铂铱质量标准品制备新技术

管理员 铱回收 2022-12-28 14:31:04 1029

在国际单位制 (SI) 中,质量单位是千克,千克被定义为国际千克原型的质量(第一届国际计量与计量大会 (CGPM),1889 年)。公斤的国际原型是一个高约 39 毫米、直径约 39 毫米的铂-10% 铱合金圆柱体。它与六份副本一起保存在塞夫尔国际货币与计量局 (BIPM) 的保险库中,所有这些都显示在图 1中. 只要目前的定义仍然有效,并且不会立即改变,就会继续需要新的铂-铱一公斤质量标准,以便与国际原型进行比较。正是通过这种以最高准确度进行的比较,质量单位才在全世界传播开来。

图1

千克的国际原型及其六份指定副本,保存在塞夫尔的国际计量局现在已经制造了 60 多个铂铱一公斤标准品(称为千克原型),其中大部分是由伦敦庄信万丰生产的合金制成的,尽管有一些是由 Comptoir Lyon-Alemand et Cie 生产的合金制成的,巴黎。随着近年来改进天平的发展,可以将千克原型的比较精度提高到 1 μg 或更好,并且开始详细研究表面薄膜对质量稳定性的影响,很明显需要千克原型,其表面特性可以很好地表征。这对于以传统方式制作和调整的千克原型来说并不容易,最终的表面光洁度是用砂纸或近年来用毡垫和金刚石膏手工抛光的结果。使用金刚石工具加工铂-10% 铱表面的初步尝试非常令人鼓舞,表明可以实现非常光滑和可重复的表面光洁度。使用 Rank Taylor Hobson“Talysurf”获得的金刚石加工铂铱合金的表面轮廓如图 2所示连同 1870 年代后期制造的早期原型之一。

现在已经制造了 60 多个铂铱一公斤标准品(称为千克原型),其中大部分是由伦敦庄信万丰生产的合金制成的,尽管有一些是由 Comptoir Lyon-Alemand et Cie 生产的合金制成的,巴黎。随着近年来改进天平的发展,可以将千克原型的比较精度提高到 1 μg 或更好,并且开始详细研究表面薄膜对质量稳定性的影响,很明显需要千克原型,其表面特性可以很好地表征。这对于以传统方式制作和调整的千克原型来说并不容易,最终的表面光洁度是用砂纸或近年来用毡垫和金刚石膏手工抛光的结果。使用金刚石工具加工铂-10% 铱表面的初步尝试非常令人鼓舞,表明可以实现非常光滑和可重复的表面光洁度。使用 Rank Taylor Hobson“Talysurf”获得的金刚石加工铂铱合金的表面轮廓如图 2所示连同 1870 年代后期制造的早期原型之一。
 图 2

这些表面轮廓是用“Talysurf”获得的,显示了 64 号原型端面的部分痕迹,这是通过金刚石加工生产的,“C”是 1878 年抛光的早期千克标准之一

然而,为了通过金刚石加工生产一公斤的原型,有必要设计一个程序来生产一个具有光滑表面的圆柱体,其高度非常接近其直径并且其质量在 1 毫克与 1 千克之间。在开发新的加工和调整技术时,同时审查合金的制造程序似乎是合适的。本说明介绍了在与庄信万丰金属有限公司和 Teddington 国家物理实验室讨论后现已采用的新技术,用于合金的生产和金刚石加工。然而,首先简要概述千克原型的生产历史以及塑造和调整它们的传统方法。

国际原型和编号为 1 至 63 的原型

1875 年在巴黎召开的米特大会成立了 BIPM,并责成其保护米和千克的国际原型并将其与国家标准进行比较(1). 然而,首先需要制作上述国际原型以及一些注定要成为国家标准的副本。在 H. Sainte-Claire Deville 的建议下,米和千克的国际原型选择了一种重量百分比为 10% 的铂铱合金。1873 年和 1874 年在巴黎进行了各种尝试,以生产所需数量的合金,约为 250 公斤。1874 年 5 月 13 日,国家艺术与工艺学院显然成功地熔化了这种数量的合金,但后来的化学分析表明杂质水平不可接受,因此放弃了进一步的尝试。相反,在 1878 年,庄信万丰,后来成为庄信万丰有限公司,2、31879 年交付了三个命名为 KI、KII 和 KIII 的 1 千克圆筒,并从中选择了千克的国际原型。在 1883 年到 1886 年间,Johnson 和 Matthey 生产了大量的铂铱合金,并用这种合金制成了 40 公斤的原型和 30 米的棒材;其中一根米条注定要成为米的国际原型。

