PL222624B1 - Sposób wytwarzania materiałów odniesienia dla brązu aluminiowo-niklowego - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania materiałów odniesienia do określenia zawartości: Cu, Al, Ni, Pb, As, Cd, Bi, Sb, Sn, Cr, Zr, P, Fe, Zn, Mn, Si, C w brązie aluminiowo-niklowym, służący zwłaszcza do określania składu chemicznego brązów aluminiowo-niklowych.

W materiałach odniesienia służących do kalibracji aparatury spektralnej zawartość domieszek musi być precyzyjnie wtopiona do metalu i jednorodna w całej masie wytworzonego materiału. Każdy odlany pręt jest cięty na walce o wysokości 25 mm i musi mieć taki sam skład chemiczny na całej powierzchni i głębokości. W związku z tym, ze względu na zróżnicowaną koncentrację, różne temperatury topienia i lotność, dotychczas większość pierwiastków wprowadza się w postaci stopów wstępnych. W postaci czystej wprowadza się zanieczyszczenia takie jak: Zn, Sn, Pb, Bi, C.

Analiza spektralna, zwłaszcza w przypadku metali nieżelaznych i ich stopów, gwarantuje w warunkach przemysłowych szybką i dokładną ocenę składu chemicznego wytwarzanych stopów oraz gotowych półwyrobów. O dokładności wyników decyduje, nie tylko stosowana metoda analizy, ale także jakość dostosowanych do niej wzorców. Wymagania stawiane odlewom przeznaczonym na spektralne certyfikowane materiały odniesienia są bardzo wysokie. Dotyczą one zarówno składu chemicznego, który powinien być prawie punktowo zgodny z zaplanowanym, jak i odpowiedniej jednorodności odlewów pod względem struktury i rozkładu pierwiastków w całej objętości wytopu.

Proces wykonania materiału na certyfikowane materiały odniesienia obejmuje następujące etapy: znalezienie surowców podstawowych o odpowiedniej czystości, przygotowanie odpowiednich stopów wstępnych, opracowanie technologii i odlanie materiału wzorcowego, opracowanie instrumentalnych metod analitycznych oraz klasyfikacja odlanego materiału poprzez przeprowadzenie wstępnej oceny jednorodności i składu chemicznego. Taki sposób postępowania, oprócz znajomości zasad topienia i właściwości fizyko-chemicznych metali i stopów, wymaga każdorazowo badań nad wielkością strat topienia poszczególnych pierwiastków oraz nad doborem warunków odprowadzania ciepła, zapewniających otrzymanie wysokiej jednorodności składu chemicznego. Powyższe ograniczenia powodują, że w trakcie topienia i odlewania należy ściśle przestrzegać określonych wymagań techn ologicznych uwzględniając, że proces topienia prowadzony powinien być możliwie szybko, tygle, narzędzia i pokrycia powinny być wstępnie nagrzane, wsad powinien posiadać najwyższą czystość, a atmosfera topienia powinna być obojętna lub lekko redukująca.

W procesie topienia i odlewania, wsad stanowi zespół wszystkich surowców stosowanych do wytworzenia ciekłego metalu o wymaganym składzie. W skład wsadu wchodzą zarówno składniki metaliczne - materiały bezpośrednie, czyli metale i ich stopy służące do wyprodukowania gotowych odlewów, jak i składniki niemetaliczne - materiały pośrednie w postaci m.in. topników i pokryć, służące do przeprowadzenia przewidzianych zabiegów technologicznych, lecz nie wchodzące w skład produktów. Składniki wsadu można charakteryzować poprzez skład chemiczny, stan (pierwotny, stop wstę pny), pochodzenie (ogniowe, elektrolityczne) i postać (gąski, katody, granulki, proszek). Dlatego przed przystąpieniem do wytwarzania odlewów należy określić zarówno skład chemiczny wsadu - na podstawie zaplanowanych warunków technicznych odbioru odlewów, uwzględniając zmiany zawartości poszczególnych składników chemicznych w czasie topienia, jak i skład fizyczny wsadu, czyli nadmiar poszczególnych składników fizycznych we wsadzie. Czynnikiem decydującym o kolejności ładowania są wzajemne proporcje ilościowe oraz właściwości poszczególnych składników wsadowych w stanie ciekłym, takie jak: ciepło topnienia, ciężar i objętość właściwa, temperatura topnienia i wrzenia, prężność par, aktywność do otoczenia, oraz rozpuszczalność w innych składnikach.

Problem precyzyjnego i jednorodnego w całej masie brązu wtopienia pierwiastków, rozwiązuje sposób według wynalazku.

