车用铸造铝合金化学成分直读光谱测试中的取样问题

王彩梅

(泛亚汽车技术中心有限公司,上海 201201)

测试铸造铝合金的化学成分常采用比色法和滴定法,这两种方法预处理过程复杂,所用化学试剂较多，测试成本偏高[1]。光谱分析法是测试铸造铝合金化学成分的一种便捷方法，其测试速度较快，通常单个试样从研磨制备到得到结果不超过20 min[2-5]。在GB/T 7999—2015《铝及铝合金光电直读发射光谱分析方法》中只较为笼统地规定了试样制备的方法,如在铸锭、铝件等加工产品上取样时，应从具有代表性的部位取样；试样表面需干净，无孔隙、裂纹等可见缺陷，如果有偏析时，需要重新进行熔融浇铸处理[6]。但是铸造铝合金内部常有气孔、偏析、缩孔等不可见缺陷，会影响测试结果，为此笔者对同一批次的多个试样进行测试,分析了取样位置对测试结果的影响，以期获得准确的测试结果[7]。

1 试验设备与试验方法

取5根直径为8 mm的棒状铸造铝合金拉伸试样，分别编号为1，2,3,4,5。根据GB/T 7999—2015的技术要求采用MAXx型直读光谱仪对其化学成分进行分析，并使用EVO 18型扫描电子显微镜和Bruker Quanta 200型能谱仪对试样的表面形貌进行分析,其中铸造试样浇铸成型部分不适用，只对来样进行测试。直读光谱仪的铝合金校准标准样品为ADC12 E922b[8]，企业标准对其化学成分的要求如表1所示，其形状及取样方向如图1所示。横截面试样是在棒材中间区域、垂直于圆棒轴线切割取样；纵截面试样是在中间区域、平行于圆棒轴线切割取样。

表1 铸造铝合金化学成分的企业标准要求(质量分数)Tab.1 Enterprise standard requirements for chemicalcomposition of cast aluminum alloy (mass fraction) %

用精密切割机从每根棒状拉伸试样中间沿垂直于轴线的平行段截取一段横截面试样，长度为10 mm。采用600目砂纸水研磨横截面，若能看到缩孔、裂纹等缺陷，则继续研磨，直到试样表面光滑，无肉眼可见缺陷，然后用无水酒精清洗后晾干。

图1 铸造铝合金棒材取样示意图Fig.1 Sampling diagram of cast aluminum alloy bar

每个试样用直读光谱仪测试2次，取2次测试结果的平均值作为最终试验结果。

2 试验结果

5个横截面试样的化学成分测试结果如表2所示。

表2 5个横截面试样的化学成分测试结果(质量分数)Tab.2 Chemical composition test results of 5 cross sectional samples (mass fraction) %

根据材料的设计标准要求,横截面试样3中主要元素如硅、铁、镁、锌、铅等元素含量不满足要求，而且硅测试结果的标准偏差大于GB/T 7999—2015中对重复性标准偏差小于1.5的要求，为找出原因，查看了横截面试样3的全元素测试结果，如表3所示。

表3 横截面试样3第一次化学成分全元素测试结果(质量分数)Tab.3 Results of first chemical composition total element test of sample 3 in cross section (mass fraction) %

根据标准样品ADC12 E922b的化学成分，测试可靠的元素有硅、铁、铜、锰、镁、镍、锌、铅、锡、钛、锶，其余为参考。根据表3可知，锶、铟等稀有元素含量异常高。

为了防止取样、研磨或其他偶然因素的干扰，在试样3上重新取横截面试样，研磨并测试两次其化学成分，结果如表4所示。

横截面试样3复测结果的铁元素含量仍然异常，而且稀有元素锶、铟等元素含量仍然较高，不符合企业标准对铸造铝合金成分的要求。为了确认这批铸造铝合金是否确实含有稀有元素，又查看其余4根棒材的全元素测试结果，发现锶、铟等元素含量正常，且含量很低，几乎可以忽略。表5为横截面试样1的全元素测试结果。

