Al fine di introdurre elevate quantità di idrogeno in leghe di alluminio e alluminio, è stato sviluppato un nuovo metodo di ricarica dell'idrogeno, chiamato attrito nella procedura dell'acqua.
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Articolo metodologico
Carica a idrogeno di alluminio con attrito in acqua
In questo articolo
Sommario
Abstract
Un nuovo metodo di ricarica dell'idrogeno dell'alluminio è stato sviluppato mediante una procedura di attrito nell'acqua (FW). Questa procedura può facilmente introdurre elevate quantità di idrogeno in alluminio in base alla reazione chimica tra acqua e alluminio rivestito non ossido.
Introduzione
In generale, le leghe di base in alluminio hanno una maggiore resistenza all'embrittlement ambientale rispetto all'acciaio. L'elevata resistenza all'embrittlement di idrogeno delle leghe di alluminio è dovuta alle pellicole di ossido sulla superficie della lega che blocca l'ingresso di idrogeno. Per valutare e confrontare l'elevata sensibilità all'embrittlement tra leghe di alluminio, la ricarica dell'idrogeno viene solitamente eseguita prima delle prove meccaniche1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14, 15,16,17. Tuttavia, è noto che la ricarica dell'idrogeno in alluminio non è facile, anche quando si utilizzano metodi di carica dell'idrogeno come la ricarica catodica15, deformazione della velocità di deformazione della velocità di deformazione lenta sotto l'aria umida16, o gas idrogeno gas carica17. La difficoltà di carica dell'idrogeno leghe di alluminio è anche dovuta alle pellicole di ossido sulla superficie della lega di alluminio. Abbiamo ipotizzato che una maggiore quantità di idrogeno potrebbe essere introdotta nelle leghe di alluminio se potessimo rimuovere continuamente la pellicola di ossido in acqua. Thermodinamica18, alluminio puro senza pellicola di ossido reagisce facilmente con l'acqua e genera idrogeno. Sulla base di questo, abbiamo sviluppato un nuovo metodo di carica dell'idrogeno delle leghe di alluminio basato sulla reazione chimica tra acqua e alluminio non-ossido. Questo metodo è in grado di aggiungere elevate quantità di idrogeno in leghe di alluminio in modo semplice.
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Protocollo
1. Preparazione del materiale
- Utilizzare piastre spesse 1 mm in lega alluminio-magnesio-silicio contenente 1 massa% Mg e 0,8 massa% Si (Al-Mg-Si).
- Fare pezzi di prova dalle piastre in lega Di-Mg-Si con una lunghezza del calibro di 10 mm e una larghezza di 5 mm.
- Anneal i pezzi di prova a 520 gradi centigradi per 1 h utilizzando un forno ad aria. Quench in acqua come soluzione di trattamento termico.
- Anneal i pezzi di prova a 175 gradi centigradi per 18 h come trattamento termico di picco di invecchiamento (T6-temper).
- Polacco la superficie dei pezzi di prova utilizzando carta emiry di carburo di silicio (#2000) senza acqua.
- Misurare il peso dei campioni lucidati con una precisione di 0,0001 g utilizzando una bilancia elettrica
- Misurare lo spessore e la larghezza della parte del misuratore dei campioni con una precisione di 0,001 mm utilizzando un comparatore ottico.
2. Procedura FW (Figura 1)
- Attaccare due esemplari di lega di Al-Mg-Si utilizzando la colla a un agitatore triangolare a forma di prisma realizzato da un polimero di fluorocarbonio.
- Preparare un contenitore di vetro cilindro con un piano vuoto come contenitore di reazione.
- Fissare una carta di lucidatura rotonda realizzata con carburamenti in silicio, #2000 con un diametro di 10 mm, utilizzando nastro doppio lato nella parte inferiore all'interno del contenitore.
- Posizionare il migliere triangolare a forma di prisma con due esemplari sulla carta lucidatura sulla superficie inferiore del contenitore di vetro.
- Versare 100 mL di acqua distillata nel contenitore di vetro dall'alto.
- Coprire il contenitore di vetro con un pezzo di gomma rotondo con tre fori (per un'uscita a gas, per una presa a gas e per una sonda di pH nella parte superiore del contenitore di vetro).
- Riempire il contenitore di vetro con alta purezza (99,999%) a una portata costante di 20 mL/min dopo aver chiuso il coperchio in gomma.
- Collegare la presa di gas a un cromatografo a gas (GC) con un sensore di idrogeno a semiconduttore (limite di rilevamento: 5 ppb).
