Анализы алюминия (часть 2)

Анализы алюминия (часть 2)

Анализы алюминия

Анализы алюминия

В металле, полученном при плавлении мелких фракций, накапливаются все легирующие элементы и примеси, кроме магния.

Общую пробу взвешивают, стружку измельчают, сушат, подвергают магнитной сепарации, при необходимости просеивают и снова взвешивают. Потери массы считают следствием удаления масла и влаги. Лучше всего готовить пробу на небольшой установке, аналогичной промышленной. Если такой установки нет, содержание влаги и масла определяют при нагреве материала в открытом сосуде или в муфельной печи до 360° С или до 450° С (в атмосфере инертного газа).

При нагреве в открытом сосуде обычно удаляют слишком мало масла и влаги при их содержаниях свыше 5%. Прокаливание с использованием бензина не рекомендуется, так как полностью удалить масло и влагу этим способом невозможно. При лабораторных исследованиях допускается промывка спиртом.

Железо удаляют из небольших проб ручным магнитом, из больших — в барабанном или настольном магнитном сепараторе. Пробу однородной стружки можно сокращать до массы в 1 кг. Если стружка неоднородная, то вместо одной лучше взять две пробы и расплавить их. Если результаты не будут совпадать в достаточной степени, то объем выборки надо увеличить.

По соглашению сторон можно подвергнуть обработке на промышленной установке и большую (например, 10%-ную) долю поставки. Пробу от этой обработанной стружки можно перед плавлением сократить до 1—15 кг в зависимости от однородности материала.

Отбор проб от стружки, полученной нри обработке напильником или при шлифовке, выгоден тогда, когда количество поставляемого металла велико. Пробы отбирают, как от обычной стружки. Существенным является то, что гранулометрический состав пробы мелкозернистых материалов таков же, как и поставки, тогда как количество металла и химический состав различных классов крупности могут быть очень разными. Ниже показана соответствующая приведенным на рис. со след. стр. данным анализа взаимосвязь между размером частиц и количеством металла при плавлении стружки, полученной при шлифовке.

Если из этой партии отсеять 54,4 % фракции с размером частиц менее 0,5 мм, то количество металла при плавлении возрастает до 59% против 29%: в исходном материале, причем теряется лишь 9% металла от общего содержания.

Настыли, скардовины, шлак и отходы, содержащие металл. Самый подходящий способ обработки этих материалов (при соглашении сторон) — размолоть всю партию, просеять через сито с отверстиями размером 1 мм, а затем из крупных фракций отобрать и переплавить не менее 7 кг. Переплавляют только крупные фракции с частицами размером > 1 мм. Крупные куски, слишком большие для переработки в мельнице, надо либо в соответствующей пропорции добавить к крупным фракциям, либо переплавить отдельно. Для пробы измельчают только часть партии массой не менее 500 кг, содержащую крупные, богатые металлом куски, куски меньших размеров, пыль, шлак и т. д. в той же пропорции, что и во всей партии. От крупных фракций после их измельчения берут и переплавляют одну или две пробы.

Пробы материала с большим содержанием металла, такие как шлак и отходы литья, массой не менее 30— 50 кг можно плавить без предварительной обработки, под защитным флюсом.

Алюминий и его сплавы, загрязненные посторонними материалами. Материал с наличием железа, тяжелых металлов или других посторонних примесей плавят в тигле, нерас-плавившиеся куски посторонних металлов вытаскивают щипцами и взвешивают. Однако при тигельном методе возникает опасность того, что часть железа и ему подобных материалов растворится в алюминии. Для определения массы расплавленный алюминий разливают и взвешивают. Количество примесей можно определить, расплавляя алюминий в печи с наклонным дном и взвешивая остаток. Из скрапа однородного состава железо можно удалить также механически.

Куски железа в крупнокусковых отходах выбирают из общей поставки или из ее большей части. Из скардовин их удаляют магнитом после измельчения крупных фракций, из стружки после высушивания — также магнитом.

