Анализы алюминия (часть 3)

Анализы алюминия (часть 3)

Анализы алюминия

Анализы алюминия

Алюминиевые сплавы

Расплавленный металл. При анализе сплавов в жидком состоянии необходимо учитывать неоднородность концентрации и расслоение. Опасность расслоения возникает при наличии в сплавах свинца, кадмия, висмута, индия, натрия, калия, теллура и элементов, не полностью растворимых в алюминии при данных температурах плавления. Такие элементы, как титан и бор, образуют тугоплавкие соединения, которые растворяются только при высоких температурах и равномерно распределяются в расплаве. В расплавах среди обычно растворяющихся в алюминии примесных элементов возникают зоны неоднородности концентрации как следствие различий плотностей, Тяжелые элементы (медь и цинк) опускаются на дно печи, а более легкие элементы (магний и кремний) могут скапливаться на поверхности ванны. Особенно характерным является неравномерное распределение магния. При введении магния в виде лигатуры в жидкий алюминий в расплаве образуются пленки с повышенной концентрацией магния. Концентрация выравнивается только после длительного перемешивания и отстаивания расплава. Поэтому перед отбором проб из расплава необходимо тщательно перемешать расплав до самого дна.

Для отбора расплава используют железную пробницу, обмазанную формовочной смесью.

Перед отбором проб следует предварительно хорошо нагреть пробницу. Если она слишком холодна, то металл может начать застывать уже при разливке. Оседающие на пробнице кристаллы нормальных до-эвтектических сплавов богаче алюминием, чем сплавы среднего состава. В пробе, разлитой из слишком холодной пробницы, содержание алюминия снижается, а легирующих компонентов увеличивается.

При разливке проб для анализа надо учитывать в зависимости от состава сплава неоднородность и ликвацию в пробе. Если материал низколегированный и характеризуется небольшой склонностью к ликвации, то при помощи подходящей изложницы можно отлить достаточно однородную пробу. Эти изложницы могут служить при отливке проб для мокрого химического анализа, даже если материал более легированный, так как при полном измельчении пробы влияние ликвации, очевидно устранится.                                                      Для спектрального определения примесных элементов в высоколегированных сплавах разливать металл в эти изложницы нельзя. Возможно применение лишь упоминавшегося метода отбора проб с направленным охлаждением с целью достижения в пробе воспроизводимого процесса ликвации. Вообще принято считать что сплавы, содержащие <1% Си, 1,5% Mg, l%Fe, 1,5%Мп, 6%Si и и 5% И, можно разливать как однородные. Для этих сплавов подходят изложницы из проб, описанные ниже.

Обычно их разливают в простые цилиндрические медные изложницы (рис. сверху), получая пробы диаметром 40 и высотой 30 мм Верхняя часть ее состоит из двух равных половин, которые вставляются в пластину, служащую основанием. Для мокрого химического анализа из пробы вырезают сегмент в 90° и полностью измельчают его Однако в большинстве случаев достаточно разрезать пробу пополам в продольном направлении и профрезеровать ее по всей поверхности. Для спектрального анализа пробу разрезают точно посередине перпендикулярно к оси цилиндра.

Успешно применяют, изложницы и другой формы (рис. внизу) из стали с отверстиями для выхода воздуха, чтобы не допустить образования газовых пузырей и усадочных раковин на поверхности. Пробы-шайбы, отлитые в эти изложницы, можно использовать как для эмиссионно-спектрального, так и для рентгенофлуоресцентного анализов. Для этого шайбы обтачивают сверху на глубину примерно 2 мм. Для мокрого химического анализа отбирают 90-град сегмент пробы. Проще стачивать стружку по всей поверхности шайбы в средней ее зоне толщиной 2 мм.

Для отбора проб от высоколегированных сплавов при направленном охлаждении расплавленный сплав заливают в кольцо из теплоизоляционного волокнистого асбеста и связующего вещества, лежащее на медной плите. Стружку для мокрого химического анализа получают полным измельчением материала, как и из пробы цилиндрической формы. Для производственного контроля достаточно разделить пробу вдоль на две равные части и профрезе-ровать поверхности сечения. Для спектрального анализа пробу делят точно посередине перпендикулярно к оси цилиндра. С этих поверхностей сечения также можно снять обточкой тонкий слой стружки для химического анализа.

