способ определения массовой доли кислорода в порошках металлов

Формула изобретения

Способ определения массовой доли кислорода в порошках металлов методом атомно-эмиссионной спектроскопии, заключающийся в подготовке пробы, получении атомно-эмиссионных спектров, идентификации кислорода по спектральной эмиссионной линии с длиной волны 777,19 нм, отличающийся тем, что в качестве источника возбуждения атомно-эмиссионного спектра используют частотный двухимпульсный лазер на основе алюмоиттриевого граната, активированного неодимом, с длиной волны 1064 нм, с задержкой между импульсами, равной 5-10 мкс, а подготовку пробы осуществляют прессованием исследуемого материала с последующей обработкой поверхности образца лазером.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области аналитической химии порошковых материалов, в частности к способам определения массовой доли кислорода в порошках металлов.

Кислород является одной из основных примесей, попадающих в порошки металлов в процессе их производства, обработки и эксплуатации. Присутствие этой примеси может оказывать сильное влияние на некоторые физико-химические свойства порошков металлов, в результате чего они могут становиться непригодными для дальнейшего использования. Поэтому одной из важнейших задач при производстве порошков металлов является контроль за содержанием в них примеси кислорода.

Известным способом определения кислорода в порошках металлов является метод восстановительного плавления (вакуум-нагрев) (Методы определения и исследования газов в металлах (Доклады на II Всесоюзном симпозиуме по методам анализа газов в металлах). - М.: Наука, 1968, с.142-146; ГОСТ. 9853.5-96; Титан губчатый. Методы определения кислорода. - Минск: Совет по стандартизации, метрологии и сертификации. 2000, с.4-5). В основе метода лежит плавление металла в вакууме или инертной среде в присутствии графита с образованием оксидов углерода и последующим их определением методом газовой хроматографии или с применением ПК-спектроскопии.

Недостатком данного способа является то, что он требует больших энергетических затрат и использования дорогостоящих расходных материалов, в результате чего анализ с применением данного способа становится дорогим.

В качестве прототипа выбран способ определения массовой доли кислорода в порошкообразных материалах спектральным методом (Методы определения и исследования газов в металлах (Доклады на II Всесоюзном симпозиуме по методам анализа газов в металлах). - М.: Наука, 1968, с.146-151). Способ заключается в получении атомно-эмиссионных спектров токопроводящих образцов с помощью низковольтного импульсного разряда, идентификации кислорода по спектральной эмиссионной линии с длиной волны 777,19 нм.

К недостаткам способа-прототипа можно отнести сложности (а иногда и невозможности) анализа сильноокисленных порошков металла в силу их слабой электропроводности.

Задачей настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей способа определения массовой доли кислорода в порошках металлов с применением атомно-эмиссионной спектроскопии.

При использовании заявленного способа достигается следующий технический результат:

- суммарная относительная погрешность определения массовой доли кислорода в порошках металлов не превышает 15 масс.%;

- диапазон определения массовой доли кислорода в порошках металлов составляет от 0,1 до 10 масс.%.

- возможность определения массовой доли кислорода как в электропроводящих, так и в неэлектропроводящих порошках.

Для решения поставленной задачи и достижения технического результата предложен способ определения массовой доли кислорода в порошках металлов методом атомно-эмиссионной спектроскопии, заключающийся в подготовке пробы, получении атомно-эмиссионных спектров, идентификации кислорода по спектральной эмиссионной линии с длиной волны 777,19 нм, в котором согласно изобретению в качестве источника возбуждения атомно-эмиссионного спектра используют частотный двухимпульсный лазер на основе алюмоиттриевого граната, активированного неодимом, с длиной волны 1064 нм, с задержкой между двумя параллельными импульсами, равной 7 мкс, а подготовку пробы осуществляют прессованием исследуемого материала с последующей обработкой поверхности образца импульсами лазера.

Количественный атомно-эмиссионный спектральный анализ основан на том, что интенсивность I аналитических линий атомов, как правило, монотонно возрастает с увеличением массового содержания определяемого элемента в пробе. Однако рассчитать связь между интенсивностью I линии и концентрацией С элемента в образце практически невозможно. Поэтому, в большинстве случаев, эту зависимость устанавливают опытным путем, используя стандартные образцы.

