氯丙嗪(CPH)阳离子生成多元缔合物,被三氯甲烷萃取,从而提高测定的选择性和稳定性,以此进行钨的光度法测定。

用三氯化钛还原钼,可消除钼的干扰。铌用氢氟酸掩蔽,并利用控制硫氰酸盐用量的办法消除钛的干扰。当大量铬存在时,可在高氯酸冒烟时滴加盐酸挥发而消除其干扰。

本方法适用于各类钢铁中微量钨(质量分数大于0.001%)的准确测定。

(2)主要试剂

1)盐酸氯丙嗪(CPH)-三氯甲烷溶液[c(CPH)=0.010mol/L]:称取1.776g CPH溶于500mL三氯甲烷中,储于棕色瓶中避光保存。

2)氯化亚锡溶液(50%):称取50g氯化亚锡溶于60mL盐酸中,加40mL水,用时现配。

3)三氯化钛溶液(3%):移取20mL市售三氯化钛溶液(15%),置于100mL容量瓶中,加30mL盐酸,用水稀释至刻度,加入纯锌粒充分还原后使用。

(3)分析步骤

1)不含钼、铌试样的分析步骤

①钨含量为0.0025%~0.100%(质量分数)试样的分析步骤:称取试样(钨质量分数为0.0025%~0.02%时,称取1.000g;钨质量分数小于0.04%时,称取0.500g;钨质量分数为0.4%~0.10%时,称取0.2g)置于150mL锥形瓶中(随同做试剂空白),加20mL稀王水,加热溶解,加入5mL磷酸、5mL高氯酸,加热至高氯酸冒烟到瓶口,取下稍冷,加30mL水及40mL盐酸,盐类溶解后冷却,于100mL容量瓶中用水稀释至刻度。

移取25mL试液置于125mL分液漏斗中,加5mL氯化亚锡溶液(50%),混匀,加3mL硫氰酸铵溶液(50%),放置15min(室温低于15℃时,放置20min),加10.0mL CPH-三氯甲烷溶液(0.010mol/L),振荡萃取1min,静置分层后,将有机相经滤纸或脱脂棉过滤至2cm比色皿中,在波长406nm处,以水为参比,测量吸光度,从中减去试剂空白的吸光度。在校准曲线上求得钨含量。

②钨含量为0.001%~0.005%(质量分数)时,称取1.000g试样,按①中的方法溶解,稀释至100mL。从中移取50mL试液,加10mL氯化亚锡溶液(50%)及6mL硫氰酸铵溶液(50%),其余操作同上。

2)含钼、铌试样的分析步骤

①含钼试样的分析步骤:在加入氯化亚锡溶液后,加2mL三氯化钛溶液(3%),混匀,静置15min,然后加硫氰酸铵溶液,其余操作同上。

②含铌试样的分析步骤:在移取的试液中,先滴加5滴氢氟酸,混匀后加氯化亚锡溶液和硫氰酸铵溶液,其余操作同上。

(4)校准曲线的绘制 称取与试样组分相似但含不同钨量的标准试样,按分析步骤操作,以吸光度对钨质量分数绘制校准曲线。

(5)附注

1)盐酸氯丙嗪,又名氯普马嗪、可乐静或冬眠灵。其摩尔质量为355.32g/mol,为白色粉末,易溶于水或三氯甲烷,见日光渐变红,通常保存在棕色瓶中。

2)显色酸度控制在c(HCl)=4~6mol/L为宜,大于6mol/L时,则有盐类析出。氯化亚锡溶液加入量应控制在2~5mL,过多则灵敏度降低,故一般在5mol/L的盐酸介质中加5mL氯化亚锡溶液(50%)。

3)铁的允许含量较大,当25mL被萃取液中含有50~250mg铁时,加入氯化亚锡溶液2~5mL,校准曲线重合。当50mL被萃取液中铁含量为500mg时,加10mL氯化亚锡溶液(50%)及6mL硫氰酸铵溶液(50%)后,吸光度稍有下降,但并不影响在此条件下对分析试样的测定。

4)铌有严重干扰,在分取液中滴加5滴氢氟酸即可掩蔽2.5mg铌。当试样中铌含量低时,可不加氢氟酸,否则读数不稳定,且容易使比色皿壁呈雾状,影响读数。

5)当试液中无钛时,硫氰酸盐的加入量在3mL以上时对测定无影响。但是当试液中存在钛时,吸光度偏高(因为钛的硫氰酸盐也能被CPH-三氯甲烷溶液萃取),且钛的干扰与硫氰酸铵的浓度有关:当被萃取水相中加入5mL硫氰酸铵溶液(50%)时,即c(NH4SCN)≈0.66mol/L时干扰最大;当硫氰酸铁溶液(50%)的加入量为3mL时,即c(NH4SCN)≈0.42mol/L时,即使有30mg钛也无妨。当试样中存在钼时,加入2mL三氯化钛溶液(3%)可掩蔽2.5mg钼。但这也与氯化亚锡加入量有关,采用5mL氯化亚锡溶液(50%),既可消除钼的干扰,又不降低钨络合物的吸光度。

在本方法所述的条件下,分取液中含有500mg铁(Ⅲ)、25mg铬(Ⅵ)、37.5mg镍(Ⅱ)、6mg锰(Ⅱ)、5mg铝(Ⅲ)、3.75mg钒(Ⅴ)或钴(Ⅱ)、2.5mg铜(Ⅱ)、0.75mg锆、0.25mg铈、2.5mg钼、30mg钛、2.5mg铌时不干扰测定。当铬含量大于25mg时,应当在高氯酸冒烟时滴加盐酸挥发将其除去。

6)三氯甲烷中钨含量在0~6μg/mL范围内符合比尔定律。

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