Определение водорода в металлах

Определение водорода в металлах во многих отношениях проще, чем определение кислорода и азота. Почти все металлы быстро выделяют водород при плавке в вакууме, а некоторые из них даже при температурах ниже точки плавления. Аппарат для определения только водорода отличается большой простотой. Можно, конечно, использовать для этого и стандартную установку для вакуумной плавки, но применение специального аппарата выгоднее, если определение водорода производится достаточно часто.

Методы вакуумной экстракции водорода из титана и циркония. При нагревании титана и циркония в вакууме до 1000° или выше водород выделяется с довольно большой скоростью, причем с повышением температуры скорость экстракции возрастает. Кислород и азот в этих металлах связаны настолько прочно, что до момента расплавления металлов в контакте с углеродом (выше 1700°) СО и N₂ не выделяются. Благодаря этому техника анализа значительно упрощается. Для этого требуется только собрать экстрагированный газ и произвести измерение давления водорода в калиброванном объеме.

Юнг и Кливе [16] для определения водорода в титане использовали кварцевую трубу, нагреваемую в печи сопротивления до 900—950°. Мак-Гири [17] для этого применял графитовый тигель, нагреваемый до 1200°.

В промышленной установке, разработанной «Нейшнл ресерч корпо-рейшн» (фиг. 7, 8 и 9), используются молибденовые стаканчики, нагреваемые до 1400° и снабженные подъемным цепным механизмом, позволяющим выгружать пробы после анализов. Вес пробы составляет 0,25—0,50 г. Продолжительность экстракции газа из титана и циркония 2—3 мин.

При обычных содержаниях водорода (0,01% для титана и 0,005% для циркония) погрешность измерения составляет 2—3%. Достоинством этой упрощенной установки является предельная быстрота определения. Сборка и дегазация установки занимают всего лишь 1,5 часа, поэтому в течение смены (8 час.) можно произвести определение водорода в 35 пробах.

Другой метод вакуумного определения, который особенно пригоден для проб титана больших размеров (например, проб губчатого титана), разработан Мак-Кинли [18]; он основан на измерении равновесного давления. При этом методе проба нагревается до некоторой постоянной температуры (1050°), и в системе измеряется давление газа. Этот способ также является достаточно быстрым и позволяет за смену произвести 20 определений.

Методы вакуумной экстракции и вакуумной плавки для определения водорода в стали. Обзор методов определения водорода может быть темой отдельной статьи. По этому вопросу имеется обширная литература.

Сущность методов вакуумной экстракции заключается в нагреве твердых проб в вакууме до различных температур (большей частью до 800°). При методах вакуумной плавки проба стали расплавляется непосредственно в графитовом тигле или в оловянной ванне при 1100—1200° [19].

При вакуумной экстракции полное выделение водорода может осуществляться примерно в течение часа; при вакуумной плавке полное выделение водорода завершается обычно за несколько минут.

Выделенные из стали газы как при экстракции, так и при плавке в вакууме всегда содержат, кроме водорода, некоторое количество окиси углерода и азота. Определение составляющих газовой смеси может быть произведено с помощью описанного ранее газоанализатора (фиг. 3).

Однако существуют и другие методы анализа, которые отличаются большей быстротой и точностью.

Шилдс, Чипман и Грант [20] производили определение водорода в газовой смеси посредством измерения теплопроводности газов в камере.

Газовая смесь (СО + Н₂ + N₂) может рассматриваться как бинарная система, так как окись углерода и азот обладают практически одинаковой теплопроводностью.

Для различных давлений смесей азота и водорода строят градуировочные кривые. Измеряют давление газа, собранного в объеме V, определяют произведение pV для смеси и затем путем измерения теплопроводности устанавливают содержание водорода.

Варианты этого метода были рассмотрены в работах [21, 22]. В другом методе водород в газовой смеси определяют с помощью палладиевой трубки.

Для отделения водорода от азота и окиси углерода используют свойства диффузии водорода через нагретую палладиевую мембрану даже при ничтожной разности давлений газа по обеим сторонам перегородки. Произведение pV для водорода может быть определено непосредственным измерением давления собранного газа или же из разности значений pV для общей смеси газов и смеси окиси углерода и азота после удаления водорода.

Содержание водорода в сталях обычно не превышает 0,001 %. Погрешность анализа по этому методу при использовании проб весом в несколько граммов колеблется в пределах 1—2%.

Значительной проблемой при определении водорода в стали является выбор метода отбора проб. Водород легко удаляется из стали даже в условиях затвердевшего металла. Благодаря этому часть водорода при отборе пробы теряется и определение истинного содержания водорода в стали становится невозможным. Существуют различные методы отбора проб, которые позволяют избежать потери водорода [21—24]. Один из методов состоит в быстром охлаждении жидкой пробы до температуры жидкого азота (—196°) с промежуточным охлаждением в воде.

Сущность другого метода заключается в том, что выделяющийся из охлаждаемой пробы водород улавливается в некотором объеме, и количество собранного газа определяется таким же путем, как и количество остаточного водорода в стали.