早前一致认为,新的国际千克原型的质量应尽可能接近 Kilogram des Archives 的质量,这是 1799 年在巴黎制造的千克的原始标准,并已调整为尽可能接近质量相当于一立方分米的水。1880 年在巴黎天文台对 KI、KII 和 KIII 三个圆柱体与档案馆公斤数进行了比较,当时 BIPM 还没有能力承担这样的任务。在此之前,三个圆柱体的最终抛光和调校工作由 A. Collot 完成,A. Collot 是一位在巴黎执业的技艺精湛的摆轮制造师和工匠。这些比较表明,在三个圆柱体中,KIII 的质量最接近 Kilogram des Archives,事实上,当时它的质量与档案馆的千克质量没有区别,1883 年,它被国际计量委员会 (CIPM) 选择为千克的国际原型。该决定于 1889 年由第一届 CGPM 正式批准。

1883/84 年由强生万丰合金制成的 40 公斤原型机全部由 Collot 在 BIPM 进行抛光和调整,当时已配备必要的车间和实验室设施,包括维也纳 Rueprecht 公司制造的新天平. 关于 Collot 使用的机加工和抛光程序的细节,我们得到的信息很少。然而,A. Bonhoure ( 4), 从 1912 年到 1963 年,他是 BIPM 的一名工作人员。他在 1952 年描述的方法似乎很可能是传统方法,与 Collot 使用的方法仅在细节上有所不同。根据 Bonhoure 的说法,首先将钢锭加工到其最终质量的约 1 克以内,然后对所有表面进行精加工,并使用越来越精细的金刚砂纸调整质量。最终的表面光洁度是使用 00 级或 000 级纸获得的。质量的调整是在毡垫上使用氧化铝粉末进行的。很明显,这样的过程虽然易于描述,但需要大量的经验和技巧,而且会产生具有精细缎面光洁度的表面。虽然在外观上并不缺乏吸引力,但它并不是一个易于指定属性的表面。最近,对 1974 年制造的两公斤原型进行了最终抛光,然后使用毡垫上的金刚石膏调整质量。这导致了更好的表面光洁度,尽管在避免成品表面上的微观凹坑或夹杂物方面遇到了困难。

铂铱合金的新制造工艺

铂铱合金新制造计划的目的是生产一种具有高密度和细晶粒尺寸的均质合金,适合金刚石加工。该合金由庄信万丰从铂和铱的原生海绵中制备而成,规格要求按重量计应含有(10±0.25)%的铱,铑、钯和钌的总含量不超过 0.2%,少于铁含量不超过 0.05%,所有其他元素的总含量不超过 0.02%。最终合金的密度应超过 21,530 kg/m 3

该合金首先被 Durville 铸造成约 6 cm × 6 cm × 18 cm 的块状。然后在 1000 到 1300 °C 之间进行热锻,形成一个长 16 厘米、横截面为 8 厘米的多边形截面的直棱柱。然后将锻造坯料送到国家物理实验室,在 1200 °C 下使用玻璃作为润滑剂将其挤压成直径约 43 毫米的圆柱体。在此阶段,拍摄γ射线照片以确认不存在空隙。切割两个圆盘,每端一个,然后送到 BIPM 进行均匀性检查。还进行了光谱和化学分析。如果结果令人满意,剩余的钢锭将被送到 BIPM,在那里被切割成 43 毫米长的部分。经验表明,我们可以期望有足够的材料来切割七个这样的部分。

