Номенклатура сплавов на основе железа и других металлов очень велика, что связано с многообразием условий эксплуатации деталей, технологических сред и технологий, используемых при их производстве. Современная промышленность требует разработки новых сплавов с особыми свойствами, которые удовлетворяют возрастающим и изменяющимся потребностям.
Это в свою очередь заставляет работать над созданием совершенных приборов, которые позволяют анализировать сложные сплавы быстро и точно. Атомная эмиссионная спектрометрия дает возможность решать любые аналитические задачи, и служит мощным инструментом в системе контроля качества.
Стали
Конструкционные стали получили наибольшее распространение в промышленности, и обладают комплексом механических свойств, среди которых значение какого-либо не слишком высоко. Основная задача таких железоуглеродистых сплавов - обеспечение достаточной прочности и надежности, а также сопротивляемость усталости и воздействию знакопеременных нагрузок. Такие характеристики достигаются путем легирования и термической обработки. Методики спектрального анализа углеродистых сталей отработаны и не представляют сложности.
Специальные стали обладают особым набором свойств, один из которых наиболее выражен, и определяет ее назначение. Особые свойства обуславливаются наличием одного или нескольких особых факторов: химический состав, способ производства, обработка. Высоколегированные стали также относятся к этой категории. Как правило, специальные стали имеют сложный химический состав, анализ которого требует использования современных методов и более совершенных приборов.
Нержавеющие стали
К этому виду сталей относятся свыше 120 марок, число которых постоянно растет. В сплаве содержится хром, который образует оксидный слой, служащий защитой от коррозии.
Коррозионно-стойкие стали бывают:
- хромистые;
- хромо-никелевые;
- хромо-никель-молибденовые;
- хромо-никель-молибден-медистые;
- хром-никель-марганцевые.
Структура нержавеющих сталей различается в зависимости от соотношения в них углерода и хрома.
Инструментальные быстрорежущие стали
К быстрорежущим относят стали, из которых изготавливаются инструменты высокой производительности. Они обладают повышенной стойкостью к красноломкости, и отличаются высокой износостойкостью. Основные легирующие элементы: W, Mo, V, Cr, Co. В этих сплавах присутствуют сложные карбиды, массовая доля которых составляет около 30%, причем при повышении температуры содержание легирующих элементов снижается, так как они переходят в твердый раствор.
Износостойкие стали
Конструкционные износостойкие стали обладают высоким сопротивлением износу. К ним относят стали:
- Шарикоподшипниковые. Они имеют повышенное содержание углерода (0,95-1,15%) и хром. Находят применения для изготовления элементов подшипников качения.
- Высокомарганцовистые. В них высокое содержание не только марганца, но и углерода.
Существует ряд других марок сталей, относящихся к износостойким. Все они способны работать в условиях воздействия больших нагрузок, давлений и обладают сопротивлением к истиранию.
Мартенситно-стареющие стали
Эти стали обладают высокими прочностными и технологическими характеристиками, и в своем составе практически не содержат углерод. В их основу входят, кроме железа и никеля, кобальт, молибден, титан алюминий, ниобий и хром. Содержания Ni находится в диапазоне 7-20%.
Из мартенситно-стареющих сталей изготавливают ответственные детали с высокой прочностью, и обладающие вязкостью при низких температурах.
Подшипниковые стали
Характер нагрузок при работе подшипниковых сталей связан с высокими локальными нагрузками, поэтому к ним предъявляются повышенные требования по чистоте сплава. Они должны обеспечивать высокую статическую грузоподъемность и сопротивление контактной усталости. Требуемая износостойкость достигается введением углерода и хрома.
Прецизионные стали
Эта группа сталей характеризуется высоким уровнем определенных свойств, и подразделяется на следующие виды:
- магнитомягкие и магнитотвердые;
- с заданным коэффициентом теплового расширения;
- с особыми упругими свойствами;
- жаропрочные;
- сверхпроводящие;
- обладающие комплексом физических свойств.
