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.
Химический анализ
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.
Физико-химический анализ
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.
Физический анализ
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:
DЕ = hc/l.
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.