侯紅霞,楊倩倩,郭飛飛

(鋼研納克檢測技術有限公司,北京 100094)

脈沖加熱惰氣熔融-熱導法測定金剛石微粉中的氧氮含量

侯紅霞*,楊倩倩,郭飛飛

(鋼研納克檢測技術有限公司,北京 100094)

目前,金剛石微粉在切削、磨削、鉆探等領域的應用日趨廣泛,國內外市場需求也有所擴大。文章采用脈沖加熱惰氣熔融-熱導法測定金剛石微粉中的氧氮含量,對分析功率、助熔劑等進行了研究,在稱樣量為0.02～0.05 g,鎳助熔劑為0.37 g,分析功率為5.5 k W的條件下,通過脈沖加熱惰氣熔融-熱導法并同時采用測定金剛石微粉中氧和氮含量的方法,對金剛石微粉樣品中氧和氮進行了9次測定,其測定結果的相對標準偏差分別為2.36%和4.08%。結果與脈沖加熱惰氣熔融-質譜法所得氧和氮的測定值一致。

金剛石微粉;氧氮含量;脈沖加熱惰氣熔融-熱導法;脈沖熔融-飛行時間質譜法

金剛石微粉由于其硬度高、耐磨性好,可廣泛用于切削、磨削、鉆探等,是研磨拋光硬質合金、陶瓷、寶石、光學玻璃等高硬度材料的理想原料。金剛石微粉中的雜質含量,主要來自細化之前的金剛石原料[1]。雜質含量是測評金剛石微粉的一個重要指標,直接影響后續(xù)工程應用中的使用效果。不同的應用領域,對其雜質含量的高低也有所不同,例如將平均粒徑小于10μm以下的金剛石微粉用于電鍍工具、線鋸等,其雜質含量高的微粉極易結成堅硬結塊,不容易分散開來,嚴重影響金剛石制品的質量。氮雜質作為人造金剛石的最主要結構缺陷,對晶體本身的光學、熱學、電學和機械性能有著重要影響[2-4]。一般認為,氧在人造金剛石中以微量金屬氧化物的形式存在或以可替代方式固溶于人造金剛石中。測定人造金剛石中氧和氮的含量對人們了解氧和氮與人造金剛石性能之間的內在關系有重要的現(xiàn)實意義和經濟價值[5-6]。惰氣熔融脈沖加熱法是目前測定材料中氧和氮最常用的一種分析方法。文章以鎳囊作為助熔劑和載體,選用合適的鋼鐵標樣繪制氧、氮校準曲線,建立了脈沖加熱惰氣熔融-熱導法同時測定金剛石微粉中氧和氮的方法,完全能夠滿足生產需求。

1 實驗部分

1.1 主要儀器與材料

儀器:ON-3000氧氮分析儀,鋼研納克檢測技術有限公司。電子天平:BS124,Max124g,d= 0.1mg,Sartorius;載氣:氦氣,純度≥99.999%,減壓閥調至0.25MPa～0.3MPa;動力氣:氬氣,純度≥99.5%,減壓閥調至0.25MPa～0.3MPa;石墨坩堝:高純石墨套坩堝;鎳囊:高純免洗鎳囊;試劑:稀土氧化銅,無水高氯酸鎂,堿石棉(CO2吸收劑),脫脂棉等。

標準樣品:[18X HCX(ω(O)/%=0.141,ω (N)/%=0.0111),18X M3/2(ω(O)/%=0.105, ω(N)/%=0.0269),18X M3/2-D(ω(O)/%= 0.41,ω(N)/%=0.042)]

1.2 分析原理

在脈沖電極爐的高溫條件下,樣品在惰性氣氛的石墨坩堝中熔融,氣體元素的化合物被還原分解,樣品中的O、N分別以CO和N2的形式釋放,樣氣經由轉化爐后,CO轉化為CO2,CO2、N2在載氣(高純氦)的攜帶下經過紅外檢測器,檢測CO2后,CO2被堿石棉吸收,最后惰性載氣攜帶N2進入熱導檢測器進行檢測[7]。

1.3 實驗方法

采用1.1節(jié)中的氧氮標樣建立氧和氮校準曲線,并扣除鎳囊及石墨坩堝的氧、氮空白值。設定石墨坩堝預脫氣功率為5.8 k W,分析功率為5.5k W,在電子天平上稱取0.02～0.05g左右的金剛石微粉樣品,并將樣品放入鎳囊中,把樣品質量輸入氧氮分析儀中,然后進行樣品分析,測定樣品中氧和氮的含量。

2 結果與討論

2.1 工作曲線建立

由于金剛石微粉中氧氮的測定沒有相應的標準方法和參考物質,因此本文參考鋼鐵中氧氮的測定標準[7],使用鋼標準物質進行校正。根據待測樣品的含量選擇相近含量標準樣品[18X HCX(ω(O)/%= 0.141,ω(N)/%=0.0111),18X M3/2(ω(O)/% =0.105,ω(N)/%=0.0269),18X M3/2-D(ω (O)/%=0.41,ω(N)/%=0.042)]做氧氮通道的校準曲線,氧曲線相關系數R2=0.9997,氮曲線相關系數R2=0.9993,線性良好。

2.2 分析條件的確定

2.2.1 分析功率的選擇

分析功率的大小對樣品的熔融效果起關鍵作用[8],因此設定不同的分析功率來考察樣品的釋放情況,以1#樣品為例,分別設定分析功率為4.5、5.0、5.5 k W,結果如表1所示。

表1 分析功率對實驗結果的影響Table 1 Influence of analysis power on test result

從表1可以看出,隨著功率的增加,氧和氮的釋放越來越完全,分析功率在5.5k W時樣品釋放比較完全,氧氮的結果穩(wěn)定性較好。因此,在本次研究的后續(xù)實驗中,均采用5.5 k W的分析功率。

2.3.2 助熔劑的選擇

助熔劑可以降低樣品的熔點,增加熔融的效果,同時也起到容器的作用。氧氮分析中一般使用鎳箔、鎳囊、鎳籃等作為助熔劑[9]。本文以2#樣品為例,在5.5k W的分析功率下試驗了鎳箔、鎳藍和鎳囊的熔融效果。

表2 助熔劑對實驗結果的影響Table 2 Influence of fluxing agent on test result

由表2可以看出,使用不同的助熔劑對氮的釋放有較大影響,使用鎳囊樣品熔融釋放完全,精度較好。因此,本次試驗樣品均裝入鎳囊后直接投樣分析。

2.4 檢出限的測定

由于樣品稱樣量較少,為了準確測定樣品合金中氮的含量,獲得低而穩(wěn)定的空白值是必要的。氮空白值主要是由石墨坩堝、助熔劑、載氣以及爐膛空白等引起的。本文在5.5k W的分析功率下,將鎳囊投入到高純石墨套坩堝中進行測定。實驗結果表明,鎳囊中氧空白值是0.0005%,氮空白值是0.0001%,標準偏差分別為0.000 07%和0.000 02%。以空白標準偏差的3倍計算出氧和氮檢出限分別為0.000 21%和0.00006%,以空白標準偏差的10倍計算出氧和氮測定下限分別為0.0007%和0.0002%。因此,本文實驗結果均為扣除空白值的結果[10]。

2.5 方法精密度

采用本方法利用在2.1所建立的工作曲線的條件下,以3#樣品為例,稱取0.02～0.05g,裝入鎳囊后投樣分析,分析功率5.5k W,平行測定9次,測定結果如表3所示。

表3 精密度實驗結果Table 3 Test results of precision(n=9)

從表3可以看出,氧和氮測定結果的相對標準偏差(RSD)分別小于為2.36%和4.08%,滿足金剛石微粉中氧和氮的分析要求。

2.6 樣品分析

采用本方法利用在2.1所建立工作曲線的條件下,以4#、5#樣品為例,稱取0.03～0.05g,裝入鎳囊后投樣分析,分析功率5.5k W,平行測定7次,測定結果與鋼研納克檢測技術有限公司的PMA-1000 (脈沖熔融-飛行時間質譜儀)測定氧和氮[11][12]的參考值進行比對,結果如表4所示。

