Спектральный анализ металла как происходит

Обновлено: 19.05.2024

Со дня открытия «спектрального анализа» вокруг этого термина велось много споров. Сначала физический принцип спектрального анализа подразумевал метод идентификации элементарного состава пробы по наблюдаемому спектру, который возбуждался в каком-нибудь высокотемпературном источнике пламени, искре или дуге.

В дальнейшем под спектральным анализом стали понимать другие методы аналитического изучения и возбуждения спектров:

методы комбинационного рассеяния,
методы поглощения и люминесценции.

В конце концов, были открыты рентгеновские и гамма спектры. Поэтому правильно, говоря о спектральном анализе, подразумевать совокупность всех существующих методов. Однако чаще явление идентификации по спектрам используют, понимая эмиссионные методы.

Способы классификации

Еще один вариант классификации – это разделение на молекулярные (определение молекулярного состава пробы) и элементарные (определение атомарного состава) исследования спектров.

Молекулярный метод основан на изучении спектров поглощения, комбинационного рассеяния и люминесценции; атомарный состав определяется по спектрам возбуждения в горячих источниках (молекулы в основном разрушаются) либо по данным рентгеноспектральных исследований. Но такая классификация не может быть строгой, потому что иногда оба эти метода совпадают.

Классификация методов спектрального анализа

Отталкиваясь от задач, которые решаются вышеописанными методами, изучение по спектрам делят на методы, применяемые для исследования сплавов, газов, руд и минералов, готовых изделий, чистых металлов и т.д. Каждый изучаемый объект обладает своими характерными особенностями и стандартами. Два основных направления анализа спектров:

Что изучается при их проведении, рассмотрим далее.

Диаграмма методов спектрального анализа

Качественный спектральный анализ

Качественный анализ служит для того, чтобы определить из каких элементов состоит анализируемый образец. Необходимо получить спектр пробы, возбужденный в каком-либо источнике, и по обнаруженным спектральным линиям определить каким элементам они принадлежат. Так станет понятно, из чего состоит образец. Сложность качественного анализа – это большое количество спектральных линий на аналитической спектрограмме, расшифровка и идентификация которых слишком трудоемка и не точна.

Количественный спектральный анализ

Метод количественного спектрального анализа основан на том, что интенсивность аналитической линии увеличивается с возрастанием содержания определяемого элемента в пробе. Эта зависимость строится на основе множества факторов, которые сложно численно рассчитать. Поэтому теоретически установить связь между интенсивностью линии и концентрацией элемента практически невозможно.

Поэтому проводятся относительные измерения интенсивностей одной и той же спектральной линии при изменении концентрации определяемого элемента. Так, при неизменности условий возбуждения и регистрации спектров, измеряемая энергия излучения пропорциональна интенсивности. Измерение этой энергии (либо зависящей от нее величины) дает нужную нам эмпирическую связь между измеряемой величиной и концентрацией элемента в пробе.

Спектральный анализ химического состава металлов

Как провести спектральный анализ химического состава металлов?

Самый эффективный способ определения химического состава металлов по оптическим спектрам излучения атомов и ионов анализируемой пробы, возбуждаемых в источнике света.

В качестве источника света для оптико-эмиссионного анализа используется плазма электрической искры или дуги, которую получают с помощью источника возбуждения (генератора). Принцип основан на том, что атомы каждого элемента могут испускать свет определенных длин волн - спектральные линии, причем эти длины волн разные для разных элементов.

Для того чтобы атомы начали испускать свет, их необходимо возбудить электрическим разрядом. Электрический разряд в виде искры в атмосфере аргона способен возбудить большое количество элементов. Достигается высокотемпературная (более 10000 К) плазма, способная возбудить даже такой элемент, как азот.

