DE102008010176B3 - Producing standard sample to calibrate analysis devices to determine non-metallic inclusions in metals, comprises mixing powdered metal- and powdered non-metallic solid particles and then hot isostatically pressing in inert gas atmosphere - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Standardprobe für die Kalibrierung von Analyseeinrichtungen zur Bestimmung von nichtmetallischen Einschlüssen in Metallen, bei welchem pulverförmige Metallpartikel und pulverförmige nichtmetallische Feststoffpartikel miteinander vermischt und heißisostatisch in einer Inertgasatmosphäre gepresst werden, so dass das Metall eine Matrix für die nichtmetallischen Feststoffpartikel bildet. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Standardprobe für die Kalibrierung von Analyseeinrichtungen zur Bestimmung von nichtmetallischen Einschlüssen in Metallen sowie deren Verwendung.The The invention relates to a method for producing a standard sample for the Calibration of analytical equipment for the determination of non-metallic inclusions in metals, in which powdered Metal particles and powdery non-metallic solid particles mixed together and hot isostatic in an inert gas atmosphere be pressed so that the metal is a matrix for the non-metallic Forms solid particles. About that In addition, the invention relates to a standard sample for calibration Analysis equipment for the determination of non - metallic inclusions in Metals and their use.
In
zunehmendem Maße
werden in der Produktion sowie in der Qualitätskontrolle Analyseeinrichtungen
verwendet, um die Häufigkeit
und Verteilung von Einschlüssen
in Metallen, beispielsweise in Stahlprodukten, zu bestimmen. Als
Analyseeinrichtungen für
die Bestimmung von nichtmetallischen Einschlüssen werden spektrometrische
Analyseeinrichtungen beispielsweise für die Glimmentladungsspektrometrie,
die Laseremissionsspektrometrie und/oder Funkenemissionsspektrometrie
verwendet. Allerdings finden auch Licht- oder Elektronenmikroskope
aufweisende Analyseeinrichtungen mit und ohne automatische Bilderkennung
zur Bestimmung nichtmetallischer Einschlüsse in Metallen Verwendung.
Diese Analyseeinrichtungen benötigen
zur Kalibrierung Standardproben, welche sehr genau definierte Anteile
an Einschlüssen
und eine möglichst
homogene Verteilung dieser Einschlüsse in der Standardprobe aufweisen,
da diese als Vergleichsnormale für
die eigentliche Messung herangezogen werden. Ein Verfahren zur Herstellung
einer solchen Standardprobe für
die Kalibrierung von Analyseeinrichtungen ist aus der auf die Anmelderin
zurückgehenden
europäischen
Patentanmeldung
Aus
der japanischen Patentanmeldung
Aus
der deutschen Offenlegungsschrift
Darüber hinaus
ist aus der deutschen Übersetzung
einer europäischen
Patentschrift
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Standardprobe für die Kalibrierung von Analyseeinrichtungen zur Bestimmung von nichtmetallischen Einschlüssen in Metallen vorzuschlagen, mit welchem lagerstabile Standardproben mit einem gezielt einstellbaren Anteil an nichtmetallischen Einschlüssen und damit mit einer definierten Konzentration an leichten Elementen in einer metallischen Matrix hergestellt werden können. Darüber hinaus liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine entsprechend hergestellte Standardprobe zur Verfügung zu stellen und eine vorteilhafte Verwendung zu nennen.Of these, The present invention is based on the object, a method for preparing a standard sample for the calibration of Analysis equipment for the determination of non-metallic inclusions in To propose metals with which storage stable standard samples with a specifically adjustable proportion of non-metallic inclusions and thus with a defined concentration of light elements can be made in a metallic matrix. In addition lies The present invention is based on the object, a corresponding to provide a prepared standard sample and a beneficial one Use to call.
