Bepaling van het waterstofgehalte van gesmolten aluminium
Waterstof is het enige gas dat in aanzienlijke mate oplosbaar is in aluminium en zijn legeringen. Zijn oplosbaarheid varieert rechtstreeks met de temperatuur en de vierkantswortel uit de druk. De oplosbaarheid is in de vloeibare fase veel hoger dan in de vaste fase. Tijdens stolling van vloeibaar aluminium kan er dus aanzienlijke gasbelvorming optreden met als gevolg porositeiten die de kwaliteit van een gietstuk aanzienlijk kunnen schaden. Er zijn diverse testmethodes ontwikkeld om de porositeiten als gevolg van ingevroren waterstofbellen te bepalen.
A.J. Schornagel
Afbeelding 1. Een Straube-Pfeiffer-testapparaat. Links is de stolp te zien waaronder het monster wordt geplaatst en die met behulp van de pomp rechts vacuüm wordt getrokken.
De Strauber-Pfeiffer-test voor de meting van waterstof, die aanwezig is in een aluminiumsmelt, is een kwalitatieve methode die zeer gangbaar is. Er wordt een klein monster van de smelt in een smeltkroes in een kamer geplaatst, die vervolgens vacuüm wordt gepompt tot een bepaalde voorgeschreven druk, waarna wordt gewacht tot het monster is gestold. Op afbeelding 1 is een dergelijk testapparaat te zien. Belletjesvorming tijdens stolling en het uiterlijk van het monsteroppervlak zijn indicatoren voor de hoeveelheid waterstof die aanwezig is. Een paddestoelkop duidt op een gasrijk monster terwijl een ingedeukte kop wijst op een betrekkelijk gasvrij monster (afbeelding 2). Het gestolde monster wordt meestentijds doorgezaagd en de evidente poreusiteit wordt vergeleken met een reeks standaarden. Het is belangrijk om de gereduceerde druk te vermelden die voor de test is gebruikt ten behoeve van het maken van geldige vergelijkingen. Afbeelding 3 toont het effect van verschillende drukken op het gedrag van monsters die dezelfde hoeveelheid gas bevatten. De standaarden kunnen worden gecorreleerd aan analytisch bepaalde specifieke waterstofresultaten of met individuele acceptatiecriteria. Indien zulke standaarden worden gebruikt moeten ze worden geëvalueerd in termen van de afzonderlijke legering, gieting en gieterijpraktijk.
Afbeelding 2. Uiterlijk van monster als functie van het gehalte aan waterstofbellen.
Afbeelding 3. Effect van de druk op het uiterlijk van monsters van dezelfde smelt, die de verlaagde-druktest hebben ondergaan. (a) Druk: 100kPa, (b) 12 kPa, (c) 6 kPa, (d) 3 kPa.
De Strauber-Pfeiffer-test wordt ook gebruikt voor het bepalen van de monsterdichtheid D, onder specifieke testcondities en om het resultaat in verband te brengen met de bekende volledige dichtheid van de legering. Het waterstofgasgehalte kan dan worden bepaald uit het verschil in dichtheid plus een correctie voor standaard temperatuur en druk (STD), omdat het gas zich ontwikkelt in het monster tijdens testen bij een verlaagde druk en bij de stollingstemperatuur van de legering. De berekening verloopt als volgt:
D = (Gewicht van het metaal + gewicht van het gas) / (Volume van het metaal + volume van het gas)
Het gewicht van het gas kan worden verwaarloosd, zodat:
1/D = (Volume van het metaal + volume van het gas) / Gewicht van het metaal
De eerste term uit het rechter lid van vergelijking 1 is simpelweg de bekende theoretische dichtheid D0, van de legering in kwestie. Het gemeten gasvolume Vm, wordt daardoor gegeven door:
Vm = 1/D - 1/D0
waarin Vm in milliliter per 100 g metaal.
Het gemeten volume gas Vm moet dan worden gecorrigeerd naar het volume gas bij standaard condities VSTD, met behulp van de wetten van Boyle en van Gay-Lussac:
VSTD = (Testtemperatuur/760) x [273 / (273 + stoltemperatuur van de legering)] x Vm
waarin de testdruk in millimeter kwik en de stoltemperatuur van de legering in graden Celsius.
Tenslotte:
VSTD = K(1/D - 1/D0)
waarin K een constante voorstelt en VSTD in milliliter per 100 g metaal.
Voor elke legering en heersende testcondities moet er een verschillende K worden berekend. Voor een gegeven legering is het echter mogelijk om een verband te ontwikkelen tussen dichtheid en feitelijk waterstofgehalte. Dichtheden van monsters met variërende gasgehaltes kunnen worden berekend volgens het Archimedes principe van het wegen van lucht in water:
D = W1/ (W1 - Ww)
waarin W1 en Ww de gewichten voorstellen in respectievelijk lucht en in water.
Er kunnen dan nomogrammen worden opgesteld aan de hand van verkregen resultaten waarmee direct het waterstofgehalte kan worden afgelezen uit de gewichtsbepaling van het monster bij verminderde druk in plaats van via wiskundige manipulatie. Afbeelding 4 toont een nomogram dat is ontwikkeld voor aluminiumlegering 1100 dat een verband geeft tussen de druk waarbij voor het eerst bellen aanwezig zijn en het waterstofgehalte.