В искровом штативе между вольфрамовым электродом и исследуемым образцом возникают искры с частотой от 100 до 1000 Гц. Искровой стол имеет световой канал, по которому полученный световой сигнал попадает в оптическую систему. При этом световой канал и искровой штатив продуваются аргоном. Попадание воздуха из окружающей среды в искровой штатив ведет к ухудшению пятна обжига и соответственно к ухудшению качества химического анализа пробы.

Современная оптическая система выполнена по схеме Пашена-Рунге. Спектральное разрешение оптической системы зависит от фокального расстояния, количества штрихов используемой дифракционной решетки, параметра линейной дисперсии и квалифицированном выполнении юстировки всех оптических компонентов. Для покрытия всех необходимых эмиссионных линий достаточно охватывать спектральную область от 140 до 680 нм. Для хорошей видимости спектра оптическая камера должна быть заполнена инертным газом (аргоном высокой частоты) или вакуумирована.

Прибор для спектрального анализа металла - анализатор М5000, В качестве регистрирующих элементов современные анализаторы металлов, оснащаются CCD детекторами (или ФЭУ), которые преобразуют видимый свет в электрический сигнал, регистрируют его и передают на компьютер. На экране монитора мы наблюдаем концентрации элементов в процентах.

Интенсивность спектральной линии анализируемого элемента, помимо концентрации анализируемого элемента, зависит от большого числа различных факторов. По этой причине рассчитать теоретически связь между интенсивностью линии и концентрацией соответствующего элемента невозможно. Вот почему для проведения анализа необходимы стандартные образцы, близкие по составу к анализируемой пробе. Предварительно эти стандартные образцы экспонируются (прожигаются) на приборе. По результатам прожигов для каждого анализируемого элемента строится градуировочный график, зависимость интенсивности спектральной линии элемента от его концентрации. Впоследствии, при проведении анализа проб, по этим градуировочным графикам производится пересчет измеренных интенсивностей в концентрации.

Следует иметь виду, что реально анализу подвергается несколько миллиграммов пробы с ее поверхности. Поэтому для получения правильных результатов проба должна быть однородна по составу и структуре, при этом состав пробы должен быть идентичным составу анализируемого металла. При анализе металла в литейном производстве для отливки проб рекомендуется использовать специальные кокили. При этом форма пробы может быть произвольной. Необходимо лишь, чтобы анализируемый образец имел достаточную поверхность и мог быть зажат в штативе. Для анализа мелких образцов, например прутков или проволоки, используются специальные адаптеры.

Неразрушающий спектральный контроль состава металла изделий

Анализ состава металла традиционными методами аналитической химии основан на способности к взаимодействию с реагентами. Процедура включает подготовку проб, взвешивание, титрование; требует усилий и времени. Сейчас химанализ металла классическим аналитическим исследованием на практике проводится редко. Определение состава, основанное на физических явлениях, проходит быстро и результативно. Так, часто используемый спектральный анализ сплавов имеют следующие достоинства:

• оперативность исполнения: • минимальное количество вспомогательных приспособлений; • максимальная точность значений; • простота осуществления; • возможность проведения в полевых и стационарных условиях.

Достоверный химический анализ металла проводят на современном спектральном оборудовании, регистрирующем интенсивность волн эмиссии. Надежны, удобны в работе, доступны по стоимости эмисcионные спектрометры отечественной марки. Спектральный анализ стали, других материалов имеет высокую точность, используется при сертификации.

Методы химического анализа и металлографических исследований:

Радиографический анализ;
Оптическая микроскопия;
Электронная сканирующая микроскопия (SEM);
Электронно-зондовый рентгеноспектральный микроанализ;
Атомно-силовая микроскопия (AFM);
Атомно-эмиссионная спектрометрия с ИСП (ICP-AES);
Атомно-абсорбционная спектрометрия с ИСП (ICP-AAS);
Масс-спектрометрия с ИСП (ICP-MS);
Рентгенофлуоресцентная спектрометрия (XRF)

Рентгеновский дифракционный анализ (XRD);
УФ спектрометрия (UV);

ИК Фурье-спектрометрия (FTIR);
Фотоколориметрия;
Титриметрический анализ;
Гравиметрический анализ;
Фотометрический анализ;
Ртутная порометрия;
Метод низкотемпературной адсорбции азота;
Пикнометрия;
Фототурбидиметрия;
Метод гидростатического взвешивания;
Седиментационный анализ;
Ситовый анализ;
Электрогравиметрический анализ;
Дифференциальный термический анализ (DTA);
Дилатометрия и т.д.