Die oben hergeleitete Aufgabe wird gemäß einer ersten Lehre der vorliegenden Erfindung für ein gattungsgemäßes Verfahren dadurch gelöst, dass das Pulvergemisch aus Metall- und nichtmetallischen Feststoffpartikeln vor dem heißisostatischen Pressen einer Temperaturbehandlung in einer reduzierenden Atmosphäre unterzogen wird.The The above-derived object is according to a first teaching of the present Invention for a generic method solved by that the powder mixture of metal and non-metallic solid particles before the hot isostatic Pressing subjected to a temperature treatment in a reducing atmosphere becomes.
Durch die Temperaturbehandlung in einer reduzierenden Atmosphäre kann der Anteil an unerwünschten Sauerstoffverbindungen in dem Pulvergemisch deutlich verringert werden, so dass beispielsweise bei Stahl unerwünschte Ausscheidungsprozesse nicht mehr stattfinden und bei Nichteisenmetallen interstitiell im Metallgitter gelöster Sauerstoff deutlich verringert werden kann. Dadurch, dass die Oberfläche des Pulvergemisches, welche in Kontakt mit der reduzierenden Atmosphäre steht, sehr groß ist, wird eine hohe Effizienz in der Entfernung unerwünschter Oxidverbindungen im Pulvergemisch erreicht. Überraschenderweise zeigen die mit einem heißisostatischen Pressen hergestellten Standardproben keine unerwünschten Ausscheidungen in der Metallmatrix auf, so dass die Standardproben besonders lagerstabil sind und lediglich genau definierte Anteile an Einschlüssen aus dem Feststoffpartikelpulver im Metall aufweisen.By the temperature treatment in a reducing atmosphere, the proportion of undesirable oxygen compounds in the powder mixture can be significantly reduced, so that, for example in steel unwanted separation processes no longer take place and non-ferrous metals interstitially dissolved in the metal lattice dissolved oxygen can be significantly reduced. Characterized in that the surface of the powder mixture, which in contact With the reducing atmosphere is very large, high efficiency in the removal of undesirable oxide compounds in the powder mixture is achieved. Surprisingly, the standard samples produced by hot isostatic pressing do not show any undesired precipitates in the metal matrix, so that the standard samples are particularly storage-stable and have only precisely defined fractions of inclusions from the solid particle powder in the metal.
Gemäß einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Temperaturbehandlung in einer Atmosphäre aus Wasserstoff oder Mischungen aus Wasserstoff mit Inertgasen, Edelgasen, Methan oder anderen leicht flüchtigen Alkanen. Diese Verbindungen sorgen in der reduzierenden Atmosphäre für die notwendigen Reduktionsvorgänge im Metallpulver, so dass nichtmetallische Anteile im Metall lediglich durch die verwendeten Feststoffpartikel enthalten sind.According to one first embodiment of the method according to the invention takes place Temperature treatment in an atmosphere of hydrogen or mixtures from hydrogen with inert gases, noble gases, methane or others easily volatile Alkanes. These compounds provide the necessary in the reducing atmosphere Reduction processes in the Metal powder, so that non-metallic parts in the metal only are contained by the solid particles used.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann dadurch weiter vorteilhaft ausgestaltet werden, dass die maximale Temperatur während der Temperaturbehandlung kleiner als die Schmelzpunkttemperatur des die Matrix bildenden Metallpulvers ist. Hierdurch wird gewährleistet, dass die Metallmatrix während der Temperaturbehandlung nicht aufschmilzt und die Partikelgrößen der Metallpartikel und der Feststoffpartikel erhalten bleiben. Es wird verhindert, dass durch ein Aufschmelzen der Metallpartikel eine Veränderung der statistischen, örtlichen Verteilung der nichtmetallischen Partikel in der Metallmatrix auftritt. Insbesondere wird die Ausbildung einer Anreicherung der nichtmetallischen Partikel aufgrund von Dichteunterschieden beider Phasen, der metallischen und nichtmetallischen Phase, verhindert.The inventive method can be configured by further advantageous that the maximum Temperature during the temperature treatment is lower than the melting point temperature of the the matrix forming metal powder is. This will ensure that the metal matrix during the Temperature treatment does not melt and the particle sizes of Metal particles and the solid particles are retained. It will prevents a melting of the metal particles change the statistical, local Distribution of non-metallic particles in the metal matrix occurs. Especially is the formation of an accumulation of non-metallic particles due to density differences of both phases, the metallic one and nonmetallic phase, prevented.
