СПОСОБ КОНТРОЛЯ СТРУКТУРЫ МАГНИЕВОГО СПЛАВА Российский патент 2015 года по МПК G01N21/67 G01J3/443 G01N33/20 

Изобретение относится к области материаловедения и может быть использовано при оценке влияния структуры магниевого сплава на аналитический сигнал при проведении оптического эмиссионного спектрального анализа элементного состава.

В материаловедении известно, что свойства веществ и различных материалов зависят от их химического состава и 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 структура материала никогда не будет соответствовать исходной, 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 (патент на изобретение РФ №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 (патент на изобретение РФ №2178165, 10.02.2002).

Известен способ фазового анализа магниевых сплавов, в котором для исследования отбирают чистый магний и основные легирующие элементы, замеряют их спектры с использование масс-спектрометрического метода тлеющего разряда, затем подвергают исследованию исходный образец и на основании разницы сигналов судят о фазовом составе и концентрации легирующих элементов в сплаве (Shinji Itoh, Hitoshi Yamaguchi, Toshiyuki Hobo, Takeshi Kobayashi «Analysis of magnesium alloys by glow-discharge mass spectrometry)) // Bunseki Kagaku Abstracts, vol. 53, No. 6, 2004), прототип.

Однако описанные выше способы не могут быть применены для характеристики структуры магниевого сплава 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 (патент на изобретение РФ №2314516, 10.01.2008).

Известный способ позволяет осуществить элементный анализ с высокой точностью и достоверностью, но он не дает сведений о состоянии структуры исследуемого магниевого сплава.

Известен способ контроля структуры алюминиевого сплава, позволяющий диагностировать структуру контрольных образцов, сравнивая аналитические сигналы атомно-эмиссионного спектрального анализа образцов до и после термической обработки (патент на изобретение РФ №2442139, 10.02.2012), аналог.

Известен способ контроля структуры титанового сплава, позволяющий диагностировать структуру контрольных образцов, сравнивая аналитические сигналы атомно-эмиссионного спектрального анализа образцов до и после термической обработки (патент на изобретение РФ №2486494, 27.06.2013).

Приведенные выше способы не позволяют обеспечить контроль структуры магниевых сплавов вследствие специфических свойств поведения при высоких температурах термообработки.

Задачей настоящего изобретения является разработка способа контроля структуры магниевого сплава, который позволяет учитывать влияние структуры магниевого сплава на аналитический сигнал при использовании эмиссионно-спектрального метода анализа.

Поставленная задача решается описываемым способом контроля структуры магниевого сплава, согласно которому эмиссионно-спектральным методом измеряют интенсивности химических элементов исходного образца магниевого сплава, подвергают исходный образец магниевого сплава термообработке в течение 2 часов в контейнере при температуре 550°C с последующим охлаждением в печи до комнатной температуры и осуществляют измерение эмиссионно-спектральным методом интенсивностей химических элементов термообработанного образца магниевого сплава, сравнивают полученные значения интенсивности для каждого химического элемента в исходном образце с соответствующим значением интенсивности того же элемента в термообработанном образце и по разнице в значениях интенсивностей химических элементов констатируют наличие структурных изменений с выявлением химических элементов, обеспечивающих упомянутые структурные изменения.

Также при проведении анализа возможно использование специального контейнера из жаропрочной стали.

Также при проведении эмиссионно-спектрального анализа могут использоваться спектральные линии от 190 нм до 550 нм в видимой и ультрафиолетовой областях спектра, и дополнительно может осуществляться химический анализ состава магниевого сплава.

Использование заявленного способа с получением технического результата основано на различии структурных модификаций магниевого сплава в исходном и отожженном состоянии. Для этого используется склонность магниевых сплавов к росту зерна и образованию новых кристаллических фаз при термообработке при температурах ~550°C. Низкотемпературная модификация достигается при отжиге образцов, а высокотемпературная модификация достигается при отливке магниевого сплава без изменения химического состава.

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-ого 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.

При проведении анализа желательно использовать специальный контейнер для термообработки, который позволяет обеспечить защиту образца из магниевого сплава от возгорания в процессе нагрева и выдержки при заданной температуре.

Пример

Берется проба магниевого сплава марки МА2-1пч в виде куска отобранного от темплета на расстоянии ¾ от центра. Из пробы вырезается и вытачивается шесть образцов диаметром 8 мм и длиной 40 мм.

