便攜式手持光譜儀在鑄件成分測(cè)量上的應(yīng)用

周學(xué)峰，高 陽(yáng)

（共享鑄鋼有限公司，寧夏銀川 750021）

鑄鐵是碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞2%的鐵碳合金，是由鑄造生鐵（部分煉鋼生鐵）在爐中重新熔化，并加進(jìn)鐵合金、廢鋼、回爐鐵調(diào)整成分而成。鑄鐵具有優(yōu)良的鑄造性，可制成復(fù)雜零件，一般均有良好的可切削性，另外其耐磨性和防震性也較好。不同的鑄件在后序裝機(jī)運(yùn)行中所處環(huán)境不同，所以對(duì)材料的強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性以及焊接性能、切削性能等均有不同的要求，而影響這些性能的主要因素就是材料的成分；另外對(duì)于鑄件缺陷返修后成型焊縫的質(zhì)量監(jiān)控也是重點(diǎn)之一，所以對(duì)鑄件成分的測(cè)量成為對(duì)鑄件質(zhì)量控制的重中之重。對(duì)材料成分的測(cè)量從原始的碳、硫兩種元素測(cè)量的碳硫分析儀，到后來(lái)的大型直讀光譜檢測(cè)，再到目前市場(chǎng)推廣的各類便攜手持式光譜儀，測(cè)量設(shè)備的性能與測(cè)試方法逐步趨于成熟。本文針對(duì)便攜手持式光譜儀對(duì)鑄件成分的測(cè)量進(jìn)行了歸納整理，便于相關(guān)參考應(yīng)用。

1 測(cè)試設(shè)備介紹

公司目前使用的是美國(guó)Niton公司生產(chǎn)的XL898系列光譜儀，該系列設(shè)備主要用于機(jī)械制造行業(yè)。

激發(fā)源：高性能微型 X射線管，Ag靶，45 kV/100 μA最大。

探測(cè)器：高性能Si PIN探測(cè)器GOLDD技術(shù)（高性能SDD探測(cè)器結(jié)合最優(yōu)化幾何設(shè)計(jì)）。

顯示器：帶背光的視頻圖形陣列（VGA）觸摸屏LCD，顯示分析時(shí)間，合金牌號(hào)，成分質(zhì)量百分?jǐn)?shù)和分析誤差值。

分析范圍：從22號(hào)元素鈦（Ti）到83號(hào)元素鉍（Bi）中，23個(gè)標(biāo)準(zhǔn)合金成分元素，如表1所示。選配充氦裝置可以分析 Mg、Al、Si、P.非標(biāo)準(zhǔn)元素亦可分析，需根據(jù)具體情況協(xié)商確定。

應(yīng)用范圍：各種高低合金鋼、不銹鋼、工具鋼、鉻/鉬鋼、鎳合金、鈷合金、鎳/鈷耐熱合金、鈦合金、銅合金、青銅、鋅合金、鎢合金等；可通過(guò)對(duì)其他合金元素的測(cè)定，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋁、鎂輕合金的牌號(hào)鑒定。

顯示結(jié)果：測(cè)試結(jié)果顯示主要元素的成分含量，顯示單位可設(shè)置為質(zhì)量百分?jǐn)?shù)和PPM（百萬(wàn)分之一）；儀器顯示的分析誤差為±2δ，即為95%的置信區(qū)間。

表1 可分析元素明細(xì)

2 測(cè)試要求

2.1環(huán)境要求

手持式光譜儀在使用的時(shí)候，對(duì)于環(huán)境有一定的要求，濕度0～20%，如樣品潮濕，則測(cè)量結(jié)果一般會(huì)偏低。測(cè)量時(shí)不能隔著紙袋或是普通塑料采樣袋進(jìn)行。當(dāng)樣品濕度低于20%時(shí)，對(duì)含量偏低的影響可以忽略（濕度20%的概念就是用手指捻樣品時(shí)，樣品不會(huì)有粘在一起的小片狀物出現(xiàn)）。溫度為常溫，避免各類磁場(chǎng)干擾，如此儀器分析的時(shí)候才能測(cè)出更精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。

2.2 檢測(cè)表面要求

樣品厚度要達(dá)到1 cm以上，能夠覆蓋窗口。一定要將被測(cè)鑄件表面的氧化層、銹蝕層打磨掉，被測(cè)物品的表面必須光滑，整潔，檢測(cè)試樣表面無(wú)銹跡、油漬、氧化皮、灰塵等影響檢測(cè)的雜質(zhì)，試樣不能有偏析、裂紋、氣孔等缺陷，試樣要有一定的代表性。如此才能保證檢測(cè)的精度。

3 測(cè)試過(guò)程

3.1 測(cè)試區(qū)域確定

確定待測(cè)試區(qū)域，按照2.2要求處理檢測(cè)表面，保證測(cè)試精度。

應(yīng)用描述：焊材材質(zhì)的復(fù)檢驗(yàn)收、鐵屑、鋼屑、試塊材質(zhì)確認(rèn)（如圖1和圖2），礦石分選、礦石品位鑒定、金屬冶煉以及各種焊接管件牌號(hào)確認(rèn)等領(lǐng)域。