- Attendere che il gas nel contenitore venga sostituito da argon.
- Ruotare il stirrer triangolare a forma di prisma con due esemplari su un agitatore magnetico con una velocità di rotazione costante a temperatura ambiente.
- Misurare la generazione di idrogeno durante la rotazione dello staffatura utilizzando il GC, prendendo una misura ogni 2 min.
- Misurare il pH dell'acqua nel contenitore durante la rotazione dell'agitatore.
- Togliere i due esemplari dall'agitatore triangolare a forma di prisma per immersione in acetone con una vibrazione ultrasonica per 5 min dopo la procedura FW.
- Misurare nuovamente il peso e lo spessore dei campioni dopo la procedura FW utilizzando la bilancia elettrica e un comparatore ottico, rispettivamente.
3. Assorbimento dell'idrogeno mediante la procedura FW
- Dopo la procedura FW, tagliare un campione ad una forma rettangolare di 1 x 5 x 10 mm.
- Posizionare il provino all'interno di un tubo di quarzo con un diametro di 10 mm collegato a un GC con un sensore di idrogeno a semiconduttore.
- Purezza elevata di flusso (99,999%) gas argon in un tubo di quarzo con una portata costante di 20 mL/min.
- Riscaldare il tubo di quarzo con il campione utilizzando un forno tubolare ad una velocità di riscaldamento costante, 200 c/h.
- Misurare la desorption termoidrogeno del campione dopo la procedura FW utilizzando il GC.
4. Valutazione del materiale dopo la procedura FW
- Eseguire test di tensione (almeno 3x, per garantire la ripetibilità) nell'aria di laboratorio con una velocità trasversale di 2 mm/min utilizzando un campione che è stato trattato con la procedura FW.
- Misurare le proprietà della tensione (ad esempio, forza della tensione, deformazione della frattura) ottenute dalla curva di sollecitazione-deformazione nella prova di tensione.
- Osservare il comportamento della frattura con un microscopio elettronico secondario (SEM) dopo il test della tensione.
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Risultati
Generazione/assorbimento dell'idrogeno mediante la procedura FW
La figura 2 mostra il comportamento di generazione dell'idrogeno durante la procedura FW delle leghe Al-Mg-Si contenenti diverse quantità di ferro dallo 0,1 % di massa allo 0,7 massa %. Il campione emetteva continuamente un'elevata quantità di idrogeno quando lo stirrer iniziò a ruotare. Ciò suggerisce che l'idrogeno è stato generato da una reazione chimica causata dall'attrito tra la superficie della lega e ...
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Discussione
Un aspetto importante della procedura FW è l'attaccamento dei due esemplari all'agitatore magnetico. Poiché il centro della barra di stirrer diventa la zona di non attrito, è meglio evitare l'attaccamento degli esemplari al centro della barra di stirrer.
Anche il controllo della velocità di rotazione della barra di stirrer è importante. Quando la velocità è superiore a 240 giri/min, diventa difficile mantenere il vaso di reazione sullo stadio dell'agitatore magnetico. Quando la procedura FW vi...
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Dichiarazioni
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Ringraziamenti
Questo lavoro è stato sostenuto finanziariamente in parte da The Light Metal Educational Foundation, Inc., Osaka, Giappone
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Materiali
| Nome | Azienda | Numero di catalogo | Commenti |
|---|---|---|---|
| Forno ad aria | GC | QC-1 | |
| Piastre in lega di alluminio | Kobe Steel | Al / 1.0 mass% Mg / 0.8 mass% Si | |
| Equilibrio elettrico | A & D | HR-200 | |
| Contenitore | |||
| Agitatore magnetico | CORNING | PC-410D | |
| Comparatore ottico | NIKON | V-12B | |
| Misuratore di pH | Sato Tech | PH-230SDJ | |
| Tubo | Lucidatrice rotativa su misura | ||
| IMT | IM-P2 | ||
| Microscopio elettronico secondario | JOEL | JSM-5310LV | |
| Sensore gascromatografo | FIS Inc. | SGHA | |
| Carta smerigliata in carburo di silicio | IMT | 531SR | |
| Macchina per prove di trazione | Toshin Kogyo | SERT-5000-C | |
| Forno tubolare | Honma Riken | Su misura |
Riferimenti
- Horikawa, K., Matsubara, T., Kobayashi, H. Hydrogen charging of Al-Mg-Si-based alloys by friction in water and its effect on tensile properties. Materials Science and Engineering A. 764, 138199(2019).
