光譜儀器檢測下的銅合金材料分析

鄭龍城

（路達（廈門）工業(yè)有限公司，福建廈門，361022）

0 前言

光譜檢測儀器目前已經(jīng)能夠被普遍運用于檢測各類金屬材料，檢測技術(shù)人員在正確使用操作光譜儀器的前提下，應(yīng)當(dāng)能夠形成完整與科學(xué)的檢測數(shù)據(jù)結(jié)果，并且還能達到節(jié)約檢測實踐操作資源的目標。銅合金材料本身包含較為復(fù)雜的材料元素組成，因此決定了檢測技術(shù)人員必須要全面控制檢測操作過程，運用光譜儀器來測試判斷銅合金中的各種元素比例。檢測技術(shù)人員對于前期的檢測準備操作環(huán)節(jié)應(yīng)當(dāng)給予充分重視，準確記錄檢測金屬材料樣本得到的數(shù)值結(jié)果。

1 直讀光譜儀原理介紹

1.1 光譜分析基本原理

光譜學(xué)是研究電磁輻射和物質(zhì)間相互作用的一門科學(xué)[1]，輻射可以使化學(xué)組分在特定能級間產(chǎn)生躍遷，通過測量電磁輻射的發(fā)射或吸收來進行觀測。電磁輻射具有波的性質(zhì)，式(1)是光子的能量同其波長和頻率之間的關(guān)系：

式中，E為能量，kJ; h為普朗克常量，h=6.626×10-34J.s;ν為頻率，Hz;c為光速，c=3.153×108m/s;λ為波長，um。

在激發(fā)物質(zhì)，對原子厚會有相應(yīng)的光譜產(chǎn)生，而其波長或者頻率固定。對于該元素所發(fā)射的光譜譜線，其強度與自身含量具有密切聯(lián)系。

1.2 直讀光譜儀工作原理

直讀光譜儀器是原子發(fā)射光譜儀器的一種，針對其光譜的產(chǎn)生原理進行分析，主要是試樣當(dāng)中的氣態(tài)原子發(fā)生躍遷，在激發(fā)其外層電子后，其自身可以躍遷到更高的能級。但由于外層電子在高能級原子當(dāng)中的穩(wěn)定性較差，因此當(dāng)該原子躍遷到較低能級時，可以以光輻射形式來發(fā)射出具體能量[2]。

圖1 電子躍遷

對于被測定樣品而言，在受到光源激發(fā)后，其輻射光會通過入射狹縫，進而在光譜儀當(dāng)中進入，并在光柵上照射。通過對光具有的色散作用，可以使其按照具體的波長大小，有效分解成相應(yīng)的光譜線。對于所需波長的光，其在通過狹縫后可以在光電轉(zhuǎn)換器件上照射，并通過該器件有效使光信號向電信號進行轉(zhuǎn)換，最后通過輸出裝置對比標準電信號，以此來有效開展定量分析工作。

2 直讀光譜儀介紹和基本操作

2.1 直讀光譜儀介紹

針對直讀光譜儀進行分析，其儀器結(jié)構(gòu)具體包括光學(xué)、激發(fā)、計算機控制與軟件以及讀出等系統(tǒng)。

圖2 光譜儀組成

在直讀光譜儀當(dāng)中激發(fā)系統(tǒng)作為重要的一項組成部分，可以有效蒸發(fā)分析試樣，為其提供激發(fā)能量。

它的儀器是電火發(fā)激發(fā)光源，電火發(fā)放電是通過兩電極間施加高電壓而產(chǎn)生間歇性的周期性振蕩放電。其中一個電極由待測樣品組成，另一個電極一般由鎢棒制成。由于紫外輻射能透過氬氣，并且氬氣不與電極發(fā)生反應(yīng)，所以通常以氬氣替代空氣充滿火花電極臺，每放電一次，樣品就產(chǎn)生一個新斑點。經(jīng)多次放電，可得到多次測量的平均值，從而可以提高分析信號的精密度。

