روش های آنالیز و شناسایی مواد ، بسیار حائز اهمیت هستند چرا که خواص فیزیکی و شیمیایی یک محصول به نوع مواد اولیه و ریزساختار آن بستگی دارد. بنابراین جهت شناسایی ریزساختار هر ماده و در نتیجه ویژگی های آن ماده به منظور انجام پژوهش و نیز کنترل کیفیت محصولات صنعتی، نیاز به روش ها و تجهیزات شناسایی است.
یکی از روش های آنالیز شیمیایی و تعیین نوع عناصر تشکیل دهنده آلیاژها و درصد آن ها روش کوانتومتری است که مختصرا به توضیح آن می‌پردازیم.
کوانتومتری چیست
می‌دانیم خواص هر قطعه وابسته به نوع و غلظت عناصر تشکیل دهنده (جنس) آن قطعه است. از این رو تعیین نوع عناصر تشکیل دهنده هر قطعه اهمیت زیادی دارد. دستگاه طیف سنجی نشر جرقه SES که برخی آن را کوانتومتری می نامند از جمله سیستم های آنالیز دقیق مواد برای اندازه گیری فلزات است که می‌تواند آلیاژها را با دقت بسیار زیاد تجزیه کند و همه عناصر آلیاژی موجود و غلظت آنها را در نمونه تعیین کند. (آنالیز کیفی و کمی)
از آنجا که از این دستگاه که بر اساس تخلیه الکتریکی نشری کار می‌کند، اغلب برای شناسایی و آنالیز عناصر فلزی استفاده می‌شود، متداول ترین نوع آنالیز برای صنعت متالورژی است.
مراحل کار کوانتومتری
برای انجام این آزمایش باید یک نمونه استاندارد با سطحی سنگ زده شده، سنباده زده شده و پولیش شده که کاملا صاف و عاری از هرگونه آلودگی و چربی ناشی از گریس، روغن و … باشد، تهیه کرد. همچنین باید توجه داشت که از آنجا که در برخی از دستگاه های کوانتومتری محدودیت فضا برای قرارگیری و کار روی نمونه‌ها وجود دارد، باید نمونه‌ها را در ابعاد و اندازه استاندارد آن دستگاه تهیه کرد و آن را در دستگاه قرار داد. این آزمایش بر پایه نشر نوری انجام می‌شود. بدین صورت که در اثر جرقه زده شده نمونه در اثر تخلیه الکتریکی تبخیر می شود، اتم ها و یون های حاصل از تبخیر اتمی تحریک شده و تابش می کند که نور تابش شده از طریق یک فیبر نوری از یک طیف سنج نوری عبور می کند. با توجه به محدوده طول موج نشر نور هر عنصر، مناسب ترین خط نشری برای تعیین نوع عنصر و اندازه گیری غلظت آن عنصر در نمونه انتخاب می شود.
نکته قابل توجه در کار با دستگاه کوانتومتری ، تعیین عنصر پایه یعنی عنصری که بیشترین درصد را در نمونه دارد، است. از آنجا که هر دستگاه محدودیت هایی از نظر نوع عنصر پایه داراست ، به طور مثال برخی از انواع دستگاه ها فقط قابلیت آزمایش بر روی قطعاتی را دارند که دارای عنصر پایه Cu، Fe، Al هستند. برای تشخیص اینکه عنصر پایه هر قطعه چیست می‌توان از فردی که نمونه را تهیه کرده مشخصات آن را گرفت و یا در مواردی که تشخیص آسان نیست با قرار دادن نمونه بر روی دستگاه و انجام تست و بررسی داده های حاصل از دستگاه می توان عنصری که بیشترین حضور را در قطعه دارد (عنصر پایه) مشاهده کرده و به عنوان عنصر پایه در نظر گرفت.
گاز خنثی
برای انجام آنالیز کوانتومتری، از یک گاز نجیب (آرگون، هلیوم و یا مخلوط آرگون و هلیوم) با خلوص بالا (۹۹/۹۹درصد) استفاده می‌شود که به منظور حذف ناخالصی‌های گاز ، یک دستگاه تصفیه گاز خنثی بر سر راه گاز وجود دارد. از گاز خنثی به منظور حفاظت از قوس(جرقه) و جلوگیری از نشر عناصر نامربوط در قسمت جرقه زدن استفاده می‌شود. همچنین جریان گاز خنثی ذرات فلزی پراکنده شده توسط تخلیه الکتریکی (جرقه) را از محفظه خارج می‌کند.
تحریک کننده
الف) جرقه ای(Spark) : در این حالت ، تحریک تحت شرایط ولتاژ بسیار بالا صورت می‌گیرد به این صورت که یک نقطه از نمونه را در مدت ۳۰ ثانیه تبخیر و برانگیخته می کند در نتیجه تمام عناصر همزمان طیف تولید می‌کنند و امکان آنالیز دقیق وجود دارد.
ب) کمانی (Arc): با استفاده از این تحریک‌کننده، تحریک تحت شرایط ولتاژ پایین تر و زمان کوتاه “درحدود ۳ ثانیه ” انجام می‌شود و درنتیجه دقت پایین تر بوده و غالباً برای آنالیز های کیفی و سریع به کار می رود.
