zldmЗаводская лаборатория. Диагностика материаловIndustrial laboratory. Diagnostics of materials1028-68612588-0187ООО «Издательство «ТЕСТ-ЗЛ»10.26896/1028-6861-2024-90-1-5-16zldm-2093Research ArticleАНАЛИЗ ВЕЩЕСТВАSUBSTANCES ANALYSISСовершенствование метода искрового атомно-эмиссионного спектрального определения оксисульфидов в конструкционной сталиImprovement of the method of spark atomic emission spectrometry for the determination of oxysulfides in construction steelПробенковаЭ. А.ProbenkovaE. A.

Эвелина Алексеевна Пробенкова

398600, г. Липецк, ул. Московская, стр. 30

Evelina A. Probenkova

30, Moskovskaya ul., Lipetsk, 398600

ЯкубенкоЕ. В.YakubenkoE. V.

Елена Всеволодовна Якубенко

398040, г. Липецк, пл. Металлургов, д. 2

Elena V. Yakubenko

2, pl. Metallurgov, Lipetsk, 398040

ЕрмолаеваТ. Н.ErmolaevaT. N.

Татьяна Николаевна Ермолаева

398600, г. Липецк, ул. Московская, стр. 30

Tatyana N. Ermolaeva

30, Moskovskaya ul., Lipetsk, 398600

ОреховаЮ. Н.OrekhovaYu. N.

Юлия Николаевна

398040, г. Липецк, пл. Металлургов, д. 2

Yulia. N. Orekhova

2, pl. Metallurgov, Lipetsk, 398040

Липецкий государственный технический университетРоссияLipetsk State Technical UniversityRussian FederationПАО «Новолипецкий металлургический комбинат»РоссияNovolipetsk Metallurgical Plant (PJSC NLMK)Russian Federation202422012024901516Copyright © Пробенкова Э.А., Якубенко Е.В., Ермолаева Т.Н., Орехова Ю.Н., 20242024Пробенкова Э.А., Якубенко Е.В., Ермолаева Т.Н., Орехова Ю.Н.Probenkova E.A., Yakubenko E.V., Ermolaeva T.N., Orekhova Y.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.zldm.ru/jour/article/view/2093

Изучены условия определения оксисульфидов в конструкционной стали методом искровой атомно-эмиссионной спектрометрии (ИАЭС) с применением спектрометра ARL iSpark 8860, оснащенного программной функцией обработки искровых диаграмм Spark-DAT. Для улучшения характеристик градуировочных графиков для определения Al, Ca, Mn и серы, образующих неметаллические включения (НМВ), дополнительно использованы стандартные образцы состава конструкционных сталей. Показано увеличение чувствительности определения Al и Ca и коэффициентов корреляции градуировочных графиков для определения Mn и серы. В связи с отсутствием стандартных образцов оксисульфидов содержание Al2O3MnS, Al2O3MnSMgO, Al2O3MnSCaS Al2O3CaOCaS, Al2O3CaOMgOCaS в стали предварительно определяли в соответствии с ASTM E1245 (способ 3) методом сканирующей электронной микроскопии с использованием приставки для электронно-зондового анализа (СЭМ с ЭДС). Показано, что определение оксисульфидов в конструкционной стали методом ИАЭС целесообразно проводить по скорректированным алгоритмам программной обработки интегрального спектра в сочетании с псевдоформулой. Подходящий алгоритм и псевдоформулу для определения каждого компонента выбирали на основании тестовой статистики Стьюдента путем сравнения содержаний НМВ, полученных методами СЭМ с ЭДС и ИАЭС. Выбраны значения искрового интервала и времени задержки интегрирования аналитического сигнала для Al, Ca, Mg, Mn и серы: подтверждена правильность результатов определения оксисульфидов методом ИАЭС в интервале от 500 до 1900 искр (tэксп = 0,01) и задержке интегрирования сигнала элементов 110 мкс (tэксп = 0,23). Методика определения суммарного содержания оксисульфидов методом ИАЭС апробирована при анализе производственных образцов конструкционной стали. Подтверждены отсутствие систематической погрешности и правильность результатов определения (tэксп < 4,30). Установлено, что разработанный способ определения НМВ позволяет снизить продолжительность анализа с 18 ч (СЭМ с ЭДС) до 10 мин.