- Horikawa, K. Current research trends in aluminum alloys for a high-pressure hydrogen gas container. Journal of Japan Institute of Light Metals. 60, 542-547 (2010).
- Kuramoto, S., Hsieh, M. C., Kanno, M. Environmental embrittlement of Al-Mg-Si base alloys deformed at low strain rates in laboratory air. Journal of Japan Institute of Light Metals. 52, 250-255 (2002).
- Horikawa, K., Yoshida, K. Visualization of Hydrogen in Tensile-Deformed Al-5%Mg Alloy by means of Hydrogen Microprint Technique with EBSP Analysis. Materials Transactions. 45, 315-318 (2004).
- Ueda, K., Horikawa, K., Kanno, M. Suppression of high temperature embrittlement of Al-5%Mg alloys containing a trace of sodium caused by antimony addition. Scripta Materialia. 37, 1105-1110 (1996).
- Horikawa, K., Ando, N., Kobayashi, H., Urushihara, W. Visualization of hydrogen gas evolution during deformation and fracture in SCM 440 steel with different tempering conditions. Materials Science and Engineering A. 534, 495-503 (2012).
- Horikawa, K., Yamada, H., Kobayashi, H. Effect of strain rate on hydrogen gas evolution behavior during tensile deformation in 6061 and 7075 aluminum alloys. Journal of Japan Institute of Light Metals. 62, 306-312 (2012).
- Horikawa, K., Okada, H., Kobayashi, H., Urushihara, W. Visualization of diffusive hydrogen in low alloy steel by means of hydrogen microprint technique at elevated temperatures. Materials Transactions. 50, 759-764 (2009).
- Horikawa, K., Okada, H., Kobayashi, H., Urushihara, W. Visualization of hydrogen during fatigue fracture in an Al-Mg-Si alloy. Journal of Japan Institute of Light Metals. 56, 210-213 (2006).
- Horikawa, K., Okada, H., Kobayashi, H., Urushihara, W. Visualization of hydrogen distribution in tensile-deformed Al-5%Mg alloy investigated by means of hydrogen microprint technique with EBSP. Journal of the Japan Institute of Metals. 68, 1043-1046 (2004).
- Yamada, H., Tsurudome, M., Miura, N., Horikawa, K., Ogasawara, N. Ductility loss of 7075 aluminum alloys affected by interaction of hydrogen, fatigue deformation, and strain rate. Materials Science and Engineering A. 642, 194-203 (2015).
- Toda, H., et al. Effects of hydrogen micro pores on mechanical properties in a 2024 aluminum alloys. Materials Transactions. 54, 2195-2201 (2013).
- Yamada, H., Horikawa, K., Matsumoto, T., Kobayashi, H., Ogasawara, N. Hydrogen evolution behavior of tensile deformation process in 6061 and 7075 aluminum alloys. Journal of Japan Institute of Light Metals. 61, 297-302 (2011).
- Horikawa, K., Kobayashi, H. Hydrogen absorption of pure aluminum by friction of the surface in water and its effect on tensile properties. Journal of the Japan Institute of Metals. 84, (2020).
- Suzuki, H., Kobayashi, D., Hanada, N., Takai, K., Hagihara, Y. Existing state of hydrogen in electrochemically charged commercial-purity aluminum and its effects on tensile properties. Materials Transactions. 52, 1741-1747 (2011).
- Horikawa, K., Hokazono, S., Kobayashi, H. Synchronized monitoring between hydrogen gas release and progress of atmospheric hydrogen embrittlement in 7075 aluminum alloy. Journal of Japan Institute of Light Metals. 66, 77-83 (2016).
- Manaka, T., Aoki, M., Itoh, G. Thermal desorption spectroscopy study on the hydrogen behavior in a plasma-charged aluminum. Materials Science Forum. 879, 1220-1225 (2016).
- Ellingham, H. J. T. Reducibility of oxides and sulphides in metallurgical processes. Journal of the Society of Chemical Industry. 63, 125-133 (1944).
- Pourbaix, M. Atlas of electrochemical equilibria in aqueous solutions, Ist ed. , Pergamon Press. New York. 168-176 (1966).
- Young, G. A., Scully, J. R. The diffusion and trapping of hydrogen in high purity aluminum. Acta Materialia. 46, 6337-6349 (1998).
- Smith, S. W., Scully, J. R. The identification of hydrogen trapping states in an Al-Li-Cu-Zr alloy using thermal desorption spectroscopy. Metallurgical and Materials Transactions A. 31, 179-193 (2000).
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Ristampe e permessi
