X射線熒光光譜分析在競爭車型分析中的應(yīng)用

周昊

（上海大眾汽車有限公司）

X射線熒光光譜分析在競爭車型分析中的應(yīng)用

周昊

（上海大眾汽車有限公司）

使用X射線測試儀可以直接測得金屬材料中的合金成分，將獲知的金屬成分和已知材料成分進(jìn)行比對，可以得知競爭車型中使用的金屬材料情況；用X射線測試儀測試座椅皮革可以快速辨別面料的種類和處理工藝；可以通過測量制動盤表面涂層中鋅和鋁的含量來判斷制動盤的長期防腐能力；也可以通過使用X射線測量儀得知競爭車型車身是否采用鍍鋅鋼板及鍍鋅層厚度。

1 理論基礎(chǔ)

X射線是波長介于0.01～10 nm之間的電磁波，根據(jù)分光方式的不同，X射線熒光分析可分為能量色散和波長色散兩類。能量色散X射線熒光光譜分析儀通過檢測分析X熒光能譜來實現(xiàn)對樣品的檢測，其工作原理為:X射線管產(chǎn)生初級X射線照射樣品，當(dāng)撞擊的電子具有足夠能量時，該電子可將靶原子中最靠近原子核的處于最低能量狀態(tài)的K層電子逐出，在K電子層中出現(xiàn)空穴，使原子處于激發(fā)狀態(tài)，外側(cè)L層電子則進(jìn)入內(nèi)層空穴，多余的能量以X射線形式釋放出來，原子再次恢復(fù)到正常的能量狀態(tài)，產(chǎn)生的即是Kα射線。這種經(jīng)過初級X射線轟擊而產(chǎn)生的X射線稱為亞X射線，又稱為熒光，對應(yīng)其它的躍遷則產(chǎn)生Kβ、Lα、Lβ射線等。根據(jù)X射線的特征和強(qiáng)度，可進(jìn)行定性和定量分析（圖1）。本文采用NITON XL3t 980 X射線熒光分析儀作為測試儀器，以下簡稱X射線測試儀。

2 實際應(yīng)用

2.1 金屬材料分析

在競爭車型分析中，通過使用X射線測試儀可以直接得知金屬材料中的合金成分，將獲知的金屬成分和已知材料進(jìn)行比對，可以得到競爭車型中使用金屬材料的情況。圖2和表1列舉了排氣管熱端的材料合金含量。

表1 排氣管熱端材料合金含量%

2.2 座椅面料辨別

目前大多數(shù)汽車廠家的座椅都采取真皮和人造革混合縫制的方法，在人體能接觸的地方采用真皮，在人體接觸不到的地方采用人造革。在現(xiàn)場辨別真皮和人造革，需要有經(jīng)驗的工程師通過觸感和壓紋來判斷，但這存在一定誤差。而采用X射線測試儀測試座椅皮革可以快速辨別面料的種類和處理工藝:座椅面料為真皮時儀器會檢測出Cr；測試結(jié)果不含Cr則表明是人造革材料。真皮含Cr是因為目前皮革的鞣制劑中普遍使用Cr，隨著技術(shù)進(jìn)步，鞣制劑的成分也會發(fā)生變化，但Cr檢測輔以人工經(jīng)驗判斷仍是一個快速有效的檢測方法，尤其是真皮和人造革并存的座椅。圖3的網(wǎng)格填充區(qū)域反映了某款競爭車型后座椅的真皮面料區(qū)域，非網(wǎng)格填充區(qū)域面料為人造革。表2為座椅面料的判斷標(biāo)準(zhǔn)。

表2 座椅面料辨別

2.3 制動盤防腐分析

鋼材的長效防腐多采用富鋅漆或鋅鋁漆，富鋅漆中Zn含量或鋅鋁漆中Zn和Al含量是衡量長效防腐能力的重要指標(biāo)，可以通過測量制動盤表面涂層中Zn和Al的含量來判斷制動盤的長期防腐能力。用儀器測試制動盤表面，得到Zn的百分比，但該數(shù)值并不是涂層中的Zn含量，需要經(jīng)過換算，將儀器中Zn的百分比讀數(shù)換算成涂層中的Zn含量。圖4是鐵基材表面噴涂保護(hù)層的示意圖，假定涂層為富鋅漆。用X射線測量儀測試零件表面，可以獲知Fe、Zn及其它金屬元素的百分比讀數(shù)。用Mf表示測量范圍內(nèi)Fe的質(zhì)量，MZ表示涂層中Zn的質(zhì)量，MO表示基材及涂層中其它金屬的質(zhì)量，α表示儀器中Zn百分比讀數(shù)，β表示儀器中Fe百分比讀數(shù)，可以得到:

若是鋅鋁漆，將式中的MZ看作Zn和Al的質(zhì)量總和，仍可沿用以上推導(dǎo)及結(jié)果。以上海大眾途安轎車為例，驗證推導(dǎo)公式。已知途安轎車前、后輪均采用盤式制動，制動盤表面采用鋅鋁漆保護(hù)，鋅鋁含量不低于80%。用X射線測試儀測試制動盤表面，并用推導(dǎo)出的公式計算Zn和Al含量，測量數(shù)據(jù)及結(jié)果見表3。

