用rh-42測氫儀分析鋁及鋁合金中氫含量時試樣的制備方法

許多研究表明，鋁和鋁羥基對包括彈性、耐候性、勞動性、耐腐蝕性和其他力學能的影響具有顯著影響。因此，在衡量和研究氫的影響時，需要正確測定氫含量。rh-403氫原設備是一種先進的金屬氫含量測定設備，由美國leco公司制造。通過該測氫儀，可以實現(xiàn)氫壓過程的微型控制，準確測量鋼、鋁、銅、鎂、鈦、鋯、鉻、銅、鋯、鉻等金屬和爐渣中的氫含量。其精度達到1%，靈敏度達到0.00110-6。氫測區(qū)范圍為0.00110-62010-6（低范圍）和0.0110-64010-6。使用RH-402測氫儀分析金屬中的氫含量時,在儀器常數(shù)確定(由制造商確定后不能改變)且分析用各種化學試劑性能良好的條件下,影響分析準確性的主要因素是試樣的制備及分析參數(shù)的選擇.本文主要就這些參數(shù)對測定鋁及鋁合金中氫含量的影響進行了探討.1a/d轉換電路熱導池(ThermalConductivityCell)能夠檢測不同氣體導熱率之間的差異(見表1).熱導池由惠斯通電橋四壁上的兩對燈絲電阻組成,參比燈絲保持在恒定氣體成分(N2)、恒定氣體流量、恒定溫度環(huán)境中,而測量燈絲保持在恒定氣體流量、恒定溫度環(huán)境中,允許氣體成分變化.所有燈絲裝在一個置于溫控爐內(nèi)的金屬體中(熱導池示意圖見圖1).當兩對燈絲處在完全相同的環(huán)境時,電橋在特定電流下平衡.電橋電流受燈絲的熱電特性控制,而且必須維持在指定范圍內(nèi).電橋電流引起燈絲的自加熱,因此燈絲溫度總是遠高于熱導池所處的爐溫(環(huán)境溫度).爐溫維持在45℃±0.2℃,該溫度實際上消除了通常室溫變化的影響.只要兩對燈絲處于相同的環(huán)境中,電橋就處于平衡狀態(tài),電橋輸出維持最小讀數(shù).環(huán)境的任何變化將導致電橋輸出的變化.一旦電橋在適當?shù)臈l件下平衡并穩(wěn)定,電橋輸出的變化只能由通過測量燈絲的氣體成分變化引起.電橋是由測量燈絲室和參比燈絲室的N2氣流來平衡的.由于H2導熱率比N2高得多,H2的進入將引起測量燈絲溫度的升高,因而電橋變得不平衡.電橋輸出經(jīng)前置放大器放大,產(chǎn)生正的讀數(shù)值.H2的量決定了讀數(shù)的大小,系統(tǒng)的靈敏度受電橋電流以及分析氣體(H2)和載氣(N2)導熱率之間的差值大小控制.計算機以每秒18次的頻率讀取熱導池的輸出,經(jīng)A/D轉換器將這個輸出轉換成二進制數(shù)并儲存于RAM中.對所存數(shù)據(jù)執(zhí)行噪音(背底)消除后進行積分,然后對積分結果進行校正、重量補正、空白補正,測量結果最后以1×10-6H2的形式給出.2試樣的制備過程本文所采用的測氫試樣取自低壓鑄造的鋁合金車輪毛坯,取樣位置為輪輞部位.合金成分相當于ZL101.RH-402測氫儀能夠測定的最大試樣尺寸為Φ9.5mm×53.3mm.為了使測氫結果能夠比較準確地反映被測實體的氫含量,試樣應盡可能大些.在本文的試樣中,由于輪輞壁厚的限制,機加工后的試樣如圖2所示.試樣制備過程如下:2.1試樣制備入表面試樣加工過程中應注意如下事項:(1)試樣加工前用丙酮清洗所用刀具;(2)將試樣一端夾入夾盤中,另一端用頂頭頂上進行加工,切下試樣前頂坑必須切去;(3)試樣表面切削深度在試樣所有鑄造表面上超過0.2~0.4mm;(4)試樣加工過程中不允許冷卻,不允許用手及其它圬物接觸試樣已加工的表面;(5)切削參數(shù)為:轉速約750r/min,進刀量≤0.2mm,走刀速度約0.038mm/轉.2.2樣品清潔(1)將試樣放入丙酮或四氯化碳中清洗;(2)用吹風機將試樣表面吹干.