在重新制样过程中，发现试样3横截面上有肉眼可见细小的缩孔，呈针孔状，且数量较多；重新打磨试样1，同样发现有缩孔，但不是呈细密状。因怀疑缩孔内含有稀有元素，且测试面刚好覆盖在针孔上，所以再次在试样3上截取横截面试样，并保留针孔，使用扫描电镜附带的能谱仪进行成分分析，分析位置及结果如图2所示。

表4 横截面试样3化学成分全元素复测结果(质量分数)Tab.4 Retest results of all element chemical composition of sample 3 in cross section (mass fraction) %

表5 横截面试样1第一次化学成分全元素测试结果(质量分数)Tab.5 Results of first chemical composition total element test of sample 1 in cross section (mass fraction) %

图2 试样3横截面缩孔的能谱分析位置及结果Fig.2 a) Position and b) results of energy spectrum analysis on cross section shrinkage cavity of sample 3

图片上的缩孔位于横截面中心直径2 mm范围内，对缩孔和周围的区域都进行了分析，分析结果显示没有锶、铟等稀有元素。

改变取样方向，在试样3上截取一段铝棒，并沿纵截面切开，制备纵截面试样3，研磨后采用直读光谱仪复测，结果如表6所示。

表6 纵截面试样3化学成分测试结果(质量分数)Tab.6 Chemical composition test results of sample 3 in longitudinal section (mass fraction) %

锶和铟元素含量分别小于0.000 1%和小于0.000 3%,可以忽略不计，主要元素硅、铁、镁、锌、铅的含量满足表1所示的企业文件要求。将纵截面试样3的测试结果替换横截面试样3的，得到的最终测试结果如表7所示。最终测试结果中所有元素的标准偏差均满足GB/T 7999—2015对铸造铝合金重复性标准偏差的要求。

表7 铸造铝合金化学成分最终测试结果(质量分数)Tab.7 Final test results of chemical composition of cast aluminum alloy (mass fraction) %

3 分析与讨论

用直读光谱仪测试试样的化学成分时，要求试样足够厚，若试样不够厚,试验时会将其烧穿，电子打到试样的压头上，导致压头的金属成分被激发出来，干扰试验结果，其次铸件表面不得有肉眼可见的缩孔或疏松，如有缩孔和疏松缺陷，试样会由于质量密度不够，导致测试结果出现异常。

由于在GB/T 7999-2015中没有规定取样方向，所以第一次测试了铝棒横截面上的化学成分。测试过程中，测试面均没有肉眼可见的针孔，设备也没有显示测试方法和结果异常，但根据测试结果发现横截面试样3的化学成分不满足企业技术文件的要求，应判为不合格试样。经分析，送检的5根棒材是同一批次铸造试样，成分出现异常的概率应该很小，而且稀有元素锶和铟的含量异常高，所以怀疑可能是制样的问题。重新磨制试样，研磨过程中发现横截面上有数量较多的缩孔，同时也重新磨制其余成分合格的试样，发现缩孔没有试样3的细密，且横截面试样3复测的两次结果与第一次的结果相似，锶及铟元素的含量仍然偏高。采用扫描电镜附带的能谱仪测试缩孔及其周围区域的化学成分，没有发现含量异常多的稀有元素。因此，可以说明棒材横截面的测试结果有误，铸造时的缩孔影响了测试结果。

考虑到缩孔细长，且沿棒材长度方向分布，因此改变制样方向，对试样3制备纵截面试样，测试结果中锶及铟元素含量不再异常，主要元素的含量也和其他棒材试样的一致，说明纵向测试时，试样的厚度及密度是符合标准要求的。

4 结论

在用直读光谱仪测试铸造铝合金的化学成分时，试样内部的不可见缺陷会影响试验结果，因此如果采用直接切片取样的方式制样，要考虑铸造缺陷如缩孔、疏松的影响。一方面要保证测试截面无肉眼可见的气孔、偏析和缩孔等缺陷，另一方面在制样时注意缺陷的分布、形状和数量。如果缺陷细密且垂直于测试截面，可以改变取样方向，对其他方向的截面取样进行测试。在发现有异常的稀有元素或测试结果不满足企业技术文件的要求时，可采用扫描电镜附带的能谱仪先对铝合金的成分进行定性测试，然后在有测试要求的区域内，沿不同方向截取试样重复测试，并分析对比不同截面试样的测试结果，从而得到材料的准确测试结果。