鋁合金中的測定

近年來鋁材在建筑行業中得到了廣泛的應用，但因其強度及彈性較低，硬度耐磨性較差，不適于制造承受大重量及強烈摩擦的構體。為了提高鋁的性能，常常在鋁中加入鎂、銅、錳、硅等元素，形成鋁合金，鋁合金克服了純鋁的不足，不但提高了強度，而且具有高塑性、良好的焊接性、較高的耐腐蝕性及壓力加工性能，可用于建筑行業[1，2]。煉制鋁合金的原料通常為廢鋁，而在回收的廢鋁中硅、鎂的含量很低，為了達到鋁合金的硬度和可塑性，便于擠壓成型，廢鋁熔解后要從熔爐中取樣，檢驗此時鋁錠中硅、鎂、銅、鐵、錳5種元素的含量，從而確定是否達到國家標準或企業標準。文章介紹了用光度法對廢鋁合金中硅、鎂、銅、鐵、錳5種元素分析測定方法。
表1  鋁合金原料中元素的含量要求
     要求        硅/%  鎂/%      銅/%   鐵/%   錳/%
 國標料的要求  0.38～0.42 0.55～0.60  ≤0.1  ≤0.35  ≤0.1
非國標料的要求 0.38～0.42 0.53～0.58  ≤0.15 ≤0.42  ≤0.1
1  實驗部分
1.1  儀器與試劑
    分光光度計、分析天平、容量瓶、燒杯、移液管等。
    鉬酸銨溶液、硫酸亞鐵銨溶液、鄰菲羅啉、三乙醇胺、EDTA-Pb、硼酸緩沖液、偶氮氯膦溶液、EDTA溶液檸檬酸銨溶液、BCO（雙環已酮草酰二腙）溶液、鹽酸羥胺溶液、醋酸－醋酸鈉緩沖液等。
1.2  母液及標準液制取
    由于鋁的表面鈍化，鈍化后不溶于硫酸和硝酸。因此，鋁合金試樣常常用NaOH溶液溶解到不溶時再用硝酸溶解。
    在熔鑄車間的熔爐中取出樣品，放入水中冷卻后，用鉆頭取樣。準確稱取0.5 g樣品放入燒杯中，量取15 mL的1+1的NaOH，倒入燒杯中溶解，在電爐上加熱，至有白煙冒出后，停止加熱。冷卻后，再緩緩加入50 mL 1+1的 HNO3，攪拌至出現絮狀物。冷卻后轉移至500 mL的容量瓶，用去離子水稀釋至刻度待用。
1.3  實驗原理
1.3.1  硅的分析原理
    選用硅鉬雜多酸光度法來測定。在一定的pH下，硅酸與鉬酸生成黃色的硅鉬雜多酸（硅鉬黃），硅鉬黃zui大吸收波長為350～355 nm。硅鉬黃被硫酸亞鐵等還原劑所還原，產物為硅鉬藍，zui大吸收波長為   810 nm。
1.3.2  鎂的分析原理
    選用偶氮氯膦I光度法。此方法是用三乙醇胺掩蔽鐵，用鄰菲羅啉掩蔽銅鎳，用酒石酸掩蔽鈣等元素，在pH為9.45～9.75條件下，與二價鎂離子形成紫紅色配合物，于580 nm波長下測定。
1.3.3  銅的分析原理
    選用雙環已酮草酰二腙光度法。試樣用NaOH分解，再用HNO3溶解殘渣，調節pH值至9.5，加入氨性緩沖溶液，Cu（II）與雙環己酮草酰二腙（BCO）作用生成1∶2的藍色可溶性配合物，于610 nm波長處測定吸光度。
1.3.4  錳的分析原理
    選用硝酸銀－過硫酸銨光度法。錳在鋁合金中以SiMn或FeMnSi狀態存在，試樣溶解后，以硝酸銀作催化劑，以過硫酸銨將二價錳氧化為七價錳，為了加快顯色速度，一般煮沸2～3 min即可完成顯色，為避免過量的過硫酸銨分解出的H2O2對高錳酸起還原作用，使顏色消褪，應在顯色*后，仍應繼續煮沸破壞過量的過硫酸銨，控制在3～4 min。完成后在535 nm波長處測定其吸光度。
1.3.5  鐵分析原理
    試樣先用NaOH分解，然后用硝酸分解殘余金屬。在酸性溶液中，二價鐵與鄰菲羅啉在pH為2～8的條件下，生成的1∶3的螯合物，此螯合物為紅色，在500～510 nm處有一吸收峰，其摩爾吸收系數為9.6×103紅色螯合物的生成，在室溫下約30 min就能顯色*，并可穩定16 h以上，用此方法簡單快捷，條件易控制，穩定性和重現性好。顯色后5 min內完成測定。
1.4  實驗步驟
1.4.1  硅測定方法
