車(chē)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(chē)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(jiàn)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(jiàn)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(xiàn)切割取樣；縱截面試樣是在中間區(qū)域、平行于圓棒軸線(xiàn)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(xiàn)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(jiàn)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(mǎn)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(jiàn)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?chē)膮^(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)臃较颍谠嚇?上截取一段鋁棒，并沿縱截面切開(kāi)，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(mǎn)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(mǎn)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(jiàn)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(jiàn)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(mǎn)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?chē)鷧^(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(jiàn)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(jiàn)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)臃较颍瑢?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(mǎn)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。