Spektrometer für Elementtests und -analysen

Analyse der Zusammensetzung und Güte des Gießereimetalls

Die spektrochemische Analyse ist eine Art der chemischen Analyse, die verwendet wird, um die Anordnung von Atomen und Elektronen innerhalb von Molekülen chemischer Verbindungen zu bestimmen. Es beobachtet die Energiemenge, die bei Bewegungs- oder Strukturänderungen absorbiert wird. Die Wellenlänge und Intensität elektromagnetischer Strahlung wird gemessen, um quantifizierbare Ergebnisse zu erzielen, die hauptsächlich zur Qualitätsbewertung verwendet werden.

Spektroskopie und das Spektrometer

Spektroskopie und Spektrometer sind Begriffe, die häufig vorkommen, wenn es um spektrochemische Analysen geht. Einfach gesagt Spektroskopie ist die Untersuchung von Energie in Bezug auf ein Probenmaterial und ein Spektrometer ist das während der Spektrometrie verwendete Instrument , der Akt der Spektroskopie.

Spektroskopie

Spektroskopie ist die Untersuchung der Wechselwirkung zwischen Strahlungsenergie und einem Probenmaterial. Diese Wechselwirkung erzeugt elektromagnetische Wellen in Form von sichtbarem Licht, die typischerweise als Funken wahrgenommen werden. Die Spektroskopie wurde im 17 ^. eingeführt Jahrhundert, als Sir Isaac Newton entdeckte, dass weißes Licht mithilfe eines Prismas in seine Farbkomponenten zerlegt und diese Komponenten wieder zu weißem Licht kombiniert werden können. Er erkannte, dass das Prisma nicht das ist, was die Farben erzeugt, sondern dass es stattdessen dazu dient, die Komponentenfarben des weißen Lichts zu trennen. In den frühen 1800er Jahren führte Joseph von Fraunhofer Experimente durch, die die Spektroskopie zu einer präziseren und quantitativeren wissenschaftlichen Technik weiterentwickelten. Allerdings erst am 19. Jahrhundert, dass die quantitative Messung des gestreuten Lichts standardisiert und als zuverlässige Testmethode anerkannt wurde.

Spektrometer

Ein Spektrometer ist das in der Spektroskopie verwendete Instrument, das Spektrallinien erzeugt und ihre Wellenlängen und Intensitäten misst. Es ist ein wissenschaftliches Gerät, das Teilchen, Atome und Moleküle nach ihrer Masse, ihrem Impuls oder ihrer Energie trennt. Spektrometer sind ein wesentlicher Bestandteil der chemischen Analyse und Teilchenphysik. Es gibt zwei Arten von Spektrometern:optische und Massenspektrometer.

Optisches Spektrometer

Ein optisches Spektrometer oder einfach „Spektrometer“ ist in der Lage, weißes Licht zu trennen und einzelne schmale Farbbänder (Spektrum) zu messen. Es zeigt die Intensität des Lichts als Funktion der Wellenlänge oder Frequenz und die Ablenkung wird durch Brechung in einem Prisma oder durch Beugung in einem Beugungsgitter erzeugt. Optische Spektrometer verwenden das Konzept der optischen Dispersion – und da jedes Element in einer Probe eine einzigartige spektrale Signatur hinterlässt, kann die Spektralanalyse die Zusammensetzung der Probe selbst bestimmen. Optische Spektrometer sind in der Astronomie, der Metallherstellung, der Solarenergie und der Halbleiterindustrie weit verbreitet.

Massenspektrometer

Ein Massenspektrometer misst das Massenspektrum von Atomen oder Molekülen, die in einem Feststoff, einer Flüssigkeit oder einem Gas vorhanden sind. Dies wird durch die Messung des Masse-Ladungs-Verhältnisses und der Häufigkeit von Ionen in der Gasphase erreicht. Massenspektrometer werden in den Bereichen Pharmazie, Biotechnologie und Geologie eingesetzt.

Warum wird Spektrometrie benötigt?

Spektroskopische Techniken stehen in vielen technischen Bereichen an vorderster Front. Die Spektrometrie wird für ihre Rolle in Forschung und Entwicklung sowie für ihre praktischere Rolle in der Materialanalyse für verschiedene Branchen benötigt. Wissenschaft und Technologie haben sich immer auf die Spektrometrie verlassen – von frühen Studien bis hin zu fortschrittlichen Technologien, die die moderne Forschung vorantreiben.

Die Hochfrequenzspektroskopie führte zur Magnetresonanztomographie (MRT), einem bahnbrechenden medizinischen Instrument zur Visualisierung des inneren Weichgewebes des Körpers. Radio- und Röntgenspektroskopie ebneten den Weg für die astronomische Erforschung ferner Sterne und intergalaktischer Moleküle. Optische Spektroskopie wird routinemäßig in Industrie- und Umweltumgebungen verwendet, um die chemische Zusammensetzung von Materie zu identifizieren. Ohne diese Anwendung in der Spektrometrie gäbe es die heutige schnelle und effektive Methode zur Legierungsidentifizierung und Materialprüfung nicht.