Содержание масла и влаги особо определяют, как правило, только в стружке, для большинства других видов скрапа определяют лишь потери при плавлении. При необходимости содержание масла и влаги можно определить, высушивая материал в барабане или обрабатывая его растворителем (например, метанолом), который можно смыть водой.

Содержание жира, грязи, окислов и т.д. на поверхности некоторых материалов и изделий определяют при промывке, отжиге или плавлении.

Краски и лаки удаляют в процессе растворения или отжига. Для определения количества металла, краски или лака на нем, отобранную пробу, не удаляя покрытия, расплавляют.

Выплавка пробы скрапа и отходов. Выход металла при плавлении пробы тем больше совпадает с выходом металла при промышленной переработке, чем точнее метод плавления пробы совпа

дает с. процессом производства. Расплавление проб проводят, тщательно контролируя все операции. Выход материала при плавке в тигле не менее чем на 2% выше практически достижимого выхода материала при плавлении в промышленной печи.

Пробу необходимо плавить под защитным флюсом в тигле или маленькой печи барабанного типа. При этом сначала плавят флюс. Его количество составляет для тигельной печи 100% и для вращающейся печи 150% от массы загрузки скрапа. Если скрап чистый и состоит из крупных кусков, то эти количества флюса могут быть уменьшены; однако количество флюса должно быть таким, чтобы шлак оставался достаточно жидким, полностью отделялся от жидкого металла и полностью покрывал его поверхность. При температуре в тигельной печи ~ 700° С пробу помещают в расплавленный флюс и хорошо перемешивают.

 Плавку без добавления флюса проводят для определения включений железа или же при очень малой тигельной пробе. Если флюс сразу помещают вместе с мелкокусковым скрапом, выход материала может несколько уменьшиться, В случае применения сырого флюса возможно увеличение потерь металла из-за окисления.

Для удаления включений железа или других тяжелых металлов с высокой температурой плавления используют печи с наклонным подом. Часть материала с высокой температурой плавления, остается в печи и удаляется. Расплавленный алюминий стекает в приемник. В нем накапливаются тяжелые металлы: с низкой температурой плавления, такие как свинец или цинк, — на дне, магний — на поверхности ванны. Перед отбором пробы для анализа расплав в приемнике следует хорошо перемешать.

Перед тем как поместить пробу в какой-либо сосуд для плавления, его следует очистить от остатков предыдущей плавки; прежде всего очищают швы печей. Железные тигли, даже если у них хорошее покрытие, могут иметь повреждения защитного слоя во время перемешивания пробы, это ведет к тому, что расплав поглощает часть железа. Железные инструменты для перемешивания также не должны оставаться в расплаве слишком долго или при слишком высокой температуре. Фторсодержащие флюсы при высокой температуре и длительном воздействии уменьшают содержание магния.

Обычно пробу для анализа отбирают после слива примерно половины расплава. Если количество расплава очень велико, то пробы для анализа берут в начале, в середине и в конце разливки.

Алюминий металлический

Расплавленный металл. При отборе проб от жидких алюминия и его сплавов в большинстве случаев используют одинаковые методы пробоотбора и виды проб как для химического, так и для спектрального анализов. Особый пробоотбор проводят только в специальных случаях.

Хотя изготовление идеальной пробы (т. е. пробы с равномерным распределением элементов, однородной кристаллической структурой без предпочтительной ориентации) практически невозможно, в большинстве случаев, выбрав оптимальные условия литья, можно добиться того, что пробы будут отвечать требованиям анализа. Так, при отборе проб от сверхчистого и чистого алюминия, а также от низколегированного алюминия для анализа можно отливать достаточно однородные пробы. Необходимое условие — точное соблюдение оптимальных условий опробования.

Установленные условия для пробоотбора должны строго соблюдаться.