在光譜儀器當(dāng)中，光學(xué)系統(tǒng)是其核心部件，可以通過色散作用使不同波長的復(fù)合光轉(zhuǎn)變?yōu)閱紊狻６鴮τ诨鸹ㄖ弊x光譜儀的光柵裝置，其基礎(chǔ)裝置為羅蘭圈，可以有效固定凹面光柵、狹縫以及光源。

圖3 光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

讀出系統(tǒng)的核心部件是CCD電荷耦合固體檢測器。CCD是一種新型固體多道光學(xué)檢測器件，其優(yōu)點是具有同時多譜線檢測和借助計算機系統(tǒng)快速處理光譜信息的能力，可極大地提高發(fā)射光譜分析的速度[3]。

2.2 直讀光譜儀基本操作(例MAXx型號)

（1）依次打開外部穩(wěn)壓器電源、儀器后部POWER(電源）開關(guān)、SOURCE(光源）開關(guān)、電腦顯示器、打印機、電腦主機、氬氣開關(guān)（調(diào)至輸出壓力為0.7MPa）。關(guān)機順序和開機順序相反。

（2）儀器工作前狀態(tài)檢測：雙擊Spsrk Analyzer Mx圖標，打開分析軟件，檢查界面下部溫度提示欄背景是否為藍色，是則溫度太低，要讓儀器穩(wěn)定一個小時，等背景藍色消失才可開始工作。將標準樣品重新磨好后，放在火花臺上，按F2激發(fā)，看激光點是否正常，如果不正常，按Ctrl+F沖氣三分鐘，直到標準樣品激發(fā)點正常。

（3）檢查類型標準化數(shù)值是否符合要求,檢查待分析樣品表面是否平整光滑,都檢查沒問題后即可進行正常檢測[4]。

2.3 直讀光譜儀檢測樣品制備

（1）樣品制備工具：鑄造樣品（材質(zhì)硬）采用砂帶機，砂帶或砂盤磨樣機；銅合金樣品（軟性材料：鋁、銅、鋅、鉛等）采用車床或銑床。

（2）樣品表面要求及制樣過程注意事項：表面光潔、平整、紋理清晰一致。澆鑄樣品無夾渣、縮孔、裂紋;制備過程中可能在樣品表面的殘留需去除或表面的回火色、氧化層需去除；用于樣品加工的設(shè)備勿用于其它用途；不同材質(zhì)樣品加工時，更換研磨材料。

2.4 直讀光譜儀工作參數(shù)條件的選擇

（1）光源參數(shù)：直讀光譜儀的準確度和靈敏度與光源條件密切相聯(lián)。在相應(yīng)的光源條件下，相關(guān)電學(xué)參數(shù)可以有效再現(xiàn)分析元素，具體包括電阻電感以及電容等參數(shù)。在調(diào)整光源參數(shù)后，不需要在對工作曲線進行制作時加以選擇。

（2）電極的選擇：在具體選擇直讀光譜儀的電極時，需要對以下內(nèi)容進行充分考慮，具體包括電極間距以及激光電極種類。首先，針對激光電極而言，在選擇時需要確保電極種類的分析結(jié)果，能夠具有較高的分析精密度，而且還需要確保激光電極材料當(dāng)中無分析元素，減小具體的電極侵蝕。在日常分析過程當(dāng)中需要多次進行使用，從而使其分析速度得到提高。而針對單向放電的相關(guān)激光源，在具體放電時其激發(fā)電極容易受到侵蝕問題，所以需要使用鎢棒來作為激發(fā)電極。該類電極通常不容易出現(xiàn)長尖現(xiàn)象，因此在多次使用后，也不需要對電極進行清理。其次，電極間距大小直接影響到分析精度。當(dāng)電極間距過大時，將會降低穩(wěn)定性，增大激發(fā)難度，降低精度。而當(dāng)電極間距相對較小時，雖然激發(fā)難度較小，但在不斷增加放電次數(shù)后，也會增多具體的電極凝聚物質(zhì)，進而對分析精度產(chǎn)生影響。

