CN104697827A - 含高挥发性、高反应活性元素合金样品制备及热分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含高挥发性、高反应活性元素合金样品制备及热分析方法。包括：(1)在手套箱中，称取含高挥发性、高反应活性元素的合金粉末，混合均匀并压制成型；(2)将成型的试样封装入钽管中，再将钽管从手套箱中取出，封入真空石英管中，随后放入热处理炉中进行烧结及退火处理；(3)将石英管从热处理炉中取出迅速淬火并将钽管取出，然后在手套箱中将样品从钽管中取出。本发明的方法可广泛用于镁（铝、锌等）合金、稀土（锰、锶、钇、钕等）合金等含高活性和高挥发性元素的合金的制备及其热分析。通过同标准纯金属物质的熔点对比表明采用本发明的热分析方法测定的相变温度精度可以达到± 1°C。

Description

含高挥发性、高反应活性元素合金样品制备及热分析方法

技术领域

本发明涉及一种含高挥发性、高反应活性元素合金样品制备及热分析方法。

背景技术

镁、铝、锌等合金作为减重的金属结构材料，具有比强度和比刚度高、导热导电性能好、易于加工和容易回收等特点，在交通运输、电子通信、航空航天等领域得到了广泛的应用。热分析能够提供材料的相变温度，对研究材料的凝固以及固态相变等材料制备过程具有重要的意义。镁、铝、锌等元素的低沸点给研究和应用带来极大的挑战。目前，传统的方法制备合金需要几十克甚至几千克的纯元素原料。开放式的熔炼方法极大地浪费了金属原料，并且挥发的金属蒸汽会污染环境，部分金属蒸汽还有剧毒。此外，开放式的熔炼经常会导致液态金属飞溅，引发安全事故。不含高挥发性、高反应活性元素的材料，其热分析是在非保护气氛中制备样品并在敞开的坩埚中进行的。对于含高挥发、高反应活性元素的镁合金：一方面由于元素的高反应活性，在非保护气氛中制备的样品容易与水、氧发生反应；另一方面由于镁的高挥发性，在热分析过程中随着温度的升高，金属的蒸汽压持续升高。在开放式坩埚中，挥发出的金属蒸汽不断被排出，从而导致了试样的严重挥发，并损坏热分析仪。这两个因素共同作用，导致常规的热分析方法不能用于含高挥发、高反应活性元素的镁、铝、锌等合金的相变温度的测定，从而导致现有镁、铝、锌等合金相图、相变数据非常稀缺。

发明内容

本发明的目的是提供一种含高挥发性、高反应活性元素合金制备及热分析方法。

为了达到上述目的，本发明的含高挥发性、高反应活性元素合金样品制备方法，包括以下步骤：

(1) 在手套箱中，称取含高挥发性、高反应活性元素的合金粉末，混合均匀并压制成型；

(2) 将成型的试样封装入钽管中，再将钽管从手套箱中取出，封入真空石英管中，随后放入热处理炉中进行烧结及退火处理；

(3) 将石英管从热处理炉中取出迅速淬火并将钽管取出，然后在手套箱中将样品从钽管中取出。

优选地，所述的合金粉末为镁合金粉末或者铝合金粉末或者锌合金粉末或者锰合金粉末或者锶合金粉末或者钇合金粉末或者钕合金粉末，其中高挥发性、高反应活性元素镁、铝、锌、锰、锶、钇、钕的含量分别为99.0wt%～99.99wt% 。

作为改进，在合金样品制备过程中，保持样品水氧含量为0.4～1.0ppm。

本发明的含高挥发性、高反应活性元素合金样品的热分析方法，包括以下步骤：

(1) 在手套箱中，称取含高挥发性、高反应活性元素的合金粉末，混合均匀并压制成型；

(2) 将成型的试样封装入钽管中，再将钽管从手套箱中取出，封入真空石英管中，随后放入热处理炉中进行烧结及退火处理；

(3) 将石英管从热处理炉中取出迅速淬火并将钽管取出，然后在手套箱中将样品从钽管中取出；

(4)切取一块重25～60mg的样品作为差示扫描量热分析的试样，用钽片压制出钽盖，将钽盖底部插入长度约10～20mm钽管的一端，并保持钽盖的上部和钽管的底部边缘齐平，再在手套箱中将钽盖和钽管焊接密封；