Wird das Pulvergemisch aus Metall- und nichtmetallischen Feststoffpartikeln zu einem Pressling vorverdichtet und der Temperaturbehandlung zugeführt, wird gemäß einer nächsten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens einerseits eine Vereinfachung des Verfahrens aufgrund eines besseren Handlings der Probe in den dem heißisostatischen Pressen vorgelagerten Arbeitsschritten ermöglicht. Andererseits ist die Formänderung während des heißisostatischen Pressens nicht so groß, so dass auf einfache Weise ein porenfreies, vollständig verdichtetes Standardprobenmaterial nach dem heißisostatischen Pressen zur Verfügung gestellt werden kann. Es ist aber auch denkbar, den Pressling erst nach der Temperaturbehandlung des Pulvergemisches in der reduzierenden Atmosphäre herzustellen.Becomes the powder mixture of metal and non-metallic solid particles pre-compressed to a compact and the temperature treatment is fed, is according to a next Embodiment of the method according to the invention on the one hand, a simplification of the procedure for a better one Handling the sample in the hot isostatic pressing upstream Work steps possible. On the other hand, the shape change while of the hot isostatic Pressing not so big, so that in a simple way a pore-free, fully compressed standard sample material after the hot isostatic Presses available can be made. But it is also conceivable, the Pressling only after the temperature treatment of the powder mixture in the reducing the atmosphere manufacture.
Vorzugsweise ist der hergestellte Pressling porös. Während der Temperaturbehandlung in der reduzierenden Atmosphäre kann der Pressling dann durchgast werden, so dass eine hohe Effizienz bei der Beseitigung von nichtmetallischen Fremdatomen aus dem Metallverband gewährleistet wird.Preferably the produced compact is porous. During the temperature treatment in the reducing atmosphere The pellet can then be passed through, giving high efficiency in the removal of non-metallic impurities from the metal dressing guaranteed becomes.
Eine weitere Vereinfachung des Verfahrens wird dadurch erreicht, dass der Pressling in eine Kapsel passgenau eingepresst wird, die mindestens eine Bohrung in der Kapselwandung aufweist. Durch die Kapsel kann der Pressling zur Vorbereitung auf das heißisostatische Pressen einfach evakuiert werden, wobei das Evakuieren des porösen Presslings über die Bohrung erfolgt. Weist der Pressling zusätzlich die Form eines Zylinders auf, kann ein für die spätere Verdichtung gutes Verhältnis zwischen Oberfläche und Volumen bereitgestellt werden. Durch mindestens eine Bohrung im Pressling selbst, welche vorzugsweise zentral angeordnet ist, wird die Durchgasbarkeit und die Oberfläche des Probenmaterials für die reduzierende Atmosphäre vergrößert. Reaktionsprodukte können so effektiv auch aus dem zentralen Bereich des porösen Presslings entfernt werden. Der poröse Pressling kann aber auch jede bekannte Geometrie aufweisen.A Further simplification of the method is achieved in that the pressed compact is pressed into a capsule that fits at least having a bore in the capsule wall. Through the capsule can the pressed to prepare for hot isostatic pressing easy be evacuated, wherein the evacuation of the porous compact over the Bore occurs. In addition, the compact has the shape of a cylinder on, can one for the later consolidation good relationship between surface and Volume to be provided. Through at least one hole in the Pressling itself, which is preferably arranged centrally, is the Durchgasbarkeit and the surface of the sample material for the reducing the atmosphere increased. reaction products can so effective also from the central area of the porous compact be removed. The porous one But compact can also have any known geometry.