Отливка однородных проб высоколегированных алюминиевых сплавов, прежде всего сплавов с высоким содержанием меди и цинка, не удается. Однако при определенных условиях кристаллизации можно изготовлять пробы с воспроизводимой ликвацией. У этих проб по сечению слитка обычно наблюдается линейный градиент концентрации, тогда как в горизонтальной плоскости существенных различий в концентрации элементов не возникает. По сечению слитка на определенном расстоянии от поверхности есть зона, в которой концентрация определяемого элемента очень близка к действительной концентрации его во всей пробе. Эту зону можно использовать для спектрального и химического анализов. При литье таких проб необходимо направленное затвердевание в направлении разливки. Этого можно достичь заливкой жидкого металла в лежащее на медной плите кольцо из теплоизоляционного материала (например, керамики). Так как кольцо нетеплопроводно, кристаллизация идет по почти ровному фронту начиная от медной пластины и параллельно ей. Для анализа используют среднюю зону, т. е. пробу делят пополам, точно посередине, перпендикулярно направлению литья.

Сверхчистый алюминий.

Пробу из расплава отбирают графитовой ложкой. Для мокрого химического анализа жидкий металл отливают в специальную изложницу (рис. 69), чтобы получить пруток диаметром 25 мм, длиной 150 мм. После удаления верхнего слоя отливки механической обточкой по всему поперечному сечению получают стружку, от которой отбирают необходимое для анализа количество материала.

Однако в большинстве случаев для мокрого химического анализа используют пробу, отлитую для спектрального анализа. После обточки наружной поверхности отливку фрезеруют или обтачивают по всему поперечному сечению диска или цилиндра в зависимости от формы пробы. Еще лучше пробу разрезать в продольном направлении пополам и половинки пробы фрезеровать по всей поверхности сечения. Разделять пробы на сегменты и дробить весь сегмент при анализе сверхчистого алюминия не нужно, так как ликвацию в расчет не принимают.

При отборе проб для спектрального анализа можно использовать все изложницы, используемые при пробоотборе от сплавов; пробы сверхчистого алюминия предпочтительно изготовлять в виде цилиндров, которые разрезают точно -посередине перпендикулярно оси цилиндра. Для спектрального анализа используют обе поверхности разреза.

Пробу в виде цилиндра можно использовать и при отборе проб от сплавов на основе сверхчистого алюминия.

Черновой и чистый алюминий.

Для отбора проб от расплава используют предварительно хорошо нагретую и обмазанную железную ложку. В обмазке не должен содержаться металл, который возможно выявить в пробе.

 При отборе проб от чернового и чистого алюминия для мокрого химического анализа также используется только проба для спектрального анализа. Только в особых случаях, например для определения содержания водорода или кислорода, пробу отливают в специальную изложницу для получения прутка, как при отборе проб сверхчистого алюминия. Отбор стружки для мокрого химического анализа и подготовку пробы для спектрального анализа проводят так же, как и для сверхчистого алюминия.

Трудности возникают при опробовании чернового металла с содержанием железа свыше 1,5%. Эти пробы при охлаждении очень сильно ликвируют. Опробование ведут методами, используемыми при исследовании расплавленных алюминиевых сплавов, — при заливке в теплоизоляционное кольцо из волокнистого асбеста и связующего вещества, лежащее на медной плите (рис. слева). После удаления верхнего слоя отливки вырезают сегмент в 90°, который полностью дробят.

Твердый металл и слитки. Хорошая обрабатываемость алюминия и его сплавов позволяет отбирать пробы резанием на гораздо больших скоростях, чем при опробовании других цветных металлов и железа, не вызывая сильного нагрева материала, его окисления и изменений в составе материала пробы. Использование смазочных средств (жиров и масел) не допускается. Легче обрабатывать пробы, охлаждая их метанолом или дистиллированной водой. Обычно при отборе проб пользуются сверлильными, токарными, фрезеровальными, строгальными станками и пилами.

Для сверления алюминия и его сплавов рекомендуется применять специальные сверла с большим (~40°) углом подъема винтовой линии, а также широкими и гладкими канавками. Угол подъема винтовой линии для мягкого материала 140°, для твердого 120°. Для обработки резанием слитков лучше использовать токарные, фрезерные станки и пилы, которыми можно производить пробоотбор по всей поверхности сечейия пробы. При этом получают лучшую поверхность сечения и более однородную, небольших размеров стружку, чем при сверлении.