圖4 鎢電極示意圖

（3）氬氣參數(shù)的選擇：分析間隙的激發(fā)氣分，對直讀光譜儀在分析時的靈敏度與準確度具有直接影響。對于火花室當(dāng)中的空氣，可以有效吸收紫外光，進而減弱譜線強度，降低分析靈敏度。與此同時，在激發(fā)時，由于受到第三元素以及選擇性氧化等帶來的影響，進而降低了分析再現(xiàn)性。所以，需要確保具有合適和穩(wěn)定的氬氣純度與壓力，從而得到滿意的分析結(jié)果。一旦氬氣流量相對較小，則無法將火花室當(dāng)中的空氣有效排出，而且還可能會保留試樣激化所分解的含氧化物，進而導(dǎo)致擴散放電。而當(dāng)氬氣流量相對較大時，將會造成樣品火花跳動，而且還會導(dǎo)致氬氣被浪費。一舨選擇氬氣純度99.99%，氬氣壓力調(diào)到0.7MPa。

圖5 氬氣壓力表示意圖

2.5 激光點好壞判斷

在實際分析銅合金元素時，一旦存在氧，將會導(dǎo)致試樣激發(fā)斑點呈現(xiàn)白色，而且放電中心和邊緣之間沒有明顯分界，這是直讀光譜分析所不希望遇到的情況。如果無氧，相關(guān)激發(fā)斑點的邊緣會呈現(xiàn)出黑色，也被稱之為熊貓眼，而其中心位置則表現(xiàn)出麻點狀，這是濃縮放電過程當(dāng)中試樣表面的一項獨特痕跡，這是直讀光譜分析所期望的情況。

圖6 銅合金激發(fā)點示意圖

3 直讀光譜儀檢測銅合金材料運行前準備工作

直讀光譜儀目前已經(jīng)成為了檢測各類銅合金樣本的關(guān)鍵設(shè)備儀器，檢測技術(shù)人員對于直讀光譜儀必須要進行全面的前期準備處理，確保經(jīng)過嚴格的儀器調(diào)試處理而滿足直讀光譜儀的最佳檢測標準要求。具體在檢測實踐工作中，技術(shù)人員針對直讀光譜的智能化檢測儀器首先需要查看儀器電源是否處于安全連接狀態(tài)，并且對于儀器空間內(nèi)部的氬氣濃度予以準確的判斷[5]。檢測技術(shù)人員必須要確保氬氣充滿整個的光譜儀內(nèi)部空間范圍，然后將適量的清潔水加入到儀器過濾盒內(nèi)部。

直讀光譜檢測儀器本身具備儀器精密程度的嚴格限制要求，檢測技術(shù)人員對于光譜儀器的各個空間區(qū)域都要進行全面的前期清理操作，避免灰塵與雜物殘留在檢測儀器系統(tǒng)內(nèi)部。在多數(shù)的情況下，檢測技術(shù)人員針對銅合金的檢測操作樣本必須要進行嚴格的前期處理操作，確保檢測金屬樣本達到外表光滑的程度。技術(shù)人員對于接通電源后的直讀光譜檢測儀器應(yīng)當(dāng)仔細觀察儀器刻度數(shù)據(jù)，防止檢測儀器內(nèi)部存在氬氣濃度異常的狀態(tài)。

4 保障直讀光譜儀檢測銅合金材料運行的正確性

首先是及時查找與消除儀器設(shè)備的異常運行情況。直讀光譜的金屬樣本檢測專用儀器在經(jīng)過長期的操作使用以后，儀器裝置本身將會產(chǎn)生數(shù)據(jù)檢測誤差。因此，檢測技術(shù)人員針對存在異常的光譜檢測裝置儀器系統(tǒng)需要立即展開全方位的檢測檢修操作，防止表現(xiàn)為儀器設(shè)備的使用異常。技術(shù)人員對于連接電源后的檢測儀器設(shè)備應(yīng)當(dāng)予以嚴格的調(diào)試操作，至少需要確保達到三次以上的儀器調(diào)試次數(shù)。

其次是全面做好檢測設(shè)備儀器的日常維護保養(yǎng)工作。光譜檢測儀具有精密性與自動化特征，因此光譜檢測儀器必須要得到全方位的定期保養(yǎng)維護，防止存在儀器裝置的系統(tǒng)運行失靈后果。檢測技術(shù)人員對于全方位的儀器養(yǎng)護與清潔工作應(yīng)當(dāng)定期予以展開，尤其需要重視清理裝置儀器內(nèi)部的灰塵雜質(zhì)。技術(shù)人員在正式進入金屬檢測的操作環(huán)節(jié)之前，應(yīng)當(dāng)徹底排出儀器內(nèi)部的殘留氣體，以免影響到金屬樣本測試的最終數(shù)據(jù)結(jié)果準確性。