Conditions for determining oxysulfides in construction steel by spark atomic emission spectrometry (SAES) using an ARL iSpark 8860 spectrometer which is equipped with a Spark-DAT software function for processing spark diagrams are studied. To improve the characteristics of the calibration curves for the determination of Al, Ca, Mn and sulfur forming non-metallic inclusions (NMI), we used certified reference materials of the composition of construction steels. An increase in the sensitivity of Al and Ca determination and correlation coefficients of calibration curves for the determination of Mn and S is shown. The concentration of Al2O3MnS, Al2O3MnSMgO, Al2O3MnSCaS, Al2O3CaOCaS, Al2O3CaOMgOCaS in steels was preliminarily determined using a combination of scanning electron microscopy and energy-dispersive X-ray spectroscopy (SEM-EDS) according to ASTM E1245 (method 3) in the lack of certified reference materials with oxysulfides. It is shown advisable to determine the concentration of oxysulfides in construction steels by SAES using corrected and developed algorithms for software processing of the integrated spectrum in combination with a pseudo-formula. It is shown expedient to select the appropriate algorithm and pseudo-formula on the basis of Student’s test statistics by comparing the NMI concentrations obtained by SEM-EDS with SAES results. The spark intervals and the delay time of the analytical signal integration for Al, Ca, Mg, Mn, and sulfur are compared. The correctness of the oxysulfide determination by SAES was confirmed in the range of 500 – 1900 sparks (texp = 0.01) and the signal integration delay of 110 μsec (texp = 0.23). Test method for measuring the total concentration of oxysulfides by SAES was tested on production samples of construction steels. The absence of a systematic error and the correctness of the measurement results (texp < 4.30) were proved. It is shown that the developed method for determining the NMI concentration provides drastic reduction of the duration of the analysis from 18 hours (SEM-EDS) to 10 min.

