Методы анализа металлов и сплавов

1.

Методы анализа металлов и
сплавов

2.

Металлы и сплавы
Черные
чугун
стали
ферросплавы
некоторые
сверхтвердые
сплавы
Цветные металлы и сплавы
• Легкие (ρ ≤ 5 г/см3)
- бериллий, магний, алюминий, титан
• Легкоплавкие (tпл≤ 1000˚С )
-цинк, кадмий, ртуть , олово, свинец, сурьма, висмут
• Тугоплавкие (tпл ˃ 1540˚С , т.е. больше, чем у железа)
- вольфрам, молибден, ниобий, тантал, хром, ванадий
• Благородные
- золото, серебро, платина, палладий, рутений, осмий,
иридий, родий
• Металлы и сплавы
сопротивлением
с
малым
электрическим
-медь, алюминий, серебро, золото
Редкоземельные (иттрий и все 14 лантаноидов La – Lu)
Урановые (актиноиды)
• Щелочные и щелочноземельные
Другая классификация
– алюминий и его сплавы;
– медь и ее сплавы (бронзы, латуни, мельхиор, нейзильбер и др.);
– свинец и его сплавы (баббиты, припои, типографский сплав и др.).

3.

Черные металлы и сплавы – это сплавы на основе железа (чугуны, стали,
ферросплавы, некоторые сверхтвердые сплавы).
Чугун – это сплав железа с углеродом (С > 1,7%) и др. элементами S, P, As, Si, Mn
и др. Чугун отличается хрупкостью, его нельзя прокатывать и ковать.
Различают серые, белые и специальные чугуны.
Серые чугуны образуются при большом расходе топлива в домне и содержат 1,74,3%, C в виде графита, 1,3-4% Si, 0,5-1,3% Mn, менее 0,6% S, 0,2-0,6% P.
Серые чугуны применяют при отливке различных деталей.
Белые чугуны образуются при малом расходе горючего и содержат 1,7-4,3%, C в
виде цементита Fe3C, более 4% Mn, 0,9-1,6% Si, 0,08% S.
Специальные легированные чугуны – ферросплавы с большим содержанием Si,
Mn, Cr и др. Они применяются как раскислители при получении сталей.
Сплав
феррохром
ферромарганец
Ферросилиций
ферротитан
Массовая доля, %
Cr
до
64
–
–
–
C
Si
Ti
P
S
Mn
Cr
Al
Fe
Cu
1
1,6
–
0,04
0,004
–
–
–
остальное
–
6,4
0,1
0,07
0,9
12-75
3,6
–
–
26
0,4
0,03
0,05
0,01 60-80 –
0,004 0,1 0,1
–
–
–
–
1
8
остальное –
остальное –
остальное 1,6

4.

Стали – это сплав железа с углеродом, содержащий кремний, марганец,
фосфор, серу в следующих максимально возможных количествах:
0,1-1,7% С ,
0,3% Si,
0,6% Mn,
0,05%S,
0,05% P.
Сталь получают аффинажем (частичное окисление и частичное удаление) C,
Si, Mn, S и иногда P.
Стали делят на простые и легированные, содержащие специальные добавки
Cr, Ni, Mn, V, Nb, Zr, Mo, W, Ti, Al, Cu, B, Si, N2, H2.

5.

Цветные металлы и сплавы
Латуни - сплавы меди с цинком содержат от 80 до 20% меди, остальное – цинк.
• красные латуни (менее 20% цинка, обладают хорошей тягучестью),
• желтые (20-50% цинка)
• белые (50-80% цинка, хрупкие)
• специальные латуни, содержат кроме Cu и Zn дополнительно Pb, Ni, Mn, Fe, Sn, Al.
Бронзы - сплавы меди с оловом или алюминием содержат 90% меди и 10% олова.
Бронзы классифицируют в зависимости от их химического состава на
• оловянные,
• алюминиевые,
• фосфористые,
• специальные.
ЦАМы - сплавы цинка-алюминия-магния
Мельхиоры -80% Cu, 20% Ni
Баббиты, припои и типографские сплавы - основные компоненты Pb, Sn, Sb.
Константан (40% Ni, 60% Cu),
Никелин (31% Ni, 56% Cu, 13% Zn),
Манганин (4% Ni, 12% Mn, 84% Cu),
Сплав для зубных протезов – тикониум (68,2% Co + Ni, 30% Cr, 1,8% Be).
Чистые цветные металлы при их анализе содержание самого металла не
определяют, а только примеси. Массовую долю металла находят как разность 100% и суммы
массовых долей всех нормируемых примесей.
марка
А999 А995 А99 А95 А8 А7 А6 А0
Алюминий массовая
99,999 99,995 99,99 99,95 99,8 99,7 99,6 99,0
доля Al, %

6.

ОТБОР ПРЕДСТАВИТЕЛЬНОЙ ПРОБЫ
• очистка поверхности от окалины на наждачном круге или металлич. щетками
• строгание (сверление)
• измельчение, сортировка на крупные и мелкие кусочки и отбор для анализа
порции от двух фракций пропорционально их весам.
• удаление смазочных веществ промывкой эфиром
• сушка
Система контроля химического состава металлов и сплавов
1 место - эмиссионный спектральный метод
2 место - рентгенофлуоресцентный
3 место - атомно-абсорбционный метод
Химические и электрохимические методы анализа
Неоднородность химического состава сплавов обусловлена ликвацией
Кристаллизация сплава проходит не при определенной температуре в отличие от
чистых металлов, а в некотором интервале температур.
Химический состав закристаллизовавшихся при разной температуре частей сплава
оказывается неодинаковым.
Отдельные составляющие сплава при охлаждении перемещаются в глубинные
зоны слитка, застывают в последнюю очередь. На поверхности, таким образом,
металл более чистый.

