Технические науки / 8. Обработка материалов в машиностроении

К.т.н. Мощенок В.И., к.т.н. Дощечкина И.В., к.т.н. Лалазарова Н.А.,              к.т.н. Попова Е.Г., к.т.н. Филиппов А.С., Брага Е.В.

Харьковский автомобильно-дорожный университет, Украина

Определение химического состава сталей современными                методами

 

Важнейшим фактором, который определяет физико-механические и специальные характеристики изделий, является химический состав металлов и сплавов. В настоящее время появились области техники, требующие использования новых материалов с уникальными свойствами, которые  определяются точностью химсостава, для чего необходим его прецизионный анализ.

Существует большое разнообразие  методов оценки химического состава: термические (материал подвергается нагреву, сжиганию или плавлению), химические (проба вступает  в химическую реакцию) и физические (проба не вступает в химическую реакцию) [1-4].

Разработано много новых анализаторов химсостава как стационарных, так и портативных, которые позволяют существенно расширить спектр оценки концентрации содержащихся в сплавах элементов.

У анализаторов нового поколения усовершенствована конструкция, использованы передовые технологии для улучшения технических возможностей, расширен спектр и повышена точность определения содержания химических элементов, содержится программное обеспечение, позволяющее не только оценить химсостав с высокой точностью, но и определить неограниченное количество марок сталей и сплавов на основе Cu, Ti, Al, Ni, Zn.

Работа посвящена сравнительному анализу химического состава образцовых мер твёрдости из качественных и высококачественных углеродистых сталей, который производили различными методами с использованием современных приборов.

В таблице 1 приведен химический состав образцов из сталей различных плавок, содержание углерода в которых определяли на анализаторе типа АН 7529  кулонометрическим  методом [1]. Метод основан на сжигании навески пробы в токе кислорода при температуре 1250-1350°С, поглощении образовавшегося диоксида углерода раствором электролита с определенным начальным значением рН и последующем измерении на установке для кулонометрического титрования (необходимого для восстановления исходного значения рН) количества электричества, которое пропорционально массовой доле углерода в навеске пробы. На данный момент это наиболее широко применяемый метод анализа, позволяющий оценить процентное содержание углерода в сталях [1].

Содержание остальных элементов  определяли спектральным методом на фотоэлектрической установке  МФС-6 (дифракционный спектрометр) [2]. Метод фотоэлектрического спектрального анализа основан на возбуждении атомов элементов в стали электрическим разрядом, разложении излучения в спектр, измерении аналитических сигналов, пропорциональных интенсивности или логарифму интенсивности спектральных линий, и последующем определении массовых долей элементов с помощью градуировочных характеристик. Подготовка пробы для проведения анализа требует  затачивания поверхности на плоскость. На поверхности не допускается наличие дефектов. Этот метод позволяет проанализировать состав металла с точностью два знака после запятой.

Определение химического состава стали указанных образцовых мер твёрдости производили также на современном портативном оптическом эмиссионном анализаторе PMI-master UVR и стационарном лабораторном анализаторе FOUNDRY-Master Lab Pro. В основе этих методов лежит спектральный анализ химического состава.

Современный оптический портативный оптический эмиcсионный анализатор (оптико-эмиссионный спектрометр) PMI-master UVR производства OXFORD Instruments предназначен для экспресс-анализа сталей и сплавов в цехах, лабораториях и в полевых условиях (рис. 1).

 

Таблица 1 - Химический состав образцов  стали, который определяли с помощью приборов АН 7529 и МФС-6

 

№

 Содержание элементов,  %

Номер образца

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

1

С

0,15

0,96

1,0

1,16

1,17

1,12

0,94

0,95

0,96

1,02

0,82

0,98

1,16

2

Mn

0,40

0,33

0,20

0,23

0,27

0,21

0,20

0,27

0,35

0,35

0,18

0,20

0,18

3

Si

0,24

0,27

0,33

0,23

0,33

0,22

0,28

0,33

0,25

0,33

0,18

0,23

0,18

4

Cr

0,16

0,35

0,27

0,23

0,24

0,20

0,11

016

0,30

0,35

0,14

0,07

0,20

5

Ni

0,23

0,2

0,16

0,21

0,17

0,02

0,16

0,16

0,18

0,15

0,05

0,13

0,18

6

S

 

