多種金屬材料材質(zhì)檢測(cè)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(yáng) 471000）

引言

金屬材料在工業(yè)生產(chǎn)中具有廣泛的應(yīng)用，其材質(zhì)直接決定了產(chǎn)品的整體質(zhì)量水平，如金屬材料成分直接影響到電子電器產(chǎn)品中各零部件在產(chǎn)品的重要性能[1-3]。對(duì)金屬材料進(jìn)行材質(zhì)檢測(cè)是保證產(chǎn)品質(zhì)量必不可少的一步，是產(chǎn)品上市前的重要防線。針對(duì)樣品組成、成分含量的檢測(cè)，從分類角度和檢測(cè)目的不同，可將檢測(cè)技術(shù)分為不同的類別。文獻(xiàn)[4,5]對(duì)若干金屬材料的檢測(cè)方法進(jìn)行了總結(jié)，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中檢測(cè)方法的選擇具有借鑒價(jià)值。通?？砂凑諜z測(cè)手段不同將檢測(cè)方法分為物理檢測(cè)和化學(xué)檢測(cè)，化學(xué)檢測(cè)主要為對(duì)金屬試樣中的化學(xué)成分進(jìn)行分析。根據(jù)采取的技術(shù)手段不同，化學(xué)檢測(cè)技術(shù)主要包括化學(xué)分析和儀器分析。其中，化學(xué)分析以物質(zhì)間的化學(xué)反應(yīng)為基礎(chǔ)，該方法通過(guò)化學(xué)反應(yīng)方程式的化學(xué)計(jì)量數(shù)進(jìn)行計(jì)算得到元素的含量[6-9]。儀器分析是利用特定的儀器，對(duì)樣品進(jìn)行定性分析、定量分析和形態(tài)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(zhì)譜分析儀、紅外碳硫儀及氮氧分析儀等[10-14]。

為保證產(chǎn)品質(zhì)量和提升檢測(cè)效率，必須對(duì)金屬材料材質(zhì)進(jìn)行嚴(yán)格把控，需要采取科學(xué)的技術(shù)方法檢測(cè)材料材質(zhì)。從目前的文獻(xiàn)資料可以看出，不同產(chǎn)品金屬材料檢測(cè)方法的側(cè)重點(diǎn)也不一樣。由于各檢測(cè)方法都有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，單一的檢測(cè)技術(shù)難以勝任所有材料的檢測(cè)。為此需要探討對(duì)各種金屬材料進(jìn)行可靠、準(zhǔn)確、高效的檢測(cè)方法，在確保產(chǎn)品質(zhì)量要求的前提下，綜合運(yùn)用現(xiàn)有的完備檢測(cè)設(shè)備及手段，詳細(xì)介紹了一套能夠?qū)Σ煌愋痛郎y(cè)金屬進(jìn)行材質(zhì)判斷和成分分析的檢測(cè)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(gòu)成的具有金屬特性的材料的統(tǒng)稱，實(shí)際產(chǎn)品零件按照金屬材料屬性一般用于針孔件、殼體件和結(jié)構(gòu)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(yè)內(nèi)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(jié)構(gòu)鋼、碳素鋼、合金鋼、鑄鐵等。當(dāng)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(guò)表處理在其表面電鍍一種或多種金屬。