Eine möglichst gleichmäßige Verteilung der nichtmetallischen Einschlüsse in der Metallmatrix wird dadurch erreicht, dass das Metallpulver und die nichtmetallischen Feststoffpartikel ähnliche Korngrößen aufweisen. Bevorzugt weisen Metallpulver und Feststoffpartikel identische Korngrößen oder Korngrößenbänder auf.A preferably even distribution non-metallic inclusions in the metal matrix is achieved by the metal powder and the non-metallic solid particles have similar grain sizes. Metal powder and solid particles preferably have identical particle sizes or Grain size bands on.
Gemäß einer nächsten weiter gebildeten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Metallpulver ein Stahlpulver verwendet. Stahl und Stahllegierungen werden häufig spektrometrischen Analysen unterworfen, um die Anzahl und die Verteilung von Einschlüssen im Stahl zu messen. Selbstverständlich kann anstelle eines Stahlpulvers auch ein Pulver einer genau definierten Stahllegierung verwendet werden. Es sind aber auch andere Metalle beispielsweise Aluminium, Kupfer etc. als Werkstoff der Metallmatrix für die Standardproben denkbar.According to one next further formed embodiment the method according to the invention is used as a metal powder, a steel powder. Steel and steel alloys become common subjected to spectrometric analyzes to the number and distribution of inclusions to measure in steel. Of course Instead of a steel powder, a powder of a well-defined Steel alloy can be used. But there are other metals as well For example, aluminum, copper, etc. as a material of the metal matrix for the Standard samples conceivable.
Beispielsweise werden die nichtmetallischen Feststoffpartikel durch ein Pulver aus Aluminiumoxid, Siliziumdioxid, Titandioxid, Titannitrid, Aluminiumnitrid Calciumfluorid, Titancarbid, Niobcarbonitrid, Magnesiumborid und/oder Mangansulfid bereitgestellt, können unterschiedliche nichtmetallische Einschlüsse, beispielsweise Oxide, Nitride, Carbide, Sulfide, Fluoride oder Mischphasen wie z. B. Carbonitride oder Mischoxide wie beispielsweise Spinelle in der metallischen Matrix der Standardprobe, auch in einem Gemisch, erzeugt werden. Damit wird eine möglichst hohe Flexibilität hinsichtlich der Möglichkeiten zur Kalibrierung von Analyseeinrichtungen zur Bestimmung nichtmetallischer Einschlüsse mit erfindungsgemäß hergestellten Standardproben erreicht.For example The non-metallic solid particles are replaced by a powder of alumina, silica, titania, titanium nitride, aluminum nitride Calcium fluoride, titanium carbide, niobium carbonitride, magnesium boride and / or Manganese sulfide provided different non-metallic inclusions, for example oxides, Nitrides, carbides, sulfides, fluorides or mixed phases such. B. carbonitrides or Mixed oxides such as spinels in the metallic matrix the standard sample, also in a mixture. In order to will one possible high flexibility regarding the possibilities for Calibration of analytical equipment for the determination of non-metallic inclusions with inventively prepared Standard samples achieved.
Gemäß einer zweiten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die oben aufgezeigte Aufgabe durch eine Standardprobe für die Kalibrierung von Analyseeinrichtungen zur Bestimmung von nichtmetallischen Einschlüssen in Metallen gelöst, welche nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden ist. Diese weist neben den Einschlüssen der Feststoffpartikel keine unerwünschten Ausscheidungen auf, so dass dessen vorbestimmter Anteil an nichtmetallischen Elementen durch nichtmetallische Einschlüsse in der Metallmatrix bereitgestellt wird. Bezüglich der Vorteile der erfindungsgemäßen Standardprobe wird einerseits auf die Ausführungen im Hinblick auf das erfindungsgemäße Verfahren zu deren Herstellung verwiesen. Zudem weisen die erfindungsgemäßen Standardproben eine erhöhte Lagerstabilität in Bezug auf die Konzentration an den genannten leichten Elementen gegenüber solchen auf, bei denen die Atome dieser leichten Elemente interstitiell im Metallgitter eingelagert sind. Denn das Einlagerungsvermögen auf Zwischengitterplätzen ist in vielen Fällen von der Temperatur und von der Zahl der Versetzungen und anderer Fehler des Gitters abhängig.According to one second teaching of the present invention will be the above Task by a standard sample for calibration of analytical equipment for the determination of nonmetallic inclusions in metals, which according to the method according to the invention has been produced. This shows next to the inclusions of the solid particles no unwanted Excretions on, so that its predetermined proportion of non-metallic Elements provided by non-metallic inclusions in the metal matrix becomes. In terms of the advantages of the standard sample according to the invention on the one hand to the comments in view of the inventive method for their preparation directed. In addition, the standard samples according to the invention have an increased storage stability in relation on the concentration of said light elements over such on which the atoms of these light elements are interstitial embedded in the metal grid. Because the storage capacity on Interstitials is in many cases from the temperature and the number of displacements and others Error of the grid depends.