Подробнее о доставке образцов в лабораторию здесь.

Суть, возможности атомно-эмисcионных измерений

Спектральный анализ металлов основан на способности атомов в результате возбуждения испускать волны. Процесс инициирует искровое, лазерное, дуговое, другие воздействия. Источник возбуждения расположен в генераторе – блоке спектрометра, который при необходимости легко подлежит замене. В эмисcионном анализаторе происходит измерение интенсивности оптических волн, испускаемых атомами после перехода в возбужденное состояние. По длине волны и величине пика на спектре автоматически идентифицируется химический элемент, рассчитывается его концентрация. Атомно-эмисcионная спектроскопия позволяет анализировать вещества в различных агрегатных состояниях. Для измерений требуется минимальное количество материала. Посредством анализа на стационарном или мобильном спектрометре устанавливают марку стали, степень чистоты металлов; делают химанализ металлических сплавов. Приборы могут определять массовые доли элементов с пределом детектирования 0,0001%

Определение химического состава металла

Определение химического состава металла необходимо для установления марки предоставленного на исследование материала. От марки зависят фактические свойства сталей, чугунов и сплавов цветных металлов, предъявляемые к ним нормативные требования и методики испытаний. Говоря об исследовании по установлению фактической марки стали или сплава следует обратить внимание, что определение марки само по себе не дает ответа на вопрос о причинах разрушения или деформации металлического изделия, что является необходимым в 90% случаев проведения судебной металловедческой экспертизы. Само по себе определение марки стали или сплава без других дополнительных исследований (о них пойдет речь далее) может потребоваться только в случае сомнения покупателя металлопродукции в том, что он приобретает металлопродукцию именно из того материала, который заявлен в сертификате качества или который предусмотрен условиями договора поставки. Во всех других случаях результаты определения химического состава марки стали, чугуна или сплава являются только начальными данными, исходя из которых, эксперты определяют какими именно методами и какие именно исследования должны быть проведены дополнительно. Сделать полноценный вывод о причинах разрушения, деформации или быстрого износа металлического изделия (детали) возможно только проведя исследование по определению механических свойств и металлографическое исследование макро- и микроструктуры металла.

Другим распространенным обывательским заблуждением является то, что техническую металловедческую экспертизу причисляют к классу химических экспертиз. В действительности техническое металловедение не имеет ничего общего с химической экспертизой и химией вообще. Материаловедение является технической прикладной наукой изучаемой на инженерных машиностроительных, станкостроительных и т. п. специальностях. В судебной практике металловедческая экспертиза проводится экспертами инженерных специальностей зачастую в рамках инженерно-технологической экспертизы. Единственное, что объединяет химию как науку и металловедческую экспертизу — это общий корень в словосочетании «химический состав металла».

В судебной экспертизе для определения химического состава металла на сегодняшний день применяются спектроскопические методы исследования. Основными, наиболее часто используемыми, в судебной экспертизе являются метод рентгенофлуоресцентного анализа и атомно-эмиссионная спектроскопия. Не вдаваясь в особенности технической реализации того и другого метода можно сказать, что метод атомно-эмиссионной спектроскопии является более точным и более универсальным, что является значимым при исследовании объектов судебной экспертизы. Данный метод представляет собой возбуждение атомов элементов материала, разложение излучения атомов элементов в спектр и измерении сигналов, пропорциональных интенсивности спектральных линий, с последующим определением массовых долей элементов с помощью градуировочной характеристики. Эксперты АНО центр технических экспертиз используют в работе метод атомно-эмиссионного анализа, что позволяет добиться точности определения химического состава металла до одной тысячной процента.