2 金屬材料材質(zhì)檢測(cè)方法

2.1 X熒光分析原理

X 射線由倫琴于1895 年發(fā)現(xiàn)，其后經(jīng)過(guò)人們多年的研究，在冶金、地質(zhì)、建材、生物及環(huán)境等領(lǐng)域得到了實(shí)際應(yīng)用，帶來(lái)了重大的工業(yè)價(jià)值。X 熒光分析中激發(fā)X 射線的方式一般有3種，分別為：①用質(zhì)子、α 粒子或其他離子激發(fā)；②用電子激發(fā)；③用X 射線或低能γ 射線激發(fā)。輕便型儀器通常用放射性同位素和X光管作激發(fā)源。X光管通過(guò)加熱陰極K發(fā)出的熱電子在陰、陽(yáng)極間高壓電場(chǎng)加速下，轟擊陽(yáng)極A 產(chǎn)生X 射線。材質(zhì)檢測(cè)中，通過(guò)測(cè)量特征X射線能譜，即可確定所測(cè)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(jié)構(gòu)的不同，在光源的激發(fā)作用下，可以產(chǎn)生許多按一定波長(zhǎng)次序排列的譜線組——特征譜線，其波長(zhǎng)是由每種元素的原子性質(zhì)決定的。通過(guò)檢查譜片上有無(wú)特征譜線的出現(xiàn)來(lái)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(nèi)標(biāo)法來(lái)消除工作條件變化對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響，檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)作標(biāo)準(zhǔn)曲線確定待測(cè)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(cè)樣品通氧，在感應(yīng)爐高溫作用下樣品熔化，樣品中的碳轉(zhuǎn)化為CO2，硫轉(zhuǎn)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(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)等結(jié)構(gòu)。按量子力學(xué)分成分裂的能級(jí)，可與入射的特征波長(zhǎng)紅外輻射耦合產(chǎn)生吸收，并通過(guò)郎伯-比爾定律來(lái)分析CO2和SO2的濃度。儀器用氧氣做載氣將待測(cè)氣體帶出，以無(wú)水過(guò)氯酸鎂除去H2O，以濾塵器除去塵埃，SO2用紅外檢測(cè)器檢測(cè)硫含量，之后待測(cè)氣體經(jīng)鉑硅膠將SO2轉(zhuǎn)化為SO3，SO3被纖維素吸收，剩下的CO2用紅外檢測(cè)器定碳，得到元素的百分含量[17]。黑色金屬材料的碳硫檢測(cè)是金屬材料材質(zhì)檢測(cè)中的一項(xiàng)重要檢測(cè)項(xiàng)目。

2.4 金屬材料檢測(cè)儀器介紹

2.4.1 ΙCP檢測(cè)儀

原子發(fā)射光譜儀能夠?qū)?fù)色光分解為光譜并進(jìn)行記錄。早期的光譜檢測(cè)一般用照相法記錄可見(jiàn)光和紫外光區(qū)域的光譜，也稱攝譜儀；在紅外區(qū)域，一般用光敏或熱敏元件逐點(diǎn)記錄，稱為紅外分光計(jì)。利用光譜儀，能夠在各個(gè)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(zhì)放在等離子體火焰中激發(fā)，在光譜儀中除采用光電接收方法外，還配有專用計(jì)算機(jī)來(lái)計(jì)算物質(zhì)中各元素含量，利用該設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)直接、快速的波段檢測(cè)。但是檢測(cè)制樣過(guò)程復(fù)雜，檢測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)，平均時(shí)間約為1 h/批次，且需要具備相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)樣品建立標(biāo)準(zhǔn)曲線。本研究使用的儀器為PE 公司生產(chǎn)的型號(hào)為Optima 2100DV 型ΙCP-OES，可準(zhǔn)確檢測(cè)大多數(shù)常見(jiàn)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(jù)各元素的特征X 射線的強(qiáng)度，測(cè)定元素含量。具有分析速度快，分析精密度高，制樣簡(jiǎn)單，重現(xiàn)性好，X射線熒光光譜跟樣品的化學(xué)結(jié)構(gòu)狀態(tài)無(wú)關(guān)等優(yōu)點(diǎn)。但是檢測(cè)結(jié)果受相互元素干擾和疊加峰影響，檢測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性比ΙCP-OES 較低，并且由于能量較低，不能檢測(cè)到某些輕元素（C、S、Al、Si、P 等），故無(wú)法準(zhǔn)確檢測(cè)材料各元素成分含量。本研究使用的儀器為Thermo Fisher 公司生產(chǎn)的型號(hào)為XL3t700S型X 熒光分析儀，可30 s內(nèi)快速檢測(cè)出金屬元素含量，根據(jù)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(yīng)的材質(zhì)牌號(hào)。

