Определение химического состава
Лекция 12
Общие сведения о контроле химического состава. Пробы для химического анализа. Отбор проб и подготовка к анализу. Косвенные методы: по искре, по излому. Химические методы: гравиметрический, титриметрический. Физико-химические методы: фотометрический, потенциометрический, кулонометрический, полярографический. Физические методы: эмиссионный спектральный, рентгеноспектральный, атомно-абсорбционный.
Химический состав сплавов регламентируется ГОСТами, поэтому отступление от заданного химического состава, как правило, является браковочным признаком. В ГОСТах и ТУ приводится полный химический состав сплава – содержание всех легирующих элементов и примесей. В ряде случаев ограничиваются контролем только основных легирующих элементов и наиболее опасных примесей каждой плавки.
Отбор пробдля анализа химического состава регламентируется нормативными документами. Наиболее распространенными являются два способа отбора проб: самостоятельная заливка специальных образцов-проб, не связанных с отливкой; получение образцов-проб на литниковых ходах или бобышках. Очень часто образцы-пробы, отлитые вместе с отливкой, не только служат для определения химического состава, но и являются заготовками для образцов на механические испытания. Иногда для более жесткого контроля одну из отливок партии разрезают и образцы-пробы высверливают из тела отливки для получения пробы в виде стружки.
При отборе на химический анализ пробы в виде стружки необходимо с поверхности литого образца удалить пригар. Отбор стружки осуществляется сверлением, обточкой или фрезерованием на малых скоростях резания без смазывания и охлаждения инструмента. Стружка должна быть толщиной не более 0,4 мм и не иметь цвета побежалости.
От каждого образца-пробы данной плавки (отливки) отбирают одинаковое количество материала, смешивают его для усреднения и квартованием выделяют пробу массой 20-100 г, которая используется для химического анализа. Аналогичным образом поступают, когда стружка снимается непосредственно с отливки; отбор проб обеспечивают от различных участков отливки, затем проводят их усреднение. При исследовании дефектных отливок, наоборот, место отбора пробы должно быть в дефектном участке.
Косвенные методы определения химического состава
Искровой анализ марки сталиоснован на определении цвета и формы искр пучка, возникающего при контакте стального образца с вращающимся абразивным кругом.
Достоверные результаты контроль по искре может обеспечить только при наличии эталонов (образцов с известным химическим составом), в условиях одинаковой освещенности, при использовании абразивных кругов одинаковой плотности из одного и того же материала. Такой метод контроля может быть использован для качественного определения состава стали при разбраковке отходов: высечки, прутков, скрапа и т.д.
По количеству искр можно судить о приблизительном содержании связанного углерода в металле. При определенном навыке можно различать стали при содержанию углерода с точностью до 0,1 %. Наличие в составе сплава некоторых легирующих элементов вызывает изменение цвета пучка искр.
Характер пучка искр для различных сталей
| Наименование стали | Характеристика пучка искр |
| Нелегированная сталь менее 0,15 % C | Короткий темный пучок искр, принимающих форму полосок и становящихся более светлыми в зоне сгорания; мало звездообразных разветвлений |
| Нелегированная сталь, 0,15–1,0 % С | При повышении содержания углерода образуется более плотный и более светлый пучок искр с многочисленными звездочками и ответвлениями лучей |
| Нелегированная сталь, >1% С | Очень плотный пучок искр с многочисленными звездочками. При увеличении содержания углерода уменьшается яркость и укорачивается пучок искр |
| Нелегированная сталь с повышенным содержанием марганца | Широкий плотный ярко-желтый пучок искр, внешняя зона линий искр особенно яркая. Многочисленные разветвления лучей |
| Марганцовистая сталь (12 % Мn) | Преобладание зонтообразных искр |
| Конструкционная сталь (до 5 % Ni) | Яркие линии искр в виде язычков, расщепленные на ковке, увеличение яркости в зоне сгорания. При повышении содержания углерода на концах искр появляются звездочки |
| Никелевая сталь (высоколегированная) | При содержании 35 % Ni красно-желтое окрашивание пучка. При более высоком содержании никеля (около 47 %) яркость искр значительно ослабевает |
| Хромистая сталь | При низком содержании углерода и хрома линии искр более тонкие и более темные, чем в углеродистой стали |
| Хромистая сталь с низким содержанием углерода и высоким содержанием хрома | Короткий темно-красный пучок искр без звездочек, слаборазветвленный, искры прилипает к поверхности шлифовального круга |
| Хромоникелевая сталь (конструкционная) | Желто-красные искры с более яркими подосками в зоне сгорания. При повышенном содержании хрома и никеля пучок искр более темный |
| Хромоникелевая сталь высоколегированная (аустенитная) | Темный широкий пучок, концы искр копьеобразные |
| Вольфрамовая сталь | Красные короткие искры, линии искр отчетливо загибаются книзу. Разветвление звездочек углерода отсутствуют. Чем выше содержание вольфрама, тем слабее образование искр |
| Молибденовая сталь | Ярко-желтые искры в виде язычков. При низком содержании молибдена язычки видны перед звездочками углерода, при повышенном содержании – за звездочками углерода |
Метод проверки состава по излому нашел наибольшее распространение при плавочном контроле, главным образом, для оценки структуры металла по виду излома на специальных образцах, прилитых к отливкам образцах или разрывных образцах после механических испытаний. По излому определяется столбчатое строение (отливки из аустенитной стали Г13Л и др.), включения хрупкой составлявшей, пористость и т.д. Достаточно опытный контролер по виду излома может судить с достаточно удовлетворительной точностью и о химическом составе сплава. Например, чем меньше углерода в стали, тем более волокнистый вид излома. Указанием на количество содержащегося в стали углерода может служить также величина зерна.
