СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ВОДОРОДА В АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВАХ
PROCEDURE FOR DETERMINATION OF HYDROGEN CONTENT IN ALUMINIUM ALLOYS

Изобретение относится к области анализа газов в металлах, в частности к определению водорода в алюминиевых сплавах.
3
Водород, присутствующий в алюминии и его сплавах и составляющий 70-90% от суммарного содержания газа, оказывает отрицательное влияние на свойства и структуру изделий и полуфабрикатов из алюминиевых сплавов. Пористость отливок, расслоения в деформированных изделиях, пузыри на листах и тонкостенных профилях, снижение усталостных и эксплуатационных свойств связаны именно с высоким содержанием водорода. В алюминиевых сплавах при нормальных условиях содержание водорода обычно составляет 0,05-1,0 см/100 г металла. Водород в алюминиевых сплавах находится в виде раствора внедрения, может заполнять пустоты и поры в молекулярном состоянии и образовывать химические соединения - гидриды (чаще всего щелочных или щелочноземельных металлов), а также адсорбироваться на мелкодисперсных включениях оксидов алюминия внутри металла и образовывать химические комплексы с этими включениями. Для получения качественного металла необходимо максимально понизить в нем содержание водорода. При этом крайне важно максимально точно определить фактическое содержание водорода в металле, что связано со специфическими трудностями: малым содержанием водорода в алюминиевых сплавах, присутствием в сплавах легирующих компонентов с высокой упругостью пара и наличием абсорбированной влаги на оксидной пленке, покрывающей поверхность металла.
Известен способ определения водорода в алюминии и алюминиевых сплавах вакуум-нагревом твердой пробы металла (Непрерывное литье алюминиевых сплавов. В.И.Напалков и др. М.: Интермет Инжиниринг, 2005, с.327).
Недостатками известного способа являются его длительность и сложность, кроме того, для осуществления данного способа требуется специализированное дорогостоящее оборудование. При определении содержания водорода данным способом возможно занижение фактических значений из-за неполного извлечения водорода из образца вследствие ограниченной скорости диффузии в твердом состоянии.
Известен метод определения водорода в жидком металле способом Дарделла-Гудченко, основанный на определении содержания водорода по выделению первого пузырька в алюминии и алюминиевых сплавах (Непрерывное литье алюминиевых сплавов. В.И.Напалков и др. М.: Интермет Инжиниринг, 2005, с.325) - прототип.
Однако известный способ может быть применен только при наличии расплава в виде жидкой пробы, что ограничивает возможности его применения в случаях отсутствия или окончания процессов плавления, рафинирования и литья. При использовании данного способа возможно завышение и высокий разброс фактических значений содержания водорода по причине влияния на результаты анализа поверхностного водорода и возгонов летучих компонентов.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка способа определения содержания водорода, обладающего достаточной простотой и позволяющего обеспечить воспроизводимость и необходимую точность полученных результатов без существенных затрат времени и средств.
Техническим результатом, достигаемым при осуществлении изобретения, является расширение технических возможностей способа при обеспечении необходимой точности определения содержания водорода и удовлетворительной продолжительности процесса.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе определения содержания водорода в алюминиевых сплавах, включающем отбор расплава, изготовление цилиндрического образца и определение количества содержащегося в сплаве водорода, согласно изобретению отбор расплава осуществляют заливкой порции жидкого металла в металлическую изложницу цилиндрического сечения с дальнейшим охлаждением со скоростью 3-6°С/сек, при этом изготовление образца производят из литой пробы посредством круговой механической обработки с удалением со стороны литниковой и донной частей поверхностного слоя металла толщиной не менее 0,12Н, где Н - высота литой пробы, и удалением слоя металла на остальных поверхностях толщиной не менее 0,05D, где D - диаметр литой пробы, и получением на всех обработанных поверхностях образца параметра шероховатости Ra≤1 мкм, а определение содержания водорода выполняют после нагрева в вакууме механически обработанного образца до температуры 680-720°С и его последующего расплавления в момент появления на поверхности расплава первых газовых пузырьков водорода с учетом измеряемых значений температуры расплава и давления над расплавленным металлом.
Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. Путем отбора расплава и заливки его в металлическую изложницу получают пробу для определения водорода. Расплав заливают в толстостенную цилиндрическую изложницу с внутренним диаметром 50-70 мм и высотой 100-200 мм, что позволяет получить пробу массой 80-350 грамм. При отборе пробы из жидкого металла основным требованием является сохранение водорода в твердом образце в том же количестве, что и в расплаве. Поэтому для получения достоверных результатов охлаждение расплава в тигле необходимо производить с регламентированной скоростью. Скорость кристаллизации 3-6°С/сек позволяет исключить процесс выделения водорода путем диффузии и ликвидировать образования усадочных пор при затвердевании расплава. Благодаря регламентированной скорости охлаждения и наличию прибыльной части достигается необходимая плотность твердой пробы. Одним из важнейших источников погрешности при определении содержания водорода в металле является поверхностный водород, величина которого в значительной степени определяет точностные характеристики способа. Следовательно, для повышения точности способа первостепенное значение имеет качество поверхности образца. Для полного удаления поверхностного водорода охлажденную пробу без применения смазочно-охлаждающей жидкости обрабатывают механическим способом. Изготовление образца производят посредством круговой механической обработки с удалением поверхностного слоя металла со стороны донной и литниковой части толщиной не менее 0,12Н, где Н - высота литой пробы. С образующей цилиндрической поверхности и торца донной части удаляют слой металла толщиной не менее 0,05D, где D - диаметр литой пробы. Толщина снимаемого слоя обусловлена обеспечением отсутствия в образце поверхностного водорода и наружных дефектов в виде раковин, пузырей, расслоений. Для исключения погрешностей из-за влияния поверхностного водорода и гарантированного выведения всех поверхностных дефектов необходимо получение шероховатости поверхности Ra≤1 мкм. Регламентирование процесса изготовления образца в части норм удаления поверхностного слоя и качества поверхности позволяет исключить влияние поверхностного водорода и наружных дефектов на результаты анализа.
3
3
С целью предотвращения окисления поверхности механически обработанные образцы хранят в бюксах. Механически обработанный образец устанавливают в тигель, который помещают в печь, после чего нагревают до температуры 680-720°С и расплавляют, при этом постепенно понижая давление. При данном интервале температуры выделение из расплава иных летучих компонентов ограничено, что исключает их влияние на полученные результаты анализа. Через смотровое окно осуществляют наблюдение за поверхностью расплава. В момент появления на поверхности расплава первого газового пузырька регистрируют значения температуры расплава и давления. За первый пузырек принимают мелкий пузырек, который в центральной области поверхности расплава и за которым, как правило, при незначительном снижении давления на 1,33×10 Па-2,66×10 Па могут выделяться новые пузырьки, однако в отдельных случаях при низком содержании водорода возможно появление единственного пузырька. По результатам измерения давления и температуры определяют содержание водорода с использованием таблиц и номограмм, полученных по следующей формуле:
3
где  - содержание водорода, см/100 г;
Т - температура расплава, замеренная в момент появления первых пузырьков на поверхности зеркала расплава, K;
Р - давление над металлом, замеренное в момент появления первых пузырьков на поверхности зеркала расплава, Па.
А и В - коэффициенты в уравнении растворимости, определенные для данного сплава (см. табл.1).
Таблица 1
Сплав
Коэффициенты
А
В
Алюминий +2% кремния
2800
1,35
Алюминий +4% кремния
2950
1,47
Алюминий +6% кремния
3000
1,49
Алюминий +8% кремния
3050
1,51
Алюминий +10% кремния
3070
1,52
Алюминий +2% меди
2950
1,46
Алюминий +4% меди
3050
1,50
Алюминий +6% меди
3100
1,50
Алюминий +3% магния
2695
1,50
Алюминий +6% магния
2620
1,57
Алюминий
2760
1,35
Промышленная применимость предлагаемого изобретения подтверждается следующим примером конкретного выполнения.
3
3
При плавлении слитков из сплава АК6 в электрической печи осуществляли отбор порции расплава в медную цилиндрическую изложницу с внутренним диаметром 54 мм, после чего расплав охлаждали в изложнице со скоростью 5°С/сек. После охлаждения изложницы извлекли заготовку для образца размерами ⌀52×125 мм, после чего производили ее механическую обработку. С образующей поверхности заготовки удалили слой металла по 6 мм на сторону (0,11D), со стороны литниковой части удалили поверхностный слой металла 25 мм (0,2D), со стороны донной части удалили поверхностный слой металла толщиной 20 мм (0,16D). После механической обработки получили цилиндрический образец размерами ⌀40×80 мм и шероховатостью поверхности Ra 0,8 мкм. Полученный образец размещали в медном тигле, имеющем внутренний диаметр 45 мм. Тигель помещали в электрическую печь. Температуру в печи поднимали до 715°С, при этом создавали вакуум постепенным снижением давления. Через смотровое окно производили наблюдение освещенной поверхности металла. Появление первого пузырька возникло при давлении 7,315×10 Па и температуре металла 710°С. По измеренным значениям температуры и давления с использованием соответствующих формул, номограмм и таблиц получено значение содержание водорода 0,22 см/100 г.
Предлагаемый способ был опробован при изготовлении слитков из сплавов АК6, АД35, Д16. Результаты определения содержания водорода представлены в табл.2.
Таблица 2
Марка сплава
Вариант способа
Содержание водорода, см<sup>3</sup>/100 г
АК6
Предлагаемый
0,22
Метод вакуум-нагрева
0,20
Метод Дарделла-Гудченко
0,25
АД35
Предлагаемый
0,16
Метод вакуум-нагрева
0,16
Метод Дарделла-Гудченко
0,18
Д16
Предлагаемый
0,15
Метод вакуум-нагрева
0,14
Метод Дарделла-Гудченко
0,17
Предлагаемое изобретение позволяет расширить технические возможности способа в случаях отсутствия или окончания процессов плавления, рафинирования и литья, а также обеспечить необходимую точность определения содержания водорода и удовлетворительную продолжительность процесса.