铝合金中的测定

近年来铝材在建筑行业中得到了广泛的应用，但因其强度及弹性较低，硬度耐磨性较差，不适于制造承受大重量及强烈摩擦的构体。为了提高铝的性能，常常在铝中加入镁、铜、锰、硅等元素，形成铝合金，铝合金克服了纯铝的不足，不但提高了强度，而且具有高塑性、良好的焊接性、较高的耐腐蚀性及压力加工性能，可用于建筑行业[1，2]。炼制铝合金的原料通常为废铝，而在回收的废铝中硅、镁的含量很低，为了达到铝合金的硬度和可塑性，便于挤压成型，废铝熔解后要从熔炉中取样，检验此时铝锭中硅、镁、铜、铁、锰5种元素的含量，从而确定是否达到国家标准或企业标准。文章介绍了用光度法对废铝合金中硅、镁、铜、铁、锰5种元素分析测定方法。
表1  铝合金原料中元素的含量要求
     要求        硅/%  镁/%      铜/%   铁/%   锰/%
 国标料的要求  0.38～0.42 0.55～0.60  ≤0.1  ≤0.35  ≤0.1
非国标料的要求 0.38～0.42 0.53～0.58  ≤0.15 ≤0.42  ≤0.1
1  实验部分
1.1  仪器与试剂
    分光光度计、分析天平、容量瓶、烧杯、移液管等。
    钼酸铵溶液、硫酸亚铁铵溶液、邻菲罗啉、三乙醇胺、EDTA-Pb、硼酸缓冲液、偶氮氯膦溶液、EDTA溶液柠檬酸铵溶液、BCO（双环已酮草酰二腙）溶液、盐酸羟胺溶液、醋酸－醋酸钠缓冲液等。
1.2  母液及标准液制取
    由于铝的表面钝化，钝化后不溶于硫酸和硝酸。因此，铝合金试样常常用NaOH溶液溶解到不溶时再用硝酸溶解。
    在熔铸车间的熔炉中取出样品，放入水中冷却后，用钻头取样。准确称取0.5 g样品放入烧杯中，量取15 mL的1+1的NaOH，倒入烧杯中溶解，在电炉上加热，至有白烟冒出后，停止加热。冷却后，再缓缓加入50 mL 1+1的 HNO3，搅拌至出现絮状物。冷却后转移至500 mL的容量瓶，用去离子水稀释至刻度待用。
1.3  实验原理
1.3.1  硅的分析原理
    选用硅钼杂多酸光度法来测定。在一定的pH下，硅酸与钼酸生成黄色的硅钼杂多酸（硅钼黄），硅钼黄zui大吸收波长为350～355 nm。硅钼黄被硫酸亚铁等还原剂所还原，产物为硅钼蓝，zui大吸收波长为   810 nm。
1.3.2  镁的分析原理
    选用偶氮氯膦I光度法。此方法是用三乙醇胺掩蔽铁，用邻菲罗啉掩蔽铜镍，用酒石酸掩蔽钙等元素，在pH为9.45～9.75条件下，与二价镁离子形成紫红色配合物，于580 nm波长下测定。
1.3.3  铜的分析原理
    选用双环已酮草酰二腙光度法。试样用NaOH分解，再用HNO3溶解残渣，调节pH值至9.5，加入氨性缓冲溶液，Cu（II）与双环己酮草酰二腙（BCO）作用生成1∶2的蓝色可溶性配合物，于610 nm波长处测定吸光度。
1.3.4  锰的分析原理
    选用硝酸银－过硫酸铵光度法。锰在铝合金中以SiMn或FeMnSi状态存在，试样溶解后，以硝酸银作催化剂，以过硫酸铵将二价锰氧化为七价锰，为了加快显色速度，一般煮沸2～3 min即可完成显色，为避免过量的过硫酸铵分解出的H2O2对高锰酸起还原作用，使颜色消褪，应在显色*后，仍应继续煮沸破坏过量的过硫酸铵，控制在3～4 min。完成后在535 nm波长处测定其吸光度。
1.3.5  铁分析原理
    试样先用NaOH分解，然后用硝酸分解残余金属。在酸性溶液中，二价铁与邻菲罗啉在pH为2～8的条件下，生成的1∶3的螯合物，此螯合物为红色，在500～510 nm处有一吸收峰，其摩尔吸收系数为9.6×103红色螯合物的生成，在室温下约30 min就能显色*，并可稳定16 h以上，用此方法简单快捷，条件易控制，稳定性和重现性好。显色后5 min内完成测定。
1.4  实验步骤
1.4.1  硅测定方法
