СПОСОБ КОНТРОЛЯ СТРУКТУРЫ ЛАТУНИ Российский патент 2014 года по МПК G01N21/67 

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 I_ан/I_ср,

где I_ан - интенсивность аналитической линии определяемого элемента;

I_cp - 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 I_ан/I_ср (I_cp - интенсивность линии Cu₂₉₆₁) исследуемых образцов: термообработанных (оттожженных) и без термообработки (исх.).

Таблица 1 №№ Mn₂₉₃₃ Sn_3l75 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.

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.

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.