3.2 測(cè)試分析模式選定

根據(jù)測(cè)試材料的不同，選定合適的分析模式。在主菜單選擇“樣品類型”，共有5個(gè)選擇測(cè)試樣品：金屬，塑料，土壤，礦石，消費(fèi)品，指紋光譜。

金屬模式：適用于金屬物品。塑料模式：適用于測(cè)試所有非金屬物質(zhì)。土壤&礦石模式：適用于測(cè)試土壤和礦石中的金屬。土壤模式：適用于所含分析元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于1%的情況。礦石模式：適用于所含分析元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于1%的情況。

注意：所謂的土壤、礦石，與樣品的外在形態(tài)無(wú)關(guān)，只與所關(guān)注元素的含量范圍有關(guān)。某些低含量元素只能使用土壤模式測(cè)量。當(dāng)樣品中的幾種元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)既有大于1%也有小于1%時(shí)，即使所關(guān)注元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1%，一般也是推薦使用礦石模式。指紋光譜模式：適用于指紋光譜采集和匹配。

3.3 測(cè)試過(guò)程要點(diǎn)

表面接觸：由于設(shè)備有較強(qiáng)的輻射強(qiáng)度，所以被測(cè)樣品一般應(yīng)盡可能地壓住儀器前端窗口，避免樣品不能完全蓋住輻射束而造成的額外散射；

測(cè)試時(shí)間：一般20 s～60 s，待數(shù)據(jù)變化相對(duì)穩(wěn)定時(shí)結(jié)束測(cè)試。等待時(shí)間不宜過(guò)短，否則會(huì)造成測(cè)試數(shù)據(jù)不全或偏差超標(biāo)；

匹配度確定：匹配度是指被測(cè)樣品與標(biāo)準(zhǔn)合金牌號(hào)的匹配程度。該值越小表明匹配越好。一般而言：0～2表示完全匹配，2～4表示匹配良好，大于4表示不匹配。

圖1 焊材材質(zhì)

圖2 鐵屑、鋼屑材質(zhì)

圖3 鑄造缺陷需焊補(bǔ)

小樣品測(cè)試：小樣品是指尺寸小于測(cè)量窗口的樣品。由于測(cè)量小樣品體積小，不能阻擋所有的射線，所以若將小樣品放置在工作界面上測(cè)試，分析儀可能會(huì)接收到有關(guān)工作界面的一些數(shù)據(jù)，從而對(duì)測(cè)試結(jié)果造成影響，另外還存在一定的危險(xiǎn)性。所以小樣品的測(cè)試必須選擇專用測(cè)試架進(jìn)行輔助。

表面不規(guī)則樣品測(cè)試：樣品測(cè)量表面形狀不規(guī)則時(shí)，會(huì)導(dǎo)致無(wú)法壓住儀器前端的接觸按鈕，或者樣品不能完全蓋住主輻射束而造成額外散射。為避免以上情況，需使用反向散射屏蔽裝置進(jìn)行測(cè)試。

測(cè)試結(jié)果處理：為了保證局部測(cè)試結(jié)果對(duì)整個(gè)被測(cè)試樣品的代表性，一般需要一個(gè)樣品測(cè)試不少于3處，取各處的平均數(shù)值作為測(cè)試結(jié)果。對(duì)于補(bǔ)焊區(qū)域的測(cè)試需要在每個(gè)產(chǎn)品上抽取的數(shù)量不少于總焊補(bǔ)區(qū)域的30%.測(cè)試結(jié)束后將測(cè)試結(jié)果形成報(bào)告，與被測(cè)試樣品的既定成分作對(duì)比，超出要求部分按照公司既定流程進(jìn)行處理。

4 結(jié)論

由于鑄件多體積較大，不易搬運(yùn)，不適于實(shí)驗(yàn)室大型光譜儀器的測(cè)量；鑄件一次成型，切割取樣進(jìn)行成分檢測(cè)對(duì)鑄件的整體使用性能造成一定的影響；鑄件熔煉時(shí)所使用的返回料、鋼屑、鋼坨混料等材料成分差異較大，且鑄件成型后因鑄造工藝產(chǎn)生的夾雜物、裂紋、氣孔、夾渣等不可接受缺陷須進(jìn)行焊接補(bǔ)修（如圖3所示）；多種工件批量焊接作業(yè)過(guò)程中所使用的焊材易混淆，所以鑄件的本體成分及焊肉成分需要不定期的測(cè)試控制。綜合以上，便攜式手持光譜儀在鑄件成分測(cè)試上具備以下優(yōu)勢(shì)：

1）設(shè)備輕便，適宜于工作現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)工序產(chǎn)品的成分測(cè)試，攜帶測(cè)試；

2）效率高，設(shè)備調(diào)試合格后便可實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)試區(qū)域的測(cè)試，稍作延時(shí)，還可通過(guò)系統(tǒng)后臺(tái)處理，得出實(shí)驗(yàn)室級(jí)別的數(shù)據(jù)；

3）測(cè)試樣品只需表面達(dá)標(biāo)，不需破壞取樣，實(shí)現(xiàn)無(wú)損檢測(cè)；

4）與大型直讀光譜相比，價(jià)格優(yōu)廉。

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