На ряде заводов имеются шкалы изломов, в сравнении с которыми можно более точно составить представление о химическом составе сплава.
Гравиметрический метод основан на переводе анализируемой пробы в раствор и осаждении определяемого элемента в виде труднорастворимого соединения. Для количественного определения содержания элемента образовавшийся осадок отделяют фильтрованием, тщательно промывают, высушивают, прокаливают и взвешивают на аналитических весах с точностью до четвертого знака после запятой. По массе осадка рассчитывают содержание в нем определяемого элемента в процентах от взятой для анализа навески. Гравиметрический метод является наиболее точным и распространенным. Основной недостаток этого метода — большая длительность анализа (несколько часов).
Титриметрический метод основан на измерении объема раствора известной концентрации, расходуемого на реакцию с определенным элементом или его соединением. В анализируемый раствор с помощью измерительной бюретки понемногу вливают титрованный раствор с точно известной концентрацией. В момент наступления эквивалентности растворов индикаторное вещество (лакмус, фенолфталеин и т.п.) резко изменяет окраску. По затраченному объему титрованного раствора и его концентрации определяют содержание анализируемого элемента.
Высокая степень точности химического анализа используется при аттестации государственных стандартных образцов и стандартных образцов предприятий, по которым градуируют современные приборы для физико-механических методов, а также при проведении научно-исследовательских работ.
Проба переводится в раствор, после чего осуществляется собственно химический анализ, основанный на связи физико-химических свойств полученного раствора с его концентрацией.
В основе фотометрических методов лежит визуальное определение или определение с помощью светочувствительных фотоэлементов интенсивности окраски раствора, которая обусловлена концентрацией определяемого компонента в растворенной стружковой пробе. О количественном содержании элемента судят по оптической плотности, которая прямо пропорциональна концентрации вещества врастворе.
В основе потенциометрических методовлежит титриметрический метод, но в качестве индикатора служит погружаемый в анализируемый раствор электрод, потенциал на котором непрерывно измеряется в процессе титрования. В момент наступления эквивалентности растворов (момент окончания химической реакции) напряжение на индикаторном электроде резко изменяется, что регистрируется самопишущим прибором.
Кулонометрический методоснован на измерении количества электричества, израсходованного в ходе электрохимической реакции определяемого вещества с титруемым раствором и предназначен для определения содержания углерода и серы в чугунах и сталях. Например, при контроле содержания углерода количество электричества, затраченного на титрование, однозначно связано с количеством поглощенного раствором углекислого газа и соответственно с количеством углерода в анализируемой пробе металла. На индикаторной панели кулонометра высвечивается цифровое значение содержания углерода в металлической навеске.
Продолжительность анализа составляет 60-120 с в зависимости от содержания определяемого элемента.
Полярографический методоснован на зависимости предельной силы тока, определяемой по поляризационным кривым в процессе электролиза, от концентраций элемента в растворе. Поляризационные кривые в координатах «сила тока — напряжение в электрической ячейке» записываются в автоматическом режиме с помощью полярографов. Процессом поляризации называют изменение равновесного потенциала электрода при прохождении через него постоянного тока. Количественное определение элемента основано на оценке величины потенциала, соответствующего половине значений установившейся предельной силы тока.