Множество прецизионных сплавов получают на основе металлов, входящих в подгруппы: железа, кобальта, никеля. В настоящее время созданы сплавы, основу которых составляет: марганец, хром, титан, ниобий, ванадий, переходные и редкоземельные металлы.
Цветные металлы и сплавы
К черным металлам принято относить железо и сплавы на его основе, а к цветным - все остальные металлы. Последние находят ограниченное применение по сравнению с черными металлами, тем не менее роль их в промышленности велика, и новые сплавы создаются постоянно в соответствии с развитием технологий. Спектральный эмиссионный анализ играет большую роль в этих процессах, и позволяет решать задачи любой сложности.
Медь и сплавы
Медь (Cu) - цветной металл, который получил наибольшее распространение в промышленности. Чистая медь используется в электротехнике, а сплавы на ее основе - в различных отраслях техники.
Основные примеси технически чистой меди: висмут, сурьма, мышьяк, железо, никель, сера. Их источником служат руды. Эти примеси не удаляются даже после очистки меди. Медь обладает высокими показателями пластичности, что облегчает ее деформацию давлением, а присутствие Bi и Sn резко их снижают.
Латуни - сплавы меди с цинком.
Они бывают:
- Однофазные с содержанием цинка менее 39%. Они хорошо поддаются пластической деформации в холодном и горячем состоянии.
- Двухфазные, в которых содержание цинка находится в диапазоне 39-50%. Прочность и износостойкость двухфазных латуней выше, чем у однофазных сплавов.
Латуни плохо обрабатываются резанием. Добавление в сплав свинца позволяет улучшить показатели обрабатываемости.
Специальные латуни обладают улучшенными механическими и химическими свойствами. Это достигается путем введения Sn, Si, Mn, Al и Fe.
Бронзы - это сплав на основе меди с другим элементом, за исключением цинка. Наибольшее распространение получили следующие бронзы:
- Оловянные;
- Безоловянные: алюминиевые, кремнистые, марганцовистые, бериллиевые, свинцовистые.
Алюминий и сплавы
Алюминий (Al) - легкий металл с высокой электропроводностью, который широко используется в электротехнике и машиностроении. Металл имеет низкую температуру плавления и высокую пластичность.
Железо и кремний - неизбежные примеси в алюминии, которые снижают его технологические характеристики. При одновременном присутствии в металле Fe и Si пластичность ухудшается.
Сплавы на основе алюминия с легирующими элементами очень разнообразны. Присутствие в сплаве меди, кремния, магния, цинка приводит к резкому изменению свойств. Марганец, никель, хром способны улучшить свойства, и добавляются при наличии в составе одного или нескольких указанных выше легирующих элементов. Натрий, бериллий, титан, церий, ниобий используются в малых количествах, и играют роль модификаторов, которые улучшают свойства.
Все алюминиевые сплавы подразделяются на две группы:
- Деформируемые. Предназначены для производства изделий обработкой металла давлением.
- Литейные. Используются для получения отливок.
Магний и сплавы
Магний - металл светло-серого цвета с малой плотностью и низкой температурой плавления. Он способен воспламеняться на воздухе. Область применения: пиротехника и химическая промышленность.
Сплавы на основе магния представляют соединение металла с алюминием, цинком, марганцем. Они бывают деформируемые и литейные. Магниевые сплавы обладают высокой прочностью и пластичностью, поэтому используются в машиностроении для изготовления ответственных деталей.
Титан и сплавы
Титан - полиморфный металл, который обладает малой плотностью и высокой прочностью. Уникальные свойства этого металла делают его ценным конструкционным материалом, и позволяют использовать его при строительстве летательных аппаратов, судов, ракет и в химической промышленности.
Для улучшения свойств технический титан легируют с использованием следующих металлов: алюминий, хром, железо, марганец, олово, ванадий. Присутствие того или иного элемента изменяет точку аллотропического превращения титана и структуру твердого раствора. Алюминий представляет особую ценность в титановых сплавах, и содержится в любом их них, так как улучшает свойства.