Трудности возникают при разливке проб для спектрального анализа, если сплав содержит большой процент кремния, близкий к Эвтектике (>s-ll,6% Si). В зависимости от условий разлйвкй при небольшом содержании натрия или фосфора образуются различные эвтектические структуры, влияющие на результаты спектрального и прежде всего рентгенофлуоресцентного анализов. В ходе медленного охлаждения заэвтектических сплавов ликвируют первично выделившиеся кристаллы кремния вследствие их небольшой плотности, даже при направленном фронте кристаллизации. В результате преимущественно на поверхности пробы накапливается кремний.

При подготовке проб заэвтектических сплавов для эмиссионно-спектрального анализа осложняется отбор стружки из-за выпадения кристаллов кремния. Устранить это явление можно за счет обточки подобных проб не стальным, а алмазным резцом. В качестве проб для эмиссионного спектрального анализа при исследовании алюминия и его сплавов, так же как и для рентгенофлуоресцентного анализа, используют почти исключительно шайбы и цилиндры; эти пробы пригодны для обработки графитовым электродом. Пробы в виде прутков для специальных целей можно изготовлять в предназначенных для этого изложницах.

Слитки сплавов.

Более или менее ярко выраженная неоднородность структуры литых слитков сплавов обусловлена чаще всего обратной зональной ликвацией (примеси или легирующие добавки накапливаются у поверхности слитка), которая особенно четко проявляется в сплавах, содержащих медь; она заметна при высоком содержании цинка, иногда магния, а также в заэвтектических сплавах. Размер и вид ликвации зависят не только от состава сплава, но и от условий разливки. Высокое содержание легирующих присадок и небольшая скорость охлаждения усиливают обратную зональную ликвацию. В сплавах, содержащих в качестве легирующих компонентов марганец и магний, при неблагоприятных условиях разливки и охлаждения наряду с обратной зональной ликвацией появляется пятнистая ликвация вследствие неравномерного распределения легирующих элементов в расплаве.

Из-за явления ликвации не всегда можно отбирать пробы, руководствуясь общими инструкциями. Зная распределение неоднородности в различных сплавах и литых слитках, можно было бы отбирать представительные пробы с учетом ликвации. Если нет особых указаний, необходимо руководствоваться общими инструкциями для отбора проб от сверхчистого и чистого аЛюминия.

 Для выявления компонентов чушек металла, не растворившихся в расплаве, таких как свинец, натрий и т. д., необходим отбор проб обязательно в максимальном числе мест. При этом не всегда достаточно сверления, рекомендуется отбирать стружку пилением, фрезерованием или обточкой по всему поперечному сечению.

Рассмотрим несколько примеров колебаний содержания компонентов в чушках.

Литейный сплав G—AlMg. При исследовании чушки сплава G—AlMg3 отбирают 5 шайб между пережимами (рис. со след. стр., положение 3) и подвергают их обработке по всему поперечному сечению. По данным анализа видно, что концентрации элементов в местах усадки, т. е. в середине слитка сверху, на 20% ниже, чем средние значения по всему объему слитка. На поперечных сечениях чушек других богатых магнием сплавов G—AlMg определяют содержание магния в местах, указанных на рис. след.стр. Для сравнения в одной чушке по оси высверливают отверстия и отбирают стружку от каждой четверти слитка по высоте.

Литейные сплавы G—А1—Si—Си. Чушку сплава 225G—AlSi6Cu4 с двумя пережимами делят посередине поперек, отделяют третью часть и исследуют методом спектрального анализа. Следующий поперечный разрез делают в месте пережима и подвергают обработке в шести местах.

Наиболее ярко выражена ликвация меди с 3,18 до 4,38%, повышающаяся от зоны усадки и усадочных раковин до стенок изложницы. Подобным же образом изменяются содержания цинка (от 0,72 до 0,94%), кремния (от 6,8 до 8,8%), железа (от 0,62 до 0,75%) и марганца (от 0,26 до 0,33%). Самое высокое содержание свинца и олова — на нижней поверхности чушки, самое низкое — на ее верхней поверхности. Даже стружка, отобранная от середины слитка в поперечном направлении, может дать представление о характере ликвации. И тогда, когда стружку для анализа отбирают пилением или фрезерованием, зоны ядра и краев чушки должны входить в состав пробы в количестве, пропорциональном их объемам. Результаты исследования сплава 311GD — AlSi7Cu3 аналогичны.