неметаллические включенияоксисульфидыискровая атомно-эмиссионная спектрометрияградуировочные графикиалгоритм учета искрпсевдоформулавремя задержки измеренияnon-metallic inclusionsoxysulfidesspark atomic emission spectrometrycalibration curvesspark counting algorithmpseudo-formulameasurement delay timeReferencesМалахов Н. В., Мотовилина Г. Д., Хлусова Е. И. и др. Структурная неоднородность и методы ее снижения для повышения качества конструкционных сталей / Вопросы материаловедения. 2009. № 3(59). С. 52 – 64.Malakhov N. V., Motovilina G. D., Khlusova E. I., et al. Structural heterogeneity and methods of its reduction for improvement of quality of structural steels / Inorg. Mater. Appl. Res. 2009. N 3(59). P. 52 – 64 [in Russian].Губенко С. И., Парусов В. В., Деревянченко И. В. Неметаллические включения в стали. — Донецк: АРТ-ПРЕСС, 2005. — 536 с.Gubenko S. I., Parusov V. V., Derevyanchenko I. V. Non-metallic inclusions in steel. — Donetsk: ART-PRESS, 2005. — 536 p. [in Russian].Гун Г. С., Селиванова Е. С., Полякова М. А. Сравнительный анализ требований стандартов на определение неметаллических включений в стали и сплавах / Качество в обработке материалов. 2016. Т. 2. № 6. С. 33 – 39.Gun G. S., Selivanova E. S., Polyakova M. A. Comparative analysis of the requirements in standards to assess the content of non-metallic inclusions in steel and alloys / Kachestvo Obrab. Mater. 2016. N 2(6). P. 33 – 39 [in Russian].Илькун В. И., Ульева Г. А., Решоткина Е. Н. и др. Влияние неметаллических включений на образование трещин / Труды ун-та. 2020. ¹ 4(81). С. 18 – 23.Ilkun V. I., Ulyeva G. А., Reshetkina E. N., at al. Influence of non-metallic inclusions on the formation of cracks / Tr. Univ. 2020. N 4(81). P. 18 – 23 [in Russian].Ånmark N., Karasev A., Jönsson P. G. The effect of different non-metallic inclusions on the machinability of steels / Materials. 2015. Vol. 8. N 2. P. 751 – 783. DOI: 10.3390/ma8020751Ånmark N., Karasev A., Jönsson P. G. The effect of different non-metallic inclusions on the machinability of steels / Materials. 2015. Vol. 8. N 2. P. 751 – 783. DOI: 10.3390/ma8020751Федосеева Е. М. Изучение неметаллических включений в металле трубных сталей с применением термического анализа / Вест. Пермского нац. исслед. политехнич. ун-та. Машиностроение, материаловедение. 2014. Т. 16. № 3. С. 30 – 36.Fedoseeva E. M. The study of non-metallic inclusions in metal pipe steels using thermal analysis / Vestn. Perm. Univ. Mashinostr. Materialoved. 2014. Vol. 16. N 3. P. 30 – 36 [in Russian].Yang W., Peng K., Zhang L., et al. Deformation and fracture of non-metallic inclusions in steel at different temperatures / J. Mater. Res. Technol. 2020. Vol. 9. N 6. P. 15016 – 15022. DOI: 10.1016/j.jmrt.2020.10.066Yang W., Peng K., Zhang L., et al. Deformation and fracture of non-metallic inclusions in steel at different temperatures / J. Mater. Res. Technol. 2020. Vol. 9. N 6. P. 15016 – 15022. DOI: 10.1016/j.jmrt.2020.10.066Vasconcellos da Costa e Silva A. L. The effects of non-metallic inclusions on properties relevant to the performance of steel in structural and mechanical applications / J. Mater. Res. Technol. 2019. Vol. 8. N 2. P. 2408 – 2422. DOI: 10.1016/j.jmrt.2019.01.009Vasconcellos da Costa e Silva A. L. The effects of non-metallic inclusions on properties relevant to the performance of steel in structural and mechanical applications / J. Mater. Res. Technol. 2019. Vol. 8. N 2. P. 2408 – 2422. DOI: 10.1016/j.jmrt.2019.01.009Toribio J., Ayaso F. -J., González B., et al. Fracture behaviour of high-strength cold-drawn pearlitic steel wires: The role of non-metallic inclusions / Procedia Struct. Integr. 2021. Vol. 33. P. 1203 – 1208. DOI: 10.1016/j.prostr.2021.10.136Toribio J., Ayaso F.