Zur Kalibrierung von Analyseeinrichtungen zum Nachweis unterschiedlicher nichtmetallischer Elemente eignet sich die Standardprobe gemäß einer weitergebildeten Ausführungsform dann, wenn als nichtmetallische Elemente Sauerstoff, Wasserstoff, Bor, Kohlenstoff, Stickstoff, Phosphor, Fluor und/oder Schwefel in den Einschlüssen enthalten sind. Wie bereits ausgeführt, kann damit eine besonders hohe Flexibilität im Hinblick auf die Kalibrierung von Analyseeinrichtungen zur Bestimmung von nichtmetallischen Einschlüssen in Metallen erzielt werden. Denkbar ist zudem auch, dass andere hier nicht aufgeführte Elemente gezielt in die Einschlüsse eingebracht sind und zur Kalibrierung genutzt werden.to Calibration of analytical equipment to detect different non-metallic elements is the standard sample according to a further developed embodiment when, as non-metallic elements, oxygen, hydrogen, Boron, carbon, nitrogen, phosphorus, fluorine and / or sulfur in the inclusions are included. As already stated, this can be a special high flexibility with regard to the calibration of analytical equipment for determination of non-metallic inclusions be achieved in metals. It is also conceivable that others not listed here Elements targeted into the inclusions are inserted and used for calibration.
Schließlich wird die oben aufgezeigte Aufgabe gemäß einer dritten Lehre der vorliegenden Erfindung durch die Verwendung einer erfindungsgemäßen Standardprobe für die Kalibrierung von Analyseeinrichtungen, insbesondere Analyseeinrichtungen für das Heißextraktionsverfahren, die Glimmentladungsspektrometrie, die Laseremissionsspektrometrie und/oder Funkenemissionsspektrometrie gelöst. Die erfindungsgemäße Standardprobe ist lagerstabil, so dass die Verwendung der erfindungsgemäßen Standardprobe bei der Kalibrierung von Analyseeinrichtungen über einen langen Zeitraum Driftkorrekturen und Rekalibrierungen der Analyseeinrichtungen ermöglicht.Finally will the above task according to a third teaching of the present invention by the use of a Inventive standard sample for the Calibration of analytical equipment, in particular analysis equipment for the hot extraction process, glow discharge spectrometry, laser emission spectrometry and / or spark emission spectrometry. The standard sample according to the invention is storage stable, so that the use of the standard sample according to the invention during the calibration of analyzers over a long period drift corrections and recalibrations of the analyzers.
Es gibt nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Standardprobe und deren Verwendung auszugestalten und weiterzubilden. Hierzu wird verwiesen einerseits auf die den Patentansprüchen 1 und 9 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung. Die Zeichnung zeigt inIt Now there are a lot of ways that inventive method as well as the standard sample according to the invention and to design and develop their use. Reference is made to this on the one hand to the claims 1 and 9 downstream claims, on the other hand, to the description of an embodiment in connection with the drawing. The drawing shows in
Durch
die Temperaturbehandlung in reduzierender Atmosphäre wird
der Sauerstoffanteil in dem Pressling deutlich verringert. Damit
wird erreicht, dass während
des heißisostatischen
Pressens
In
In
Claims (11)
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