多種金屬材料材質檢測方法研討

鄭兵兵，趙妍麗

（中航光電科技股份有限公司，河南洛陽 471000）

引言

金屬材料在工業生產中具有廣泛的應用，其材質直接決定了產品的整體質量水平，如金屬材料成分直接影響到電子電器產品中各零部件在產品的重要性能[1-3]。對金屬材料進行材質檢測是保證產品質量必不可少的一步，是產品上市前的重要防線。針對樣品組成、成分含量的檢測，從分類角度和檢測目的不同，可將檢測技術分為不同的類別。文獻[4,5]對若干金屬材料的檢測方法進行了總結，對實際生產應用中檢測方法的選擇具有借鑒價值。通常可按照檢測手段不同將檢測方法分為物理檢測和化學檢測，化學檢測主要為對金屬試樣中的化學成分進行分析。根據采取的技術手段不同，化學檢測技術主要包括化學分析和儀器分析。其中，化學分析以物質間的化學反應為基礎，該方法通過化學反應方程式的化學計量數進行計算得到元素的含量[6-9]。儀器分析是利用特定的儀器，對樣品進行定性分析、定量分析和形態分析。常采用的分析儀器包括X 射線熒光光譜儀、電感耦合等離子體光源(ΙCP-OES)儀器、電感耦合等離子質譜分析儀、紅外碳硫儀及氮氧分析儀等[10-14]。

為保證產品質量和提升檢測效率，必須對金屬材料材質進行嚴格把控，需要采取科學的技術方法檢測材料材質。從目前的文獻資料可以看出，不同產品金屬材料檢測方法的側重點也不一樣。由于各檢測方法都有不同的優缺點，單一的檢測技術難以勝任所有材料的檢測。為此需要探討對各種金屬材料進行可靠、準確、高效的檢測方法，在確保產品質量要求的前提下，綜合運用現有的完備檢測設備及手段，詳細介紹了一套能夠對不同類型待測金屬進行材質判斷和成分分析的檢測流程。

1 材料分類

金屬材料指金屬元素或以金屬元素為主構成的具有金屬特性的材料的統稱，實際產品零件按照金屬材料屬性一般用于針孔件、殼體件和結構件類零件。圖1為各類型金屬材料的主要類別。

圖1 金屬材料分類

金屬材料分為金屬原材料和帶鍍層金屬材料兩大類。其中金屬原材料按照行業內分類方法可分為黑色金屬和有色金屬。黑色金屬主要包括不銹鋼、結構鋼、碳素鋼、合金鋼、鑄鐵等。當前常用的黑色金屬有普通碳鋼和不銹鋼兩種。有色金屬包含銅合金、鋁合金、錫合金、鎂合金、鎳合金、鋅合金等。帶鍍層金屬材料一般為金屬原材料通過表處理在其表面電鍍一種或多種金屬。

2 金屬材料材質檢測方法

2.1 X熒光分析原理

X 射線由倫琴于1895 年發現，其后經過人們多年的研究，在冶金、地質、建材、生物及環境等領域得到了實際應用，帶來了重大的工業價值。X 熒光分析中激發X 射線的方式一般有3種，分別為：①用質子、α 粒子或其他離子激發；②用電子激發；③用X 射線或低能γ 射線激發。輕便型儀器通常用放射性同位素和X光管作激發源。X光管通過加熱陰極K發出的熱電子在陰、陽極間高壓電場加速下，轟擊陽極A 產生X 射線。材質檢測中，通過測量特征X射線能譜，即可確定所測樣品中元素種類和含量。

2.2 ΙCP分析原理

由于各種元素原子結構的不同，在光源的激發作用下，可以產生許多按一定波長次序排列的譜線組——特征譜線，其波長是由每種元素的原子性質決定的。通過檢查譜片上有無特征譜線的出現來確定該元素是否存在，稱為光譜定性分析。在光譜分析中，常采用內標法來消除工作條件變化對測定結果的影響，檢測標準物質作標準曲線確定待測樣品的各元素含量[15,16]。

2.3 碳硫分析原理

碳硫分析原理主要是向加入助熔劑的被測樣品通氧，在感應爐高溫作用下樣品熔化，樣品中的碳轉化為CO2，硫轉化為SO2。CO2和SO2為極性分子，具有永久電偶極矩，因而具有振動、轉動等結構。按量子力學分成分裂的能級，可與入射的特征波長紅外輻射耦合產生吸收，并通過郎伯-比爾定律來分析CO2和SO2的濃度。儀器用氧氣做載氣將待測氣體帶出，以無水過氯酸鎂除去H2O，以濾塵器除去塵埃，SO2用紅外檢測器檢測硫含量，之后待測氣體經鉑硅膠將SO2轉化為SO3，SO3被纖維素吸收，剩下的CO2用紅外檢測器定碳，得到元素的百分含量[17]。黑色金屬材料的碳硫檢測是金屬材料材質檢測中的一項重要檢測項目。

