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直读光谱仪用于100%钢线材质量控制
2022/03/07
钢线材常用于安全攸关、要求严苛的应用领域。在本文将阐述OES技术如何发展以确保满足严格的钢线材规格要求。
初看之时，钢线材外表无特别之处。其许多应用亦相当普通，如钢丝网围栏、弹簧和不起眼的钉子。但仔细观察，钢线材绝非那么简单。大部分钢线材用于要求严苛、安全攸关的航空航天和汽车应用领域，如发动机的阀门或头垫内部。众所周知的极常见应用领域是汽车轮胎中的钢线材加固。所用钢线材必须符合非常确切的规格要求；选择的钢线材应足够坚固，但能满足轮胎的规格要求，从而提高驾驶性能和节约燃油。验证钢线材的材料特性和成分是生产过程的重要部分。
钢线材生产
在论述钢线材分析前，通过快速了解钢线材生产方式，在本文中插入钢线材生产流程内容将有所助益：
辊轧
回收的废料被熔炼成方坯，在初轧机中轧制以减小横截面。之后，在中轧机中继续轧制，直至钢线材达到规定尺寸。帘线钢的直径通常为5.5mm。钢线材需先冷却后方可进入下一个生产阶段。
处理
生产的下一个阶段是处理，例如退火和酸洗。退火是按照特定温度和时间曲线对钢线材进行加热和冷却。此举会改变钢线材的物理特性，主要是增加延展性和降低硬度；这个步骤至关重要，因为钢线材将经受进一步加工，例如成型或机械加工。酸洗是一种化学处理，通过在酸中溶解的方式来去除不需要的表面氧化物。这些处理细节取决于钢线材的最终应用领域的规格要求。
分析
就在此时，对钢线材进行测试，以检查其性能是否符合预期，及其是否符合装运前的规定标准。从每个线圈上切下一小截钢线材，并将其送到实验室进行测试。通常会对线材的表面质量、尺寸和形状、拉伸强度、脱碳和化学成分进行测试。化学成分对钢线材的性能有很大的影响。
为什么要进行OES火花分析？
通过测定钢的化学成分，不仅能获得基本钢牌号信息，而且能获得关于其他存在的可能会影响钢线材在其使用寿命内性能的元素的关键信息。例如，对轮胎用钢线材所进行的分析需要表明其确实是高碳钢，并验证其他元素（例如：硅、锰、磷和硫）的确切含量。并非所有的分析方法都能在元素含量很低的情况下检测出这些元素，因此，OES是行业标准工具。
OES可以测量多种元素和浓度。这款仪器在测量含量低的杂质元素和痕量元素时所提供的结果极其准确，且在提供可靠的L级不锈钢信息方面堪称一流。直读光谱仪技术是唯一可以测量双相不锈钢和奥氏体不锈钢中氮含量的技术。
在更实用的层面上，OES的分析速度快，具有现代化特点，运行成本较低且易于使用。使用这款仪器能让样品制备流程变得简单，可测试许多不同组件，包括线材、管材、螺栓和板材。
OES如何工作？
OES是一种采用光谱分析技术的仪器，这意味着在向某种材料施加能量时，其通过检测这种材料所发出的特定光谱辐射来工作。由此产生的光谱会提供所存在的具体物质信息。
通过加热样品的一小部分，材料将被蒸发。这会影响材料的原子，然后原子会发出具有特定波长的光。每种元素均发出特定的辐射模式，仪器中所采用的检测器可“读取”光谱，以识别所存在的具体元素。
在现实生活的金属样品中，每种元素都具有由许多光波长组成的复合光谱，从而产生一组极其复杂的发射光谱。直读光谱仪有三个关键组件，可提供准确结果：
在氩气气氛中装有连接至高压光源的电极的火花发生器。在金属样品上应用火花台会产生能使金属蒸发的高压放电现象。
装有光谱仪的光学系统。将从样品中的原子发出的光分解成单个波长（使用衍射光栅），之后这些波长会通过检测器。由检测器测量每个波长的光强度。
仪器软件解读来自检测器的数千个信号，以确定受试样品中所存在的具体元素。进一步比较检出限与校准参考水平，使软件显示每种元素所存在的含量。
既然我们已了解到OES的工作方式和仪器中的组件，我们便可论述钢线材分析技术方面的挑战，以及如何改进OES技术克服这类挑战。
为何使用OES进行钢线材分析如此棘手？
使用OES获得准确的钢线材读数方面的问题简单得近乎荒唐：钢线材直径小于火花台孔径。
在理想的测量场景中，待测量的金属表面完全覆盖装有火花电极的火花台孔径。这确保空气不会进入充满氩气的火花室。避免在火花室内出现空气的两个主要原因如下：
1. 金属表面一旦蒸发，便会氧化，这表明待分析的对象已变成氧化物，而不是基本金属本身。
2. 是否记得检测器检测来自已蒸发样品所发出的光波长的方式？一些对钢线材分析最关键的元素（如碳、磷、硫和硼）会在UV范围内发光。空气能吸收紫外线，因此如果火花室内有空气，从样品发出的紫外线辐射会在其被检测器检测出之前被空气重新吸收，导致分析仪无法检测出这些元素，或者显示它们的浓度太低。这将会导致非常好的钢线材被拒收，或者更糟糕的是，不符合规格要求的钢线材变为合格。
使用OES获得准确的细钢材分析结果
具有现代化特点的OES仪器，如日立的FOUNDRY-MASTER Smart和OE系列，采用两种方式克服了上文所述的细钢材分析方面的问题。首先，通过使用特殊的适配器，将火花台孔径制作得更小以适应钢线材的直径。
这当然会有所帮助，但将小型分析仪探头置于钢线材上的正确位置仍然是一项棘手的工作。事实上，钢线材呈圆形，使火花探头与钢线材表面之间很难形成理想密封。因此，第二个措施是防止空气进入火花室，即使火花探头暴露在气氛中也需如此。实现这一目的的方式是采用特殊的层流技术，该技术引导氩气在电极周围平稳流动，从而保护等离子体免受流入火花室的空气的负面影响。
这使得分析钢线材，甚至是分析符合5.5 mm轮胎规格要求的钢线材都变得非常简单。首先，从经过退火处理的钢线材圈上切下新批次的一截钢线材，并研磨表面，以确保表面干净、无污染以进行分析。将适合钢线材直径的正确适配器安装在火花台上，而钢线材夹在适配器上。还必须在仪器软件上选择能获得正确钢线材直径的相应程序，以确保准确度。如果分析结果的公差在规格范围内，则可测量该批次的其他钢线圈。
100％质量控制
OES是分析适用于安全攸关应用领域的钢线材的最佳方法。通过正确测量方法和使用正确火花技术，用户可克服细钢材测量方面的挑战，并为其所装运的每圈钢线材获得准确结果。