車用鑄造鋁合金化學(xué)成分直讀光譜測(cè)試中的取樣問(wèn)題

王彩梅

(泛亞汽車技術(shù)中心有限公司,上海 201201)

測(cè)試鑄造鋁合金的化學(xué)成分常采用比色法和滴定法,這兩種方法預(yù)處理過(guò)程復(fù)雜,所用化學(xué)試劑較多，測(cè)試成本偏高[1]。光譜分析法是測(cè)試鑄造鋁合金化學(xué)成分的一種便捷方法，其測(cè)試速度較快，通常單個(gè)試樣從研磨制備到得到結(jié)果不超過(guò)20 min[2-5]。在GB/T 7999—2015《鋁及鋁合金光電直讀發(fā)射光譜分析方法》中只較為籠統(tǒng)地規(guī)定了試樣制備的方法,如在鑄錠、鋁件等加工產(chǎn)品上取樣時(shí)，應(yīng)從具有代表性的部位取樣；試樣表面需干凈，無(wú)孔隙、裂紋等可見缺陷，如果有偏析時(shí)，需要重新進(jìn)行熔融澆鑄處理[6]。但是鑄造鋁合金內(nèi)部常有氣孔、偏析、縮孔等不可見缺陷，會(huì)影響測(cè)試結(jié)果，為此筆者對(duì)同一批次的多個(gè)試樣進(jìn)行測(cè)試,分析了取樣位置對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，以期獲得準(zhǔn)確的測(cè)試結(jié)果[7]。

1 試驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)方法

取5根直徑為8 mm的棒狀鑄造鋁合金拉伸試樣，分別編號(hào)為1，2,3,4,5。根據(jù)GB/T 7999—2015的技術(shù)要求采用MAXx型直讀光譜儀對(duì)其化學(xué)成分進(jìn)行分析，并使用EVO 18型掃描電子顯微鏡和Bruker Quanta 200型能譜儀對(duì)試樣的表面形貌進(jìn)行分析,其中鑄造試樣澆鑄成型部分不適用，只對(duì)來(lái)樣進(jìn)行測(cè)試。直讀光譜儀的鋁合金校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)樣品為ADC12 E922b[8]，企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其化學(xué)成分的要求如表1所示，其形狀及取樣方向如圖1所示。橫截面試樣是在棒材中間區(qū)域、垂直于圓棒軸線切割取樣；縱截面試樣是在中間區(qū)域、平行于圓棒軸線切割取樣。

表1 鑄造鋁合金化學(xué)成分的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Enterprise standard requirements for chemicalcomposition of cast aluminum alloy (mass fraction) %

用精密切割機(jī)從每根棒狀拉伸試樣中間沿垂直于軸線的平行段截取一段橫截面試樣，長(zhǎng)度為10 mm。采用600目砂紙水研磨橫截面，若能看到縮孔、裂紋等缺陷，則繼續(xù)研磨，直到試樣表面光滑，無(wú)肉眼可見缺陷，然后用無(wú)水酒精清洗后晾干。

圖1 鑄造鋁合金棒材取樣示意圖Fig.1 Sampling diagram of cast aluminum alloy bar

每個(gè)試樣用直讀光譜儀測(cè)試2次，取2次測(cè)試結(jié)果的平均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果。

2 試驗(yàn)結(jié)果

5個(gè)橫截面試樣的化學(xué)成分測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 5個(gè)橫截面試樣的化學(xué)成分測(cè)試結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.2 Chemical composition test results of 5 cross sectional samples (mass fraction) %

根據(jù)材料的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求,橫截面試樣3中主要元素如硅、鐵、鎂、鋅、鉛等元素含量不滿足要求，而且硅測(cè)試結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差大于GB/T 7999—2015中對(duì)重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)偏差小于1.5的要求，為找出原因，查看了橫截面試樣3的全元素測(cè)試結(jié)果，如表3所示。

表3 橫截面試樣3第一次化學(xué)成分全元素測(cè)試結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.3 Results of first chemical composition total element test of sample 3 in cross section (mass fraction) %

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)樣品ADC12 E922b的化學(xué)成分，測(cè)試可靠的元素有硅、鐵、銅、錳、鎂、鎳、鋅、鉛、錫、鈦、鍶，其余為參考。根據(jù)表3可知，鍶、銦等稀有元素含量異常高。

為了防止取樣、研磨或其他偶然因素的干擾，在試樣3上重新取橫截面試樣，研磨并測(cè)試兩次其化學(xué)成分，結(jié)果如表4所示。

橫截面試樣3復(fù)測(cè)結(jié)果的鐵元素含量仍然異常，而且稀有元素鍶、銦等元素含量仍然較高，不符合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)鑄造鋁合金成分的要求。為了確認(rèn)這批鑄造鋁合金是否確實(shí)含有稀有元素，又查看其余4根棒材的全元素測(cè)試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)鍶、銦等元素含量正常，且含量很低，幾乎可以忽略。表5為橫截面試樣1的全元素測(cè)試結(jié)果。

在重新制樣過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)試樣3橫截面上有肉眼可見細(xì)小的縮孔，呈針孔狀，且數(shù)量較多；重新打磨試樣1，同樣發(fā)現(xiàn)有縮孔，但不是呈細(xì)密狀。因懷疑縮孔內(nèi)含有稀有元素，且測(cè)試面剛好覆蓋在針孔上，所以再次在試樣3上截取橫截面試樣，并保留針孔，使用掃描電鏡附帶的能譜儀進(jìn)行成分分析，分析位置及結(jié)果如圖2所示。