Литейные сплавы с высоким (>12%) содержанием кремния. Вследствие различия в плотности на верхней поверхности чушек из этих сплавов могут накапливаться первичные кристаллы кремния, а на нижней поверхности — первичные кристаллы соединений железа и марганца. Отбор стружки для химического анализа отливок с содержанием кремния более 13% нельзя проводить обточкой или фрезерованием, так как при этом первично выделившиеся кристаллы кремния истираются, возникают потери кремния от распыления. В данном случае пробу можно отбирать только очень медленным сверлением. Полученный материал помещают в герметичные сосуды. В качестве пробы пригодны также мелкие кусочки, вырезанные из отливки.

Сплав-восстановитель. По диагонали поверхностей чушки сплава-восстановителя (стандарт № 411) сверху и снизу в шести точках сверлят с целью отбора стружки отверстия до середины Слитка.

Штабеля чушек. Для пробоотбора от уложенных в штабеля чушек из алюминиевых сплавов действительны общие инструкции. Для шихты, предназначенной к плавке, различия в содержаниях компонентов в чушках учитывают только при нецелесообразности плавления или при высоком содержании легирующих элементов, например меди и свинца. В сплавах, богатых магнием, вследствие окисления могут возникать различия в его содержании между первыми и последними слитками одной плавки. Однако разница в содержании магния внутри одной плавки не превышает ошибки обычного производственного анализа.

Круглые и катаные заготовки. В зависимости от способа разливки в объеме слитка наблюдаются колебания состава вследствие ликвации. Процессы ликвации протекают в слитках не постоянно. Особенно заметно развивается ликвация при непрерывной разливке. На рис. со след. стр. показаны типичные результаты анализа отдельных зон слитков из сплавов AlCuMg. Как следует из этих примеров, процесс ликвации в слитках очень неравномерен и в большой степени зависит от условий разливки. Общим является высокое содержание меди (иногда железа) в поверхностном слое толщиной в несколько миллиметров.

Сплав А1—Си—Mg—Pb. От двух заготовок диаметром 350 мм из сплава А1—Си—Mg—Pb, полученных методом непрерывной разливки, отбирают по шайбе из нижней и верхней частей. Распределение свинца по сечению, перпендикулярному к направлению разливки, показано на рис. слева на след. стр. Для определения средних значений вырезают сегменты, с которых фрезой снимают равномерный слой, а стружку подвергают анализу.

 Результаты исследований показывают, что содержание свинца в отдельных шайбах резко и нелинейно возрастает от края к середине. Как показало исследование проб, взятых от концов заготовки, ликвация возникает и в направлении разливки. При этом особенно трудно отбирать пробы сверлением для получения средних значений. Более или менее точный отбор проб возможен, только если из слитка вырезать через равные интервалы несколько шайб и фрезеровать их с обеих сторон по всему сечению и на определенную глубину.

Сплав G—A1—Mg. В зависимости от размера катаных заготовок встречаются более или менее обширные верхние поверхностные зоны, богатые легирующими элементами и примесями. На рис. справа со след. стр. показано распределение элементов на поверхности катаной заготовки 1400x1100X300 мм из сплава AlMg3. Размеры поверхностных зон различны и могут достигать 12 мм. Поэтому при отборе проб особенно надо обращать внимание на то, чтобы эти зоны не исказили результаты исследований.

Прессованные слитки и слитки-заготовки. В толстолистовых заготовках для штамповки и профильных заготовках, особенно из сплава А1—Си—Mg, возможно возникновение ликвации при разливке. В тонких листах и штампованных слитках вследствие деформации структура и состав усредняются, поэтому отбор проб не представляет трудностей.

Лигатуры. Заэвтектические алюминиевые сплавы очень склонны к ликвации. Это прежде всего заэвтектические лигатуры типа А1—Сг А1—Cu50, Al—Cu—Mn, A1—Fe, AJ—Mn, A1—Ni, Al—Si с содержанием кремния 20%, а также Al—Ti. Отбор проб от А1—Сг5—10,

Fe, Al—MnlO, Al—Si30, Al—Si40). Очень крупную стружку, получающуюся, например, при сверлении Al—Ti сплава, перед взвешиванием толкут. Стружку всех сплавов, за исключением Al—Fe обрабатывают магнитом, чтобы удалить посторонние частицы железа. Хрупкие лигатуры Al—Cu50, Al—Си—Мп и Al—Ni50 истирают в порошок в стальной ступке или в истирателе. Из порошкообразного материала железо удаляют магнитом.