Дополнительные устройства для работы с оптико-эмисcионным оборудованием

Спектральный анализ металлов и сплавов с лазерным инициированием производится в атмосфере особо чистого аргона. Если степень очистки газа неудовлетворительна, его нужно доочищать. Лаборатория спектрального анализа металлов подлежит укомплектованию устройством для дополнительной очистки газов. Агрегат позволяет довести до идеального состояния не только аргон, но и гелий, азот, водород, необходимый для многих спектральных исследований. Для извлечения кислорода из рабочей камеры используются вакуумные насосы. Эффективно работает двухступенчатое пластинчато-роторное оборудование. Существует несколько видов эмисcионных спектрометров, часть их которых производит неразрушающий анализ. Образующийся на поверхности образца очаг эрозии с глубиной несколько микрон не мешает последующей эксплуатации объекта. В других ситуациях пробу нужно предварительно подготовить, для чего понадобятся специальные устройства.

Объекты анализа металлов:

Цветные металлы (медь и медные сплавы, алюминий и алюминиевые сплавы, никель и никелевые сплавы, титановые сплавы, бронзы);
Стали (углеродистые, низколегированные, легированные и высоколегированные, хромоникелевые и хромистые);
Чугуны;
Порошки металлические (никелевые, кобальтовые, медные, бронзовые, железные, окиси алюминия);

Металлургическое сырье;
Платина и платиновые сплавы;
Дисперсные и пористые металлические материалы и изделия из них (в т. ч. платиновые и платино-родиевые катализаторы, сорбенты);
Листовой и сортовой прокат, поковки;
Проволока, прутки;
Сварные и паянные соединения металлов;
Детали машин и оборудования

Рентгено-флуоресцентный спектрометр

Анализ химического состава металла можно проводить с участием рентгеновских лучей. После возбуждения первичными рентгеновскими лучами характеристическое излучение химических элементов образует спектр. Измерение интенсивности флуоресцентных линий дает информацию о концентрации. Существуют стационарные и мобильные спектрометры, которые проводят экспресс измерения образца без разрушения материала. На приборах с рентгено-флуорнсцентрым принципом действия выполняется спектральный анализ сталей, других сплавов, композитов, сложных веществ Таким методом можно узнать концентрацию 45 химических элементов. Маленькие атомы с порядковым номером до 11 после возбуждения флуоресцируют слабо, что мешает их идентификации. Эти элементы можно идентифицировать химически или другими физическими методами. РФА не рекомендован для анализа черных металлов, метод удобен для проведения сортировки лома с учетом ограниченных возможностей идентификации легких элементов Все результаты визуализируются на цветном дисплее, сохраняются в файле приборного компьютера Для расширения диапазона возможностей портативных рентгено-флуоресцентных спектрометров на них устанавливают дополнительные калибровки. Услуга может быть выполнена на заводе-изготовителе за небольшую цену или в сервисных центрах, имеющихся в Москве, других крупных городах.

Принцип метода

Для проведения исследования вещество необходимо испарить, так как свет, излучаемый веществом в газообразном состоянии, определяется химическим составом этого вещества, в отличие от света, излучаемого твердыми телами или жидкостями. Для испарения и возбуждения вещества используют высокотемпературное пламя, различного типа электрические разряды в газах: дуга, искра и т. д.

Высокая температура в разрядах (тысячи и десятки тысяч градусов) приводит к распаду молекул большинства веществ на атомы. Поэтому эмиссионные методы служат, как правило, для атомного анализа и очень редко – молекулярного. Излучение паров вещества складывается из излучения атомов всех элементов. Для исследования необходимо выделить излучение каждого элемента.

