有色金属铜及其合金中微量元素的分析研究

贾 艳

（甘肃省有色金属地质勘查局兰州矿产勘查院，甘肃 兰州 730046）

铜元素在有色金属当中存在极为广泛，其属于过渡元素的一种，大多会应用在电子元件、电气元件以及电缆制作等领域。当铜和其他的技术之间进行合成之后，能够形成铜合金，发挥其机械性能优势，且铜合金还拥有较低的电阻率，因此无论是在电子元件材料制作，还是在航天材料制作过程当中都可以应用。铜还能和酸反应，溶于酸性溶液之后，产生微量元素，合理测定铜合金当中微量元素具体含量，能够明确合金成分组成，判断其适用范围。所以，行业人员需要重点研究铜合金当中微量元素测量方法，寻找更为准确的测量技术，注重技术的创新应用，让有色金属铜、铜合金的成分分析工作顺利进行。

1 微量元素对于有色金属铜和其合金产生的影响分析

1.1 氢元素的影响

氢元素和铜之间能够形成多种氢化物，且氢元素在液态铜、固态铜当中的固溶度不同，随着环境温度身高逐渐增大。在液态铜当中，氢元素的固溶度也相对较大，铜凝固的时候也会形成气孔，使得铜制品表面出现起皮现象，材质具有脆性特点。而固态铜当中氢元素主要以质子的形式而存在，氢电子可以对铜原子S层轨道进行填充，从而形成固溶体，虽然氢元素对于铜本身性能不会产生过高影响，但是对于铜合金来讲，如果其大量存在，会导致合金材料退火过程出现裂纹，在氢气的影响下，与含氧铜之间产生反应，从而生成水蒸气，造成合金裂纹和气孔等问题。所以，在铜合金的微量元素检测过程，应该重点注意氢元素进行检测[1]。

1.2 氧元素的影响

铜生产过程，可能受到氧化铜产生的影响，氧元素几乎不会固溶于铜当中，如果温度在1060℃的时候，固溶量在0.06%，如果温度在600℃，固溶度在0.002%。所以，铜当中大部分的氧元素都是以Cu2O的形式存在，因为铜和Cu2O能够组合而形成共晶组织，在晶界外表分布，从而产生共晶反应。

氧元素对于铜、铜合金的性能影响也极为复杂。其中含有微量的氧对于铜的机械性能、导电性不会产生过高影响，因为工业铜通常导电率较高，主要就是其使用氧做清洁剂，可以将铜内部有害杂质去除。如果利用铜制作电真空构件，就需对其含氧量进行有效控制，因为此类器件大多存在于氢气内密封，如果金属铜当中含有氧，就会导致器件内部真空环境受损，因此需要选择无氧铜来制作这类器件。在国家标准当中，明确提出，此类构件生产无氧酮中的氧含量应该在20ppm以内。所以，操作人员在熔炼铜和铜合金的时候，都会采取脱氧处理，使磷、硼和镁等作为脱氧剂，在中间合金当中加入，其中，磷作为脱氧剂较为有效，然而，需要对其残留进行严格控制，否则磷存在于铜合金或者金属铜当中，也会对其导电率产生影响。因此，还需要注意对其中氧元素含量进行分析。

1.3 磷元素的影响

铜和磷在温度达到714℃的时候会发生共晶反应，在反应温度逐渐下降过程当中，磷元素在铜当中固溶量也会逐渐减少。当温度达到300℃的时候，磷的固溶量是0.6%，当温度降为200℃的时候，磷固溶量是0.4%。由于磷的存在，对于铜金属导电率会产生显著影响。因为磷属于铜生产过程重要的脱氧剂，适量的磷存在于铜当中，能够将熔体流动性提高，从而将铜金属、铜合金抗软化能力、耐腐蚀性能以及焊接性能有效提升。

实践表明，如果铜合金当中磷含量介于0.015%到0.04%之间，此类材料可以应用在建筑水管的生产，还可应用于空调散热管制造领域。铜合金当中，如果含磷量相对较低，还可应用于化工、电子等行业当中，而集成电路线框架的铜带也通常使用此类合金进行制造。若磷铜合金当中存在共晶成分，其能够作为焊接材料，温度在580～620之间，含磷量较高的铜合金超塑性良好，可以通过热挤方法，将其制作成直径3mm～5mm的焊丝，属于焊接铜、铜合金行业重要材料。

1.4 铅元素的影响

因为铅元素和铜不固溶，且在铜合金当中固溶度也相对较小，容易和铜之间形成共晶组织，液态铅、铜之间不混熔，在凝固过程可以形成偏晶组织，在固态情况之下，铜中的铅大多以单质的形式存在。若铜合金当中含有铅，在结晶的时候，晶介铅就可向晶内转移，铅元素的存在对于铜金属、铜合金的导热性、导电性都不会产生显著影响，然而却可将其切削性能有所改善。