試樣清洗完畢后應盡快進行測氫分析,不應在空氣中放置太長時間.3分析參數(shù)的確定用RH-402測氫儀測定鋁中氫含量時,采用結合分析程序(CombinedAnalysis),即用熱抽取分析程序(HotExtractionAnalysis)測定表面氫,用熔化分析程序(FusionAnalysis)測定內(nèi)部氫.分析前必須確定的分析參數(shù)如表2所示.在這些分析參數(shù)中,對測氫結果的準確性影響較大且較難確定的參數(shù)是表面氫分析時的試樣加熱時間(FurnaceonTime)和內(nèi)部氫分析時的試樣加熱時間(MaximumFurnaceonTime).本文主要對這兩個分析參數(shù)進行了研究,分析時其它分析參數(shù)如表2所示,保持不變.3.1加熱時間的影響表面氫分析實質(zhì)上是消除試樣表面的污染,提高內(nèi)部氫分析結果的準確性,使之真正反映試樣本身的氫含量.表面氫分析時,在加熱功率確定(選擇較適當)、分析時間充分(但不要過長)的條件下,試樣加熱時間的選擇是保證表面氫分析結果準確性的關鍵.加熱時間過短,表面污染不能充分消除,測得的表面氫含量低,使內(nèi)部氫分析時的結果比試樣本身的氫含量高.加熱時間過長,表面污染雖然能夠充分消除,但亦使試樣內(nèi)部氫部分釋放,混入表面氫中,測得的表面氫含量高,從而使內(nèi)部氫分析結果低于試樣本身的氫含量.這樣都得不到準確的內(nèi)部氫含量.因此,必須適當選擇表面氫分析時的加熱時間.圖3給出了試樣加熱時間與氫含量的關系曲線.由圖可以看出:(1)與表面嚴重污染的試樣(曲線B)相比較,在試樣加熱時間較短時,表面清潔的試樣的氫含量(曲線A)低得多,可見試樣加工方法和表面清洗的重要性.(2)對于表面清潔的試樣,加熱時間在0~8s范圍內(nèi),隨加熱時間的延長氫含量增加很慢,表明小于8s的加熱很難充分消除試樣的表面污染.加熱時間在8~18s范圍內(nèi),隨加熱時間延長氫含量迅速增加.8~12s范圍的加熱產(chǎn)生的氫含量增加主要是表面氫釋放引起的.加熱時間超過12s后,內(nèi)部氫將大量逸出.加熱時間超過18s后,氫含量增加速度變慢,表明內(nèi)部氫釋放將盡.因此,分析表面氫時,試樣加熱時間(FurnaceONTime)選擇為9~10s比較合適.這樣能夠比較充分地消除表面污染,而不致于使試樣內(nèi)部氫大量逸出.3.2加熱時間的影響內(nèi)部氫分析結果直接反映試樣本身的氫含量高低,是整個氫分析過程的關鍵所在.在加熱功率確定、分析時間充分的條件下,加熱時間的正確選擇是準確分析內(nèi)部氫的保證.加熱時間過短,試樣不能熔化,內(nèi)部氫不能充分逸出,造成內(nèi)部氫分析結果偏低.加熱時間過長,不僅可能使石墨坩堝被高溫鋁液融蝕,鋁液滲透出來污染儀器,而且有可能使鋁液內(nèi)部各組元之間或鋁液組元與石墨坩堝之間發(fā)生反應或汽化,產(chǎn)生導熱率高于N2的氣體,對分析結果產(chǎn)生正的影響,使分析結果高于試樣本身的氫含量.適當?shù)募訜釙r間應該是使試樣剛好熔化,試樣內(nèi)部的氫能夠充分逸出.圖4給出了內(nèi)部氫分析時測得的氫含量與加熱時間的關系曲線.加熱時間小于24s時,隨加熱時間的延長,氫含量逐漸增加并趨于飽和.繼續(xù)延長加熱時間,氫含量又迅速增加,這正是加熱時間過長造成的假象.可見,比較合適的加熱時間應選擇在24~26s.需要指出的是,分析參數(shù)的確定(尤其是試樣加熱時間和分析時間)還與試樣的合金成分(決定其熔點)、試樣重量有關.這些因素變化時,分析參數(shù)應相應調(diào)整.3.3分析參數(shù)結果圖5是鋁合金中氫分析的一個實例.試樣是用未除氣精煉的鋁液澆鑄成試棒然后加工而成的.試樣重量WT=6.815g.表面氫分析時的加熱時間為10s,內(nèi)部氫分析時的加熱時間為2