表4 橫截面試樣3化學(xué)成分全元素復(fù)測(cè)結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.4 Retest results of all element chemical composition of sample 3 in cross section (mass fraction) %

表5 橫截面試樣1第一次化學(xué)成分全元素測(cè)試結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.5 Results of first chemical composition total element test of sample 1 in cross section (mass fraction) %

圖2 試樣3橫截面縮孔的能譜分析位置及結(jié)果Fig.2 a) Position and b) results of energy spectrum analysis on cross section shrinkage cavity of sample 3

圖片上的縮孔位于橫截面中心直徑2 mm范圍內(nèi)，對(duì)縮孔和周圍的區(qū)域都進(jìn)行了分析，分析結(jié)果顯示沒(méi)有鍶、銦等稀有元素。

改變?nèi)臃较?，在試?上截取一段鋁棒，并沿縱截面切開，制備縱截面試樣3，研磨后采用直讀光譜儀復(fù)測(cè)，結(jié)果如表6所示。

表6 縱截面試樣3化學(xué)成分測(cè)試結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.6 Chemical composition test results of sample 3 in longitudinal section (mass fraction) %

鍶和銦元素含量分別小于0.000 1%和小于0.000 3%,可以忽略不計(jì)，主要元素硅、鐵、鎂、鋅、鉛的含量滿足表1所示的企業(yè)文件要求。將縱截面試樣3的測(cè)試結(jié)果替換橫截面試樣3的，得到的最終測(cè)試結(jié)果如表7所示。最終測(cè)試結(jié)果中所有元素的標(biāo)準(zhǔn)偏差均滿足GB/T 7999—2015對(duì)鑄造鋁合金重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)偏差的要求。

表7 鑄造鋁合金化學(xué)成分最終測(cè)試結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.7 Final test results of chemical composition of cast aluminum alloy (mass fraction) %

3 分析與討論

用直讀光譜儀測(cè)試試樣的化學(xué)成分時(shí)，要求試樣足夠厚，若試樣不夠厚,試驗(yàn)時(shí)會(huì)將其燒穿，電子打到試樣的壓頭上，導(dǎo)致壓頭的金屬成分被激發(fā)出來(lái)，干擾試驗(yàn)結(jié)果，其次鑄件表面不得有肉眼可見的縮孔或疏松，如有縮孔和疏松缺陷，試樣會(huì)由于質(zhì)量密度不夠，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果出現(xiàn)異常。

由于在GB/T 7999-2015中沒(méi)有規(guī)定取樣方向，所以第一次測(cè)試了鋁棒橫截面上的化學(xué)成分。測(cè)試過(guò)程中，測(cè)試面均沒(méi)有肉眼可見的針孔，設(shè)備也沒(méi)有顯示測(cè)試方法和結(jié)果異常，但根據(jù)測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)橫截面試樣3的化學(xué)成分不滿足企業(yè)技術(shù)文件的要求，應(yīng)判為不合格試樣。經(jīng)分析，送檢的5根棒材是同一批次鑄造試樣，成分出現(xiàn)異常的概率應(yīng)該很小，而且稀有元素鍶和銦的含量異常高，所以懷疑可能是制樣的問(wèn)題。重新磨制試樣，研磨過(guò)程中發(fā)現(xiàn)橫截面上有數(shù)量較多的縮孔，同時(shí)也重新磨制其余成分合格的試樣，發(fā)現(xiàn)縮孔沒(méi)有試樣3的細(xì)密，且橫截面試樣3復(fù)測(cè)的兩次結(jié)果與第一次的結(jié)果相似，鍶及銦元素的含量仍然偏高。采用掃描電鏡附帶的能譜儀測(cè)試縮孔及其周圍區(qū)域的化學(xué)成分，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)含量異常多的稀有元素。因此，可以說(shuō)明棒材橫截面的測(cè)試結(jié)果有誤，鑄造時(shí)的縮孔影響了測(cè)試結(jié)果。

考慮到縮孔細(xì)長(zhǎng)，且沿棒材長(zhǎng)度方向分布，因此改變制樣方向，對(duì)試樣3制備縱截面試樣，測(cè)試結(jié)果中鍶及銦元素含量不再異常，主要元素的含量也和其他棒材試樣的一致，說(shuō)明縱向測(cè)試時(shí)，試樣的厚度及密度是符合標(biāo)準(zhǔn)要求的。

4 結(jié)論

在用直讀光譜儀測(cè)試鑄造鋁合金的化學(xué)成分時(shí)，試樣內(nèi)部的不可見缺陷會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果，因此如果采用直接切片取樣的方式制樣，要考慮鑄造缺陷如縮孔、疏松的影響。一方面要保證測(cè)試截面無(wú)肉眼可見的氣孔、偏析和縮孔等缺陷，另一方面在制樣時(shí)注意缺陷的分布、形狀和數(shù)量。如果缺陷細(xì)密且垂直于測(cè)試截面，可以改變?nèi)臃较?，?duì)其他方向的截面取樣進(jìn)行測(cè)試。在發(fā)現(xiàn)有異常的稀有元素或測(cè)試結(jié)果不滿足企業(yè)技術(shù)文件的要求時(shí)，可采用掃描電鏡附帶的能譜儀先對(duì)鋁合金的成分進(jìn)行定性測(cè)試，然后在有測(cè)試要求的區(qū)域內(nèi)，沿不同方向截取試樣重復(fù)測(cè)試，并分析對(duì)比不同截面試樣的測(cè)試結(jié)果，從而得到材料的準(zhǔn)確測(cè)試結(jié)果。