7.

Отбор проб металлов и сплавов регламентирован документами:
• Техническими условиями на сплав, например, ГОСТ 3640-94 «Цинк.
Технические условия», ГОСТ 3778-98 «Свинец. Технические условия»,
или ГОСТ 21930-76 «Припои оловянно-свинцовые в чушках.
Технические условия».
• Общими стандартами по отбору и подготовке проб для химического
анализа. Для цветных металлов и сплавов – это ГОСТ 24231-80 «Цветные
металлы и сплавы. Общие требования к отбору и подготовке проб для
химического анализа» и ГОСТ 28053-89 «Стружка цветных металлов и
сплавов. Методы отбора, подготовки проб и методы испытания» (для
сплавов Al, W, Cu, Mo, Ni, Sn, Pb, Ti, Zn).

8.

При анализе металлов и сплавов необходимо определять довольно значительное
количество элементов в диапазоне концентрации от 10–5 до 15-20% и выше.
Значительное снижение предела обнаружения элементов при одновременном
возрастании селективности определений достигается при использовании
методов экстракционного концентрирования.
Сплавы ОпределяеРеагент
мый элемент
Al
Растворитель
ХарактеПредел
ристика водной обнаруже
фазы
ния, %
Cu
батофенантролин,
диэтилдитиокарбамат Na
метилизобутилкетон
–
3 10–3
Fe
–
то же
7М HCl
5 10–4
Zn
8-оксихинолин или
дитизон
то же
pH 9,0-9,6
1 10–4
то же
0,2М HNO3
0,5-1М HCl
0,5
мкг/мл
Bi
дибензилдитиокарбамат

9.

4. Подготовка образцов к анализу
В ряде методов такая подготовка практически не требуется.
В атомно-эмиссионном методе исследуется поверхность пробы.
Чаще всего пробу необходимо разложить. Используют кислотное или щелочное
растворение, сплавление или спекание
Требования к растворителю
•В идеальном случае выбранный реагент должен полностью растворять образец.
•Растворитель не должен мешать на заключительных стадиях анализа.
•Важна также чистота растворителя при определении микропримесей.
•Не должно быть потерь определяемых веществ
При кислотном вскрытии могут наблюдаться потери CO, CO2, H2S, SO2, H2Se, H2Te
и др.,
с плавиковой кислотой – потери SiF4, BF4 и др.,
при использовании восстановителей – AsH3, PH3, SbH3.
Из горячих солянокислых растворов возможны потери AsCl3, SbCl3, SnCl4, GeCl4,
HgCl2.
При кипячении водных растворов теряются борная и азотная кислоты,
галогенводородные кислоты.
При растворении в азотной кислоте в осадок могут выпасть кремниевая, оловянная,
сурьмяная, вольфрамовая кислоты.

10.

Примеры растворения проб
Все металлы по их способности вытеснять водород из растворов кислот делятся на две
группы.
• К первой относятся те металлы, которые замещают водород в кислотах. Это, например,
Mg, Al, Zn, Fe, Sn.
• Металлы второй группы, например Cu, Hg, Au, не вытесняют водород из кислот. Если
металлы расположить в ряд по убыванию их способности вытеснять водород из
растворов кислот, получится так называемый ряд активности металлов или
вытеснительный ряд металлов:
K Ba Ca Na Mg Al Zn Fe Ni Sn Pb (H2) Cu Hg Ag Pt Au
Растворение металлов в разбавленных кислотах
Металлы, расположенные в ряду активности левее водорода, вытесняют его из водных
растворов серной, соляной, фосфорной и некоторых других кислот (кроме азотной).
Mg + 2HCl = MgCl2 + H2
2Al + 3H2 SO4 = Al2 (SO4)3 + 3H2
Fe +H2SO4 = FeSO4 + H2
Растворение металлов в концентрированных кислотах
Cu + 2H2SO4 конц = CuSO4 + SO2 + 2H2O.
Cu + 4HNO3 конц = Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O.
Отделение от матрицы
C + O2 = CO2

11.

Растворение алюминия и его сплавов
Используют амфотерные свойства матрицы
2 Al + 6 HCl(разб.)= 2 AlCl3 + 3 H2↑
2 Al + 2 NaOH(конц.)+6 H2O(гор.)= 2 Na[Al(OH)4] + 3 H2↑
8 Al + 30 HNO3(разб.)= 8 Al(NO3)3 + 3 N2O + 15 H2O,
8 Al + 30 HNO3(оч. разб.)= 8 Al(NO3)3 + 3 NH4NO3 + 9 H2O
Наличие кремния в сплавах и лигатурах алюминия заставляет, как правило, отдавать
предпочтение щелочному растворению или вводить значительное количество фторидов в
качестве комплексантов.
Si(аморфн.)+4 NaOH(конц.)=Na4SiO4 + 2 H2↑
Si(аморфн.)+6 HF(конц.)= H2[SiF6] + 2 H2↑
При повышенных требованиях к точности определения кальция, магния, меди и других
элементов рекомендуется количественное выделение кремния из растворов, содержащих
H2SO4 или HClO4, посредством отгонки тетрафторида кремния
Si + 4 HF(г) = SiF4 + 2 H2
При массовой доле кремния менее 1 % алюминиевый сплав растворяют в HCl(1:1),
полученный раствор, если он не прозрачен, фильтруют через сухой фильтр средней
плотности («белая лента»).
Растворение серебряного припоя
3