Перед обточкой, фрезерованием или пилением необходимо удалить верхний слой отливки. Легкие металлы отбрабатывают фрезами с большими расстояниями между зубьями и широким захватом. Очень твердые сплавы, которые нельзя просверлить, обработать фрезой, обточить или распилить, дробят в алмазных ступках.

Стружку, полученную различными способами, надо проверить на содержание примесей, внесенных в процессе ее получения, и затем удалить все посторонние частицы. Для удаления частиц железа стружку обрабатывают магнитом. Если размер стружки неодинаков, ее дробят или размалывают до получения как можно более однородного, материала. Если материал слишком неоднородный, например ломкие сплавы, особенно лигатуры, то необходимо разделить стружки на различные классы крупности. Проба для анализа в этом случае состоит из отдельных фракций в соответствии с их массой.

Из чушек рекомендуется выпиливать пластины толщиной 10 мм на треть и две трети длины чушки. Эти пластины протравливают азотной кислотой, а затем фрезеруют.

По диагонали поверхности чушки через равные интервалы просверливают не менее пяти сквозных отверстий перпендикулярно к поверхности (рис. справа). Можно также просверлить то же количество отверстий сверху и снизу до половины высоты чушки. Сверла должны быть диаметром 10—15 мм. В чушках с усадочной раковиной из некоторых сплавов имеются в центре пористые зоны. Эти зоны могут содержать примеси, внесенные только после литья. Их следует учитывать при отборе проб. Аналогично отбирают пробы от отдельных чушек согласно ASTM. В шведском стандарте предусмотрено просверливание в чушке пяти сквозных отверстий, размещенных по диагонали ее верхней поверхности, и трех сквозных отверстий по диагоналям поверхностей между пережимами; при этом отбирают всего 100 г стружки, В итальянском и шведском стандартах.

Из чушек массой 10—20 кг, плохо поддающихся сверлению сплавов или чистого алюминия, выпиливают до трех пластин, предпочтительно в местах надпилов. Эти пластины сверлят насквозь в семи местах.

Если у чушек есть тонкие поперечные ребра для захвата, так называемые ушки, то можно для отбора стружки сверлить эти ребра, так как их состав вследствие быстрого застывания близок к среднему. Перед отбором проб следует провести серийные исследования, чтобы убедиться в соответствии состава стружки из ушек среднему составу всего исследуемого металла.

Количество чушек, отбираемых от штабеля, согласовывается поставщиком и потребителем. Если материал однородный, для представительного пробоотбора с целью определения среднего содержания материалов рекомендуется отбирать для сверления один блок чушек от каждых 500 кг. Итальянский стандарт предписывает отбор 1 % от общего количества чушек. Чушки укладывают не более чем по десять штук в ряд и в точках пересечения диагонали ряда чушек их осями сверлят отверстия.

Если материал неоднороден (состоит из разных плавок или же в нем встречаются элементы, которые неравномерно распределяются уже в расплаве, например, свинец, висмут, индий и т. д.), то объем пробоотбора с целью установления точного среднего содержания должен быть увеличен по меньшей мере до 5% от поставленного количества. Может также обусловливаться иной объем пробоотбора.

При очень высоких требованиях к точности предпочитают расплавлять несколько чушек и отбирать ковшовую пробу из расплава.

Также рекомендовано просверливать отверстия в чушках по диагонали. Снизу и сверху сверлят равное количество отверстий до середины высоты чушки. В английском стандарте рекомендовано осуществлять пиление или фрезерование по всему сечению чушки.

 Для уменьшения загрязнений прежде всего железом вследствие применения железных инструментов необходимо принимать особые меры. При плавлении чушек, содержащих магний, кальции, натрии, эти легко окисляющиеся элементы частично теряются, и содержание их можно точно установить только по стружке исходного материала. Для контроля за равномерностью распределения элементов отбирают пробы от расплава и от чушек.