-J., González B., et al. Fracture behaviour of high-strength cold-drawn pearlitic steel wires: The role of non-metallic inclusions / Procedia Struct. Integr. 2021. Vol. 33. P. 1203 – 1208. DOI: 10.1016/j.prostr.2021.10.136Scorza D., Carpinteri A., Ronchei C., et al. A novel methodology for fatigue assessment of high strength steels with non-metallic inclusions / Procedia Struct. Integr. 2022. Vol. 39. P. 503 – 508. DOI: 10.1016/j.prostr.2022.03.123Scorza D., Carpinteri A., Ronchei C., et al. A novel methodology for fatigue assessment of high strength steels with non-metallic inclusions / Procedia Struct. Integr. 2022. Vol. 39. P. 503 – 508. DOI: 10.1016/j.prostr.2022.03.123Vantadori S., Ronchei C., Scorza D., et al. Influence of non-metallic inclusions on the high cycle fatigue strength of steels / Int. J. Fatigue. 2022. Vol. 154. 106553. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2021.106553Vantadori S., Ronchei C., Scorza D., et al. Influence of non-metallic inclusions on the high cycle fatigue strength of steels / Int. J. Fatigue. 2022. Vol. 154. 106553. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2021.106553Sidorova E., Karasev A., Kuznetsov D., et al. Investigation of the initial corrosion destruction of a metal matrix around different non-metallic inclusions on surfaces of pipeline steels / Materials. 2022. Vol. 15. N 7. 2530. DOI: 10.3390/ma15072530Sidorova E., Karasev A., Kuznetsov D., et al. Investigation of the initial corrosion destruction of a metal matrix around different non-metallic inclusions on surfaces of pipeline steels / Materials. 2022. Vol. 15. N 7. 2530. DOI: 10.3390/ma15072530Lou X., Andresen P. L., Rebak R. B. Oxide inclusions in laser additive manufactured stainless steel and their effects on impact toughness and stress corrosion cracking behavior / J. Nucl. Mater. 2018. Vol. 499. P. 182 – 190. DOI: 10.1016/j.jnucmat.2017.11.036Lou X., Andresen P. L., Rebak R. B. Oxide inclusions in laser additive manufactured stainless steel and their effects on impact toughness and stress corrosion cracking behavior / J. Nucl. Mater. 2018. Vol. 499. P. 182 – 190. DOI: 10.1016/j.jnucmat.2017.11.036Григорович К. В., Красовский П. В., Трушникова А. С. Анализ неметаллических включений — основа контроля качества стали и сплавов / Аналитика и контроль. 2002. Т. 6. № 2. С. 133 – 142.Grigorovitch K. V., Krasovsky P. V., Trushnikova A. S. Analysis of non-metallic inclusions — the basis for quality control of steel and alloys / Anal. Kontrol’. 2002. Vol. 6. N 2. P. 133 – 142 [in Russian].Сидоренко Т. И., Возная В. И., Белаш Ю. С., Ермаченок Е. В. Автоматический анализ неметаллических включений в стали с помощью электронного микроскопа с энергодисперсионным микроанализатором / Литье и металлургия. 2022. № 1. С. 64 – 69. DOI: 10.21122/1683-6065-2022-1-64-69Sidorenko T. I., Voznaya V. I., Belash Yu. S., Ermachenok E. V. Automatic analysis of nonmetallic inclusions in steel using electron microscope with energy dispersive microprobe / Lit’e Metallurg. 2022. N 1. P. 64 – 69 [in Russian]. DOI: 10.21122/1683-6065-2022-1-64-69Морозов А. О., Погодин А. М., Комолова О. А. и др. Контроль оксидных неметаллических включений в процессе производства IF стали / Изв. вузов. Черная металлургия. 2020. Т. 63. № 10. С. 782 – 790. DOI: 10.17073/0368-0797-2020-10-782-790Morozov A. O., Pogodin A. M., Komolova O. A., et al. Control of oxide non-metallic inclusions in production of if steel / Izv. Vuzov. Chern. Metallurgiya. 2020. Vol. 63. N 10. P. 782 – 790 [in Russian]. DOI: 10.17073/0368-0797-2020-10-782-790Григорович К. В., Алпатов А. В., Румянцев Б. А. и др. Исследование форм присутствия и содержания легких элементов в мелкодисперсных порошках интерметаллида Nb3Al / Перспективные материалы. 