Основан на выделении энергии атомами анализируемых элементов при воздействии на них различных источников возбуждения. Выделение энергии обусловлено переходом электронов атома из одного устойчивого состояния в другое. При этом энергия выделяется в виде квантов света:
где DЕ — энергия перехода электрона из одного устойчивого состояния в другое; h=6,623´10 –34 – постоянная Планка; с – скорость света; l – длина волны излучения.
Излучение с какой-либо длиной волны, соответствующее определенной энергии перехода, называется спектральной линией. Атомы каждого элемента излучают характерную только для него систему спектральных линий. Определение химического состава по спектральным линиям называется спектральным анализом. Он может быть качественным и количественным. В первом случае по появлению в спектре излучения определенных линий, характерных для каждого элемента, делают вывод о присутствии его в исследуемом сплаве. При количественном спектральном анализе измеряется интенсивность спектральных линий, которая зависит от концентрации.
Среди методов спектрального анализа наибольшее распространение получили оптический, эмиссионный, рентгеноспектральный, флюоресцентный и атомно-абсорбционный методы.
Источник
Каким способом можно определить химический состав металла
ГОСТ Р ИСО 14284-2009
НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Отбор и подготовка образцов для определения химического состава
Steel and iron. Sampling and preparation of samples for determination of chemical composition
Дата введения 2011-01-01
Цель и принципы стандартизации в Российской Федерации установлены Федеральным законом от 27 декабря 2002 г. N 184-ФЗ «О техническом регулировании», а правила применения национальных стандартов Российской Федерации — ГОСТ Р 1.0-2004 «Стандартизация в Российской Федерации. Основные положения»
Сведения о стандарте
1 ПОДГОТОВЛЕН И ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 145 «Методы контроля металлопродукции» на основе аутентичного перевода стандарта, указанного в пункте 3, который выполнен ФГУП «СТАНДАРТИНФОРМ»
2 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 11 декабря 2009 г. N 730-ст
3 Настоящий стандарт идентичен международному стандарту ИСО 14284:1996 «Сталь и чугун. Отбор и подготовка образцов для определения химического состава» (ISO 14284:1996 «Steel and iron — Sampling and preparation of samples for determination of chemical composition»).
При применении настоящего стандарта рекомендуется использовать вместо ссылочных международных стандартов соответствующие им национальные стандарты Российской Федерации, сведения о которых приведены в дополнительном приложении С
4 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ
Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодно издаваемом информационном указателе «Национальные стандарты», а текст изменений и поправок — в ежемесячно издаваемых информационных указателях «Национальные стандарты». В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ежемесячно издаваемом информационном указателе «Национальные стандарты». Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования — на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет
1 Область применения
Настоящий стандарт устанавливает методы отбора и подготовки образцов для определения химического состава чугуна в чушках, литейного чугуна и стали. Методы распространяются на отбор проб жидкого и твердого металлов.
2 Нормативные ссылки
В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие международные стандарты:
ИСО 377:1997 Сталь и стальные изделия. Расположение и подготовка образцов для конкретных механических испытаний
ИСО 9147:1987 Чугун. Определение и классификация
3 Термины и определения
В настоящем стандарте применены следующие термины с соответствующими определениями:
3.1 химический метод анализа (chemical method of analysis): Определение химического состава, при котором образец (проба) вступает в химическую реакцию.
3.2 физический метод анализа (physical method of analysis): Метод определения химического состава, при котором образец не вступает в химическую реакцию, например метод оптического эмиссионного спектрального анализа или рентгеновской флуоресцентной спектроскопии.
3.3 термический метод анализа (thermal method of analysis): Метод определения химического состава, при котором образец подвергается нагреву, сжиганию или плавлению.
3.4 расплав (melt): Жидкий металл, от которого отбирают пробу.
3.5 отбор образца (пробы) ложкой (spoon sampling): Отбор образца из расплава или во время разливки плавки длинной ложкой или черпаком с последующей заливкой расплава в небольшую форму.
3.6 образец, отобранный ложкой (spoon sample): Проба, отобранная из расплава ложкой и залитая в небольшую форму.
3.7 отбор образца пробоотборником (зондом) (probe sampling): Отбор образца из расплава серийно выпускаемым зондовым пробоотборником.
3.8 иммерсионный отбор проб (immersion sampling): Метод отбора проб, при котором пробоотборник погружают в расплав и камера для образца наполняется под действием ферростатического давления или силы тяжести.
3.9 отбор образца всасыванием (suction sampling): Метод отбора образца, при котором пробоотборник погружают в расплав, чтобы наполнить камеру путем всасывания расплава.
