光譜儀器檢測(cè)下的銅合金材料分析

鄭龍城

（路達(dá)（廈門）工業(yè)有限公司，福建廈門，361022）

0 前言

光譜檢測(cè)儀器目前已經(jīng)能夠被普遍運(yùn)用于檢測(cè)各類金屬材料，檢測(cè)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(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果，并且還能達(dá)到節(jié)約檢測(cè)實(shí)踐操作資源的目標(biāo)。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(cè)技術(shù)人員必須要全面控制檢測(cè)操作過(guò)程，運(yùn)用光譜儀器來(lái)測(cè)試判斷銅合金中的各種元素比例。檢測(cè)技術(shù)人員對(duì)于前期的檢測(cè)準(zhǔn)備操作環(huán)節(jié)應(yīng)當(dāng)給予充分重視，準(zhǔn)確記錄檢測(cè)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(jí)間產(chǎn)生躍遷，通過(guò)測(cè)量電磁輻射的發(fā)射或吸收來(lái)進(jìn)行觀測(cè)。電磁輻射具有波的性質(zhì)，式(1)是光子的能量同其波長(zhǎng)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(zhǎng)，um。

在激發(fā)物質(zhì)，對(duì)原子厚會(huì)有相應(yīng)的光譜產(chǎn)生，而其波長(zhǎng)或者頻率固定。對(duì)于該元素所發(fā)射的光譜譜線，其強(qiáng)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(duì)其光譜的產(chǎn)生原理進(jìn)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(jí)。但由于外層電子在高能級(jí)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(jí)時(shí)，可以以光輻射形式來(lái)發(fā)射出具體能量[2]。

圖1 電子躍遷

對(duì)于被測(cè)定樣品而言，在受到光源激發(fā)后，其輻射光會(huì)通過(guò)入射狹縫，進(jìn)而在光譜儀當(dāng)中進(jìn)入，并在光柵上照射。通過(guò)對(duì)光具有的色散作用，可以使其按照具體的波長(zhǎng)大小，有效分解成相應(yīng)的光譜線。對(duì)于所需波長(zhǎng)的光，其在通過(guò)狹縫后可以在光電轉(zhuǎn)換器件上照射，并通過(guò)該器件有效使光信號(hào)向電信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，最后通過(guò)輸出裝置對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，以此來(lái)有效開(kāi)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(duì)直讀光譜儀進(jìn)行分析，其儀器結(jié)構(gòu)具體包括光學(xué)、激發(fā)、計(jì)算機(jī)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(xiàng)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(guò)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(gè)電極由待測(cè)樣品組成，另一個(gè)電極一般由鎢棒制成。由于紫外輻射能透過(guò)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(tái)，每放電一次，樣品就產(chǎn)生一個(gè)新斑點(diǎn)。經(jīng)多次放電，可得到多次測(cè)量的平均值，從而可以提高分析信號(hào)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(guò)色散作用使不同波長(zhǎng)的復(fù)合光轉(zhuǎn)變?yōu)閱紊狻６鴮?duì)于火花直讀光譜儀的光柵裝置，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(cè)器。CCD是一種新型固體多道光學(xué)檢測(cè)器件，其優(yōu)點(diǎn)是具有同時(shí)多譜線檢測(cè)和借助計(jì)算機(jī)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(hào))

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

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

（3）檢查類型標(biāo)準(zhǔn)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(méi)問(wèn)題后即可進(jìn)行正常檢測(cè)[4]。

2.3 直讀光譜儀檢測(cè)樣品制備

（1）樣品制備工具：鑄造樣品（材質(zhì)硬）采用砂帶機(jī)，砂帶或砂盤磨樣機(jī)；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(guò)程注意事項(xiàng)：表面光潔、平整、紋理清晰一致。澆鑄樣品無(wú)夾渣、縮孔、裂紋;制備過(guò)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(shí)，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(zhǔn)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(duì)工作曲線進(jìn)行制作時(shí)加以選擇。