Методы анализа сложных сплавов
Из сказанного выше становится очевидно, насколько велика номенклатура сплавов, представляющих практический и научный интерес, и как разнообразны аналитические задачи. Современные подходы к построению системы контроля качества требуют использования измерительных средств, которые обеспечивают возможность оперативного получения точных результатов анализа элементного состава металла или сплава. При этом обязательно учитывается экономический эффект и окупаемость приборов.
Рентгено-флюоресцентный анализ
Возможности рентгено-флуоресцентного анализа при исследовании сложных сплавов впечатляют. Метод отличается экспрессностью, и позволяет с высокой степенью точности определить элементы от бериллия до урана, начиная с тысячных долей процента до 100%.
К преимуществам РФА относят:
- Возможность проведения исследования твердых проб без изменения их агрегатного состояния, а жидких - без необходимости отделения органики.
- Приборы не нуждаются в калибровке.
- Неразрушающий характер возбуждения спектра.
- Высокая скорость получения результатов анализа.
Несмотря на большие возможности рентгено-флуоресцентных спектрометров при решении аналитических задач любой сложности, существует ряд факторов, которые сдерживают массовое использование этого оборудования:
- Высокая стоимость.
- Необходимость придания пробе определенной формы и приведение к размерам, позволяющим поместить в измерительную кассету.
- Дорогостоящая периферия прибора и его обслуживание.
Спектрометры с индуктивно-связанной плазмой
Приборы этого типа способны проводить спектральный анализ проб, находящихся в жидком состоянии. Эта особенность спектрометров с индуктивно-связанной плазмой определяет их достоинства и недостатки.
Преимущества ИСП-спектрометров:
- Возможность одновременного определения десятков элементов.
- Линейная зависимость градуировочных характеристик по всему спектру.
- Доступная стоимость градуировочных растворов.
К недостаткам относят:
- Необходима помощь химико-аналитической лаборатории.
- Большая продолжительность исследования, которая связана с необходимостью перевода пробы в раствор.
- Прибор не способен определять углерод.
- При повышении концентрации снижается точность результатов исследования.
- Недостаточная нормативная база.
- Высокая стоимость оборудования.
Оптико-эмиссионная спектрометрия
Для анализа сложных сплавов широко используются оптико-эмиссионные спектрометры с низковольтной искрой в среде аргона. Они лишены недостатков приборов с высоковольтной искрой и дуговых спектрометров, и позволяют определять неограниченное число элементов при их концентрации от тысячных долей процента. Измерения отличаются стабильностью и имеют низкую погрешность. На подавляющее большинство металлов и сплавов разработана нормативная документация.
Основные достоинства ОЭС:
- Возможность определения неограниченного числа элементов.
- Низкий предел обнаружения и погрешность.
- Экспрессность.
- Невысокая стоимость оборудования по сравнению с РФА и ИСП-приборами.
- Простота эксплуатации и обслуживания.
Оптико-эмиссионные спектрометры не лишены недостатков:
- Повышенные требования к качеству аргона.
- Проведение пробоподготовки должно выполняться в соответствии с требований ГОСТ.
- При повышении концентрации происходит снижение надежности измерений.
- Возможен анализ только монолитных токопроводящих проб.
Выводы
Выбор спектрального прибора для анализа сложных сплавов обусловлен особенностями производства и частотой проведения исследований:
- При необходимости проведения анализа только цветных металлов и сплавов с невысокими требованиями к легитимности, можно обратить внимание на эмиссионный искровой спектрометр.
- Если к указанным выше требованиям присоединяется необходимость определять большое число элементов и повышенные требования к погрешности, то оптимальный вариант - спектрометр с низковольтной искрой в среде аргона.
- На производствах, занимающихся выпуском жаропрочных и жаростойких сталей может быть рассмотрен вариант применения спектрометров РФА. При этом его вероятно придется дополнить прибором для исследования легких элементов.
