Jakość stosowanych materiałów stanowi jeden z kluczowych czynników decydujących o bezpieczeństwie, trwałości i niezawodności wyrobów przemysłowych. W przypadku stali oraz innych stopów metali, wykorzystywanych między innymi do produkcji elementów konstrukcyjnych, maszyn oraz przedmiotów codziennego użytku, to właśnie skład chemiczny w dużej mierze determinuje parametry użytkowe gotowego produktu, jego odporność na obciążenia oraz zachowanie w wymagających warunkach eksploatacyjnych. Jedną z najprostszych i najskuteczniejszych metod weryfikacji składu chemicznego wielu materiałów pozostaje analiza spektrometryczna. Jak wygląda takie badanie?
Badanie spektrometrem opiera się na analizie widma powstającego podczas oddziaływania próbki z układem pomiarowym. W zależności od zastosowanej techniki można identyfikować skład materiału w bardzo różnych warunkach, ponieważ dostępne rozwiązania pozwalają badać substancje o odmiennym stanie skupienia, stężeniu i właściwościach fizykochemicznych.
Do najważniejszych grup urządzeń należą między innymi spektrometry fluorescencji rentgenowskiej XRF, emisji optycznej OES, Ramana oraz spektrometry masowe. Każda z tych metod pracuje w innym zakresie analitycznym, dlatego dobór aparatury zawsze powinien wynikać z celu badania, rodzaju próbki i oczekiwanej dokładności oznaczenia.
Badanie składu pierwiastkowego wykonuje się z reguły przy wykorzystaniu spektrometru XRF lub spektrometru OES. Pierwsze sprawdzają się tam, gdzie liczy się precyzyjna analiza składu bez naruszania próbki, natomiast drugi typ urządzeń umożliwia oznaczanie szerszego zakresu pierwiastków i ich niewielkich stężeń, ale wymaga to ingerencji w badany materiał.
Spektrometr działa jak precyzyjny układ selekcji i analizy sygnału wtórnego wzbudzonej próbki, który może zostać przedstawiony w formie np. udziału procentowego danego pierwiastka w stopie. Dzięki temu urządzenie pozwala ustalić, jakie składniki znajdują się w badanej próbce i w jakim stężeniu występują.
Spektrometry niezależnie od zastosowanej technologii składają się z dwóch najważniejszych części: źródła wzbudzenia próbki oraz detektora. Dopiero ich współpraca pozwala uzyskać widmo, które stanowi podstawę dalszej analizy jakościowej i ilościowej.
W spektrometrach OES kluczowym elementem jest układ optyczny, do którego promieniowanie z plazmy iskrowej trafia przez szczelinę wejściową. Odpowiada ona za wprowadzenie kontrolowanej ilości światła: węższa szczelina poprawia rozdzielczość optyczną, pozwalając na lepsze rozróżnianie blisko położonych linii emisyjnych pierwiastków, kosztem mniejszej intensywności sygnału.
W technologii XRF rola „szczeliny” jest często pełniona przez kolimatory lub filtry pierwotne. Ich zadaniem jest uformowanie wiązki promieniowania rentgenowskiego (pierwotnego lub wtórnego – fluorescencyjnego), tak aby zapewnić stabilny i powtarzalny przebieg strumienia fotonów trafiających na detektor.
Po uformowaniu wiązki, musi ona zostać rozdzielona na składowe o konkretnych energiach lub długościach fali. W spektrometrii iskrowej (OES): Stosuje się siatki dyfrakcyjne, które rozszczepiają światło emisyjne na poszczególne długości fal (linie spektralne). Siatki wyparły dawniej stosowane pryzmaty, oferując znacznie wyższą stabilność i rozdzielczość w szerokim zakresie, co jest kluczowe przy analizie pierwiastków w matrycach metalicznych (np. węgla, siarki czy fosforu). W technologii XRF układ pracuje w zakresie energii promieniowania rentgenowskiego. Rolę „rozdzielacza” przejmuje tu detektor półprzewodnikowy (np. SDD – Silicon Drift Detector). W przeciwieństwie do optyki OES, XRF nie zawsze wymaga fizycznej siatki dyfrakcyjnej do rozdzielania fali; detektor sam w sobie potrafi rozróżniać fotony o różnej energii, przypisując je do odpowiednich kanałów energetycznych (tzw. dyspersja energii).
Ostatnim etapem jest zamiana sygnału fizycznego na dane cyfrowe w OES intensywność światła o konkretnej długości fali jest rejestrowana przez szereg fotodetektorów (np. matryce CMOS lub CCD). W XRF detektor rejestruje impulsy elektryczne generowane przez fotony rentgenowskie. Wysokość impulsu jest proporcjonalna do energii kwantu promieniowania.
Oprogramowanie obu typów urządzeń przetwarza te dane na wykres widma. W OES jest to zależność intensywności od długości fali, w XRF – intensywności od energii (w keV). Na podstawie tych widm, które stanowią unikalny „odcisk palca” próbki, systemy analityczne identyfikują skład chemiczny i obliczają stężenia poszczególnych pierwiastków.
Dzięki tej procedurze, spektrometry iskrowe oraz XRF są niezbędnymi narzędziami w kontroli jakości, badaniach laboratoryjnych oraz szybkiej analizie materiałowej (PMI), pozwalając na precyzyjną identyfikację składu substancji w czasie rzeczywistym.
Badanie składu substancji spektrometrem należy do najszybszych i mało inwazyjnych metod analizy chemicznej. Cały proces przebiega etapowo, a każdy jego krok wpływa na wiarygodność wyniku.