Optische Emissionsspektroskopie

Optische Emissionsspektroskopie (OES) ist eine übliche Form der Spektroskopie, die verwendet wird, um elementare Komponenten in festen Metallproben zu bestimmen. Es wird häufig in Gießereien und Metallproduktionsanlagen eingesetzt, da es eine Vielzahl von Elementen mit hoher Präzision und Genauigkeit analysieren kann. Die in OES verwendeten Probenmetalle können aus der Schmelze in der Primär- und Sekundärmetallproduktion oder verarbeiteten Metallen wie Stangen, Platten, Drähten und Bolzen stammen.

Wie funktioniert optische Emissionsspektroskopie?

OES bietet quantitative Analysen mit drei Schlüsselkomponenten:einer elektrischen Quelle, einem optischen System und einem Computersystem.

1) Stromquelle

Um Atome innerhalb einer Metallprobe in einen aktiven Zustand zu versetzen, ist eine elektrische Quelle erforderlich. Ein kleiner Teil der Probe wird mithilfe einer elektrischen Hochspannungsquelle im Spektrometer über eine Elektrode auf Tausende von Grad Celsius erhitzt. Aufgrund des elektrischen Potentialunterschieds zwischen der Elektrode und dem Probenmetall wird eine elektrische Entladung erzeugt. Diese elektrische Entladung bewirkt, dass sich das Probenmetall erwärmt und an der Oberfläche verdampft.

Während dieses Prozesses erzeugen die aktivierten Atome Emissionslinien, die für jedes Element unterschiedlich sind. Es gibt zwei Arten von elektrischen Entladungen:einen Lichtbogen oder einen Funken. Ein Lichtbogen erzeugt eine andauernde elektrische Entladung, ähnlich wie ein Blitz. Ein elektrischer Funke ist eher eine abrupte elektrische Entladung – eine kurze Lichtemission, die oft von einem scharfen Knallgeräusch begleitet wird.

2) Optisches System

Das optische System überträgt die Emissionslinien der verdampften Probe, Plasma genannt, in das Spektrometer. Das Beugungsgitter im Spektrometer dient dazu, das einfallende Licht in elementspezifische Wellenlängen zu zerlegen. Die Lichtintensität jeder Wellenlänge wird dann von einem entsprechenden Detektor gemessen. Die während dieses Prozesses gemessene Intensität ist proportional zur Konzentration des Elements in der zu testenden Metallprobe. Da jedes Element basierend auf seiner elektronischen Struktur einen bestimmten Satz von Wellenlängen emittiert, kann die elementare Zusammensetzung durch Beobachtung dieser Wellenlängen bestimmt werden.

3) Computersystem

Schließlich wird ein Computersystem benötigt, um die Daten zu verarbeiten. Die gemessenen Intensitäten werden durch eine vordefinierte Kalibrierung verarbeitet, um Elementkonzentrationen zu erzeugen. Moderne Technologie hat die Benutzeroberfläche weiterentwickelt, um klare Ergebnisse mit minimalem Bedienereingriff zu liefern.

OES ist benutzerfreundlich und in der metallverarbeitenden Industrie weit verbreitet. Obwohl es sich um ein beliebtes Instrument handelt, weist es dennoch einige Einschränkungen auf, darunter geringfügige Oberflächenschäden am Probenmaterial und die Notwendigkeit einer ständigen Wartung.

OPTISCHE EMISSIONSSPEKTROSKOPIE
Vorteile
Nachteile

• Schnelle quantitative Bestimmung von Elementen (in der Regel weniger als eine Minute).
• Geringe Investitions- und Betriebskosten.
• Einfache Probenvorbereitung.
• Schnelle Analyse von Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Phosphor und Schwefel in Stahl.
• Berechnet den Kohlenstoffgehalt (%) von Edelstählen oder niedrig legierten Stählen.
• Unterscheidet zwischen Edelstahl 304/316 und 304L/316L.
• Stellt Eingabedaten für die Berechnung der CO2-Äquivalenz bereit.

• Nicht vollständig „zerstörungsfrei“ (leichte Oberflächenschäden sind zu erwarten).
• Kleine Teile (kleiner als ein Zehncentstück) können nicht getestet werden.
• Auf engstem Raum schwer zu testen.
• Erfordert ständige Kalibrierung und Wartung.
• Eine routinemäßige Zertifizierung der Ergebnisse durch Dritte kann erforderlich sein.

Spektrometer in Gießereien

Die optische Emissionsspektroskopie kann auf eine Reihe von Materialien von reinen bis zu legierten Metallen angewendet werden. Gießereien sowie die Luftfahrt-, Automobil- und Haushaltsgeräteindustrie profitieren von Spektrometern zur Prozess- und Qualitätskontrolle.

Spektrometer sind oft das Instrument der Wahl für die Metallanalyse in Gießereien, da sie nur minimale Eingriffe von Gießereibetreibern erfordern, wenn sie zur Inspektion, Qualitätskontrolle und Legierungsidentifizierung verwendet werden. Es gibt stationäre und tragbare Versionen, beide mit einem hohen Maß an Genauigkeit. Eine routinemäßige Kalibrierung und Wartung ist erforderlich, und häufig ist eine Zertifizierung der Ergebnisse durch Dritte erforderlich, damit Spektrometerergebnisse ihre Gültigkeit behalten. Spektrometer ermöglichen die Metallanalyse während des gesamten Metalllebenszyklus von der Metallherstellung bis zur Verarbeitung sowie am Ende seiner Lebensdauer in Recyclinganlagen.