CC BY
286
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №12-3/2016 ISSN 2410-700Х_
ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 669
Кучеренко Светлана Викторовна, доцент
[email protected] Абраменко Ю.А., студентка Иванина И.С., студентка кафедра «Химические технологии нефтегазового комплекса» Донской государственный технический университет г. Ростов-на-Дону, Российская Федерация
МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛЕРОДА В РАЗЛИЧНЫХ УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩИХ
МАТЕРИАЛАХ
Аннотация
Разработка методов анализа содержания углерода в конструкционных сталях является в настоящее время актуальной проблемой промышленности. В данной статье выполнен сравнительный анализ методик определения содержания углерода, их сущность и применение в производстве. На основании анализа устанавливается, что трудности определения углерода связаны с его малым радиусом атома и незначительным процентным содержанием, что оказывает затруднения при определении.
Ключевые слова
Определение углерода, кулонометрический метод, спектральный анализ, рентгеноспектральный способ, неразрушающий контроль, электрохимическая индентификация, интеркаляция литием.
Углерод является важнейшим компонентом, который определяет большой комплекс механических и физико-химических свойств сталей. Влияние этого элемента на свойства конструкционных сплавов в основном определяется свойствами цементита и связано с изменением соотношения между двумя основными структурными составляющими - феррита и цементита. С ростом содержания углерода в структуре стали увеличивается количество цементита, при одновременном снижении доли феррита. При этом снижаются вязкость и характеристики пластичности - относительное удлинение и относительное сужение. Повышение содержания углерода также ухудшает литейные свойства стали, поэтому хорошей свариваемостью и пластичностью отличаются низкоуглеродистые стали, а хорошими режущими свойствами обладают высокоуглеродистые сплавы. Таким образом, разработка методов анализа содержания углерода в конструкционных сталях является в настоящее время актуальной проблемой промышленности.
Существует кулонометрический метод определения углерода и метод инфракрасной спектроскопии в легированных и высоколегированных сталях. Первый метод основан на сжигании навески стали в токе кислорода в присутствии плавня при температуре 1300 °С - 1400 °С, поглощении образовавшейся двуокиси углерода поглотительным раствором с определенным начальным значением рН и последующем измерении (на установке для кулонометрического титрования) количества электричества, затраченного для восстановления исходного значения рН, которое пропорционально массовой доле углерода в навеске пробы. Второй метод осуществляется подобно первому, но при температуре 1700 °С и определении количества образовавшейся двуокиси углерода путем измерения поглощенной ею инфракрасной радиации [1]. Данные методы требуют больших финансовых затрат на оборудование.
Используются также приборы, принцип работы которых основан на методе термоэлектродвижущей силы (ТЭДС). Сущность метода заключается в измерении ТЭДС, возникающей в месте контакта нагретого электрода с используемым образцом. ТЭДС зависит от материала электрода и степени его нагрева, химического состава исследуемого образца и его агрегатного состояния (структуры, степени уплотнения, закалки и других свойств).
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №12-3/2016 ISSN 2410-700Х_
Разработана методика, применяющаяся в области литейного производства для определения содержания углерода по ходу плавки, сущность которой заключается в следующем: отливают технологическую пробу без выделений графита, подвергают ее графитизирующему обжигу при 940 - 1120 °С, измеряют величину удлинения пробы и по ней определяют содержание углерода в чугуне [2].
Для определения содержания углерода в сталях посредством рентгеноспектрального способа осуществляют облучение исследуемых образцов сталей первичным излучением рентгеновской трубки и измерение интенсивности вторичного спектра. При этом перед облучением дополнительно проводят монохроматизацию рентгеновского излучения трубки, а измерение интенсивности вторичного спектра осуществляют по отраженной линии монохроматического рентгеновского излучения на решетках карбидов железа, содержащихся в исследуемых образцах, и по зависимости, полученной на стандартных образцах, определяют содержание углерода в исследуемых образцах [3].
Изобретение [4] относится к спектральному анализу, а конкретно к анализу токопроводящих материалов путем определения их химических или физических свойств, и может быть использовано при разработке и назначении технологических процессов. Оно определяет массовую долю углерода в пробе по аналитическим парам линий по истечении 15-20 с с момента включения разряда.