Al—Fel4, Al—MnlO, Al—Ni20, Al—Si20 и Al—Ti5—10 производят пилением или сверлением пластины минимум в пяти различных местах, расположенных по диагонали пластины. Надо постоянно обращать внимание на то, чтобы во всех случаях пластина просверливалась полностью. Если вместе с крупной стружкой получается мелкая, то в конце операции всю стружку тонко измельчают в ступке (А1—

При высоких требованиях к точности опробования рассевом получают крупные, средние и мелкие фракции стружки и от каждой фракции отвешивают адекватные части в зависимости от их массы.

Плакированные металлы. Листы и ленты из алюминиевых сплавов часто подвергают плакированию. Плакирующий слой состоит из чистого алюминия или алюминиевых сплавов, например на сплавах AlCuMg — слой чистого алюминия, на сплавах Al—Mg— Si — слой чистого алюминия с 10% цинка и на сплавах AIMn— слои из A1SH2. Эти слои имеют различную толщину и могут наноситься с одной или с двух сторон. Для электротехнических целей изготовляют чистый алюминий, плакированный медью. Возможно плакирование и прессованных изделий. Прежде всего такие плакировки следует учитывать при отборе количественной капельной пробы и при спектральном анализе, так как основной материал может быть скрыт под плакирующим слоем. При отборе проб от этих заготовок руководствуются общими инструкциями.

Отбор проб для спектрального анализа. Литая структура слитков из алюминиевых сплавов в зависимости от вида и состава сплава более или менее однородна. Прямая обработка вырезанных шайб недопустима. Пробоотбор должен проводиться из расплава пробы, для чего все пробы следует расплавлять в электропечи в тигле из чистого графита. Пробу для спектрального анализа отливают в соответствии с инструкциями по отбору проб расплавленного металла.

При повторном расплавлении возникает опасность потерь легко испаряющихся и окисляющихся элементов, например магния и цинка. В результате быстрого плавления при возможно низкой температуре в хорошо закрытой печи и быстрой разливки пробы потери можно сократить до минимума и удерживать в допустимых пределах.

Отбор проб для особых целей

Определение содержания водорода. Почти все методы определения содержания водорода разработаны с целью исследования твердого металла после кристаллизации. В качестве пробы используют отлитый металлический цилиндр массой около 20 г, диаметром 16 мм и длиной 40 мм. Для отбора проб из расплавов используют изложницу фирмы «Schweizerische Aluminium AG». На рис. 83 показан пробоотборник, состоящий из изложницы 1 с коническим отверстием. В алюминиевой трубке 2, плотно привинчивающейся к изложнице, расположено устройство для извлечения пробы 3. Один из шлангов соединен с резиновой грушей 4 для создания слабого разрежения в изложнице; второй, заканчивающийся штуцером, подсоединяют при необходимости быстрого охлаждения металла. Для отбора проб изложницу с оттянутым поршнем и сжатой резиновой грушей опускают в объем расплава, свободного от загрязнений, разжимая грушу, втягивают металл в изложницу. Охлаждение происходит мгновенно и сразу же пробу выталкивают нажатием на шток поршня. Полученную пробу почти цилиндрической формы со средним диаметром 7 мм и длиной 75 мм после уменьшения до нужной длины можно использовать для опытов без предварительной обработки.

Определение содержания окиси алюминия. Из неметаллических примесей, содержащихся в алюминии и его сплавах, наибольшее значение имеет кислород. Он содержится в металле в виде нерастворимого окисла. При пробоотборе для определения содержания Аl2Оз трудности заключаются в том, что этот окисел неравномерно распределен в металле. Использование дробленого материала здесь исключается, так как даже при осторожной работе вследствие поверхностного окисления возникает ошибка в определении содержания Аl2Оз. Поэтому при анализе используют только компактные куски массой 2—5 г. Если надо определить среднее содержание Аl2Оз то можно отобрать большее количество проб. Цилиндрические или призматические пробы для анализа массой 2—5 г выпиливают или вытачивают из опробуемого материала. Поверхностный слой окисла на только что вырезанных или выточенных пробах удаляют раствором азотной кислоты и концентрированной плавиковой кислотой, после чего сразу проводится их взвешивание и по разности масс определяют содержание Аl2Оз.

Для определения содержания кислорода путем активации нейтронов используют пробы массой до 20 г.

Об отборе проб сульфата алюминия

Сульфат алюминия поставляют в виде кусков или мелочи с частицами размером 0,5—4 мм. Пробы отбирают в соответствии с рекомендациями, изложенными в 5.6, и хранят в плотно закрывающихся сосудах.