2015. ¹ 11. С. 79 – 87.Grigorovich K. V., Alpatov A. V., Rumyantsev B. A., et al. Study of powders presence and contents of light elements in finely divided Nb3Al / Mater. Appl. Res. 2016. N 7. P. 310 – 315. DOI: 10.1134/S207511331G02012XSawafuji Y. Automatic ultrasonic testing of non-metallic inclusions detectable with size of several tens of micrometers using a double probe technique along the longitudinal axis of a small-diameter bar / ISIJ Int. 2021. Vol. 61. N 1. P. 1 – 10. DOI: 10.2355/isijinternational.ISIJINT-2020-248Sawafuji Y. Automatic ultrasonic testing of non-metallic inclusions detectable with size of several tens of micrometers using a double probe technique along the longitudinal axis of a small-diameter bar / ISIJ Int. 2021. Vol. 61. N 1. P. 1 – 10. DOI: 10.2355/isijinternational.ISIJINT-2020-248Игнатов М. Н., Игнатова А. М., Канина А. Е. Идентификация и изучение свойств неметаллических включений в сварных соединениях / Изв. вузов. Поволжский регион. Технические науки. 2013. № 2(26). С. 140 – 148.Ignatov M. N., Ignatova A. M., Kanina A. E. Identification and properties of nonmetallic inclusions in welded joints / Izv. Vuzov. Povolzh. Region. Tekhn. Nauki. 2013. N 2(26). P. 140 – 148 [in Russian].Tian L., Liu L., Ma B., et al. Evaluation of maximum non-metallic inclusion sizes in steel by statistics of extreme values method based on Micro-CT imaging / Metall. Res. Technol. 2022. Vol. 119. N 2. P. 1 – 8. DOI: 10.1051/metal/2022016Tian L., Liu L., Ma B., et al. Evaluation of maximum non-metallic inclusion sizes in steel by statistics of extreme values method based on Micro-CT imaging / Metall. Res. Technol. 2022. Vol. 119. N 2. P. 1 – 8. DOI: 10.1051/metal/2022016Федосеева Е. М. Изучение неметаллических включений в металле трубных сталей с применением термического анализа / Вест. Пермского нац. исслед. политехн. ун-та. Машиностроение, материаловедение. 2014. Т. 16. № 3. С. 30 – 36.Fedoseeva E. M. The study of non-metallic inclusions in metal pipe steels using thermal analysis / Vestn. Perm. Nats. Issl. Politekhn. Univ. Mashinostr. Materialoved. 2014. Vol. 16. N 3. P. 30 – 36 [in Russian].Imashuku S., Wagatsuma K. Cathodoluminescence analysis of nonmetallic inclusions in steel deoxidized and desulfurized by rare-earth metals (La, Ce, Nd) / Metall. Mater. Trans. B. 2020. Vol. 51. N 1. P. 79 – 84. DOI: 10.1007/s11663-019-01732-8Imashuku S., Wagatsuma K. Cathodoluminescence analysis of nonmetallic inclusions in steel deoxidized and desulfurized by rare-earth metals (La, Ce, Nd) / Metall. Mater. Trans. B. 2020. Vol. 51. N 1. P. 79 – 84. DOI: 10.1007/s11663-019-01732-8Vlaicu G., Popescu V., Parsan F., et al. Control of Ca in steels using spark data technique / Rom. Rep. Phys. 2010. Vol. 62. N 2. P. 350 – 359.Vlaicu G., Popescu V., Parsan F., et al. Control of Ca in steels using spark data technique / Rom. Rep. Phys. 2010. Vol. 62. N 2. P. 350 – 359.Уманский А. А., Головатенко А. В., Симачев А. С. Исследования неметаллических включений в рельсах из электросталей, легированных хромом / Изв. вузов. Черная металлургия. 2019. Т. 62. № 12. С. 936 – 942. DOI: 10.17073/0368-0797-2019-12-936-942Umanskii A. A., Simachev A. S., Golovatenko A. V. Nonmetallic inclusions in rails made of electro-steel alloyed with chromium / Izv. Vuzov. Chern. Metallurgiya. 