2.4.3 碳硫分析儀

該儀器檢測(cè)系統(tǒng)具有靈敏度高、性能穩(wěn)定、分析結(jié)果準(zhǔn)確可靠、測(cè)量范圍寬及用途廣等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)該設(shè)備可以快速地分析不銹鋼、結(jié)構(gòu)鋼、碳素鋼、鑄鐵、銅、合金等材料中碳和硫的含量。在分析過(guò)程中，儀器能夠?qū)崟r(shí)顯示樣品分析的燃燒釋放曲線。本研究使用的儀器型號(hào)為CS878A 型紅外碳硫分析儀，可檢測(cè)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(cè)方法

根據(jù)檢測(cè)目的不同可將材料檢測(cè)分為材質(zhì)判斷和成分分析兩種用途。材質(zhì)判斷要求快速確定材質(zhì)類型和具體牌號(hào)，對(duì)精度要求不高；成分分析要求對(duì)材料進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)，精度高但耗時(shí)較長(zhǎng)。為實(shí)現(xiàn)對(duì)不同類型金屬材料材質(zhì)的判斷和準(zhǔn)確檢測(cè)，本文結(jié)合上述檢測(cè)需求的實(shí)際情況，通過(guò)考慮各檢測(cè)儀器檢測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，規(guī)劃設(shè)計(jì)了相應(yīng)的不同類型金屬材料材質(zhì)檢測(cè)流程。帶鍍層材料需先將表面鍍層去除后方可檢測(cè)。無(wú)論對(duì)于已知還是未知材料均可先使用X 熒光分析儀快速進(jìn)行材質(zhì)判斷，再考慮成分分析。

3.1 金屬材料材質(zhì)判斷

金屬材料材質(zhì)判斷一般是使用X 熒光分析儀對(duì)企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中金屬原材料加工的零件、金屬標(biāo)準(zhǔn)件及未知金屬材料的篩選確認(rèn)等初步判定等工作，其對(duì)檢測(cè)數(shù)值精度要求不高，可以快速定性，判斷來(lái)料樣品是否符合某種材料牌號(hào)要求，防止錯(cuò)混料情況。

3.2 金屬材料成分分析

金屬材料成分分析即對(duì)組成材料的元素成分含量進(jìn)行精確測(cè)定，主要針對(duì)入廠原材料、新研發(fā)未知物料確認(rèn)和問(wèn)題分析等項(xiàng)目，對(duì)檢測(cè)精度要求較高。依據(jù)相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)成分含量的規(guī)定，通過(guò)總結(jié)歸納，將企業(yè)生產(chǎn)的若干典型金屬材料的檢測(cè)方法列入表1。

表1 典型金屬材料檢測(cè)方法

4 檢測(cè)實(shí)例

4.1 快速檢測(cè)已知樣品材質(zhì)是否為某牌號(hào)材料

使用X 熒光分析儀可快速檢測(cè)金屬材料是否符合022Cr17N12Mo2。按照GB/T1220-2007 對(duì)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(hào)成分要求，故可以判斷該材料材質(zhì)符合022Cr17N12Mo2要求。

4.2 對(duì)未知材料進(jìn)行材質(zhì)判斷

使用X 熒光分析儀檢測(cè)未知材料材質(zhì)，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(zhì)為鉛黃銅HPb59-1。

4.3 分析金屬材料成分

當(dāng)金屬材料需要進(jìn)行成分分析時(shí)，首先使用X熒光分析儀確定其材料牌號(hào)，再使用ΙCP 或紅外碳硫分析儀分析待測(cè)樣品材料元素成分。

5 結(jié)論

按照上述檢測(cè)方法和檢測(cè)流程，可提高材料檢測(cè)的準(zhǔn)確性，保證檢測(cè)流程的高效執(zhí)行。