    取两个50 mL的容量瓶，分别标上标样、试样。用移液管移取10 mL铝合金标准溶液于标样瓶中，   10 mL的母液置于试样瓶中。在每个瓶中分别滴加1+1的氨水，边加边摇动瓶子边观察瓶中的溶液，至刚好出现沉淀后为止，再滴加1+2的HNO3至沉淀刚好溶解，再加入过量的HNO3 1.5 mL，摇匀，加入5 mL的钼酸铵溶液摇匀，此时溶液反应后呈现出黄色（此为硅钼黄），再将试样瓶和标样瓶同时放入沸水浴中加热30 s，加入准确量取的40 mL的草硫酸混合液，迅速加入硫酸亚铁铵溶液10 mL，摇匀，以去离子水定容摇匀。
    以去离子水为空白试剂参比，用1 cm比色皿，在波长为660 nm处，分别测定试液吸光度3次后取平均值，按下式计算标准溶液和试样溶液中的含硅量。
硅%=（A2-0.02）/（A1-0.02）×G（G=0.44）
式中  G——标准铝合金中硅的百分比含量；
      A1——标准铝合金溶液测得的吸光度；
      A2——试样溶液测得的吸光度。
1.4.2  镁测定方法
    取3个50 mL的容量瓶，分别标上空白、标样、试样。在这3个瓶中依次用移液管吸取5 mL的纯铝溶液、5 mL铝合金标准溶液、5 mL试样溶液于各个容量瓶中。用移液管分别移取10 mL的邻菲罗啉－三乙醇胺混合液，2 mL的EDTA-Pb溶液，10 mL的硼酸缓冲液，5 mL的偶氮氯膦溶液到3个容量瓶中，再用去离子水定容，充分摇匀。分别将显色液倒入1 cm比色皿中，再在剩余的显色液中加入3滴EDTA溶液，摇匀，以此为参比，在波长580 nm处测定吸光度，按下式计算标准溶液和试样溶液中的含镁量。
镁%=（A2-B）/（A2-B）×G（G=0.562）
式中  G——标准铝合金中镁的百分比含量；
      B——纯铝溶液中测得的吸光度；
      A1——标准铝合金溶液中测得的吸光度；
      A2——试样溶液中测得的吸光度。
1.4.3  铜测定方法
    在两个100 mL的容量瓶中分别移取10 mL铝合金标准溶液和10 mL的试液，在每个瓶中各加入    5 mL的柠檬酸铵溶液，再投入一小块pH试纸后，试纸变为红色，再滴加几滴氨水（1+3）溶液，直至瓶中的pH试纸由红色变为淡蓝色为止，再用1+1的盐酸溶液调至pH为6，准确加入8 mL的1+3的氨水溶液，再加入10 mL的BCO溶液，用去离子水定容摇匀，静置10 min后，用水作参比，用1 cm比色皿，在    610 nm波长处测其吸光度。
铜%= G×A2/A1（G=0.084）
式中  G——标准铝合金中铜的百分比含量；
      A1——标准铝合金溶液测得的吸光度；
      A2——试样溶液测得的吸光度。
1.4.4  锰测定方法
    分别移取10 mL铝合金标准溶液和10 mL的试液于两个250 mL的烧杯中，加混合酸20 mL，再加入1 g左右的过硫酸铵摇匀，煮沸1 min，取下冷却，转入100 mL的容量瓶中。用水作参比，用1 cm比色皿，在535 nm波长处测其吸光度。
锰%= G×A2/A1（G=0.081）
式中  G——标准铝合金中锰的百分比含量；
      A1——标准铝合金溶液测得的吸光度；
      A2——试样溶液测得的吸光度。
1.4.5  铁测定方法
    分别移取10 mL铝合金标准溶液和10 mL的试液于50 mL的棕色的容量瓶中，加入2 mL的盐酸羟胺溶液摇匀，再加入10 mL的醋酸－醋酸钠缓冲液，加入5 mL的邻菲罗啉溶液，用水定容摇匀，以水为参比，用1 cm比色皿在508 nm波长处测其吸光度。
铁%=G×A2/A1（G=0.23）
式中  G——标准铝合金中铁的百分比含量；
      A1——标准铝合金溶液测得的吸光度；
      A2——试样溶液测得的吸光度。
2  实验数据的记录及计算（表2）

表2  实验数据记录与计算
       
3  结  论
    通过以上实验，分析得出熔炉铝液中硅、镁、铜、铁、锰5种元素的含量为硅0.537%、镁0.354%、铜0.088%、锰0.151%、铁0.234%，与表1相比较，得出硅的含量偏高，镁的量不足，其他3种元素符合国标的要求，为了达到在挤压成型过程中的硬度和韧性适中，可参考标准中的数值向炉中加入一定量的镁和低硅的铝原料即可。