2019. Vol. 62. N 12. P. 936 – 942 [in Russian]. DOI: 10.17073/0368-0797-2019-12-936-942Бокк Д. Н., Лабусов В. А. Определение неметаллических включений в металлических сплавах методом атомно-эмиссионной спектрометрии с искровым возбуждением (обзор) / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2018. Т. 84. № 12. С. 5 – 19. DOI: 10.26896/1028-6861-2018-84-12-5-19Bock D. N., Labusov V. A. Determination of non-metallic inclusions in metal alloys by spark atomic emission spectrometry (review) / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2018. Vol. 84. N 12. P. 5 – 19 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2018-84-12-5-19Бокк Д. Н., Лабусов В. А., Зарубин И. А. Определение неметаллических включений в металлических сплавах методом атомно-эмиссионной спектрометрии с искровым возбуждением / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2015. Т. 81. № 1. С. 92 – 97.Bock D. N., Labusov V. A., Zarubin I. A. Determination of non-metallic inclusions in metal alloys by spark optical emission spectrometry / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2015. Vol. 81. N 1. P. 92 – 97 [in Russian].Pande M. M., Guo M., Dumarey R., et al. Determination of Steel Cleanliness in Ultra Low Carbon Steel by Pulse Discrimination Analysis-Optical Emission Spectroscopy Technique / ISIJ Int. 2011. Vol. 51. N 11. P. 1778 – 1787. DOI: 10.2355/isijinternational.51.1778Pande M. M., Guo M., Dumarey R., et al. Determination of Steel Cleanliness in Ultra Low Carbon Steel by Pulse Discrimination Analysis-Optical Emission Spectroscopy Technique / ISIJ Int. 2011. Vol. 51. N 11. P. 1778 – 1787. DOI: 10.2355/isijinternational.51.1778Kaushik P., Lehmann J., Nadif M. State of the art in control of inclusions, their characterization, and future requirements / Metall. Mater. Trans. B. 2012. Vol. 43. N 4. P. 710 – 725. DOI: 10.1007/s11663-012-9646-2Kaushik P., Lehmann J., Nadif M. State of the art in control of inclusions, their characterization, and future requirements / Metall. Mater. Trans. B. 2012. Vol. 43. N 4. P. 710 – 725. DOI: 10.1007/s11663-012-9646-2Bengtson A., Sedlakova M., Schmitz H.-U., et al. EUR 25153. Process based steel cleanliness investigations and rapid metallurgical screening of inclusions by modern PDA techniques (RAMSCI). European commission final report. — Luxembourg: Publications Office of the European Union, 2012. — 138 p. DOI: 10.2777/58274Bengtson A., Sedlakova M., Schmitz H.-U., et al. EUR 25153. Process based steel cleanliness investigations and rapid metallurgical screening of inclusions by modern PDA techniques (RAMSCI). European commission final report. — Luxembourg: Publications Office of the European Union, 2012. — 138 p. DOI: 10.2777/58274Meilland R., Dosdat L. Rapid characterization of inclusionnary cleanliness in steels by PDA-OES mapping / Metall. Res. Technol. 2002. Vol. 99. N 4. P. 373 – 382. DOI: 10.1051/metal:2002128Meilland R., Dosdat L. Rapid characterization of inclusionnary cleanliness in steels by PDA-OES mapping / Metall. Res. Technol. 2002. Vol. 99. N 4. P. 373 – 382. DOI: 10.1051/metal:2002128Pissenberger A., Pissenberger E. Automatic cleanness determination of production samples with OES/PDA / BHM Berg und Huettenmaennische Monatshefte. 2007. Vol. 1. N 152. P. 13 – 17. DOI: 10.1007/s00501-006-0265-6Pissenberger A., Pissenberger E. Automatic cleanness determination of production samples with OES/PDA / BHM Berg und Huettenmaennische Monatshefte. 2007. Vol. 1. N 152. P. 13 – 17. DOI: 10.1007/s00501-006-0265-6Janis D., Karasev A., Jönsson P. G. Evaluation of Inclusion Characteristics in Low-Alloyed Steels by Mainly Using PDA/OES Method / ISIJ Int. 2015. Vol. 55. N 10. P. 2173 – 2181. DOI: 10.2355/isijinternational.ISIJINT-2015-172Janis D., Karasev A., Jönsson P. G. Evaluation of Inclusion Characteristics in Low-Alloyed Steels by Mainly Using PDA/OES Method / ISIJ Int. 2015. Vol. 55. N 10. P. 2173 – 2181. DOI: 10.2355/isijinternational.ISIJINT-2015-172

The authors declare that there are no conflicts of interest present.