Afbeelding 4. Nomogram dat een verband legt tussen de aflezing van het verschijnen van de eerste bellen met het feitelijke waterstofgehalte van aluminiumlegering 1100. Smelttemperatuur: 730°C; gasstroomsnelheid: 6 l/min.
Kwantitatieve verlaagde-druktechniek
De standaard verlaagde-druktest geeft alleen een semi-kwantitatieve maat voor het waterstofgehalte, die dan gewoonlijk visueel wordt geïnterpreteerd en gecorreleerd met vergelijkingsmonsters met variërende mate van porositeit. Insluitsels zijn kiemen voor porositeiten, derhalve resulteert de verlaagde-druktest in de bepaling van het ware waterstofgehalte.
Er bestaat een instrument voor het direct meten van waterstof. Er wordt een constante massa, meestal 100 g metaal, in een kamer geplaatst, waarna de druk snel wordt verlaagd tot een van te voren bepaalde waarde. Het monster kan dan stollen onder vacuüm, afgesloten van de pomp. Terwijl er zich waterstofgas ontwikkelt tijdens stolling, wordt de partiële gasdruk gemeten met een gekalibreerde Piranimeter waarvan de uitgangswaarde continu wordt omgezet in een digitaal aangegeven waterstofgehalte. De Piranimeter werkt op basis van het principe dat bij lage temperatuur de warmtegeleiding van elk gas varieert met de druk.
Een test kan in ongeveer 5 minuten worden uitgevoerd en de resultaten met verscheidene gietlegeringen blijken nauwkeurig te zijn binnen een interval van 5%. Er zijn echter hoge waterstofgehaltes gemeten bij aluminium-kneedlegeringen, mogelijk wegens de fundamentele verschillen in oxidestructuur en vermogen tot het vasthouden van waterstof en occlusie van kneedlegeringen.
Het Telegas-instrument
Het Telegas-instrument is een verplaatsbaar instrument voor waterstofbepaling dat al sinds jaar en dag wordt gebruikt (afbeelding 5). Primair wordt hij gebruikt in de kneedlegeringen industrie of voor onderzoeksdoeleinden. De eenheid werkt met stikstof als dragergas, dat waterstof uit de smelt oplost. De stikstof wordt gedurende voldoende verloop van door de smelt geborreld zodat er een evenwicht wordt bereikt met betrekking tot de waterstof die is opgelost in de smelt en de de waterstof die is opgelost in de stikstof. De waterstof in het stikstof draaggas wordt dan gemeten met een brug van Wheatstone en een thermische-geleidbaarheidscel de zogenaamde katharometer. Het instrument wordt bij aanvang gekalibreerd en het resultaat wordt in verband gebracht met bekende standaarden van voorgemengde gassen met bekende waterstofniveaus.
Instrumentaflezingen worden omgezet in waterstofgehaltes met behulp van krommenscharen die in verband staan met waterstofconcentratie. Er zijn correlaties beschikbaar die de normale temperaturen van een smelt dekken in een bereik van 675° tot 750°C en waterstofconcentraties tussen 0,05 en 0,40 ml/100 g. Er bestaan ook correctiefactoren voor verschillende legeringssamenstellingen vanwege hun hogere of lagere gevoeligheid voor waterstof. Het Telegas-instrument voldoet goed als het op de juiste wijze wordt bediend en hij blijkt gunstig af te steken ten opzichte van de vacuüm warme extractie analytische methode, met een maximum deviatie van 0,023 ml/100 g.
Hoewel de bediening van het Telegas-instrument niet moeilijk is, zijn de keramische sondes die bij dit instrument worden gebruikt zeer fragiel. Om thermische schokken van de sondes tegen te gaan moeten worden voorverwarmd en uiterst voorzichtig in de smelt worden gestoken.
Afbeelding 5. Telegaseenheid voor het bepalen van waterstof.
Getrilde vacuüm-gastest
De standaard vacuümstollingstest verschaft slechts een kwalitatieve maat van de metaalkwaliteit onder invloed van zowel waterstofgehalte als insluitsels. De getrilde vacuüm-gastest levert verschillende kenmerken die een verbetering betekenen van de standaardtest en onderscheid maakt tussen de waterstofinvloeden versus op insluitsels gekiemde porositeiten. Er wordt gebruik gemaakt van een pomp van grotere capaciteit en een gevoeliger vacuümmeter om te komen tot een beter en reproduceerbaarder vacuüm. Een voorverwarmde, ontgaste vuurvaste monsterhouder geeft langzamer stolling. Een gecontroleerde vibrator is behulpzaam bij het kiemen van gasbellen, bevordert het samenklonteren en verlaagt de oppervlaktespanning van het smeltmonster. Resultaten van de getrilde vacuümtest vertonen goed onderscheid tussen de invloed van waterstofgehalte effecten (aanwezigheid van gasbellen) versus ongefilterd metaal. Afbeelding 6 toont de verbetering in metaalkwaliteit bij elke testdruk voor gefilterd metaal, correlerend met lager waterstofgehalte zoals geverifieerd met warme extractie analyse. De getrilde vacuüm test kan dus een gevoeliger bepaling geven van de metaalkwaliteit onder invloed van alleen waterstof.
Afbeelding 6. Waterstofgehalte als functie van getrilde vacuüm-gastest druk voor (a) ongefilterd en (b) gefilterde aluminiumlegering.