سیستم اپتیک
سیستم اپتیک شامل یک سیستم تک رنگ کننده و یک عامل آشکارساز است. تک رنگ کننده عمل جدا کردن خطوط متعدد موجود در طیف نشری نمونه را انجام می دهد که شامل یک سیستم شکاف و یک عامل تجزیه کننده نور است. سیستم شکاف نورهای هرز را حذف می‌کند و تجزیه کننده نور ، تابش را مطابق با طول موج تجزیه می کند. تجزیه کننده نور در دو نوع منشور و شبکه وجود دارد.
آشکارساز
آشکارسازها برای اندازه گیری شدت تابش مورد استفاده قرار می‌گیرند و این عمل با تبدیل انرژی تابشی به انرژی الکتریکی انجام می‌گیرد. آشکارسازها معمولا در دو نوع فتومالتی پلایر و نیمه هادی های با محدوده طیف نوری به‌نام CCD به کار گرفته می‌شوند.
فتومالتی پلایرها به نحوی چیده می شوند که هر کدام از آنها یک طول موج مشخص را دریافت می کند و در تکنولوژی CCD متاسفانه امکان آشکار سازی هیچ طیفی وجود ندارد و برای اینکه بتوان از CCD در کوانتومتر استفاده کرد بایستی یک لایه یا کوتینگ بسیار ناپایدار را در سطح سی سی دی قرارداد که این لایه به دلیل ایجاد شکست نور و بالا بردن طیف کوانتومتری تا محدوده visible باعث ایجاد خطا و ناپایداری زیاد در دستگاه می گردد بنابراین تا کنون هیچ تکنولوژی بهتر و دقیق تر و پایدارتر از فتومالتی پلایر یا PMT به بازار معرفی نشده است و تنها دلیلی که شرکتهای سازنده کوانتومتر به سمت استفاده از سی سی دی روی آورده‌اند فقط قیمت فوق العاده ارزان آن است که سود زیادی را به جیب سازنده و نماینده فروش آن سرازیر می کند.
کاربرد های آنالیز کوانتومتر
- آنالیز انواع فولادها از جمله فولادهای آلیاژی، فولادهای ضد سایشی منگنز بالا، فولادهای ساده کربنی و…
- آنالیز و بررسی انواع چدن ها همچون چدن‌های خاکستری، داکتیل و…
- تعیین میزان آلومینیوم محلول و غیرمحلول در فولادها
- اندازه گیری میزان سرب در برنج‌های سرب دار
- شناسایی و تعیین میزان هیدروژن، اکسیژن و نیتروژن موجود در تیتانیم
- آنالیز و بررسی انواع آلیاژهای آلومینیوم همچون آلیاژهای آلومینیوم-لیتیم
- تعیین ترکیب شیمیایی به روش کوانتومتری به صورت مخرب یا به صورت حداقل ممکن تخریب
- شناسایی مواد فلزی و مطابقت آن با استاندارد ها و آلیاژهای تجاری رایج
- شناسایی عناصرTrace
- شناسایی عناصر ناخواسته
- آزمون کوانتومتری به صورت غیر مخرب
- شناسایی و اندازه گیری عنصر نیتروژن در فولادها و فولادی آلیاژی، زنگ نزن و نسوز
- شناسایی و اندازه گیری عناصر فسفر، گوگرد و تالیوم در آلیاژهای پایه نیکل
- شناسایی و اندازه گیری عنصر فسفر، استرانسیوم، بور و تیتانیوم درآلیاژهای پایه آلومینیوم
- شناسایی و اندازه گیری عناصر فسفر، زیرکونیوم، آنتیموان در آلیاژهای پایه مس
مزایای آنالیز کوانتومتری
- نسبت به سایر روش های آنالیز مواد روشی ارزان است.
- نمونه سازی آسان و سریع
- سرعت زیاد آنالیز
- دقت خوب این روش و تکرارپذیر بودن آن در صنایع و کارگاه‌های متالورژی
- امکان مکانیزه شدن در صنایع بزرگ
معایب آنالیز کوانتومتری
- لزوم مشخص بودن عنصر پایه
- محدودیت جنس نمونه(لزوم فلزی بودن یا رسانا بودن نمونه)
- دقت پایین یا ناتوانی این روش در تشخیص عناصر با عدد اتمی پایین
- دقت پایین در آنالیز کربن در چدن های گرافیتی
نتیجه گیری
می دانیم همواره در ساخت قطعات، تعیین جنس و به تبع آن خواص هر قطعه مهمترین فاکتورهای کارآیی قطعه می باشند. جنس هر قطعه باید مناسب با شرایط کاری مانند محیط کار قطعه، دمای کار قطعه، اتمسفر کار قطعه ، جنس سایر قطعات درگیر با قطعه و وظیفه‌ای که از قطعه انتظار می رود انجام دهد باشد. به همین دلیل انتخاب صحیح جنس برای یک قطعه که از وظایف یک مهندس مواد و متالورژی است، بسیار حائز اهمیت می باشد که برای تامین این هدف استفاده از کوانتومترهای دقیق با دقت صدم درصد ضروری است. بنابراین فراگیری اساس کار و مهارت کار با این دستگاه از ملزومات رشته مهندسی و علم مواد است.