3.10 отбор образца в потоке (stream sampling): Метод отбора образца, при котором пробоотборник подставляют под поток жидкого металла, чтобы наполнить камеру под напором этого потока.
3.11 образец (проба), отобранная пробоотборником (probe sample): Образец, отобранный из расплава серийно выпускаемым зондом.
3.12 литье (cast product): Чугунная или стальная заготовка, не подвергшаяся деформации, например слиток или полуфабрикат, полученный путем непрерывного или фасонного литья.
3.13 поковка (wrought product): Стальная заготовка, подвергшаяся деформации путем прокатки, волочения, ковки или каким-либо другим способом, например сортовой прокат, заготовка, лист, полоса, труба небольшого диаметра, проволока.
3.14 исходный образец (sample product): Специальное чугунное или стальное изделие, отобранное от партии продукции в качестве исходной пробы (образца).
3.15 промежуточный образец (preliminary sample): Достаточное количество металла, отобранное от исходного образца в целях получения одного или нескольких образцов (проб) для анализа.
3.16 образец для анализа (sample for analysis): Часть исходного образца или часть промежуточного образца, отобранного от исходного образца, или часть пробы, взятой из расплава, которая подготовлена для проведения анализа. Образец для анализа может состоять из самого исходного образца или из пробы, отобранной из расплава.
Примечание 1 — Различают следующие категории образца для анализа:
— образец в виде твердой массы (монолита);
— образец, подвергавшийся переплаву;
— образец в виде стружки, полученной при механической обработке на станке;
— образец в виде гранул (кусочков), полученных путем дробления;
— образец в виде порошка, полученного путем измельчения.
3.17 рабочая проба (test portion): Часть образца для анализа или пробы, взятой из расплава, которую непосредственно анализируют. В некоторых случаях рабочую пробу отбирают от исходного образца.
Примечание 2 — Различают следующие специальные типы рабочих проб в виде монолита, полученные из пробы, отобранной пробоотборником:
— рабочая проба в виде небольшого диска, обычно представляющего собой кусок металла неправильной формы, полученная путем высечки из листа;
— рабочая проба в виде небольшого утолщения, называемого «прилив»;
— рабочая проба в виде прутка малого диаметра, называемого «шпилька», полученная при резке.
Примечание 3 — Когда образец для анализа представлен в виде стружки или порошка или в случае, если образец в виде монолитной массы анализируют термическим методом, рабочую пробу (навеску) получают взвешиванием. Если применяют физический метод анализа, то анализируемая часть фактически составляет лишь небольшую часть образца для анализа. При оптическом эмиссионном спектральном анализе масса металла, расходуемая в электрическом разряде, составляет от 0,5 до 1 мг. В случае применения рентгеновской флуоресцентной спектроскопии характеристическое излучение генерируется очень тонким поверхностным слоем образца.
3.18 шлифование (grinding): Подготовка образца металла для анализа физическим методом, при котором поверхность анализируемого образца шлифуют абразивным кругом.
3.19 заточка (finishing): Подготовка образца металла для анализа физическим методом, при котором поверхность анализируемого образца шлифуют при ее обработке гибким вращающимся диском или непрерывной лентой с абразивным покрытием.
3.20 фрезерование (milling): Получение образца в виде стружки или подготовка поверхности образца для анализа физическим методом, обработкой поверхности вращающейся фрезой с несколькими режущими лезвиями.
3.21 партия (consignment): Металл, поставляемый единовременно.
3.22 точечная проба (increment): Металл, взятый при разовой выборке из партии груза.
4 Отбор и подготовка образцов
4.1 Общие положения
В настоящем разделе рассматриваются общие требования к образцам, отбору и подготовке образцов чугуна и стали. Специальные требования применяют к каждой категории жидкого и твердого металла. Эти требования рассматриваются в соответствующих подразделах. Последовательность отбора и подготовки образцов жидкого чугуна и стали, литейной чугунной и стальной продукции показана на рисунке 1. Особое внимание обращено на отбор и подготовку образцов чугуна в чушках (раздел 8).
а — Жидкий чугун и сталь
b — Литейная чугунная и стальная продукция
Рисунок 1 — Последовательность отбора и подготовки образца
4.2 Образец (проба)
Технология отбора должна обеспечивать получение образца для анализа, представительного по среднему химическому составу расплава или исходного образца. Образец для анализа должен быть в достаточной степени однородным по химическому составу, чтобы незначительная неоднородность не влияла на расхождение результатов определенного метода анализа. Однако для проб, отобранных из расплава, некоторый разброс результатов анализа в пределах одной пробы и между разными пробами будет неизбежным. В этом случае расхождение результатов будет составлять неотъемлемую часть значений повторяемости и воспроизводимости результатов анализа.