(5)在手套箱内将切割好的样品放入钽管并将其密封，将密封有样品的钽管在手套箱外封入真空石英管中，然后将石英管放入热处理炉中退火，完成后将钽管取出，置入差示扫描量热分析仪支架进行差热分析。

优选地，所述的合金粉末为镁合金粉末或者铝合金粉末或者锌合金粉末或者锰合金粉末或者锶合金粉末或者钇合金粉末或者钕合金粉末，其中高挥发性、高反应活性元素镁、铝、锌、锰、锶、钇、钕的含量分别为99.0wt%～99.99wt% 。

作为改进，在合金样品的热分析过程中，保持样品水氧含量为0.4～1.0ppm。

本发明所要解决的关键技术是镁、铝、锌等合金所含高挥发性和高反应活性对样品制备和热分析带来的负面影响。针对镁、铝、锌等合金的高反应活性，必须构成一个低氧低水分的环境，来保证样品不与氧气和水反应。本发明采用手套箱来保证镁、铝、锌等合金从制备开始到热分析全过程保持较低的水氧含量。手套箱是将高纯惰性气体（氩气、氮气等）充入箱体内，并循环过滤掉其中的活性物质的实验设备。在手套箱中，首先将水和氧的含量降低到1ppm以下，随后开始合金样品的制备和检测。这样就保证了合金样品不会跟氧气和水反应。针对镁、铝、锌等合金的高挥发性，本发明设计了密封的钽坩埚。通过在手套箱中，将合金样品密封装入钽坩埚中，使得挥发的金属蒸汽停留在钽坩埚内部，进而保证试样的质量损失较小。制备一个合金样品只需要约0.4～0.6克金属原料，传统方法制备一个合金需要几百克甚至几千克金属原料。本发明解决了含高挥发性、高反应活性元素的样品难以制备和热分析的难题。所提供的方法可广泛用于镁（铝、锌等）合金、稀土（锰、锶、钇、钕等）合金等含高活性和高挥发性元素的合金的制备及其热分析。通过同标准纯金属物质的熔点对比表明采用本发明的热分析方法测定的相变温度精度可以达到± 1°C。

具体实施方式

    下面结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

 (1) 在手套箱中，采用镁颗粒(99.9 wt.%)、锌颗粒 (99.9 wt.%)、铝粉 (99.9 wt.%)、银颗粒(99.9 wt.%)，用电子天平分别称取50mg；

(2) 把称好的样品密封至钽管（外径6.8mm、壁厚0.4mm、长度15mm）中，将密封有样品的钽坩埚从手套箱取出，将底部打磨平整；

(3) 将密封好的钽坩埚置入差示扫描量热分析仪的支架进行热分析。

    通过同标准纯金属物质的熔点对比表明采用本发明的热分析方法测定的相变温度精度可以达到± 1°C。

实施例2:

对于二元系Mg-Sr的样品制备和热分析，具体实施过程如下：

（1）在手套箱中，采用镁粉 (99.5 wt.%), 锶块 (99.5 wt.%)，用电子天平称取重量约为500mg的3个试样，混合均匀后，采用小型电动压片机将其压制成直径5mm，高度为6mm的圆柱；

(2) 用氩弧电焊机将小圆柱封装入外径为7mm，壁厚0.3mm，长度为40mm的钽管中，并将钽管从手套箱中取出，将钽管在真空环境下封装入石英管中。随后将试样放入扩散炉中经过烧结及退火处理，然后将样品淬火并取出，放入手套箱中。接着将钽管锯开，并将样品从钽管中取出，从样品中切取一块重约50mg的样品，打磨平整作为热分析的试样；

(3)采用模具，用厚度为0.3mm的钽箔压制出外径6mm，壁厚0.3mm，高度为3mm的钽盖，采用线切割机，将外径6.8mm，壁厚0.4mm的钽管切成长度为15mm的小钽管；

(4) 将切割好的样品放入长15mm一端密封的钽管中，并将另外一端密封。将密封有样品的钽管在手套箱外封入真空石英管中，然后将石英管放入热处理炉中退火，完成后将钽管取出，置入差示扫描量热分析仪支架进行差热分析。