（2）電極的選擇：在具體選擇直讀光譜儀的電極時(shí)，需要對(duì)以下內(nèi)容進(jìn)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(duì)激光電極而言，在選擇時(shí)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(wú)分析元素，減小具體的電極侵蝕。在日常分析過(guò)程當(dāng)中需要多次進(jìn)行使用，從而使其分析速度得到提高。而針對(duì)單向放電的相關(guān)激光源，在具體放電時(shí)其激發(fā)電極容易受到侵蝕問(wèn)題，所以需要使用鎢棒來(lái)作為激發(fā)電極。該類電極通常不容易出現(xiàn)長(zhǎng)尖現(xiàn)象，因此在多次使用后，也不需要對(duì)電極進(jìn)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(guò)大時(shí)，將會(huì)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(duì)較小時(shí)，雖然激發(fā)難度較小，但在不斷增加放電次數(shù)后，也會(huì)增多具體的電極凝聚物質(zhì)，進(jìn)而對(duì)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(duì)直讀光譜儀在分析時(shí)的靈敏度與準(zhǔn)確度具有直接影響。對(duì)于火花室當(dāng)中的空氣，可以有效吸收紫外光，進(jìn)而減弱譜線強(qiáng)度，降低分析靈敏度。與此同時(shí)，在激發(fā)時(shí)，由于受到第三元素以及選擇性氧化等帶來(lái)的影響，進(jìn)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(duì)較小，則無(wú)法將火花室當(dāng)中的空氣有效排出，而且還可能會(huì)保留試樣激化所分解的含氧化物，進(jìn)而導(dǎo)致擴(kuò)散放電。而當(dāng)氬氣流量相對(duì)較大時(shí)，將會(huì)造成樣品火花跳動(dòng)，而且還會(huì)導(dǎo)致氬氣被浪費(fèi)。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(diǎn)好壞判斷

在實(shí)際分析銅合金元素時(shí)，一旦存在氧，將會(huì)導(dǎo)致試樣激發(fā)斑點(diǎn)呈現(xiàn)白色，而且放電中心和邊緣之間沒(méi)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(wú)氧，相關(guān)激發(fā)斑點(diǎn)的邊緣會(huì)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(diǎn)狀，這是濃縮放電過(guò)程當(dāng)中試樣表面的一項(xiàng)獨(dú)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(diǎn)示意圖

3 直讀光譜儀檢測(cè)銅合金材料運(yùn)行前準(zhǔn)備工作

直讀光譜儀目前已經(jīng)成為了檢測(cè)各類銅合金樣本的關(guān)鍵設(shè)備儀器，檢測(cè)技術(shù)人員對(duì)于直讀光譜儀必須要進(jìn)行全面的前期準(zhǔn)備處理，確保經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的儀器調(diào)試處理而滿足直讀光譜儀的最佳檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)要求。具體在檢測(cè)實(shí)踐工作中，技術(shù)人員針對(duì)直讀光譜的智能化檢測(cè)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(duì)于儀器空間內(nèi)部的氬氣濃度予以準(zhǔn)確的判斷[5]。檢測(cè)技術(shù)人員必須要確保氬氣充滿整個(gè)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(guò)濾盒內(nèi)部。

直讀光譜檢測(cè)儀器本身具備儀器精密程度的嚴(yán)格限制要求，檢測(cè)技術(shù)人員對(duì)于光譜儀器的各個(gè)空間區(qū)域都要進(jìn)行全面的前期清理操作，避免灰塵與雜物殘留在檢測(cè)儀器系統(tǒng)內(nèi)部。在多數(shù)的情況下，檢測(cè)技術(shù)人員針對(duì)銅合金的檢測(cè)操作樣本必須要進(jìn)行嚴(yán)格的前期處理操作，確保檢測(cè)金屬樣本達(dá)到外表光滑的程度。技術(shù)人員對(duì)于接通電源后的直讀光譜檢測(cè)儀器應(yīng)當(dāng)仔細(xì)觀察儀器刻度數(shù)據(jù)，防止檢測(cè)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(cè)銅合金材料運(yùn)行的正確性