Образец для анализа не должен иметь поверхностных покрытий, влаги, грязи или других видов загрязнений. По возможности, образец для анализа не должен иметь раковин, трещин и пор, а также задиров, закатов или других поверхностных дефектов. При отборе и подготовке образца для анализа особое внимание требуется в тех случаях, когда ожидается, что проба, взятая из расплава, является неоднородной или каким-либо образом загрязненной. Проба, взятая из расплава, должна остывать таким образом, чтобы химический состав и структура металла образца не менялись от пробы к пробе. Важно понимать, что на результаты анализа некоторыми физическими методами может влиять структура металла. Это, в частности, касается чугуна с белой или серой структурой, а также сталей в состоянии непосредственно после отливки или деформации.
Размеры промежуточного образца в виде твердого монолита должны быть достаточными, чтобы обеспечивать отбор дополнительных образцов для повторного анализа с использованием альтернативного метода.
Должен быть подготовлен образец достаточной массы, позволяющей проводить любой необходимый повторный анализ. Обычно масса, равная 100 г, является достаточной для образца в виде стружки или порошка.
Требования к размерам образца для анализа в виде монолита зависит от выбранного метода. В случае оптического эмиссионного спектрального метода анализа и метода рентгеновской флуоресцентной спектроскопии форму и размер образца будут определять размеры камеры (столика/кассеты) для размещения образца. Размеры образцов для анализа, приводимые в настоящем стандарте, следует рассматривать только как иллюстративные.
Образцу для анализа должна быть присвоена единственная в своем роде идентификационная маркировка, определяющая номер плавки металла исходного образца, от которого отобрана проба для анализа. В случае необходимости следует также знать технологический режим плавки металла или местоположение на исходном образце — откуда был отобран промежуточный образец или образец для анализа. Образцу для анализа чугуна в чушках должна быть присвоена единственная в своем роде идентификационная маркировка для того, чтобы устанавливать партию или часть груза, а также единичный образец металла, от которых взят образец для анализа. К исходному и промежуточному образцам должны быть прикреплены бирки (этикетки) или использован другой эквивалентный метод маркировки, чтобы гарантировать идентификационную связь с образцом для анализа. Идентификация, статус и состояние образца должны быть зарегистрированы во избежание путаницы в идентификации изделия, к которому относятся записи и результаты анализа.
Необходимо иметь специальное помещение для отбора и хранения образцов для анализа. Во время и после подготовки образца для анализа должно быть обеспечено такое хранение, которое предотвращает его загрязнение или изменение химического состава. Допускается хранение промежуточного образца в виде монолита, из которого может быть, при необходимости, подготовлен образец для анализа. Образец для анализа или промежуточный образец в виде твердой массы (монолита) должен храниться в течение достаточного периода времени, чтобы защитить реноме аналитической лаборатории.
В случае, если образец предназначен для разрешения спорных вопросов, образец для анализа должен быть отобран и подготовлен в присутствии поставщика и заказчика или их представителей. Методы подготовки образца для анализа должны быть документально оформлены (оформлен протокол). Контейнеры с образцами для анализа, предназначенными для арбитража, должны быть опечатаны обеими сторонами или их представителями. В противном случае по договоренности эти контейнеры должны хранить представители каждой стороны, ответственные за подготовку образцов.
4.3 Отбор образца
4.3.1 Проба из расплава
Пробы расплавленного металла отбирают на разных стадиях производства с целью текущего контроля производства и управления технологическим процессом. Пробы могут быть отобраны во время разливки расплава с целью проверки химического состава в соответствии с техническими условиями процесса литья. Если жидкий металл предназначается для производства отливок, то образец для анализа может быть отобран от прутков или блоков, специально отлитых из такого же металла для проведения механических испытаний в соответствии со стандартом на продукцию. Должны быть разработаны технологии отбора проб из расплавов во время определенного производственного процесса с учетом требований качества, которым должны соответствовать образцы (4.2.1). Образец, полученный из расплава, обычно представляет собой небольшой слиток, цилиндрический или прямоугольный блок, охлажденный литой диск или комбинацию диска с одним или несколькими штырьками (литниками). В некоторых случаях образец в виде диска имеет небольшие утолщения.
Примечание 4 — Устройства (зонды) для отбора проб чугуна и стали в жидком состоянии могут быть приобретены у ряда поставщиков. В приложениях А и В приведены характеристики различных типов пробоотборников (зондов), включая справочные данные о размерах.
Источник