Для неразрушающего контроля качества изделий, конструкций или их отдельных элементов, изготовленных из ферромагнитных материалов, применяют прибор магнитошумовой анализатор (МАША-1) [5]. Этот прибор актуален для инструментальных цехов, а также для производств и организаций, эксплуатирующих трубопроводы, мосты, энергетическое оборудование и др., на которых необходимо контролировать степень деградации металла.
Авторами работы [6] рассмотрен способ электрохимической идентификации вида и количественного содержания оксидных, сульфидных и углеродных включений в металлокомпозиционные системы, который заключается в том, что контролируемый образец включают в электрохимическую цепь с электролитом на основе органического растворителя с катионом щелочного металла, поляризуют импульсами катодного тока, измеряют потенциал в моменты окончания импульсов. Затем, находят коэффициенты полинома, аппроксимирующего зависимость отобранных значений потенциала от времени, по полученным коэффициентам находят коэффициенты полиномов, аппроксимирующих первую и вторую производные функции отобранных значений потенциала по времени, находят нули полинома, аппроксимирующего вторую производную, отбирают нули полинома, в которых первая производная отрицательна, рассчитывают разности отобранных нулей полинома, аппроксимирующего вторую производную, и значения потенциалов в нулях полинома, аппроксимирующего вторую производную. По полученным значениям потенциалов определяют вид включений, по разностям нулей с помощью калибровочных зависимостей находят массовую долю включений. Изобретение обеспечивает сокращение времени проведения анализа, повышение устойчивости к отклонениям в условиях анализа, исключение из процедуры определения дорогостоящего и прецизионного оборудования, расширение диапазона исследуемых объектов.
Была показана возможность интеркаляции литием углеродсодержащих фаз железоуглеродных сплавов из апротонных органических электролитов. Имеются два вида каналов интеркаляции - ферритного и цементитного типа. Ферритные фазы интеркалируются необратимо с образованием «солеподобных» интеркалатов, для которых состояние лития близко к ионному. Цементитные и графитовые фазы интеркалируются обратимо с образованием «металлоподобных» интеркалатов. Обратимая интеркаляционная емкость зависит от природы применяемой электролитной системы и величины потенциала интеркаляции. Количественное определение углерода возможно на основе калибровочных зависимостей, полученных по поляризационным кривым электрохимической интеркаляции, а также по катодным импульсным хронопотенциограммам. Феррит и цементит могут быть качественно и количественно идентифицированы по вольтамперометрическим и хронопотенциометрическим зависимостям процесса катодного внедрения лития из апротонного органического электролита. Преимуществами идентификации углеродсодержащих фаз обладает метод импульсной хронопотенциометрии как более экспрессный и дающий калибровочные зависимости в более широком
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №12-3/2016 ISSN 2410-700Х_
диапазоне потенциалов.
Список использованной литературы:
1. ГОСТ 12344-2003. Стали легированные и высоколегированные: Методы определения углерода. Офиц. изд. - М.: Изд-во стандартов, 2004. - Т. III, 12 с. (Межгос. стандарт).
2. Патент № 2027986: Лапин В.Л. Способ определения содержания углерода в чугунах. 1995. Рус.
3. Патент № 96112715: Кадыров М.У., Кадыров Б.М., Бикмухаметов Д.З., Маминов А.С., Скурлатова Л.В., Гайнуллин И.И. Способ количественного определения углерода в сталях. 1998. Рус.
4. Патент № 2011967: Твердохлебова С.В., Спиридонова И.М. Способ визуального количественного спектрального определения углерода в токопроводящих сплавах. 1994. Рус.
5. «Маша-1» прибор неразрушающего контроля // Контроль. Диагностика. 2000. № 10. С. 43.
6. Патент № 2315990: Липкин М.С., Шишка В.Г., Пожидаева С.А., Липкина Т.В. Способ электрохимической идентификации вида и количественного содержания оксидных, сульфидных и углеродных включений в металлокомпозиционные системы. 2008. Рус.
© Кучеренко С.В., Абраменко Ю.А., Иванина И.С., 2016