Для отбора проб от заготовок цилиндрической формы от середины и от двух краев выпиливают перпендикулярно к продольной оси по три пластины толщиной 20—30 мм. С них удаляют поверхностный слой, а затем с двух сторон по всей площади сечения фрезеруют или обтачивают. Стружку от, пластин можно отбирать сверлением; если четырехугольные слитки сверлят по диагонали и средним линиям, то круглые слитки сверлят по четырем диаметрам, расположенным под углом 45°.

Небольшие заготовки для проката пропиливают на 1/4 длины, собирая все опилки, или же полученные при пилении поверхности фрезеруют по всему сечению. В больших заготовках, пиление и фрезерование которых по всему сечению затруднено, сверлят отверстия до середины заготовки с обеих сторон, располагая их равномерно по диагонали наибольшей поверхности. Если с заготовки не удален верхний слой толщиной ^10 мм, то стружку из верхнего слоя отбрасывают. От трубной заготовки пробы отбирают с обоих концов фрезерованием по всей поверхности сечения. Так же отбирают пробы от проволоки. От тонкой проволоки пробы отрезают.

 От пластин, листа и ленты пробы отбирают пилением или фрезерованием по всей площади поперечного сечения, перпендикулярного к направлению прокатки, или же сверлением в том же направлении. Тонкие листы и полосы перед фрезерованием или сверлением складывают в стопку по нескольку штук и свертывают в несколько раз. Очень тонкие листы и фольгу толщиной менее 1 мм, которые нельзя фрезеровать или сверлить, разрезают ножницами. Особенно осторожно обращаются с плакированным материалом.

При опробовании отливок и частично поковок стружку отбирают как от толстых, так и от тонких участков пропорционально их массам фрезерованием по всей поверхности поперечного сечения или сверлением. Литники и прибыли непригодны для отбора проб. В соответствии со стандартами допускаются определенные отклонения в составе отливок.

Пробы от гранулированного материала отбирают согласно основным инструкциям для отбора проб зернистого материала, учиг тывая то, что гранулированный материал иногда содержит воду. Пробы от алюминиевой крупки, получаемой при распылении жидкого металла, отбирают в соответствии с общими инструкциями для анализа мелкозернистого материала.

Отбор проб порошка алюминия, получаемого из фольги и обычно содержащего мало жира, проводят по общим инструкциям для порошков.

При современных методах литья и степенях чистоты сверхчистого алюминия ликвации обычно не возникает, что значительно облегчает отбор проб этого материала по сравнению с другими сплавами. Только в очень тонком верхнем слое слитков надо учитывать более высокое содержание примесей. При отборе и обработке проб сверхчистого алюминия недопустимо любое загрязнение материала. Пробы следует отбирать обточкой или фрезерованием. Из-за небольшой твердости сверхчистого алюминия сверление применяют редко. После удаления верхнего слоя пробу отбирают со всего поперечного сечения. От крупных слитков отпиливают пластинки сверху и снизу; от полос, листа, штанг и профилей отбирают по пробе с концевых участков. Если фрезерование или обточка невозможны, то после удаления верхнего слоя пробы пропускают через хорошо закаленные и чистые валки, а затем прокатанную пробу обрабатывают в течение часа 50%-ной азотной кислотой, чтобы удалить вдавившиеся загрязнения, и режут ножницами. Пробы от чистого алюминия отбирают так же, как и от сверхчистого алюминия. При обычных условиях литья слитков с содержанием алюминия до 99,5% (по массе) ликвация, как правило, невелика. Ликвирующие элементы часто выступают на поверхности слитков. Как показывает исследование литой заготовки, полученной разливкой при неблагоприятных условиях в рифленую изложницу, в поверхностных слоях слитков могут возникать зоны с различным содержанием кремния и железа.

При промышленном спектральном анализе можно использовать вырезанные из слитков пластины, которые необходимо многократно обработать с обеих сторон по всему сечению и зафиксировать результаты отдельных обработок.

Часть 3