Метод
Содержания кислорода и азота определяют методом восстановительного плавления в графитовом тигле в токе несущего газа (гелий) в печи сопротивления.
Назначение и область применения
Анализатор фирмы «LECO» ТС-600 предназначен для определения общего кислорода и азота в компактных и порошковых неорганических и органических материалах, в том числе:
- сплавов на основе железа, никеля, кобальта;
- ферросплавов;
- сплавов на основе меди;
- тугоплавких материалов (титан, хром, молибден, вольфрам и их сплавы);
- редкоземельных металлов;
- керамических материалов (в том числе в оксидах, карбидах, нитридах).
Анализатор ТС-600 имеет встроенное программное обеспечение OxSeP для фракционного анализа кислорода.
Pис. 1: Анализатор TC-600 LECO
Принцип метода
Металлический образец помещается в графитовый тигель в печь анализатора, где нагревается согласно заданному режиму в потоке газа-носителя (гелия). В контакте с графитовым тиглем образец плавится с образованием насыщенного графитом расплава. Углерод в жидкой ванне взаимодействует с кислородом образца с образованием монооксида углерода. Азот экстрагируется из образца в виде N2. Газообразные продукты реакции вымываются из печи потоком гелия. Кислород определяется в виде CO или CO2 методом молекулярной абсорбционной спектроскопии в инфракрасной области, азот-детектором по теплопроводности.
Кроме того, разработаны две уникальные методики:
1) фракционный газовый анализ (ФГА), позволяющий разделить общий кислород на группы, где кислород связан в различные типы оксидных неметаллических включений. Идентификация составов оксидов каждого типа осуществляется по спектру пиков газовыделения, используя данные о химическом составе стали и температурные зависимости термодинамической прочности оксидов при помощи оригинального программного обеспечения OxSeP.
2) метод анализа свободного азота в сталях позволяющий определять содержание растворенного в твердом растворе, не связанного с нитриды азота в низко- и высокоуглеродистых сталях.
Предел обнаружения кислорода и азота — 0,5 ppm.
Требования к образцам
кислород: компактные образцы, порошок
азот: компактные образцы, порошок; стружка
вес: 20 мг — 2 гр на одно определение
Фракционный газовый анализ
Фракционный газовый анализ (ФГА) представляет собой модификацию метода восстановительного плавления в графитовом тигле в токе несущего газа при заданной линейной скорости нагрева образца. Метод анализа основан на различии температурных зависимостей термодинамической прочности оксидов, в которых находится основная часть связанного в металле кислорода. Таким образом, задавая режимы монотонного нагрева образца в графитовом тигле анализатора от 1350К до 2200К со скоростью 2—4 К/сек, получают эвалограмму газовыделения кислорода. Эвалограмма представляет спектр пиков, каждый из которых соответствует тому или иному типу оксидных включений. Пики имеют свои характеристические температуры начала и максимума восстановления, по которым возможна идентификация соединений.
Для интерпретации результатов применяется математическая обработка кривой газовыделения из графитовых тиглей при помощи оригинального программного обеспечение OxSeP и OxId. Данная процедура учитывает температурно-зависимую функцию газовыделения, а также задержку и размывание аналитического сигнала в газовой системе анализатора.
На Рис. 2 показаны основные меню управляющей программы анализатора ТС-600 и программы OxId. Из рисунка виден пример обработки кривой экстракции кислорода из образца стали ШХ-15 и разложения ее на спектр пиков. Идентификация пиков проводится при помощи программы OxId, в которой по химическому составу образца рассчитываются теоретические температуры начала и максимума восстановления оксидов. Таким образом, по результатам фракционного анализа получают общее содержание кислорода, поверхностный кислород и концентрацию кислорода в различных типах оксидных включений в стали.
Pис. 2: Основные меню управляющей программы анализатора ТС-600 и программы OxId
На Рис. 3 показаны четыре оксидных спектра фракционного анализа параллельных образцов стали ШХ-15. Из рисунка видно, что спектры идентичны друг другу, что говорит о высокой сходимости результатов анализа.
Pис. 3: Оксидные спектры фракционного анализа параллельных образцов стали ШХ-15
Фракционный газовый анализ, разработанный в ИМЕТ РАН, уже более 20 лет успешно применяется для количественного определения неметаллических включений в сталях различного назначения. Методика фракционного анализа оксидных включений используется на металлургических заводах для контроля качества производимой продукции.
Важнейшими направлениями усовершенствования метода фракционного газового анализа являются развитие физико-химических основ и совершенствование расчетных алгоритмов метода, а также создание систематических баз данных по фракционному анализу различных классов материалов.