第三是嚴格控制金屬檢測樣本質(zhì)量。銅合金的檢測操作樣本應(yīng)當(dāng)達到最基本的清潔程度標準，檢測技術(shù)人員對于金屬樣本的清潔程度以及樣本采集質(zhì)量都要實施全面嚴格的控制監(jiān)管。銅合金的檢測技術(shù)人員對于金屬樣本的重量、規(guī)格類型以及樣本元素比例等關(guān)鍵參數(shù)指標應(yīng)當(dāng)進行準確的記錄，避免發(fā)生金屬樣本檢測數(shù)據(jù)的失真后果。技術(shù)人員對于即將投入使用的光譜檢測儀器需要做好前期的調(diào)試與激發(fā)工作，確保達到三次的儀器激發(fā)處理次數(shù)。

5 直讀光譜儀檢測銅合金材料分析應(yīng)用

直讀光譜儀可同時測定銅、鉛、鐵、錫、鋁、鎳、鎂、錳、鉍、鎘、鉻等金屬元素和C、P、S等非金屬元素，可有效地用于爐前快速分析的儀器。工程技術(shù)人員借助直讀光譜儀精準檢測對銅合金材料元素的組成部分進行準確的分析[6]，其中鉍元素在合金中的作用是改善切削性能，增加冷、熱脆性，降低塑性和韌性；錳元素在合金中的作用是提高強度、耐蝕性，增大應(yīng)力腐蝕傾向；鐵元素在合金中的作用是細化晶粒，提高強度、韌性、降低流動性；鎳元素在合金中的作用是擴大ɑ相區(qū)，細化晶粒，提高強度、塑性、耐蝕性和熱強性；硅元素在合金中的作用是縮小ɑ相區(qū)，提高耐磨性、耐腐蝕性和流動性，減小應(yīng)力腐蝕傾向；鋁元素在合金中的作用是縮小ɑ相區(qū)，提高強硬度和流動性、耐腐蝕性，降低塑性，促進脫氧；鎂元素在合金中的作用是減輕晶粒間腐蝕，提高強度，硬度，但顯著降低塑性，增加熱裂，冷裂傾向；磷元素在合金中的作用是促進脫氧，提高流動性，改善焊接性和耐腐蝕性；硼元素在合金中的作用是細化晶粒，促進脫氧，提高抗脫鋅腐蝕性。但以上元素在熔煉銅合金材料生產(chǎn)中也不能超出標準值，否則造成產(chǎn)品裂紋等其它缺陷。例如實際生產(chǎn)中銅合金棒拋光表面疑似裂紋的條狀缺陷，經(jīng)掃描電子顯微鏡試樣分析主要組成元素均為B、Fe、Mn的化合物，結(jié)果是銅合金材料在熔煉生產(chǎn)過程中某元素過量且沒有充分熔解均勻，導(dǎo)致出現(xiàn)夾雜聚集分布。還有砷銅合金材料中，合理控制銅、砷元素含量對產(chǎn)品可以很好控制抗脫鋅。

綜上所述，銅合金材料應(yīng)用于衛(wèi)浴龍頭產(chǎn)品需經(jīng)過直讀光譜儀精準檢測所需元素控制的標準值，才可確保產(chǎn)品質(zhì)量。

6 結(jié)束語

對于銅合金材料展開全面檢測的操作實施過程不可缺少光譜檢測儀器作為保障。光譜檢測儀器能夠有效消除檢測各類銅合金中存在的數(shù)據(jù)誤差情況，充分確保了檢測金屬材料的精準性。具體在檢測銅合金的實踐運用過程中，檢測技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)全面掌握直讀光譜儀操作的使用、控制容器壓力值以及容器密封性等因素，確保將檢測金屬材料的數(shù)據(jù)誤差控制在最小范圍內(nèi)。