Анализ сложных сплавов

Само название статьи подразумевает, что в атомно-эмиссионном анализе существуют какие то «сложные» сплавы. В предыдущей статье описаны разнообразные методы анализа металлов и сплавов. Приборы оптико-эмиссионного анализа с низковольтной искрой в среде аргона прекрасно работают в диапазоне определяемых концентраций от 10^-3%% до 15-20 %. Здесь указанным приборам нет равных по параметрам сходимости, воспроизводимости, скорости и экономичности анализа

А что же делать, если требуется определять концентрации ниже 10^-3% или выше 20 %?
В этом случае необходимо использовать другие методы анализа.

Для концентраций менее 10^-3% очень хорошо подойдут приборы оптико-эмиссионного анализа с индукционно связанной плазмой (ИСП). В этом случае проба переводится в жидкое состояние (растворяется) и анализируется жидкость. Нижний предел обнаружения при этом достигает 10^-3% - 10^-7%, однако все это требует дополнительного времени (об экспресности не может быть и речи), высокой квалификации лаборантов, дорогостоящих реактивов (экономичность).

Для высоких концентраций следует использовать мощные стационарные рентгено-флуорисцентные приборы.

Все вышеперечисленное справедливо, технически и метрологически обосновано, однако очень затратно. Одновременно иметь в составе лаборатории оптико-эмиссионные приборы с индуктивно-связанной плазмой, рентгено-флуорисцентные приборы и оптико-эмиссионные приборы с низковольтной искрой в среде аргона по силам лишь крупным предприятиям и корпорациям.

Так что же делать остальным компаниям, чей бюджет не позволяет иметь все три типа приборов одновременно. Напрашивается следующий выход. Иметь в составе лаборатории искровой прибор (средний диапазон определяемых концентраций) и попытаться измерить концентрации меньше 10^-3% и больше 20%. Вот эти сплавы, относительно искрового прибора мы и называем «сложными».

Анализ сплавов

Давайте посмотрим, как приборы, разработанные нашей компанией, анализируют эту группу сложных сплавов и дадим их классификацию.

К сложным сплавам с точки зрения оптико-эмиссионных приборов с низковольтной искрой в среде аргона относятся:

1. Чистые и особо чистые металлы.

К данным материалам относятся сплавы с минимальной концентрацией определяемых элементов менее 0,001%. К ним относятся нижеприведенные материалы и др.

• Медь марок М0к-М3 ГОСТ 895-2014.
• Цинк марок ЦВ0-Ц3 ГОСТ 3640-94.
• Алюминий первичный марок А995-А0 ГОСТ 11069-2001.
• Свинец С0-С3С ГОСТ 3778-98.
• Олово О1пч-О4 ГОСТ 860-75.

2. Жаропрочные нержавеющие стали и многоосновные сплавы

• Стали, с содержанием легирующих элементов в концентрациях более 20%.

Анализ чистых материалов сложен тем, что концентрация основного (матричного) элемента составляет около 99 % и более, а примесных элементов ниже 0,001%. Поэтому для «вытаскивания» малых и сверхмалых концентраций требуется большие времена накопления света. Однако при этом матричные элементы «заливали» своим светом линии определяемых примесей и делают анализ невозможным.

Для анализа чистых материалов мы модернизировали искровой генератор и ввели режим так называемой прерывистой дуги. Это позволило уменьшить интенсивность матричных линий при сохранении того же времени накопления света и как следствие значительно понизить нижний предел обнаружения. Использование приборов с более высоким спектральным разрешением (ИСКРОЛАЙН 300) еще понизило нижний предел обнаружения.

Фактический предел обнаружения для приборов ИСКРОЛАЙН 100 и ИСКРОЛАЙН 300 для чистой меди приведен в табл.1 для чистого свинца приведен в табл. 2.

При анализе высоких концентраций возникает проблема самопоглощения и самообращения спектральных линий. В результате самопоглощения излучения, дальнейший рост концентрации элемента в пробе не приводит к заметному (пропорциональному) росту интенсивности спектральной линии. Спектральная линия как бы насыщается. При самообращении у спектральной линии проваливается середина. Физика указанных процессов не является предметом анализа в данной статье, однако все вышесказанное приводит к существенной систематической погрешности, или вообще, к невозможности измерения концентрации элемента.

Анализ сплавов приборами Искролайн

Программное обеспечение спектрометров ИСКРОЛАЙН позволяет работать одновременно с несколькими линиями одного и того же элемента. Мы можем установить для любого элемента сильную линию для работы в низких концентрациях, линию средней силы, для анализа средних концентраций и слабую линию для работы на высоких концентрациях. Программное обеспечение PPM Pro автоматически определит в каком из заданных диапазонов искомого элемента производится анализ и выдаст единственно правильный результат.

Вторая проблема при анализе высоких концентраций заключается в наличии большого количества сильных (ярких) спектральных линий в анализируемом спектре. Несколько примеров.

В базе данных спектральных линий наших приборов находятся:

• Для Fe – 51000 линий;
• Для Cr – 38000 линий;
• Для Mn – 26000 линий;
• Для Ni – 26000 линий;
• Для V – 25000 линий;
• Для Co – 17000 линий;
• Для Mo – 4500 линий;
• Для W – 2000 линий;
• Для Nb – 1500 линий;
• и т.д

При работе с простыми материалами, где концентрации не велики, большинство линий не возбуждаются. Спектры не богатые, а анализ производится просто и корректно. При анализе сплавов с большими концентрациями подавляющее большинство этих линий возбуждаются и становятся активными. Спектры этих образцов становятся чрезвычайно насыщенными. В этом случае при анализе отчетливо наблюдаются влияния элементов друг на друга по аддитивному признаку.

Это происходит, если спектрометр имеет невысокое спектральное разрешение. Однако, спектрометры ИСКРОЛАЙН 100, а особенно ИСКРОЛАЙН 300 из-за хорошего спектрального разрешения прекрасно справляются с обозначенной проблемой.

И последняя проблема анализа сплавов с высокими концентрациями заключается в следующим. Очень сильно меняются концентрации измеряемых элементов. Например, при анализе быстрорежущих сталей концентрация кобальта должна меняться от 0,05% до 10%, концентрация вольфрама от 4% до 20%, молибдена от 0,1% до 6%, ванадия от 0,1% до 7%. Все перечисленные элементы обладают различными физическими свойствами. Это температура плавления, испарения, параметры ионизации и др. А значит образцы с концентрациями вольфрама 4% и 20%, будут иметь различную температуру плазмы. И это не говоря уже об остальных Co, Mo, V. В этом случае при анализе мы будем иметь влияние третьих элементов по мультипликативному признаку. Тут ни какое спектральное разрешение не поможет. Для того, чтобы справиться с этой проблемой в ПО спектрометров ИСКРОЛАЙН предусмотрен блок учета влияний третьих элементов.

В процессе проведения анализа, при включении этого блока, ПО автоматически находит элементы, оказывающие негативные влияния и учитывает их при выдачи результата. Тут необходимо добавить, что по нашему мнению, такие сложные методики анализа целесообразно разбивать на более простые. Это положительно сказывается на правильность показания прибора, улучшает его метрологические свойства и облегчает работу лаборанта.

Некоторые примеры выполнения подобных анализов приведены в табл. 3, 4