首先是及時(shí)查找與消除儀器設(shè)備的異常運(yùn)行情況。直讀光譜的金屬樣本檢測(cè)專用儀器在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的操作使用以后，儀器裝置本身將會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)檢測(cè)誤差。因此，檢測(cè)技術(shù)人員針對(duì)存在異常的光譜檢測(cè)裝置儀器系統(tǒng)需要立即展開(kāi)全方位的檢測(cè)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(duì)于連接電源后的檢測(cè)儀器設(shè)備應(yīng)當(dāng)予以嚴(yán)格的調(diào)試操作，至少需要確保達(dá)到三次以上的儀器調(diào)試次數(shù)。

其次是全面做好檢測(cè)設(shè)備儀器的日常維護(hù)保養(yǎng)工作。光譜檢測(cè)儀具有精密性與自動(dòng)化特征，因此光譜檢測(cè)儀器必須要得到全方位的定期保養(yǎng)維護(hù)，防止存在儀器裝置的系統(tǒng)運(yùn)行失靈后果。檢測(cè)技術(shù)人員對(duì)于全方位的儀器養(yǎng)護(hù)與清潔工作應(yīng)當(dāng)定期予以展開(kāi)，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(jìn)入金屬檢測(cè)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(cè)試的最終數(shù)據(jù)結(jié)果準(zhǔn)確性。

第三是嚴(yán)格控制金屬檢測(cè)樣本質(zhì)量。銅合金的檢測(cè)操作樣本應(yīng)當(dāng)達(dá)到最基本的清潔程度標(biāo)準(zhǔn)，檢測(cè)技術(shù)人員對(duì)于金屬樣本的清潔程度以及樣本采集質(zhì)量都要實(shí)施全面嚴(yán)格的控制監(jiān)管。銅合金的檢測(cè)技術(shù)人員對(duì)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(biāo)應(yīng)當(dāng)進(jìn)行準(zhǔn)確的記錄，避免發(fā)生金屬樣本檢測(cè)數(shù)據(jù)的失真后果。技術(shù)人員對(duì)于即將投入使用的光譜檢測(cè)儀器需要做好前期的調(diào)試與激發(fā)工作，確保達(dá)到三次的儀器激發(fā)處理次數(shù)。

5 直讀光譜儀檢測(cè)銅合金材料分析應(yīng)用

直讀光譜儀可同時(shí)測(cè)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(zhǔn)檢測(cè)對(duì)銅合金材料元素的組成部分進(jìn)行準(zhǔn)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(qiáng)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(xì)化晶粒，提高強(qiáng)度、韌性、降低流動(dòng)性；鎳元素在合金中的作用是擴(kuò)大ɑ相區(qū)，細(xì)化晶粒，提高強(qiáng)度、塑性、耐蝕性和熱強(qiáng)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(dòng)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(qiáng)硬度和流動(dòng)性、耐腐蝕性，降低塑性，促進(jìn)脫氧；鎂元素在合金中的作用是減輕晶粒間腐蝕，提高強(qiáng)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(jìn)脫氧，提高流動(dòng)性，改善焊接性和耐腐蝕性；硼元素在合金中的作用是細(xì)化晶粒，促進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)值，否則造成產(chǎn)品裂紋等其它缺陷。例如實(shí)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(guò)程中某元素過(guò)量且沒(méi)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(duì)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(guò)直讀光譜儀精準(zhǔn)檢測(cè)所需元素控制的標(biāo)準(zhǔn)值，才可確保產(chǎn)品質(zhì)量。

6 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于銅合金材料展開(kāi)全面檢測(cè)的操作實(shí)施過(guò)程不可缺少光譜檢測(cè)儀器作為保障。光譜檢測(cè)儀器能夠有效消除檢測(cè)各類銅合金中存在的數(shù)據(jù)誤差情況，充分確保了檢測(cè)金屬材料的精準(zhǔn)性。具體在檢測(cè)銅合金的實(shí)踐運(yùn)用過(guò)程中，檢測(cè)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(cè)金屬材料的數(shù)據(jù)誤差控制在最小范圍內(nèi)。