Преимущества спектрального анализа металлов и сплавов

Среди различных аналитических (химических, физико-химических и др.) методов изучения химического состава вещества оптический спектральный анализ является одним из самых быстро развивающихся и применяющихся на практике методов анализа.

Круг вопросов, которые решаются методами спектрального анализа, весьма обширен: анализ особо чистых веществ, бездефектный контроль готовых изделий, экспресс-анализ металлургического литья, разведка рудных месторождений, анализ лунного грунта и состава звездного вещества, контроль промышленных и бытовых сточных вод, загрязнения воздушного бассейна и воздушной среды производственных помещений и т.д. В соответствии с этим методы спектрального анализа берут себе на вооружение специалисты самых различных областей знаний: металлурги, химики, биологи, астрономы, работники сельского хозяйства и медицины, физики и др.

Одним из главных достоинств спектрального анализа является его непревзойденно высокая экспрессность. В считанные секунды с помощью простейшего переносного стилометра проводится маркировочный анализ для контроля химического состава поступающего сырья и материалов. Применение квантометра для экспресс-анализа плавки металла, например, в крупных конвертерах, где весь процесс заканчивается за 30 мин, позволяет в течение одной минуты произвести определение 10-12 элементов, что дает возможность своевременно ввести необходимую корректировку в процесс плавки. Подобные примеры подтверждают необходимость знаний основ и методов спектрального анализа современному инженеру.

Основными преимуществами спектроскопии перед другими методами анализа являются:

высокая чувствительность (10-5…10-7 %) — практически чувствительность спектрального анализа всегда выше чувствительности весового химического анализа;
достаточно хорошая точность (3…5 %) — при малых концентрациях точность спектрального анализа превосходит точность химического анализа и может несколько уступать ему при больших концентрациях;
многокомпонентность — методами спектрального анализа возможно одновременное определение 20 и более элементов, в то время как при химическом анализе возможно только раздельное определение каждого элемента, для чего требуется проведение отдельных специфических реакций;
контроль изделий без их разрушений — спектроскопия остается единственным доступным методом анализа крупногабаритных изделий и предметов, не допускающих повреждения их поверхностей;
требование малого количества анализируемого образца — во многих случаях для проведения спектрального анализа достаточно сотых долей грамма исследуемого вещества;
универсальность — практически одни и те же методы спектрального анализа пригодны для определения различных элементов и в самых разнообразных объектах – от природного сырья до живой клетки;
документальность — при фотографическом варианте метода (получение фотопластинки) или при фотоэлектрической регистрации (лента самописца или распечатка) результаты анализа могут храниться длительное время и быть документом, по которому можно многократно произвести проверку правильности и точности анализа.

Наконец, имеется область исследований, не доступная до настоящего времени никаким другим методам анализа, кроме спектрального. Речь идет об изучении состава небесных тел и межзвездного вещества. Спектральный метод анализа имеет в этой области полную монополию.

Применение спектрального анализа

При вторичной переработке спектральный анализ помогает точно рассортировать черный и цветной лом, а так же определить выбраковку, в литейном производстве с помощью него готовая продукция проходит входной и сертификационный контроль, в промышленности – подтверждение качества материалов, поступивших в производство. Для анализа берутся или специально отлитые пробы, аналогичные по составу основному металлов, или анализируется сам металл. За несколько минут можно получить анализ стали и чугунов, медных, алюминиевых, свинцовых и оловянных сплавов, сплавов титана, лигатур, содержание драгоценных металлов.

В зависимости от целей и объемов существуют стационарные лабораторные, мобильные и портативные спектрометры. Последние наиболее популярны в компаниях по скупке металлов, так как имеют небольшой размер, вес, удобную форму «пистолет», высокую производительность — около 1000 тестов в день и точность показаний. Они просты в применении, работают в воздушной и аргонной среде, имеют марочник металлов, а количество идентифицируемых элементов зависит от характеристик и профиля работы организации – есть приборы и с неограниченным количеством.