Все шесть образцов подвергают атомно-эмиссионному спектральному анализу для получения интенсивностей линий химических элементов, которые образуют магниевый сплав, 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_cp,

где I_ан - интенсивность аналитической линии определяемого элемента;

I_ср - интенсивность спектральной линии элемента сравнения.

За линию сравнения принимают линию, принадлежащую основному компоненту пробы, Mg₂₇₇₇.

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 магниевого сплава.

Произвольным образом из этих образцов отбирают три и подвергают их термообработке в контейнере при температуре 550°C в течение 2 часов и охлаждают в печи (отжиг). Контейнер был выполнен в виде полого цилиндра из жаропрочной стали, длиной 60 мм, внутренним диаметром ~10 мм, толщина стенки ~5 мм и с обоих концов завинчивался пробками из стали той же марки.

Поверхности всех образцов (повергшихся термообработке и без термообработки) снова подвергают атомно-эмиссионному спектральному анализу на приборе AtomComp 81, причем замеры делают, чередуя термообработанный - не термообработанный, для исключения сомнений в тренде.

Полученные значения по всем химическим элементам разбивают на группы попарно: термообработанные и не термообработанные.

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 данном сплаве изменили свое взаимодействие с магниевой матрицей.

Таким образом, характеризуют изменения в структуре данного сплава и делают вывод, за счет каких химических элементов произошли изменения в структуре магниевого сплава.

Математическая обработка проводилась по пяти параллельным определениям для каждой группы образцов.

В таблице 1 представлены результаты измерений I_ан/I_ср (I_ср - интенсивность линии Mg₂₇₇₇) исследуемых образцов: термообработанных (отожженных) и без термообработки (исх.).

Обработав статистику таблицы 1, получаем таблицу 1а, в которой отображены критерии Фишера.

Таблица 1a построена так, что в ней отображены средние значения относительных интенсивностей и представлены значения критерия Фишера. 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 обеих линий алюминия после отжига увеличилась. Это можно интерпретировать так, что взаимосвязь алюминия с матричным элементом (магнием) ослабилась.

Интенсивность линии цинка после отжига уменьшилась. Это можно интерпретировать так, что взаимосвязь цинка с матричным элементом (магнием) усилилась.

Линия цинка Zn₄₇₂₂ к перестройке структуры магниевого сплава нечувствительна.

Интенсивность линий кремния после отжига увеличилась. Это можно интерпретировать так, что взаимосвязь кремния с матричным элементом (магнием) ослабилась.

Интенсивности линий марганца (легирующего элемента), железа, меди и никеля (примесных элементов) 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 магниевого сплава.

Информацию, полученную заявленным способом, можно использовать для контроля состояния магниевого сплава при диагностике его качества. Способ обеспечивает высокую точность и информативность контроля не только для элементного состава магниевого сплава, но и для его структуры.

Изобретение относится к области материаловедения и может быть использовано при оценке влияния структуры магниевого сплава на аналитический сигнал. Способ контроля структурных изменений в магниевом сплаве включает измерение интенсивностей входящих в состав магниевого сплава химических элементов эмиссионно-спектральным методом на исходных и термообработанных в специальных контейнерах образцах, что позволяет обеспечить высокую точность и информативность контроля элементного состава и структуры магниевого сплава. 3 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Способ контроля структурных изменений в магниевом сплаве, в котором эмиссионно-спектральным методом измеряют интенсивности химических элементов исходного образца магниевого сплава, подвергают исходный образец магниевого сплава термообработке в течение 2 часов в контейнере при температуре 550°C с последующим охлаждением в печи до комнатной температуры и осуществляют измерение эмиссионно-спектральным методом интенсивностей химических элементов термообработанного образца магниевого сплава, сравнивают полученные значения интенсивности для каждого химического элемента в исходном образце с соответствующим значением интенсивности того же элемента в термообработанном образце и по разнице в значениях интенсивностей химических элементов констатируют наличие структурных изменений с выявлением химических элементов, обеспечивающих упомянутые структурные изменения.

2. Способ по п.1, в котором при термообработке используют контейнер из жаропрочной стали.

3. Способ по п.1, в котором при проведении эмиссионно-спектрального анализа используют спектральные линии в диапазоне от 190 до 550 нм в видимой и ультрафиолетовой областях спектра.

4. Способ по п.1, в котором дополнительно осуществляют анализ элементного состава магниевого сплава химическими методами.