同时，铅质点为固相，利用此类铜合金可以加工轴承。如果黄铜当中含有铅，那么铅质点越小，而且分布状态越均匀，就代表其性能良好[2]。

1.5 砷硼元素影响

砷在硼当中拥有的固溶度效率就高，砷在铜当中能够降低其导热和导电性能，以上元素通常作为变质剂，研究显示，黄铜当中如果含锌量介于0.1%到0.15%，就能预防黄铜腐蚀，所以在冷凝管制造过程当中，可以通过砷元素的添加，改善其泄漏性能。

在铜合金检测领域技术的快速发展，利用砷元素为铜合金制造的中间加入物质，能够有效降低铜合金电极电位，控制电化学腐蚀问题。硼元素大多作为铜或合金脱氧剂，在铜合金内添加硼元素，加入量0.01%～0.04%，能够有效预防铜脱锌受到腐蚀。

1.6 金属元素影响

铁、银、镉、锆等金属元素固溶于铜中的含量有限，随着固溶温度不断提高，固溶度也发生变化。所以检测以上微量元素的时候，可以根据有色金属铜当中的固溶度情况，改变温度环境，让金属化合物、单质从固态相当中被析出。如果有色金属铜当中含有适量的银，对于通导热率和导电率产生的影响并不明显，还能提高其再结晶过程当中对于温度的要求，耐磨性和抗蠕变性要求更高。铜合金当中如果含有适量的镉，此类合金在受到冲击的时候，不会产生火花，可以用作航空仪表制造材料。锆在铜合金当中的存在，可将其导电率提高。所以，通过检测技术对于以上金属元素在铜和铜合金当中的含量进行测量，能够辅助相关人员确认材料适用的领域，为行业生产提供指导。

2 有色金属铜和其合金中微量元素检测现状

在矿物当中，有色金属铜和铜合金属于重要有色金属类型，因为以上物质种类多，使得成分测定过程应用的分析方法也相对较多，不同检测技术应用方法不同，即使对于金属或者合金中的相同元素进行检测，分析方法也有所差异。当前，我国在有色金属领域应用的检测技术主要为化学分析，该方法源自苏联，适合应用于黄、白、铬青等有色金属铜的检测。同时，还能检测出金属和合金当中的其他微量元素。

从有色金属的检测体系方面分析，主要方法有如下几种：第一，德国与法国应用的检测方法，有色金属铝合金当中某一元素进行检查，检测体系极为完整，铜与铜合金的检测方法应用也日益完善。第二，特殊类型铜合金、有色金属铜二者融合检测方法，在美、英、日等国家应用广泛，融合检测属于色金属检测领域的过度检测技术；第三，根据牌号配合铝合金类型建立的检测结构，我国在黄铜内部的金属微量元素检测方面，已经获得了较为标准的检测体系，特别在单一元素检测方面结果准确度较高[3]。

3 有色金属铜和其合金当中微量元素的检测方法应用

3.1 电感耦合法

所谓电感耦合法是基于原子光谱分析方法，利用等离子体来发射光谱，并将其作为激发光源，属于化学分析方法的一种。例如选择电感耦合技术，等离子体也就是激发光源，用来发射光谱，该分析方法在光谱分析领域应用广泛，属于一种有效的矿石分析法。

在技术应用阶段，可以使用电感耦合等离子体特点，利用直读仪器进行测量分析，因其分辨率相对较高，所以适合应用在较为复杂矿物成分中的元素分析，也可用于合金材料当中量元素检测仪器。所以，在有色金属铜、铜合金的微量元素测量过程，可以使用该技术，能够获得较为准确的测量结果。对于铜矿物的检测可将前期操作省略，能够在一定程度上简化分析流程，提高分析效率。对于矿物进行分析，该方法应用价值显著。在技术运用阶段，主要是利用测量仪器、化学试剂辅助测量工作开展。常用的测量仪器包括电子天平，型号可选择AL104，还需选择电感耦合光谱仪，型号可选择Optima，电压7300V，还需要选择电热板。化学试剂主要利用盐酸、氢氟酸、硝酸等，还需利用金属铜标准液，实验过程在物理检测实验室当中进行，应该利用高纯度水。应用该技术与铜矿石中的微量元素进行检测，不但灵敏度高，而且检测出限值低，精度良好，线性范围宽，能够同时分析多种元素。当分析矿物内部铜金属含量的时候，合理选择标准也极其重要，还需要保证分析仪器稳定，合理把控校准曲线，才能获得较为精准地分析结果[4]。