0,035

0,027

0,018

0,018

0,018

0,010

0,019

0,018

0,018

0,021

0,012

0,014

0,01

7

P

 

0,03

0,030

0,025

0,030

0,025

0,020

0,024

0,020

0,021

0,017

0,015

0,015

0,021

8

Cu

 

0,20

0,25

0,20

0,18

0,20

0,16

0,18

0,20

0,20

0,19

0,16

0,21

0,17

9

As

 

0,06

0,04

0,06

0,05

0,05

0,06

0,04

0,06

0,05

0,06

0,06

0,04

0,06

 

Марка стали

 

 

15

 

У10

 

У10А

 

У12А

 

У12А

 

У12А

 

У10А

 

У10А

 

У10А

 

У10А

 

У8А

 

У10А

 

У12А

 

                      

 

 

 

 

 

 

Рис. 1  Портативный оптический эмиссионный анализатор PMI-master UVR

 

Анализатор может использоваться в целях контроля химического состава сталей, включая содержание углерода, серы, фосфора, что важно для определения марок углеродистых качественных сталей и сталей обыкновенного качества и их разбраковки, а так же для сплавов цветных металлов, сварочной проволоки, электродов с целью предотвращения попадания в производство некачественной (некондиционной) продукции.

Контроль химсостава не требует вырезки темплетов металла и может быть использован непосредственно по месту работы, так как весит 17 кг.

Спектрометр имеет современную оптическую систему с высокой чувствительностью и устойчивостью к перемещениям. Передача сигнала от измерительной головки к оптической системе осуществляется при помощи оптико-волоконного соединения нового поколения с высокой эффективностью, что повышает точность оценки. Спектрометр имеет уникальную систему автоматического профилирования линий при каждом измерении, что делает спектрометр устойчивым к значительным колебаниям температур, вибрациям и перемещению. Прибор готов к работе сразу после включения питания. Анализатор прост в управлении через сенсорный экран. Прибор может быть использован для химического анализа образцов со сложной формой и неровной поверхностью, а также образцов малых размеров (например, сварочной проволоки диаметром до 2–х мм).

Прибор обладает широким спектром возможностей определения химических элементов в сплавах на основе железа, меди, никеля, титана, алюминия и цинка в диапазонах объемного содержания контролируемого элемента с необходимой точностью. Спектрометр оснащен программой «Марочник» на неограниченное количество марок сталей и сплавов, что позволяет выдавать результат с соответствующей маркой материала.

Анализатор имеет высокую производительность - измерение параметров и выдача результатов измерений на дисплей происходит в течение 15 секунд.

Химический состав образцов, который определяли при помощи прибора PMI-master UVR, приведен в табл. 2.

Анализ количественной оценки содержания элементов в исследуемых сталях (табл. 1 и 2) показал, что химанализ, произведенный на современном спектрометре PMI-master UVR позволяет со значительно большей  точностью и по большему числу элементов (18) оценить химсостав сталей по сравнению с установкой МФС-6.

Химический анализ выбранных объектов был произведен также на стационарном лабораторном приборе FOUNDRY-Master Lab Pro (рис. 2).

Этот оптико-эмиссионный анализатор предназначен для прецизионного анализа химсостава сталей и сплавов и определения марки сплава.

Одной из главных особенностей прибора является возможность измерения содержания азота в сталях с пределом обнаружения <50ppm. Возможность измерения содержания азота была достигнута путем внесения некоторых принципиальных изменений в конструкцию прибора: новый изолированный столик позволяет исключить попадание азота из воздуха в область анализа и гарантирует стабильность результатов даже при продолжительных измерениях. Уникальный столик с открытым исполнением даёт возможность анализа больших образцов весом до 20кг. Система обтекания электрода реактивным потоком Аргона JetStream позволяет проводить анализ образцов сложных форм и конфигураций без необходимости использования системы адаптеров. Прибор оптимизирован для анализа сплавов цветных металлов.