实施例3：

对于Ca-Mg-Mn体系的样品制备和热分析，具体实施过程如下：

(1) 在手套箱中，采用镁粉 (99.5 wt.%), 锰粉 (99.5 wt.%)，钙颗粒(99.5 wt.%)，用电子天平称取体积为0.3cm³的3个试样，混合均匀后，采用小型电动压片机将其压制成直径5mm，高度为6mm的圆柱；

(2) 用氩弧电焊机将小圆柱封装入外径为7mm，壁厚0.3mm，长度为40mm的钽管中；将钽管从手套箱中取出，并在真空环境下封装入石英管中。随后将试样放入扩散炉中经过烧结及退火处理，然后将样品淬火并取出，放入手套箱中；接着将钽管锯开，并将样品从钽管中取出，从样品中切取一小块重约30mg的小块，打磨平整作为热分析的试样；

(3)采用模具，用厚度为0.3mm的钽箔压制出外径6mm，壁厚0.3mm，高度为3mm的钽盖，采用线切割机，将外径6.8mm，壁厚0.4mm的钽管切成长度为15mm的小钽管；

(4) 将切割好的样品放入长15mm一端密封的钽管中，并将另外一端密封，将密封有样品的钽坩埚取出，将底部打磨平整；

(5) 将密封好的钽坩埚置入差示扫描量热分析仪支架进行热分析。

Claims (6)

1.一种含高挥发性、高反应活性元素的合金样品制备方法，其特征是，包括以下步骤：

(1) 在手套箱中，称取含高挥发性、高反应活性元素的合金粉末，混合均匀并压制成型；

(2) 将成型的试样封装入钽管中，再将钽管从手套箱中取出，封入真空石英管中，随后放入热处理炉中进行烧结及退火处理；

(3) 将石英管从热处理炉中取出迅速淬火并将钽管取出，然后在手套箱中将样品从钽管中取出。

2.根据权利要求1的含高挥发性、高反应活性元素的合金样品制备方法，其特征是，所述的合金粉末为镁合金粉末或者铝合金粉末或者锌合金粉末或者锰合金粉末或者锶合金粉末或者钇合金粉末或者钕合金粉末，其中高挥发性、高反应活性元素镁、铝、锌、锰、锶、钇、钕的含量分别为99.0wt%～99.99wt% 。

3.根据权利要求1的含高挥发性、高反应活性元素的合金样品制备方法，其特征是，在合金样品制备过程中，保持样品水氧含量为0.4～1.0ppm。

4.一种含高挥发性、高反应活性元素的合金样品热分析方法，其特征是，包括以下步骤：

(1) 在手套箱中，称取含高挥发性、高反应活性元素的合金粉末，混合均匀并压制成型；

(2) 将成型的试样封装入钽管中，再将钽管从手套箱中取出，封入真空石英管中，随后放入热处理炉中进行烧结及退火处理；

(3) 将石英管从热处理炉中取出迅速淬火并将钽管取出，然后在手套箱中将样品从钽管中取出；

(4)切取一块重25～60mg的样品作为差示扫描量热分析的试样，用钽片压制出钽盖，将钽盖底部插入长度约10～20mm钽管的一端，并保持钽盖的上部和钽管的底部边缘齐平，再在手套箱中将钽盖和钽管焊接密封；

(5)在手套箱内将切割好的样品放入钽管并将其密封，将密封有样品的钽管在手套箱外封入真空石英管中，然后将石英管放入热处理炉中退火，完成后将钽管取出，置入差示扫描量热分析仪支架进行差热分析。

5.根据权利要求4的含高挥发性、高反应活性元素的合金样品热分析方法，其特征是，所述的合金粉末为镁合金粉末或者铝合金粉末或者锌合金粉末或者锰合金粉末或者锶合金粉末或者钇合金粉末或者钕合金粉末，其中高挥发性、高反应活性元素镁、铝、锌、锰、锶、钇、钕的含量分别为99.0wt%～99.99wt% 。

6.根据权利要求4的含高挥发性、高反应活性元素的合金样品热分析方法，其特征是，在合金样品的热分析过程中，保持样品水氧含量为0.4～1.0ppm。