3.2 X射线光谱法

X射线光谱属于荧光光谱分析法，也是化学分析的一种，利用射线光谱原理，对于矿物内部的有色金属铜、铜合金当中微量元素含量进行检测，受到X射线的照射，矿物内会产生空穴，属于内壳层原子逐渐向其内部跃迁，一旦矿物原子跃迁过程当中，发出与待检测元素的特点相符的射线，就可获得分析结果。因为不同元素反映出来的X射线能量波长不同，矿物元素反映出来的射线强度需要和金属铜原子实际含量成正比。如果待测量的矿物样品拥有较强的X射线强度，如何运用该方法分析矿物内部有色金属，通过对比和分析，判断有色金属在矿物中的比例。该技术运用主要是选择X射线光谱仪，配合真空光路，借助以上设备完成有色金属铜化学分析。

选择该技术对于铜矿石进行分析，对比于原子分析和ICP等技术，需要保证矿物样品铜含量过10%，还可精准分析其内部微量元素。矿物分析实践阶段，能够辅助人们利用定量分析方法完成操作。X射线光谱分析法还能分析卤族元素，应用过程分析速度快，且成本低廉，应用范围广。针对样品质地方面的分析也相对简单，可以利用该技术对于固体或者粉末直接分析，既能保证分析成本可控，也不会对样品性质造成影响，还能保证分析结果准确。

3.3 磁微粒发光法

对于有色金属铜、铜合金内部微量元素进行检测，使用磁微粒发光法原理是，合金内部存在磁微粒、核酸基等，通过磁微粒造影这一方法能够实现对其中微量元素进行检测，从而抑制有色金属铜、合金元素中的TSH。检测过程，可向待检测物质当中添加碱性沉淀剂，金属就会出现高密度脂聚合，为了加快反应速度，可以通过搅拌的方式辅助检测，反应一段时间以后，能够获得特定微量元素中的螺旋体。检测过程，需要对造影剂进行合理选择，之后利用磁性分离这项技术，能够获得磁性微粒，主要成分是Cu3O4，材料为纳米级别[5]。

研究人员应该技术对于有色金属铜、铜合金内部微量元素进行检查，通过自制磁微粒，将其作为载体，能够有效得到蛋白含量，之后利用统计学软件展开分析，确认待检测物质中的微量元素，最终获得胶体金。还可利用碳碳三键加以转化，使之可以合成纳米级别的颗粒。检测过程，在待检测物质当中添加引发剂，浓度为10%摩尔，之后对于固形物展开测量，从而能够形成光学断层成像。根据待检测物质当中所含微量元素造影，判断产生化学反应。在引发剂的使用下，选择柠檬酸钠水，控制电流密度为1.4A/dm2，完成化学滴定，造影剂可以选择乙酸，或者丙酮和乙酰胺，即可获得有色金属铜、铜合金内部磁微粒，之后加入输水胶溶液，直至产生负离子集，之后将三氯化钕加入其中，浓度1%，可以获得沉积层。合金内部微量元素产生反流现象，并且反流时间在800ms以上。将铜与其核心氧烷分子置于振荡器之内，控制其中温度37℃，按照速度200rpm/min进行振荡，时间一小时，之后添加PBS10μL，即可对金属铜、铜合金内部微量元素样本进行提取，之后将经过纯化AgrC蛋白，就能获得磁化以后的四氧化三铁颗粒，让胶体金的粒子质体、化学微米之间的比保持在300∶1，此时利用紫外分光光度计对于在检测金属内部微量元素进行测定。利用一价镍产生的中间体完成化学加成，从而获得有色金属铜、铜合金当中的微量元素磁微粒曲线。

通过以上技术流程，完成化学分析，借助磁微粒发光法，检测有色金属铜、铜合金当中的微量元素，并利用发光原理，对于其中微量元素具体含量进行检测[6]。实践表明，向有色金属铜、铜合金当中添加抗原磁微粒，保持环境温度37℃，在振荡器内振荡30分钟，对于待检测金属中的微量元素磷脂、金磁微粒等含量进行测定，之后选择表面活性剂将蛋白脂质体进行溶解，获得胶体金微粒，粒径均值在2μm～3μm，使用动态光散射仪对于有色金属、合金内部微量元素金属纳米粒子进行测定，使其和胶体金微粒（15nm～20nm）进行混合，通过荧光分析方法，获得有色金属铜、合金微量元素荧光光谱，各个波段都可精准呈现微量元素的含量。

由此可见，利用磁微粒方法对于有色金属铜、铜合金中微量元素进行分析检测，能够充分发挥荧光光谱的应用优势，从光谱分析的结果来看，该技术应用适应性良好[7]。

4 结语

综上分析，因为有色金属铜和铜合金当中含有的微量元素种类丰富，元素性质不同，与铜之间的融合程度也各不相同，对于金属铜和铜合金都可产生重要影响。所以，在测量其中的微量元素过程，可以根据不同需求选择不同的测量方法，对于矿物质金属铜或者铜合金中的微量元素进行分析，保证得到的结论准确，为金属与合金在各领域中的应用提供支持。