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低合金和碳钢中C含量现场检测

日期:

2020-05-10

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简介

C 是各类钢铁材料的重要组成元素, 其含量高低直接影响钢铁材料的机械性能。当钢铁材料中C含量<1%时,钢铁材料中c含量越高,钢铁材料的强度和硬度越高,但塑性和任性则不断降低。当钢铁材料中c含量>1%时,材料中C 含量越高,强度越低,但硬度随C含量增加而增强。

低合金和碳钢中C含量现场检测

本文介绍了利用手持式激光激发击穿光谱技术(LIBS)分析低合金和碳钢中C元素的性能。此方法采用SciAps 公司Z-200仪器测试,为世界上仅有的能测试合金中C元素含量的手持式分析仪。Z-200仪器使用1064nm脉冲式激光光源,每次脉冲5.5mJ,频率为50Hz。分光仪波谱范围为190nm-620nm。仪器也搭载了迷你可替换的氩气吹扫。氩气罐装在手柄处,能提供大约600次测试。


碳钢分析模式综述

以下为碳模式一系列性能:

l 碳钢和低合金钢中碳元素校准范围为0-1%

l 桌面ProfileBuilder软件用于客户在不同基体或范围编辑C校准曲线

l 全部校准碳钢和低合金钢中其他元素,包括Si, Al, Ti, V, Cr, Mn, (Fe影响),Co, Ni, Cu, Nb, Mo, Pb

l 碳校正核查和峰位修正

 Z-200和Z-300仪器中可以选配碳钢模式


性能综述

C数据从仪器多次分析获得,范围涵盖碳钢和低合金钢(LAS),碳含量从纯铁(<0.005%C)到1.2%。对于打磨过的材料,测试时间介于15-22秒之间,根据算法决定选取光谱的等级而定(更长)。用户区分钢材牌号一般相差0.2%或更多,通常在10-15秒内完成测试。性能结果概括如:表1:

低合金和碳钢中C含量现场检测

表1 Z-200仪器C元素性能测试

目前仪器C元素的检测下限为0.12%,使用的是惯例的3-sigma规则检测。因此这种方法不能区分L、H系列不锈钢与普通不锈钢。任何碳钢中的精密度(重复性)为±0.035%绝对误差,举例:含有0.30%C的1030钢材会产生0.035%的绝对误差。任何测量手段的准确度(偏差)差不多在0.1%左右,与适当校准的Z-200性能相当。

尽管仪器的准确度在±0.1%,但是区分碳含量相差0.1%的钢材还是没有问题的。表1中列出的准确度是经过整体校准测试出来的,横跨碳钢,低合金钢和Cr-Mo钢。校准的合金范围越宽,准确度越低。

低合金和碳钢中C含量现场检测


Z系列软件针对特殊碳钢类型支持多种校准曲线。校准时减少钢材范围会降低仪器分析精确度,而不是校准值的偏差(准确度)。为了操纵精确度控制测量不确定性,因此需要使用一种方法来区分碳含量相差0.1%的合金,用户可以限定相类似的合金校准范围。例如:用户可以轻易的从工厂默认校准曲线中新建立一个曲线,仅仅使用钢材1010,1020,1030,1117,1050,以实现区分1020和1030牌号。或者再建立第二条标准曲线,使用低合金作为标样,比如41XX系列,4340,4620和4820,用以区分4130和4140牌号。分析软件允许用户建立多条校准曲线,并且曲线之间切换非常简单。


校准及精确度数据:

工厂总体校准曲线如图1所示。和火花直读光谱仪一样,以193.1nm处的C元素谱线强度与附近Fe谱线强度比值为校准。然后用已知的C元素含量校准C/Fe谱线强度比。工厂总体校准曲线使用了碳钢校准,10XX系列、1117,加上低合金(LAS)包括41XX系列、43XX系列、46XX系列和86XX系列。Z-200仪器一旦配置了碳模式,将带有上述工厂总体校准曲线。总之,使用工厂总体校准曲线可以很好的区分碳钢中含碳量相差0.2%或更多的牌号。


碳钢子类型校准


低合金和碳钢中C含量现场检测低合金和碳钢中C含量现场检测

                图1. 工厂默认碳曲线涵盖碳钢和各种合金钢                                             图2a. 区间碳钢中C元素校准曲线

为了更加精确地分选碳钢-含碳量仅仅相差在0.1%的牌号-我们建议使用一组含碳量更小范围的碳钢建立区间校准曲线。例如:区分1010、1020和1030碳钢,需要修改工厂默认校准曲线,去除低合金钢部分,然后仅留下感兴趣的碳钢浓度校准范围曲线。如图2a所示,特定的碳钢校准曲线从工厂默认曲线截取,把碳钢中C元素区间限制在0-0.5%之间,建立为新的校准曲线。如上所述,同样可以自建多种曲线,Z-200仪器能够更加准确地区分碳钢,比如区分1020和1030或者A106和1018或1040。


两个重点注意:

l  我们建议最少使用4个校准点(纯铁可以当作一个校准点)来拟合一条曲线,以防止样品制备过程中带来校准偏差。如果校准样品未能很好的制备,校准数据点将不会位于拟合线上。

l  SciAps不推荐区分碳含量相差少于0.1%的碳钢。


案例研究:

低合金4130和4140

第二个例子是区分4130和4140。打开校准软件(ProfileBuilder),在工厂默认曲线基础上,用户可以新建一条曲线,使用校准样品4130, 4140, 4620, 8620,再加上一些其他的低合金样,使新建曲线中碳含量范围在0-0.5%。新建校准曲线如图2b所示。4130和4140的重复性数据分别列在表2和表3中,二者能清晰地表明,仪器可以很好地区分低合金钢中碳含量相差0.1%的牌号。  

低合金和碳钢中C含量现场检测

                                 图 2b使用低合金钢校准的曲线                                表2. 4130测试结果                  表3. 4140测试结果

表2和表3中分别是低合金钢4130和4140的测试结果。4130和4140的碳元素化验结果分别为0.29%和0.41%。

手持式XRF会使用Mn的含量来区分4130和4140。这是非常危险的,因为大量的Fe会干扰Mn元素的测试。甚至轻微的峰位漂移或者表面污染都能影响到Mn元素的XRF测试结果。Z系列仪器可以同时测定C和Mn的元素含量,给结果判定提供了双向保证。

碳钢:

表4和表5中列出了碳钢A108(0.15%的C)和1030(0.331%的C)精度测试数据。