表3 上海大眾途安制動盤防腐能力判斷%

從表3可以看出，計算出的Zn和Al含量與已知產(chǎn)品狀況十分吻合。

2.4 車身鋼板鍍鋅判斷

若用X射線測試儀照射鋼板表面可以得到Zn的百分比讀數(shù)，但并不能表明試件為鍍鋅鋼板。如圖5所示，用測量儀獲得的Zn百分比讀數(shù)是油漆層和鍍鋅層兩處Zn含量的總和，油漆層中含有Zn是因為油漆可以分為非金屬漆和金屬漆，金屬漆中含有Zn，其含量在儀器中得到反映。若能確定油漆層中的Zn含量就可以根據(jù)儀器讀數(shù)間接判斷出是否有鍍鋅層，即是否是鍍鋅鋼板。為了確定金屬漆中Zn含量在X射線測試儀中的讀數(shù)，分別在非鍍鋅鋼板上噴涂非金屬漆和金屬漆，然后對其Zn含量進(jìn)行測試，測試結(jié)果見表4。

表4 油漆層中鋅參考值%

對于零件表面噴涂金屬漆的非鍍鋅鋼板，可以認(rèn)為Zn的儀器測量值在20%～80%及以上的為鍍鋅鋼板，Zn含量在10%以下的為非鍍鋅鋼板（實際測試中尚未發(fā)現(xiàn)Zn含量為10%～20%的結(jié)果）。

2.5 車身鋼板鋅層厚度分析

只考慮一次熒光，用波長為λ的X射線激發(fā)鋼板中的鍍鋅層，應(yīng)用發(fā)射法可以得到鍍鋅層厚度的計算公式:

式中，IT為鍍鋅層厚度為T時的熒光強(qiáng)度；I∞為鍍鋅層厚度為無限厚或飽和厚度時的熒光強(qiáng)度；μS，λ為試樣S對波長為λ的入射光質(zhì)量吸收系數(shù)；μS，λi為試樣S對波長為λi的熒光輻射質(zhì)量吸收系數(shù)；Φ1為入射角；Φ2為出射角；ρ為鍍鋅層質(zhì)量密度。

若不能確定激發(fā)鋅層的X射線波段，則式（1）存在T和μS，λ兩個變量。利用吸收法可以得到T的另一個表達(dá)式:

式中，μS，λj為基材對波長為λj的熒光輻射質(zhì)量吸收系數(shù)；Ij，∞為無限厚度基材中j元素（該元素為Fe）的熒光強(qiáng)度；Ij為鍍鋅層厚度為T時j元素（該元素為Fe）的熒光強(qiáng)度。

根據(jù)式（1）和式（2），可以求得:

根據(jù)求出的μS，λ即可算出鍍鋅層厚度:

式（4）為根據(jù)發(fā)射法求得的鍍鋅層厚度公式，而根據(jù)吸收法同樣可求得鍍鋅層厚度:

式（3）中Φ1和Φ2是儀器的固有參數(shù)，查詢儀器說明書可以獲知；IT、I∞、Ij、Ij，∞為不同鍍層情況下Fe或Zn的熒光強(qiáng)度，用儀器或儀器自帶軟件可以讀出。圖6顯示了無鍍層鋼板Fe的熒光強(qiáng)度Ij，∞和對應(yīng)的特征參數(shù)Kα1=6.404 KeV；μS，λi和μS，λj可根據(jù)基材和熒光強(qiáng)度在圖表中查得（圖7）。需要指出的是，以上推導(dǎo)基于單色激發(fā)，若測試儀使用連續(xù)譜激發(fā)則需選擇X射線過濾器將連續(xù)光譜過濾成單色光譜方可使用上述推導(dǎo)公式。

3 結(jié)束語

采用X射線熒光光譜分析可以解決競爭車型分析中的許多問題，本文就其在金屬材料分析、座椅面料分析、防腐措施、鍍鋅鋼板應(yīng)用及鍍鋅層厚度方面做了初步探討，取得了較為滿意的成果。

1朱小平，杜華，王蔚晨.X熒光光譜分析法在鍍層厚度測量中的應(yīng)用，計量學(xué)報，2008，29:22～26.

2吉昂，陶光儀，卓尚軍，羅立強(qiáng).X射線熒光光譜分析，北京:科學(xué)出版社，2003，1:189～191.

（責(zé)任編輯簾青）

修改稿收到日期為2014年8月1日。

App lication of XRF Spectroscopic Analysis in Com petitor Vehicle Model Analysis

Zhou Hao
（Shanghai Volkswagen Automobile Co.,Ltd）

Using X-ray tester can measure alloy composition in metalmaterials directly,when themeasured metal composition is compared with the known material composition,the metal material composition used in the competitor vehicle model can be obtained;using X-ray tester to test seat leather can quickly distinguish the type and processing technology of seat fabric.The long-term anticorrosion performance of the brake disk can be determined bymeasuring the content of zinc and alloy in the top coat of brake disk,alternatively,X-ray tester can also be used to determine whether galvanized steel sheet is applied in the body of the competitormodel.

X-ray fluorescence,Com petitor vehiclemodel,Zinc plating,Anticorrosion,Seat fabric

X射線熒光競爭車型鍍鋅防腐座椅面料

U462.2

A

1000-3703（2014）09-0024-03