№

Содержание  элементов,  %

Номер образца

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

1

Fe

98,5

97,7

98,1

97,6

97,7

97,7

98,1

97,9

97,7

97,5

98,4

98,1

98,0

2

С

0,132

0,132

0,975

1,16

1,05

1,05

0,939

1,05

0,969

1,07

0,871

1,0

1,08

3

Si

0,24

0,24

0,25

0,193

0,358

0,203

0,239

0,3

0,248

0,322

0,247

0,222

0,159

4

  Mn

0,395

0,395

0,299

0,196

0,287

0,201

0,174

0,246

0,356

0,322

0,213

0,233

0,173

5

P

0,0283

0,0283

0,0283

0,0283

0,0283

0,0283

0,0283

0,0283

0,0283

0,0283

0,0283

0,0283

0,0283

6

S

0,0310

 

0,0310

0,0310

0,0310

0,0310

0,0310

0,0310

0,0310

0,0310

0,0310

0,0310

0,0310

0,0310

7

Cr

0,158

0,309

0,25

0,202

0,219

0,203

0,0907

 

0,131

0,286

0,32

0,135

0,075

0,181

8

Mo

 

0,0514

0,0211

0,0393

0,0198

0,0085

0,0195

0,0101

0,0082

0,0137

0,0064

<0,0030

<0,0030

0,0041

9

Ni

 

0,213

0,199

0,183

0,228

0,156

0,225

0,158

0,163

0,202

0,156

0,0374

0,113

0,17

10

Al

 

0,0227

<0,001

0,0055

0,0143

0,133

0,0134

0,0134

0,0064

0,0049

0,0034

0,0083

0,0184

0,0064

11

Co

 

0,0096

0,0139

0,0072

0,0184

0,0074

0,0181

0,0162

0,0139

0,0138

0,0153

0,0035

0,0127

0,0096

12

Cu

 

0,18

0,124

0,164

0,256

0,138

0,257

0,167

0,15

0,164

0,192

0,038

0,137

0,109

13

Nb

 

0,0028

<0,002

<0,0020

0,0024

0,002

0,00024

<0,0020

<0,0020

0,002

<0,0020

<0,0020

<0,0020

<0,0020

14

Ti

 

0,0013

0,0052

0,0057

0,0023

0,0062

0,0021

<0,0010

0,0079

0,0081

0,007

0,0054

0,0054

<0,0010

15

V

 

<0,0020

0,0025

<0,0020

<0,0020

<0,0020

<0,0020

<0,0020

<0,0020

0,0026

<0,0020

<0,0020

<0,0020

<0,0020

16

W

 

<0,0250

<0,0250

<0,0250

<0,0250

<0,0250

<0,0250

<0,0250

<0,0250

<0,0250

<0,250

0,0250

<0,0250

<0,0250

17

Pb

 

<0,0100

<0,0100

<0,0100

<0,0100

<0,0100

<0,0100

<0,0100

<0,0100

<0,0100

<0,0100

<0,0100

<0,0100

<0,0100

18

As

0,073

0,0520

0,0438

0,0438

0,0341

0,0402

0,0324

0,0338

0,0371

0,0401

0,0307

0,0413

0,0392

Таблица 2 - Химический состав образцов  стали, который определяли с помощью прибора PMI-master UVR

Рис. 2 Стационарный анализатор химического состава сталей и сплавов FOUNDRY-Master Lab Pro

 

Вакуумированная оптическая система расположена под углом, специально так, чтобы можно было анализировать весь спектр. Источник и система считывания информации имеют цифровое управление и разработана для достижения требуемой точности оценки. Оптическая система построена по абсолютно новому принципу. Новые настройки и регулировки, представленные в приборе, позволяют работать в диапазоне <150nm.

Разработан абсолютно новый механизм оцифровки спектра и расчёта интенсивностей, для чего прибор оснащён современным компьютером. Производится автоматическое профилирование линий спектра.

Кардинально переработана система передачи света. Программное обеспечение имеет функции  настройки и калибровки спектрометра под конкретные задачи исследования.

Внедрение новейших технологий предоставило возможность с очень большой точностью определить химсостав исследуемых сталей (27 элементов) (табл. 3).

 

Таблица 3 - Химический состав образцов  стали, который определяли с помощью прибора FOUNDRY-Master Lab Pro

№

Содержание  элементов, %

Номер образца

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

1

Fe

98,4

97,6

98

97,4

97,6

97,7

97,9

97,9

97,7

97,5

98,4

98,1

98

2

С

0,0785

0,971

0,607

1,14

1,01

1

0,977

1,05

0,969

1,07

0,871

1

1,08

3

Si

0,247

0,255

0,295

0,194

0,345

0,193

0,262

0,3

0,248

0,322

0,247

0,222

1,159

4

  Mn

0,412

0,297

0,194

0,196

0,284

0,205

0,175

0,356

0,356

0,322

0,213

0,233

1,173

5

P

0,0042

0,0235

0,0073

0,0119

0,0082

0,0095

0,0069

0,0230

0,0099

0,0085

0,0111

0,0092

0,0075

6

S

0,0121

0,0167

0,0097

0,00225

0,0315

0,0427

0,011

0,0034

0,0090

0,0121

0,0135

0,00255

0,0095

7

Cr

 

0,162

0,33

0,263

0,213

0,231

0,205

0,0939

0,286

0,32

0,32

0,135

0,075

1,181

8

Mo

 

0,0591

0,0248

0,0451

0,0254

0,0155

0,0188

0,0132

0,0137

0,0064

0,0064

<0,0030

<0,0030

0,0041

9

Ni

 

0,217

0,206

0,19

0,239

0,167

0,21

0,16

0,163

0,156

0,156

0,0374

0,113

0,17

10

Al

 

0,329

0,0042

0,0109

0,0183

0,0201

0,0213

0,0267

0,0064

0,0034

0,0034

0,0083

0,0184

0,0064

11

Co

 

0,0099

0,0149

0,0088

0,0208

0,009

0,0187

0,0163

0,0139

0,0153

0,0153

0,0035

0,0127

0,0096

12

Cu

 

0,215

0,147

0,198

0,294

0,165

0,272

0,191

0,15

0,192

0,192

0,038

0,137

0,109

13

Nb

 

<0,001

<0,001

<0,001

0,0016

0,0016

<0,001

<0,001

<0,0020

<0,0020

<0,002

<0,0020

<0,0020

<0,0020

14

Ti

 

0,034

0,0094

0,0071

0,0073

0,0053

0,0047

0,0044

0,0079

0,007

0,007

0,0066

0,0054

<0,0010

15

V

 

0,0016

<0,001

<0,001

0,0015

<0,001

<0,001

0,0011

<0,0020

<0,0020

<0,0020

<0,0020

<0,0020

<0,0020

16

W

 

0,053

0,0136

0,0039

0,0072

0,0036

<0,001

0,0035

<0,250

<0,0250

<0,0250

<0,0250

<0,0250

<0,0250

17

Pb

 

0,0013

<0,001

<0,001

0,0018

<0,001

<0,001

<0,001

<0,010

<0,0100

<0,100

<0,0100

<0,0100

<0,0100

Выводы

 

1. На фотоэлектрической установке МФС-6 можно определять химический состав сталей по ограниченному числу элементов (содержание углерода определяется отдельно кулонометрическим способом) с точностью два знака после запятой.

2. Для прецизионных сплавов можно рекомендовать стационарный анализатор FOUNDRY-Master Lab Pro, который позволяет производить анализ химического состава по наибольшему количеству элементов (включая C, S, P, N) с максимально высокой точностью и с высокой производительностью.

3. Для контроля химсостава готовых изделий (трубы, сварные швы, патрубковые соединения) в цехах, лабораториях и по месту работ (ремонт с использованием сварки) можно использовать портативный анализатор PMI-master UVR с широкими возможностями: определение марок углеродистых сталей обыкновенного качества, качественных и высококачественных, что важно для их разбраковки, и сплавов на основе Cu, Ni, Al, Ti.

 

Литература:

 

1. ГОСТ 22536.1-88. Межгосударственный стандарт. Сталь углеродистая и чугун нелегированный. Методы определения общего углерода и графита. - М.: Издательство стандартов, 1988. - 17 с.

2. ГОСТ 18895-97. Сталь. Метод фотоэлектрического спектрального анализа. - М.: Издательство стандартов, 1998. - 15 с.

 3. ГОСТ 28033-89. Сталь. Метод рентгеновского флюоресцентного анализа. - М.: Издательство стандартов, 1989. - 19 с.

4. ГОСТ 17745-90. Стали и сплавы. Методы определения газов. - М.: Издательство стандартов, 1990. - 12 с.