Istotą wynalazku jest sposób wytwarzania materiałów odniesienia do spektralnej analizy brązów aluminiowo-niklowych. Sposób według wynalazku charakteryzuje się tym, że do pieca indukcyjnego tyglowego, wsaduje się miedź i roztapia ją, a następnie wtapia się do niej dodatkowe pierwiastki zarówno stopowe jak i zanieczyszczenia: Al, Ni, Pb, As, Cd, Bi, Sb, Sn, Cr, Zr, P, Fe, Zn, Mn, Si, C. Pierwiastki te wtapia się kolejno do ciekłej miedzi w postaci stopów wstępnych i czystych pierwiastków, cały czas mieszając indukcyjnie ciekły metal. Kolejność wtapiania pierwiastków jest następująca: najpierw wtapia się Fe i Ni, odpowiednio w postaci stopu wstępnego CuFe20 i CuNi15, oraz C w postaci grafitu. Potem wtapia się razem Cr i Si wprowadzając do ciekłego metalu łącznie oba pierwiastki, jako stopy wstępne CuCr8 i CuSi16. Po ich wtopieniu dodaje się Mn w postaci stopu CuMn30 i czysty Zn. Następnie wtapia się Al w postaci stopu wstępnego CuAI50 i czystą Sn. Po ich dodaniu rozpuszPL 222 624 B1 cza się w kąpieli P w postaci stopu wstępnego w gatunku CuP15 a potem łącznie Sb i As w postaci stopów wstępnych CuSb52 i CuAs10 i następnie czysty Pb, a po Pb czysty Bi. Na koniec wtapia się Cd w postaci stopu CuCd5 a po nim Zr w postaci stopu wstępnego CuZr30. Po zakończeniu wtapiania wszystkich składników, podgrzewa się ciekły metal do temperatury 1100-1150°C, dodatkowo miesza się zagrzanym prętem grafitowym i ściąga się z niego żużel, a następnie przelewa do rozgrzanego tygla przelewowego i odlewa do zagrzanej do temperatury około 320°C kokili żeliwnej. Uzyskuje się w ten sposób pręty o wymiarach zbliżonych do 0 40 mm x 350 mm, które tnie się na walce o wysokości około 25 mm.

Otrzymany materiał wzorcowy w postaci walców poddaje się wstępnym badaniom jednorodności wszystkich wtopionych do miedzi składników i sprawdzeniu zgodności składu chemicznego z zaplanowanym. Do wstępnego badania jednorodności pobiera się próbki na przemian z dołu i z góry odlanych prętów stanowiących jeden wzorzec. Ocenę jednorodności wszystkich składników wzorcowych przeprowadza się porównując intensywności linii charakterystycznych pierwiastków wchodzących w skład materiałów odniesienia (wzorców), wzbudzając czterokrotnie w iskrze niskowoltowej z obu stron powierzchnie czynne każdego walca. Skład chemiczny ustala się w oparciu o oznaczenia chemiczne wykonane na sekwencyjnym spektrometrze emisyjnym, wyposażonym w plazmę indukcyjnie sprzężoną. Pozytywne wyniki badań upoważniają do przeprowadzenia statystycznej oceny jednorodności i atestacji na podstawie wyników oznaczeń wszystkich składników wzorcowych, z co najmniej trzech specjalistycznych laboratoriów chemicznych. Statystyczną ocenę jednorodności przeprowadza się w oparciu o test Snedecor'a F poddając badaniom co najmniej 30% odlanego materiału.

Tak wytworzony materiał odniesienia stanowi produkt handlowy w postaci wzorca (certyfikowanego materiału odniesienia) przeznaczonego do spektralnego oznaczania zawartości Fe, Ni, Sn, Al, P, Pb, As, Cd, Cr, Zr, Mn, Zn, Sb, Bi, C i Si w brązach w brązach aluminiowo-niklowych, a także do określenia gatunku brązu.

Rozwiązanie według wynalazku przedstawiono dokładnie w poniższym przykładzie.