表4 金剛石微粉中氧氮的測定結果對比Table 4 Table 4 Comparison of measurement results of oxygen-nitrogen content in diamond micro-powder

如表4所見,采用本文方法使用脈沖熔融-惰氣熱導法和脈沖熔融-飛行時間質譜法所測樣品的氧和氮的結果基本保持一致。

4 結論

本文用惰氣熔融-熱導法來測定金剛石微粉中的氧氮含量,研究表明分析功率在5.5k W、使用鎳囊做助熔劑時其結果穩(wěn)定性較好,氧和氮的釋放比較完全且趨于穩(wěn)定。測定結果與脈沖熔融-飛行時間質譜法測定氮的參考值進行比對,結果基本吻合。

[1] 繆樹良.金剛石微粉的質量測評[J].超硬材料工程,2012,5 (24):7-12.

[2] 王光祖.氮與金剛石性能關系綜述[J].超硬材料工程,2006(2).

[3] 秦杰明,賈曉鵬,馬紅安.用鐵基粉末觸媒合成金剛石的研究[J].金剛石與磨料磨具工程,2004(06).

[4] R Kalish,Doping of diamond,Carbon,1999.

[5] Chien Min Sung.Method of applying high pressures to a high pressure assembly[J].High Temperatures-High Pressures, 1997(03).

[6] 張穎,徐世艷,陳立學.氮雜質對人造金剛石性質的影響[J].吉林大學學報(理學版),2009(04).

[7] GB/T 11261-2006鋼鐵氮含量的測定脈沖加熱惰氣熔融-紅外線吸收法.

[8] 王蓬,楊帆,李宏偉,等.釩氮合金中高氮檢測的新方法[J].鋼鐵釩鈦(IRON STEEL VANADIUM TITANIUM),2005,26(3).

[9] 鄧景順,何光全.鎳、錫助熔劑在提取分析高純鎢粉中氧的作用[J].全國第二屆有色金屬氣體分析報告會,1986.9.

[10] 胡少成,葛程,馬紅權,等.脈沖加熱K紅外吸收熱導法同時測定鋼鐵材料中氧和氫[J].冶金分析(Metallurgical Analysis), 2014,34(4):37-41.

[11] 沈學靜,王蓬,胡少成.脈沖熔融飛行時間質譜法測定金屬材料中氧、氮、氫和氬[J].分析化學(Chinese Journal of Analytical Chemistry).2011,39(10):1555 1560.

[12] 胡少成,沈學靜,王蓬,等.脈沖熔融-飛行時間質譜法測定鐵材料中的氧、氮和氫[J].冶金分析(Metallurgical Analysis), 2011,(7).

Measurement of Oxygen-Nitrogen Content in Diamond Micro-powder through Pulse Heating Inert Gas Fusion-Thermal Conductivity Method

HOU Hong-xia*,YANG Qian-qian,GUO Fei-fei
(CISRI NCS Detection Technology Co.,Ltd,Beijing,China 100094)

At present,diamond micro-powder has been widely used in fields such as cutting,grinding and drilling.The market demand for it in both China and overseas has been expanded.In this article,the oxygen-nitrogen content in diamond micro-powder is measured through pulse heating inert gas fusion-thermal conductivity method,and the analysis power and fluxing agent have been studied.The oxygen-nitrogen content in diamond micro-powder has been measured for nine times through pulse heating inert gas fusion-thermal conductivity method under the following testing conditions:the sampling weight is 0. 02～0.05 g,nickel fluxing agent 0.37 g,the analysis power is 5.5 k W.RSD(relative standard deviation)of the measurement results are respectively 2.36%and 4.08%.The result is the same as that obtained through pulse heating inert gas fusion-mass-spectrography method.

diamond micro-powder,oxygen-nitrogen content,pulse heating inert gas fusion-thermal conductivity method,pulse melting-time of flight mass spectrometry

TQ164

A

1673-1433(2015)06-0005-05

2015-09-15

侯紅霞(1978-),女,工程師,主要從事儀器分析測試方面的工作。

侯紅霞,楊倩倩,郭飛飛.脈沖加熱惰氣熔融-熱導法測定金剛石微粉中的氧氮含量[J].超硬材料工程,2015,27(6):5-8.