Измеряя интенсивности линий в спектрах стандартных образцов в тех же условиях, в которых исследуют анализируемые пробы, можно получить для ряда значений концентраций соответствующие им значения интенсивностей. Строя по полученным значениям кривую, получают зависимость - градуировочный график, по которому графически определяют массовую долю элемента в образце.

Из этого следует, что спектральный анализ является сравнительным методом анализа, результаты которого могут быть достоверны лишь в том случае, если применяемые эталоны являются адекватными и достоверными.

Преимущество двухимпульсного частотного лазера на основе алюмоиттриевого граната, активированного неодимом с длиной волны 1064 нм и задержкой между импульсами равной, 5-10 мкс, который применяется в заявленном способе, в сравнении с одноимпульсным заключается в выигрыше в соотношении «сигнал/шум» при регистрации спектра, также в снижении порога обнаружения кислорода, что уменьшает случайную составляющую погрешности.

Замена искрового источника возбуждения на лазерный позволяет расширить границы применения атомно-эмиссионной спектроскопии для определения массового содержания кислорода в порошках.

Для достоверного определения содержания кислорода в анализируемом предварительно прессованном порошке проводят обработку его поверхности с целью удаления поверхностных оксидов соответствующего металла. Эффективно осуществить такую операцию позволяет обработка поверхности лазером, которую проводят непосредственно перед анализом образца.

Пример 1

Анализ осуществляют в потоке аргона, чистота которого не ниже 99,99 объемных %. Допустимое избыточное давление аргона в рабочей камере не выше 0,5 атм.

Для осуществления способа определения массовой доли кислорода в порошках металлов применяли твердотельный частотный двухимпульсный алюмоиттриевый гранат, активированный неодимом, с длиной волны генерируемого излучения 1064 нм и средней энергией импульса 120 мДж. Количественное определение кислорода проводили по спектральной идентификационной линии кислорода с длиной волны 777,19 нм.

Навеску порошка титана марки ПТОМ-2 прессовали на воздухе в таблетки диаметром 12 мм до плотности 3,1-3,2 г/см³, помещали в специальный контейнер для транспортировки к месту проведения анализа.

Прессованный образец устанавливают на столик рабочей камеры и настраивают фокусировку лазерного излучения таким образом, чтобы диаметр эрозионного пятна на образце составлял 0,6±0,2 мм. Использовали частотный двухимпульсный лазер с задержкой между импульсами, равной 7 мкс, что является оптимальным значением при определения массовой доли кислорода в порошках металлов.

Перед заполнением аргоном рабочей камеры осуществляют ее откачку до давления ~50 мм рт.ст.(в течение ~2 мин) с использованием собственной откачной системы анализатора. С помощью газового редуктора устанавливают необходимое избыточное давление аргона в рабочей камере (0,1<P_раб<0,5 атм) и начинают проводить анализ.

Специально разработанная аналитическая программа осуществляет очистку поверхности несколькими предварительными лазерными импульсами (10-20 импульсов), после чего начинается регистрация атомно-эмиссионных спектров. Обработка спектров может осуществляться как вручную по ранее определенной градуировочной зависимости, так и с использованием аналитической программы, позволяющей автоматизировать определение массовой доли кислорода в порошках металлов.

Определение массовой доли кислорода в порошках меди и алюминия проводили по способу, описанному выше.

В таблице представлены результаты определения массовой доли кислорода в порошках металлов с применением заявленного способа и с использованием метода восстановительного плавления.

Таблица Результаты определения массовой доли кислорода в порошках металлов
Основа порошка металла	Массовая доля кислорода в порошке металла с применением заявленного способа, масс.%	Массовая доля кислорода в порошке металла с применением метода восстановительного плавления, масс.%
Титан	0,18	0,22
Медь	2,63	2,50
Алюминий	7,59	8,02

Результаты содержания примеси кислорода в исследуемых материалах, полученные с использованием заявленного способа, хорошо сходятся с результатами, полученными с применением метода восстановительного плавления, который осуществлялся на анализаторе ELTRA ONH-2000.

Необходимо отметить, что настоящий способ может быть применим для определения массовой доли кислорода в смесях порошков металлов, однако для достоверного проведения такого анализа необходимы эталонные стандартные образцы, аналогичные по химическому составу с анализируемыми смесями.