P r z y k ł a d I. Przykład dotyczy wykonania wzorca dla brązu bezołowiowego oznaczonego symbolem BP4. Do pieca indukcyjnego tyglowego o pojemności 25 kg, wsaduje się 15,75 kg miedzi katodowej i roztapia ją pod szczelnym pokryciem wysuszonego węgla drzewnego, warstwa węgla drzewnego wynosi 50 mm, a następnie wtapia się do niej pierwiastki takie jak: Al., Ni, Pb, As, Cd, Bi, Sb, Sn, Cr, Zr, P, Fe, Zn, Mn, Si, C. Pierwiastki wtapia się kolejno do ciekłej miedzi, przy czym każdy pierwiastek wprowadza się do ciekłego metalu po dokładnym roztopieniu wcześniej wprowadzonego pierwiastka. Najpierw wtapia się Fe i Ni w postaci odpowiednio stopu wstępnego CuFe20 w ilości 161 g i CuNi15 w ilości 3,96 kg, jednocześnie dodając C w ilości 89 g, następnie wtapia się łącznie Cr i Si wprowadzając do ciekłego stopu razem stopy wstępne w ilości 89 g CuCr8 i 284 g CuSi16. Potem dodaje się 244 g Mn w postaci stopu wstępnego CuMn30, a po nim Zn w ilości 79 g, a później Al dodając 2,15 kg stopu wstępnego CuAI50 i Sn w postaci 5,1 g Po rozpuszczeniu dodanych składników i ustabilizowaniu się temperatury kąpieli wtapia się 66 g P w postaci stopu wstępnego CuP15, potem łącznie Sb i As w ilościach odpowiednio 10 g CuSb52 i 58,7 g CuAs10 i następnie czysty Pb w ilości 5 g , a po Pb czysty Bi w ilości 5,1 g. Na koniec wtapia się Cd w postaci stopu CuCd5 w ilości 116 g a po nim Zr w postaci stopu wstępnego CuZr30 w ilości 33,7 g. Po zakończeniu wtapiania wszystkich składników, stop o temperaturze odlewania 1150°C miesza się podgrzanym prętem grafitowym, ściąga się z kąpieli żużel i przelewa do rozgrzanego tygla przelewowego, a następnie odlewa się do kokili żeliwnej zagrzanej do temperatury 320°C. Odlane pręty o wymiarach 0 40 mm x 350 mm, tnie się na walce o wysokości 25 mm. Z dołu pręta pierwszego i trzeciego oraz z góry pręta drugiego i czwartego pobiera się próbki (walce) do przeprowadzenia wstępnego badania jednorodności wszystkich składników wzorcowych przy zastosowaniu równoczesnego spektrometru emisyjnego wyposażonego w argonową iskrę niskowoltową, wzbudzając z obu stron powierzchnie czynne każdego walca. Wstępny skład chemiczny ustala się w oparciu o wyniki oznaczeń chemicznych wykonanych techniką ICP - AES. Jeżeli wyniki badań są pozytywne, należy pobrać 30% materiału do statystycznej oceny jednorodności. Powierzchnie czynne wybranych walców wzbudza się 4-krotnie w iskrze niskowoltowej rejestrując intensywności linii analitycznych oznaczanych pierwiastków. Wyniki pomiarów stanowią podstawę do obliczeń statystycznych z zastosowaniem testu Snedecor'a. Następny etap to atestacja. Atestację przeprowadza się w oparciu o wyniki analiz wykonanych, w co najmniej trzech specjalistycznych laboratoriach chemicznych różnymi technikami. W tym przypadku oznaczenia wszystkich składników wzorcowych wykonało pięć laboratoriów. Średnie wyniki analiz stanowią skład chemiczny materiału odniesienia. Otrzymany wzorzec dla brązów aluminiowo-niklowych zawiera wagowo: 4,70% Al,

PL 222 624 B1

0,13% Fe, 2,51% Ni, 0,023% P, 0,024% Pb, 0,024% As, 0,021% Cr, 0,022% Zr, 0,022% Sb, 0,023% Cd, 0,17% Si, 0,34% Zn, 0,036% Bi, 0,029% Mn, 0,0012% C i Cu stanowiącą resztę do 100%.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   Sposób wytwarzania materiałów odniesienia do spektralnej analizy brązów aluminiowo-niklowych, polegający na wtapianiu do czystej miedzi dodatkowych pierwiastków, znamienny tym, że do pieca indukcyjnego tyglowego, wsaduje się miedź katodową i roztapia ją pod pokryciem węgla drzewnego, a następnie wtapia się stop wstępny w gatunku CuFe20, stop wstępny w gatunku CuNi15, węgiel w postaci grafitu, stop wstępny w gatunku CuCr8, stop wstępny w gatunku CuSi16, stop wstępny w gatunku CuMn30, czysty cynk, stop wstępny w gatunku CuAI50, czystą cynę, stop wstępny w gatunku CuP15, stop wstępny w gatunku CuSb52, stop wstępny w gatunku CuAs10, czysty ołów, czysty bizmut, stop wstępny w gatunku CuCd5, stop wstępny w gatunku CuZr30, i tak wytworzony ciekły stop podgrzewa się do temperatury w zakresie 1100-1150°C, miesza zagrzanym prętem grafitowym, ściąga żużel i przelewa do rozgrzanego tygla, po czym odlewa się do gorącej kokili żeliwnej zagrzanej wstępnie do temperatury nie przekraczającej 330°C.

   Departament Wydawnictw UPRP

   Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)