Совершенствование метода искрового атомно-эмиссионного спектрального определения оксисульфидов в конструкционной стали

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 (t_эксп = 0,01) и задержке интегрирования сигнала элементов 110 мкс (t_эксп = 0,23). Методика определения суммарного содержания оксисульфидов методом ИАЭС апробирована при анализе производственных образцов конструкционной стали. Подтверждены отсутствие систематической погрешности и правильность результатов определения (t_эксп < 4,30). Установлено, что разработанный способ определения НМВ позволяет снизить продолжительность анализа с 18 ч (СЭМ с ЭДС) до 10 мин.

1. Малахов 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.

2. Губенко С. И., Парусов В. В., Деревянченко И. В. Неметаллические включения в стали. — Донецк: АРТ-ПРЕСС, 2005. — 536 с.

3. 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.

4. 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.

5. 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/ma8020751

6. Федосеева 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.

7. 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.2020.10.066

8. Vasconcellos 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.2019.01.009

9. Toribio 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.2021.10.136

10. Scorza 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.2022.03.123

11. Vantadori 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.2021.106553

12. Sidorova 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/ma15072530

13. Lou 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.2017.11.036

14. Григорович 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.

15. 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: 10.21122/1683-6065-2022-1-64-69

16. Морозов 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: 10.17073/0368-0797-2020-10-782-790

17. Григорович 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.

18. Sawafuji 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-2020-248

19. Игнатов 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.

20. 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/2022016

21. Федосеева 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.

22. 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/s11663-019-01732-8

23. 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.

24. 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: 10.17073/0368-0797-2019-12-936-942

25. Бокк 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: 10.26896/1028-6861-2018-84-12-5-19

26. Бокк 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.

27. 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.51.1778

28. Kaushik 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/s11663-012-9646-2

29. Bengtson 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: 10.2777/58274

30. Meilland 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:2002128

31. Pissenberger 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/s00501-006-0265-6

32. Janis 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