单个钢锭的加工和调整

每个部分首先使用碳化钨工具进行粗加工,以生产直径 40 毫米、长 40 毫米的正圆柱体。然后使用金刚石工具进行单次通过,以获得足够好的表面光洁度,以便通过静压称重进行准确的密度测定。已经发现能够在铂-铱上产生良好光洁度的令人满意的单晶金刚石工具具有曲率半径为约80mm的切割面(由Stevenage的Contour Fine Tooling Limited制造)。它与合成油切削液 ( shell -75) 一起使用,切削速度相对较低,小于约 25 m min -1在密度测定之后,圆柱形锭的端面之一被金刚石机加工成良好的表面光洁度。然后将具有金刚石机加工表面的黄铜固定件粘到该面上。该夹持件的目的是允许整个圆柱表面连同一个端面和一组斜边被金刚石加工而不改变旋转轴线。安装在车床 (Hardinge Super Precision) 上后,首先将圆柱面加工至其最终直径 39.17 mm 并完成最终表面光洁度,然后对端面进行类似的光洁度。选择 39.17 毫米的直径非常接近圆柱体的最终长度。在这个阶段,在不从车床上取出钢锭的情况下,加工第一组斜边。图 3根据预先确定的计划切割斜面,以便在每个阶段去除经过仔细计算的材料量。为了以足够的精度做到这一点,车床在纵向滑块上配备了分辨率为 1 μ m 的数字位置指示器。此外,车床上还安装了双目显微镜,可以精确调整刀具相对于表面的方位。图 4显示了斜切的连续阶段,其设计用于从铸锭的每一端去除约 1500 mg。首先切割 22.5° 斜角并去除约 1300 毫克,然后是 45° 斜角去除 170 毫克,接下来是 67.5° 斜角去除 25 毫克,最后是 79° 斜角,经计算去除约 3 毫克。显然,在切割第一组斜边时,去除的总质量并不重要,名义上仅为 1500 毫克;在另一端的第二组加工过程中,必须格外小心并经常称重。

图 3

在对圆柱面和一个端面进行最终加工时,这块铂铱锭仍然粘在车床上支撑它的黄铜固定件上

图 4

铂铱锭及其黄铜固定件 (a) 固定在尼龙卡盘 (b) 中,同时加工第二个端面和第二组斜面。随着质量的最终调整,连续的切割阶段 (c) 去除了越来越少的材料。首先切割斜面 A

完成圆柱形表面、一个端面和一组斜边后,在将铸锭从车床中取出并通过轻轻加热软化胶水使其与黄铜固定件分离之前,进行最后的操作以去除微小的毛刺。毛刺非常小,只能在显微镜下看到,用一小块涂有 0.1 μ的硬木从斜边去除毛刺米钻石膏。然后使用带有少量钻石膏的模板和刷子在圆柱形表面上轻轻标记识别号。在用温肥皂溶液清洗、用蒸馏水清洗然后用乙醇清洗后,称量铸锭。然后将其安装在特制的尼龙卡盘中,以便对剩余的端面进行金刚石加工,并通过切割第二组斜边来进行质量的最终调整。在最终调整的各个阶段,将钢锭从卡盘中取出、清洁和称重;当然,更频繁地接近过程的末尾。当 79° 的斜面被切割并且质量约为 1 kg + 2 mg 时,进行最终调整,同时去除第二组斜边的毛刺。μ m 金刚石膏。通过这种方式,很容易将质量降低到 1 kg±1 mg 所需的公差范围内。最后一道工序是清洗千克原型,去除所有切削液痕迹。首先用温肥皂水洗涤,然后用干净的蒸馏水冲洗,然后用溶剂(传统上是苯,但我们现在更喜欢更安全的等价物)冲洗,最后用酒精冲洗,同时用麂皮轻轻擦拭。最后,它会受到来自双蒸水的蒸汽喷射,就像 BIPM 对铂-铱标准的通常做法一样。然后使用图 5所示的 NBS-2 天平与铂-铱工作标准进行比较,从而确定新标准的质量这是一款带有质量交换器的单盘刀口天平,最多可对六个一公斤的质量进行相互比较。在最佳条件下,一千克的质量可以根据参考标准确定为优于 10 9中的一份,即略小于 1 μ g。重复蒸汽清洁程序,直到称重显示质量不再进一步下降。图 6显示了一个新的千克原型和一个使用传统方法制造的原型。

图 5

BIPM 的 NBS-2 天平,用它可以将 1 千克质量标准与 10 9中的 1 部分进行比较。这笔余额是在国家统计局计算的,并于 1970 年提交给 BIPM

图 6

使用新的金刚石加工工艺(左)和(右)1878 年制造的“C”标准制作的千克原型(68 号)

使用这些新的抛光和调整程序制作的第一公斤原型在 BIPM 系列中的编号为 64。此后,65号、66号、67号顺利完成。还从同一块锭中制备了两个用于 NPL 的铂-铱标准品,并指定为 A 和 B。在该技术的开发过程中,制备了两个标准品,其质量刚好超出 ±1 mg 的公差范围。这些被指定为 650 和 651。庄信万丰已经交付了第二个铸锭,而另一组千克原型的加工现在进展顺利。



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