    取兩個50 mL的容量瓶，分別標上標樣、試樣。用移液管移取10 mL鋁合金標準溶液于標樣瓶中，   10 mL的母液置于試樣瓶中。在每個瓶中分別滴加1+1的氨水，邊加邊搖動瓶子邊觀察瓶中的溶液，至剛好出現沉淀后為止，再滴加1+2的HNO3至沉淀剛好溶解，再加入過量的HNO3 1.5 mL，搖勻，加入5 mL的鉬酸銨溶液搖勻，此時溶液反應后呈現出黃色（此為硅鉬黃），再將試樣瓶和標樣瓶同時放入沸水浴中加熱30 s，加入準確量取的40 mL的草硫酸混合液，迅速加入硫酸亞鐵銨溶液10 mL，搖勻，以去離子水定容搖勻。
    以去離子水為空白試劑參比，用1 cm比色皿，在波長為660 nm處，分別測定試液吸光度3次后取平均值，按下式計算標準溶液和試樣溶液中的含硅量。
硅%=（A2-0.02）/（A1-0.02）×G（G=0.44）
式中  G——標準鋁合金中硅的百分比含量；
      A1——標準鋁合金溶液測得的吸光度；
      A2——試樣溶液測得的吸光度。
1.4.2  鎂測定方法
    取3個50 mL的容量瓶，分別標上空白、標樣、試樣。在這3個瓶中依次用移液管吸取5 mL的純鋁溶液、5 mL鋁合金標準溶液、5 mL試樣溶液于各個容量瓶中。用移液管分別移取10 mL的鄰菲羅啉－三乙醇胺混合液，2 mL的EDTA-Pb溶液，10 mL的硼酸緩沖液，5 mL的偶氮氯膦溶液到3個容量瓶中，再用去離子水定容，充分搖勻。分別將顯色液倒入1 cm比色皿中，再在剩余的顯色液中加入3滴EDTA溶液，搖勻，以此為參比，在波長580 nm處測定吸光度，按下式計算標準溶液和試樣溶液中的含鎂量。
鎂%=（A2-B）/（A2-B）×G（G=0.562）
式中  G——標準鋁合金中鎂的百分比含量；
      B——純鋁溶液中測得的吸光度；
      A1——標準鋁合金溶液中測得的吸光度；
      A2——試樣溶液中測得的吸光度。
1.4.3  銅測定方法
    在兩個100 mL的容量瓶中分別移取10 mL鋁合金標準溶液和10 mL的試液，在每個瓶中各加入    5 mL的檸檬酸銨溶液，再投入一小塊pH試紙后，試紙變為紅色，再滴加幾滴氨水（1+3）溶液，直至瓶中的pH試紙由紅色變為淡藍色為止，再用1+1的鹽酸溶液調至pH為6，準確加入8 mL的1+3的氨水溶液，再加入10 mL的BCO溶液，用去離子水定容搖勻，靜置10 min后，用水作參比，用1 cm比色皿，在    610 nm波長處測其吸光度。
銅%= G×A2/A1（G=0.084）
式中  G——標準鋁合金中銅的百分比含量；
      A1——標準鋁合金溶液測得的吸光度；
      A2——試樣溶液測得的吸光度。
1.4.4  錳測定方法
    分別移取10 mL鋁合金標準溶液和10 mL的試液于兩個250 mL的燒杯中，加混合酸20 mL，再加入1 g左右的過硫酸銨搖勻，煮沸1 min，取下冷卻，轉入100 mL的容量瓶中。用水作參比，用1 cm比色皿，在535 nm波長處測其吸光度。
錳%= G×A2/A1（G=0.081）
式中  G——標準鋁合金中錳的百分比含量；
      A1——標準鋁合金溶液測得的吸光度；
      A2——試樣溶液測得的吸光度。
1.4.5  鐵測定方法
    分別移取10 mL鋁合金標準溶液和10 mL的試液于50 mL的棕色的容量瓶中，加入2 mL的鹽酸羥胺溶液搖勻，再加入10 mL的醋酸－醋酸鈉緩沖液，加入5 mL的鄰菲羅啉溶液，用水定容搖勻，以水為參比，用1 cm比色皿在508 nm波長處測其吸光度。
鐵%=G×A2/A1（G=0.23）
式中  G——標準鋁合金中鐵的百分比含量；
      A1——標準鋁合金溶液測得的吸光度；
      A2——試樣溶液測得的吸光度。
2  實驗數據的記錄及計算（表2）

表2  實驗數據記錄與計算
       
3  結  論
    通過以上實驗，分析得出熔爐鋁液中硅、鎂、銅、鐵、錳5種元素的含量為硅0.537%、鎂0.354%、銅0.088%、錳0.151%、鐵0.234%，與表1相比較，得出硅的含量偏高，鎂的量不足，其他3種元素符合國標的要求，為了達到在擠壓成型過程中的硬度和韌性適中，可參考標準中的數值向爐中加入一定量的鎂和低硅的鋁原料即可。