Портативные анализаторы позволяют определить количество примесей в ювелирном ломе при скупке золота, покупка автомобильных катализаторов, электронного лома, цветных и черных металлов и их дальнейшая переработка также сопровождается спектральным анализом.

Любое литейное и металлообрабатывающее производство не может обойтись без систем контроля своей продукции. Снижение качества поставляемых изделий стало большой проблемой для отечественных предприятий, которые теперь вынуждены закупать требуемые материалы за границей. Именно поэтому важным фактором на производстве является система контроля поставляемой продукции и контроль изделий.

Методы контроля изделий на производстве

Методы химического анализа являются основными при определении состава различных веществ. Современный химический анализ металлов и сплавов является важным этапом экспертизы, которая используется для определения качества продукции и проверки ее соответствия текущим стандартам. Без этой процедуры не проводятся технологические процессы в отрасли производства сталей, она необходима при создании и выпуске новых материалов, а также контроле выпускаемой продукции современными предприятиями. От правильности и точности проведенного анализа будет зависеть качество и надежность будущей продукции, которая производится с использованием металлов и их сплавов.

Однако очень часто возникает необходимость повысить оперативность контроля, а также иметь возможность автоматизировать контроль. В связи с этим были разработаны физико-химические и физические методы определения состава материалов. Среди этих методов одно из главных мест занимает спектральный анализ.

Преимущества метода

Благодаря высокой избирательности, оказывается возможным быстро и с высокой чувствительностью определить химический состав анализируемого материала. Исследовать состав металла по спектру можно без нарушения его пригодности к использованию, т.е. можно проводить неразрушающий контроль образцов. Несмотря на громадное число аналитических методик, предназначенных для исследования различных объектов, все они основаны на общей принципиальной схеме: каждому химическому элементу принадлежит свой спектр.

Благодаря индивидуальности спектров имеется возможность определить химический состав тела. Сравнительная простота и универсальность спектрального анализа сделали метод основным методом контроля состава вещества в металлургии, машиностроении, атомной промышленности. С его помощью определяют химический руд и минералов, особое место в этой области занимает неразрушающий контроль металлов.

Задачи изучения спектров

Точность атомного спектрального анализа зависит, главным образом, от состава и структуры исследуемых объектов. Анализировать состав близких по своей структуре и составу образцов, можно с погрешностью ±1 – 3% по отношению к определяемой величине.

В металлургии и машиностроении спектральный анализ металлов стал в настоящее время основным методом неразрушающего контроля, перед которым ставятся следующие задачи:

Исследование сплавов в процессе плавки с целью получения сплава нужного состава;
Анализ готовых сплавов с целью определения марки сплава (сортировки), либо точное определение его состава или определение содержания вредных примесей;
Контроль качества готовых изделий;
Контроль правильности применения сплавов при монтаже готовых изделий;
Проверка различного рода покрытий;
Иногда необходимо определять распределение примесей и включений в металле.

Области применения

Методы атомного спектрального анализа, качественного и количественного, разработаны значительно лучше, чем молекулярного, и имеют более широкое практическое применение. Атомные спектральные исследования используют для анализа самых разнообразных объектов. Область его применения очень широка: черная и цветная металлургия, машиностроение, геология, химия, биология, астрофизика и многие другие отрасли науки и промышленности.

Область использования молекулярной спектроскопии в основном охватывает анализ органических веществ, хотя применима и для изучения неорганических соединений. Молекулярный анализ спектров внедряется, главным образом, в химической, нефтеперерабатывающей и химико-фармацевтической промышленности.

Приборы наблюдения спектра

Это осуществляется с помощью оптических приборов – спектральных аппаратов. В этих приборах световые лучи с разными длинами волн отделяются пространственно друг от друга, позволяя проводить изучение спектра исследуемого вещества.

Для визуального наблюдения спектра используются приборы:

Читайте также: