Способ контроля структуры латуни
Изобретение относится к области материаловедения. Способ контроля структурных изменений в латуни в процессе изменения структурной модификации включает измерение интенсивностей входящих в состав латуни химических элементов эмиссионно-спектральным методом на исходных и термообработанных образцах, что позволяет обеспечить высокую точность и информативность контроля элементного состава и структуры латуни. 2 з.п. ф-лы, 2 табл.
Изобретение относится к области материаловедения и может быть использовано при оценке влияния структуры латуни на аналитический сигнал при проведении оптического эмиссионного спектрального анализа элементного состава.
В материаловедении известно, что свойства веществ и различных материалов зависят от химического состава и от структуры. Структура на различных уровнях (макроструктура, микроструктура, субструктура) характеризуется компонентами структуры, их взаимным расположением и характером связи. При равенстве структур и равном химическом составе набор технологических и эксплуатационных свойств материала будет одинаковым. При одинаковом химическом составе различия в свойствах материалов определяются различием их структур, изменение которых происходит за счет изменения энергосодержания системы и сопровождается изменением взаимодействия атомов. Размер ядра атома на пять порядков меньше размера самого атома. Таким образом, изменения структуры и свойств происходят из-за изменения взаимодействий электронной среды одних структурных единиц с электронной средой других структурных единиц.
При изменении химического состава меняется структура материала и, как следствие, обязательно изменится набор свойств.
Для оценки свойств анализируемого объекта следует учитывать все структурные параметры, в том числе и на уровне межатомного взаимодействия, поскольку свойства всех материалов и, соответственно, их структура являются функцией химического состава и внутренней энергии системы.
Известен способ анализа фазового состава порошковой пробы минерала, осуществляемый для оценки технологических свойств минерального сырья, в котором отбирают исследуемую и эталонную пробы, возбуждают эмиссионные спектры и путем сравнения интенсивностей спектральных линий, обнаруженных в спектрах проб, с учетом удельного веса и размера частиц оценивают содержание анализируемых минералов в пробе (RU 2056627, 27.03.1996).
Известен способ контроля состояния вещества, в котором для диагностирования этапов формирования кристаллической решетки в аморфном веществе определяются параметры электронно-колебательных спектров примесных центров, наблюдают изменение относительной интенсивности спектра и выносят суждение о возникновении зародышей кристаллической фазы по появлению бесфононных линий, по появлению фононного крыла с энергией 1-10 см-1 - о развитии ближнего порядка структуры новой фазы, по появлению фононного крыла с энергией 10-100 см-1 - о наличии второй координационной сферы, по появлению фононового крыла с энергией более 100 см-1 - о формировании дальнего порядка кристаллической фазы (RU 2178165, 10.02.2002).
Однако описанные выше способы не могут быть применены для характеристики структуры латуни и оценки ее влияния на аналитический сигнал.
Известен способ определения содержания массовых долей элементов в материалах и сплавах путем эмиссионного спектрального анализа, при котором производится возбуждение излучения образца в низкотемпературной плазме, регистрация эмиссионного спектра образца, измерение интенсивности аналитической линии элемента и линии сравнения, расчет содержания искомого элемента в пробе по физической модели, содержащей выражения для параметров, характеризующих устойчивое состояние низкотемпературной плазмы в стандартном образце по отношению к пробе и способность к излучению низкотемпературной плазмы относительно стандартного образца по каждому элементу (RU 2314516, 10.01.2008).
Известный способ позволяет осуществить элементный анализ с высокой точностью и достоверностью, но не дает сведений о состоянии структуры исследуемой латуни.
Известен способ контроля структуры алюминиевого сплава, позволяющий диагностировать структуру контрольных образцов, сравнивая аналитические сигналы атомно-эмиссионного спектрального анализа образцов до и после термической обработки (RU 2442139, 10.02.2012).
Задачей настоящего изобретения является разработка способа контроля структуры латуни, который позволяет учитывать влияние структуры латуни на аналитический сигнал при использовании эмиссионно-спектрального метода анализа.
Использование заявленного способа с получением технического результата основано на различии структурных модификаций латуни в исходном и отожженном состоянии. Низкотемпературная модификация достигается при отжиге образцов, а высокотемпературная модификация достигается при закалке без изменения химического состава. При отжиге с температурой выше α↔α+β перехода выделяется β-фаза и происходит рост зерна.
Поставленная задача решается описываемым способом контроля структуры латуни, согласно которому эмиссионно-спектральным методом измеряют интенсивности химических элементов образца латуни, подвергают исходный образец термообработке в течение 2 часов при температуре 780°C с последующим охлаждением на воздухе до комнатной температуры и осуществляют измерение эмиссионно-спектральным методом интенсивностей химических элементов термообработанного образца латуни, сравнивают полученные значения интенсивности для каждого химического элемента в исходном образце с соответствующим значением интенсивности того же элемента в термообработанном образце и по разнице значений констатируют наличие структурных изменений с выявлением химических элементов, обеспечивающих упомянутые структурные изменения.
Также при проведении эмиссионно-спектрального анализа могут выбираться используемые спектральные линии от 190 нм до 550 нм в видимой и ультрафиолетовой области спектра и дополнительно осуществляться химический анализ состава латуни.
В реальных условиях эмиссионного анализа зависимость между интенсивностью линий и концентрацией может часто нарушаться из-за различных побочных эффектов как оптической, так и физико-химической природы (см., например, А.Н. Путьмаков «Об ошибках в практике атомно-эмиссионного спектрального анализа», Материалы 7-го международного симпозиума «Применение анализаторов МАЭС в промышленности», Новосибирск 15-18 августа 2006 г.). Поэтому решающее влияние на точность и достоверность результатов анализа имеет выбор условий атомизации и измерения аналитического сигнала.
Сущность изобретения заключается в том, что, имея равные условия возбуждения и анализируя образцы одного и того же химического состава, изменив только их структурные соотношения путем описанной выше термообработки, можно получить статистически различимые аналитические сигналы с обеспечением возможности их интерпретации.
Пример
Берется проба латуни марки ЛОС в виде прутка диаметром 40 мм, отрезаются три диска толщиной около 10 мм, диски по диаметру разрезаются пополам.
Поверхность обрабатывается наждачной бумагой для получения чистых поверхностей. Все шесть образцов подвергают атомно-эмиссионному спектральному анализу и регистрируют интенсивности спектральных линий химических элементов, входящих в состав сплава, на приборе AtomComp 81 с возбуждением высоковольтной искрой.
Для снижения влияния флуктуации условий возбуждения на интенсивность линий определяемого элемента при выполнении анализов используют так называемый внутренний стандарт или элемент сравнения. В этом случае аналитическим сигналом служит отношение Iан/Iср,
где Iан - интенсивность аналитической линии определяемого элемента;
Icp - интенсивность спектральной линии элемента сравнения.
За линию сравнения принимают линию, принадлежащую основному компоненту пробы, Cu2961.
Прибор AtomComp 81 (производство компании Thermo Jarrel AshCorp) является эмиссионным спектрометром прямого считывания, использующим в качестве источника высоковольтную искру. Прибор оснащен оптической системой Пашена Рунге с фокусным расстоянием 0,75 м. Источник выполняет две функции: а) превращает образец в пар, состоящий преимущественно из свободных атомов и ионов; б) заставляет испускать этот пар свет, характеризующий тип и количество атомов, из которых состоит пар.
Полученные данные химического состава в пределах погрешности метода дают одинаковые результаты для всех шести образцов по всем химическим элементам латуни марки ЛОС.
Произвольным образом из этих образцов отбирают три и подвергают их термообработке при температуре 780°C в течение 2 часов и охлаждают в печи (отжиг).
Для уменьшения окалины термообработка образцов проводится в кварцевом контейнере, заполненном прокаленным асбестом.
Поверхности всех образцов (повергшихся термообработке и без термообработки) снова подвергают атомно-эмиссионному спектральному анализу на приборе AtomComp 81, причем замеры чередуют термообработанный - не термообработанный для исключения сомнений в тренде.
Полученные значения по всем химическим элементам разбивают на группы попарно: термообработанные и нетермообработанные.
Каждую пару групп цифр для каждого химического элемента обрабатывают математически методом сравнения средних в дисперсионном анализе и, используя критерий Фишера, делают заключение о том, какие химические элементы в данной стали изменили свое взаимодействие с матрицей.
Таким образом характеризуют изменения в структуре данного сплава и делают вывод, за счет каких химических элементов произошли изменения в структуре латуни.
Математическая обработка проводилась по пяти параллельным определениям для каждой группы образцов.
В таблице 1 представлены результаты измерений Iан/Iср (Icp - интенсивность линии Cu2961) исследуемых образцов: термообработанных (оттожженных) и без термообработки (исх.).
| Таблица 1 | ||||||
| №№ | Mn2933 | Sn3l75 | Pb4057 | Sb2068 | Ni2253 | Zn4722 |
| Исх. 1 | 0,0286 | 0,1534 | 1,545 | 0,0044 | 2,361 | 1,286 |
| Т/об1 отожженный | 0,0322 | 0,1076 | 0,7684 | 0,0044 | 2,727 | 0,7382 |
| Исх. 2 | 0,0288 | 0,1508 | 1,468 | 0,0043 | 2,353 | 1,259 |
| Т/об2 отожженный | 0,0290 | 0,1160 | 1,309 | 0,0041 | 2,529 | 0,9548 |
| Исх. 3 | 0,0289 | 0,1551 | 1,578 | 0,0044 | 2,326 | 1,317 |
| Т/об3 отожженный | 0,0310 | 0,0942 | 0,9106 | 0,0040 | 2,687 | 0,8191 |
| Исх. 4 | 0,0287 | 0,1508 | 1,492 | 0,0044 | 2,308 | 1,300 |
| Т/об4 отожженный | 0,0295 | 0,1106 | 1,211 | 0,0041 | 2,536 | 0,9414 |
| Исх. 5 | 0,0288 | 0,1513 | 1,500 | 0,0044 | 2,335 | 1,312 |
| Т/об5 отожженный | 0,0296 | 0,1025 | 1,419 | 0,0041 | 2,515 | 1,002 |
На основании обработки статистических данных вычислены критерии Фишера. В таблице 2 представлены средние значения относительных интенсивностей и рассчитанные значения критерия Фишера.
| Таблица 2 | ||||||
| №№ | Mn2933 | Sn3175 | Pb4057 | Sb2068 | Ni2253 | Zn4722 |
| исх.ср | 0,0288 | 0,1523 | 1,517 | 0,0044 | 2,337 | 1,299 |
| Т/об ср. отожженный | 0,0303 | 0,1062 | 1,112 | 0,0041 | 2,599 | 0,891 |
| F | 6,46 | 146,7 | 10,0 | 11,5 | 32,8 | 65,6 |
Необходимо отметить, что для пяти пар критическое значение Фишера при доверительной вероятности 0,95 равно 5,32, а при доверительной вероятности 0,99 равно 11,3. Ниже критического значения образцы считаются неразличимыми.
Интенсивность линии марганца после отжига увеличилась. Это можно интерпретировать так, что взаимосвязь марганца с матричным элементом (медью) ослабилась.
Интенсивность линии никеля после отжига увеличилась. Это можно интерпретировать так, что взаимосвязь никеля с матричным элементом (медью) ослабилась.
Интенсивность линий олова, свинца, сурьмы и цинка после отжига уменьшилась, это можно интерпретировать, что происшедшая структурная перестройка привела к образованию более плотных структурных единиц за счет диссипации внутренней энергии при отжиге.
Интенсивности линий железа, кремния и алюминия в образцах исходных и после термообработки статистически неразличимы.
Дополнительно проведен контроль элементного состава образцов путем мокрого химического анализа, который показал неизменность химического состава до термообработки и после термообработки сплава.
Установлено, что, варьируя температурой и временем термообработки, можно выявить последовательность движения определенных химических элементов и объяснить перестройку структуры латуни.
Информацию, полученную заявленным способом, можно использовать для контроля состояния латуни при диагностике ее качества. Способ обеспечивает высокую точность и информативность контроля не только для элементного состава латуни, но и для ее структуры.
1. Способ контроля структурных изменений в латуни, в котором эмиссионно-спектральным методом измеряют интенсивности химических элементов образца латуни, подвергают исходный образец термообработке в течение 2 часов при температуре 780°C с последующим охлаждением на воздухе до комнатной температуры и осуществляют измерение эмиссионно-спектральным методом интенсивностей химических элементов термообработанного образца латуни, сравнивают полученные значения интенсивности для каждого химического элемента в исходном образце с соответствующим значением интенсивности того же элемента в термообработанном образце и по разнице значений констатируют наличие структурных изменений с выявлением химических элементов, обеспечивающих упомянутые структурные изменения.
2. Способ по п.1, в котором при проведении эмиссионно-спектрального анализа выбирают спектральные линии в диапазоне от 190 до 550 нм в видимой и ультрафиолетовой областях спектра.
3. Способ по п.1, в котором дополнительно осуществляют анализ элементного состава латуни химическими методами.