Niezależnie od metody pierwszym etapem pozostaje przygotowanie powierzchni próbki. W przypadku badania spektrometrem iskrowym badany materiał koniecznie należy oczyścić z zabrudzeń, produktów korozji, pozostałości powłok ochronnych lub innych zanieczyszczeń, które mogłyby zakłócić odczyt i zafałszować rzeczywisty skład analizowanego obiektu. Analiza spektrometrem XRF będzie wymagała przede wszystkim usunięcia powłok ochronnych typu farba lub guma.
Następnie operator umieszcza próbkę w strefie pomiarowej urządzenia albo przykłada głowicę pomiarową bezpośrednio do badanego elementu. Sposób prowadzenia analizy zależy od rodzaju spektrometru, ponieważ w systemach stacjonarnych materiał trafia zwykle do komory pomiarowej, natomiast w rozwiązaniach mobilnych pomiar można wykonać bezpośrednio na gotowym detalu.
Kolejny krok to wzbudzenie próbki. Spektrometr kieruje punktowo na materiał odpowiednio dobraną porcję energii, która wzbudza pierwiastki składowe badanej substancji. W zależności od zastosowanej techniki może to być promieniowanie rentgenowskie, iskra elektryczna albo inne rodzaje wzbudzenia.
W odpowiedzi na wzbudzenie próbka emituje charakterystyczny sygnał, który stanowi podstawę identyfikacji jej składu. Detektor rejestruje to promieniowanie, przekształca je w sygnał elektryczny, a następnie przekazuje do układu analitycznego odpowiedzialnego za dalsze opracowanie danych.
Na końcu oprogramowanie interpretuje zarejestrowane widmo i porównuje wynik z zapisanymi wzorcami lub bazą danych pierwiastków. Dzięki temu użytkownik otrzymuje informację o składzie materiału (analiza jakościowa), a w wielu przypadkach również o procentowej zawartości poszczególnych składników (analiza ilościowa), co pozwala szybko ocenić zgodność próbki z normą, specyfikacją lub deklarowanym gatunkiem materiału.
Badania spektrometryczne wykorzystuje się do analizy bardzo zróżnicowanych komponentów i materiałów, zarówno na etapie kontroli jakości, jak i podczas weryfikacji zgodności z wymaganiami technicznymi.
Zakres takich analiz obejmuje między innymi gotowe elementy maszynowe, takie jak wałki, zawory, druty czy blachy o masie do 20 kg. Równie często bada się wyroby jubilerskie, w tym pierścionki, łańcuszki oraz złom jubilerski, gdy celem pozostaje identyfikacja próby i potwierdzenie składu stopu.
Spektrometria znajduje także zastosowanie w ocenie podzespołów elektronicznych, zwłaszcza przy weryfikacji obecności substancji niebezpiecznych w kontekście wymagań RoHS. W praktyce przemysłowej metoda ta wspiera również kontrolę półproduktów hutniczych poprzez potwierdzanie zgodności materiału z certyfikatami PMI oraz analizę roztworów technologicznych, gdzie umożliwia bieżącą kontrolę głównych składników kąpieli galwanicznych.
Dlatego też kontrolę składów pierwiastków stosuję się m.in. w hutach, laboratoriach badających materiały wejściowe oraz jednostkach naukowo-badawczych. Badania tego typu mają szczególne znaczenie w branży motoryzacyjnej i lotniczej, ponieważ umożliwiają precyzyjne potwierdzenie, czy dany stop spełnia wymagania norm i dokumentacji technicznej. Równie istotną rolę odgrywają w jubilerstwie, gdzie dokładne oznaczenie zawartości złota lub innych metali szlachetnych decyduje o właściwej ocenie jakości i wartości wyrobu.
Nasi specjaliści dysponują dużym doświadczeniem w analizie składu wyrobów przemysłowych i realizują pomiary z wykorzystaniem zaawansowanego zaplecza laboratoryjnego. Laboratorium wyposażono w nowoczesną aparaturę, co pozwala prowadzić analizy z wysoką precyzją i zachowaniem rygorystycznych standardów jakości.
Rzetelność pomiarów oraz profesjonalne podejście do realizowanych badań sprawiły, że rozwiązaniom ITA zaufało już wiele przedsiębiorstw z różnych sektorów przemysłu.
Zamów badanie składu pierwiastkowego w ITA. Skontaktuj się z naszymi doradcami i dowiedz się więcej na temat zakresu oferowanych usług.
Treść powyższego artykułu korzysta z ochrony udzielanej przez przepisy ustawy z dnia 4 lutego 1994 r. o prawie autorskim i prawach pokrewnych (j.t. Dz. U. z 2006 r. Nr 90, poz. 631 ze zm.). Każdy z Klientów zobowiązany jest do poszanowania praw autorskich pod rygorem odpowiedzialności cywilnoprawnej oraz karnej wynikającej z przepisów tej ustawy. Treść artykułu – w całości bądź jakiejkolwiek części – może być wykorzystywana tylko w zakresie dozwolonego użytku osobistego. Wykorzystanie tego artykułu - w całości bądź jakiejkolwiek części - do innych celów a w szczególności - komercyjnych, w tym kopiowanie, publiczne odtwarzanie, lub udostępnianie osobom trzecim w jakikolwiek inny sposób, może następować tylko pod warunkiem uzyskania wyraźnego pisemnego zezwolenia ITA i na warunkach określonych przez ITA. W celu uzyskania zgody na wykorzystanie zawartości Strony, należy skontaktować się z ITA za pośrednictwem formularza kontaktowego dostępnego w zakładce Kontakt. Korzystanie z powyższej treści w celu innym niż do użytku osobistego, a więc do kopiowania, powielania, wykorzystywania w innych publikacjach w całości lub w części bez pisemnej zgody ITA jest zabronione i podlega odpowiedzialności cywilnoprawnej oraz karnej wynikającej z przepisów ustawy o prawie autorskim i prawach pokrewnych.