2.4 金屬材料檢測儀器介紹

2.4.1 ΙCP檢測儀

原子發射光譜儀能夠將復色光分解為光譜并進行記錄。早期的光譜檢測一般用照相法記錄可見光和紫外光區域的光譜，也稱攝譜儀；在紅外區域，一般用光敏或熱敏元件逐點記錄，稱為紅外分光計。利用光譜儀，能夠在各個波段均采用光電接收和記錄。為了得到更多的光譜線，可以把被分析物質放在等離子體火焰中激發，在光譜儀中除采用光電接收方法外，還配有專用計算機來計算物質中各元素含量，利用該設備能夠實現直接、快速的波段檢測。但是檢測制樣過程復雜，檢測時間較長，平均時間約為1 h/批次，且需要具備相應的標準樣品建立標準曲線。本研究使用的儀器為PE 公司生產的型號為Optima 2100DV 型ΙCP-OES，可準確檢測大多數常見金屬及Al、Si、P等元素。

2.4.2 X熒光分析儀

該儀器可以根據各元素的特征X 射線的強度，測定元素含量。具有分析速度快，分析精密度高，制樣簡單，重現性好，X射線熒光光譜跟樣品的化學結構狀態無關等優點。但是檢測結果受相互元素干擾和疊加峰影響，檢測數據準確性比ΙCP-OES 較低，并且由于能量較低，不能檢測到某些輕元素（C、S、Al、Si、P 等），故無法準確檢測材料各元素成分含量。本研究使用的儀器為Thermo Fisher 公司生產的型號為XL3t700S型X 熒光分析儀，可30 s內快速檢測出金屬元素含量，根據金屬元素的含量可方便快速判斷出金屬材料是否符合相應的材質牌號。

2.4.3 碳硫分析儀

該儀器檢測系統具有靈敏度高、性能穩定、分析結果準確可靠、測量范圍寬及用途廣等優點，通過該設備可以快速地分析不銹鋼、結構鋼、碳素鋼、鑄鐵、銅、合金等材料中碳和硫的含量。在分析過程中，儀器能夠實時顯示樣品分析的燃燒釋放曲線。本研究使用的儀器型號為CS878A 型紅外碳硫分析儀，可檢測黑色金屬中碳含量范圍為0.001%～2%,硫含量范圍為0.000 1%～1%。

3 材料檢測方法

根據檢測目的不同可將材料檢測分為材質判斷和成分分析兩種用途。材質判斷要求快速確定材質類型和具體牌號，對精度要求不高；成分分析要求對材料進行準確檢測，精度高但耗時較長。為實現對不同類型金屬材料材質的判斷和準確檢測，本文結合上述檢測需求的實際情況，通過考慮各檢測儀器檢測方法的優缺點，規劃設計了相應的不同類型金屬材料材質檢測流程。帶鍍層材料需先將表面鍍層去除后方可檢測。無論對于已知還是未知材料均可先使用X 熒光分析儀快速進行材質判斷，再考慮成分分析。

3.1 金屬材料材質判斷

金屬材料材質判斷一般是使用X 熒光分析儀對企業生產過程中金屬原材料加工的零件、金屬標準件及未知金屬材料的篩選確認等初步判定等工作，其對檢測數值精度要求不高，可以快速定性，判斷來料樣品是否符合某種材料牌號要求，防止錯混料情況。

3.2 金屬材料成分分析

金屬材料成分分析即對組成材料的元素成分含量進行精確測定，主要針對入廠原材料、新研發未知物料確認和問題分析等項目，對檢測精度要求較高。依據相關國家標準對成分含量的規定，通過總結歸納，將企業生產的若干典型金屬材料的檢測方法列入表1。

表1 典型金屬材料檢測方法

4 檢測實例

4.1 快速檢測已知樣品材質是否為某牌號材料

使用X 熒光分析儀可快速檢測金屬材料是否符合022Cr17N12Mo2。按照GB/T1220-2007 對不銹鋼的成分要求：主要元素Cr（16.0%～18.0%）、Ni（10.0%～14.0%）、Mo（2.0%～3.0%）、Mn≤2.0%。各主要元素均符合該牌號成分要求，故可以判斷該材料材質符合022Cr17N12Mo2要求。

4.2 對未知材料進行材質判斷

使用X 熒光分析儀檢測未知材料材質，主要元素為Cu、Zn、Pb，元素含量均符合GB/T 5231—2001中HPb59-1 的主要成分要求范圍（Cu：57%～59%、Zn 余量、Pb：0.8%～1.9%），故可以判定其材質為鉛黃銅HPb59-1。

4.3 分析金屬材料成分

當金屬材料需要進行成分分析時，首先使用X熒光分析儀確定其材料牌號，再使用ΙCP 或紅外碳硫分析儀分析待測樣品材料元素成分。

5 結論

按照上述檢測方法和檢測流程，可提高材料檢測的準確性，保證檢測流程的高效執行。