【线上讲座第144期】金属原位分析仪分析钢板元素偏析应用介绍

1、 金属原位分析仪的原理及结构

基本原理：

金属原位分析（Original Position Statistic Distribution Analysis）以单次放电理论及信号分辨提取技术为基础，将火花微束（探针）技术、无预燃连续激发同步扫描定位技术相结合，获得数以百万计与材料原位置相对应的各元素原始含量及状态信息，以统计解析方法建立定量表征材料的参数，如成分分析、夹杂物的定量分析、统计偏析度、统计疏松度等指标来衡量材料的偏析和缺陷，进而对材料的质量判定提供重要信息。该方法具有原始性、原位性及统计性的特点，为冶金工艺材料研究及质量判据提供了一个新方法，且具有制样简单、定量准确、分析速度快的特点。

结构：

硬件：激发光源系统、分光(及真空)系统、

单次火花放电信号采集系统、

信号分析系统、

样品连续激发同步扫描移动/定位系统

软件：OPA (Original Position Analysis) 原位分析系统

整体结构如图：



² 扫描移动/定位系统

金属原位分析仪采用连续激发同步扫描定位系统，不但可以像传统的激发平台那样分析样品表面的固定位置，而且可以使样品与电极之间做相对运动，实现样品的成分分部分析、缺陷分析和夹杂物统计分析。该装置实现对样品进行连续激发、同步扫描，是一种可编程的自动化机械装置。




² 光源系统　

激发光源是原位分析仪的一个重要的组成部分，由高纯氩气气控制器、钨电极、样品和火花光源组成，钨电极与火花光源相连，并与样品纵向相对。原位分析仪配置了电弧和火花光源。




火花光源的放电方式是一种电极间的不连续气体放电。原位分析仪采用的是高能预火花和低压火花相结合的方法，采用放电频率为 500Hz，稳定性较高，谱线白吸收小，且温度高，可持续长时间的进行分析，分析结果的重现性高。

² 分光（及真空）系统

原位分析仪的分光系统与直读光谱相同，由入射狭缝、单色计和出射狭缝组成，其作用是把复合光进行色散变成单色光，并按波长顺序进行空间排列，以获取不同元素的光谱。原位分析仪入射狭缝的宽度为 20-30um, 出射狭缝的宽度为50-80um，采用整体式设计，单色计采用凹面光栅、帕邢-龙格(Paschen-Runge) 装置。真空方面，原位分析仪采用两级泵抽真空，一级为油泵，二级为分子泵。



² 信号采集及分析系统

信号高速采集系统由光电倍增管、高压板、放大板和高速采集板(A/D 板) 组成，其作用是将分光系统产生的分析元素的谱线光强信号，通过光电转换元件转化为光电流信号，然后经过积分放大系统、高速A/D转换，以数字方式存储。相对于分光系统中出射狭缝的狭缝,对应的单次火花放电高速采集通道。每一组单次火花放电采集系统中光电倍增管、放大板和高速采集板均通过导线串联，各组 之间则相互并联，而高压板则通过导线与每一组中的光电倍增管相通。




光电转换元件主要是利用光电效应将不同波长的辐射能转化为光电流信号。常用的有光电倍增管和固体成像器件。原位分析仪采用了光电倍增管，主要考虑到钢铁材料中许多重要元素 (如C S P) 处于真空紫外区，在此波段光电倍增管的灵敏度远于CCD等固体检测器。



2、金属原位分析仪的主要技术及特点

金属原位分析仪为北京纳克分析仪器有限公司的专利产品，已获得国家两项发明专利(一项方法原理专利、一项仪器专利)、一项法国专利。申请了两项欧盟发明专利，己经公开发布。

之前，材料性质表征方法要么是宏观表征，要么是微区表征，原位分析仪的问世带来了材料性质表征的第三种方法：统计表征，这种新方法可表征材料中大尺度范围内成分的位置分布、含量分布和状态分布。

金属原位分析仪是世界第一台可进行原位统计分布分析的仪器，作为国产仪器的优秀代表，它所采用的新技术及特点主要以下一些方面。

采用了火花单次放电理论(Single Discharge Analysis, SDA)，即一个火花脉冲中包含几十个单次放电、每个单次放电信号与放电位置的状态相关。

采用了火花探针技术，提取一个单次火花放电，火花探针一次放电只需20微秒；

放电信号与放电位置原始状态成分含量具有良好的相关性；

快速无预燃扫描定位-高速信号采集，可以得到大面积范围内与位置相对应的各元素的上百万个原始信息，这些信息反映了各元素的含量与状态；

数以万计的信息统计解析可以研究建立表征材料各种特性的新参数，如成分分布、统计偏析度、统计均匀度、统计疏松度、统计致密度、夹杂组成、夹杂分布与夹杂粒度分布等；

采用原位分析仪得到的新统计参数与材料性能的相关性基础研究，己应用于国家863等重大专题、国防军工等重大课题、薄板坯等生产质量判据, 并承接了大量国内外的委托试验研究。

3、原位分析仪与火花直读光谱的比较

　原位分析仪与直读光谱都采用火花光源，只不过原位分析仪的光源经过特殊设计，可进行持续较长时间的激发。分光系统及检测系统相同。它们的主体结构如下图。



正是由于光源设计的差异，使得金属原位分析仪可以利用上面提到的新方法及新技术具备了很多直读光谱所不具备的功能。

直读光谱：可进行单点成分分析。

原位分析：可进行单点成分分析；

可进行不同组分的线状分布分析（一维原位分析）；

可进行剖面中不同组分的统计定量分布（二维原位分析）；

可进行材料中不同组分的体分布（三维原位分析）。



4、原位统计分布分析可以获得的有效信息

利用金属原位分析仪可以获得关于材料的许多新信息，如：

ü 各元素在材料不同位置含量的统计定量分布

ü 材料中各元素最大偏析度的计算

ü 材料中各元素在不同位置偏析度的准确定量计算

ü 材料均匀度的表征：统计均匀度,元素不同含量在材料整体分布中所占的权重比率

ü 材料偏析度的表征：统计偏析度

ü 材料疏松度的定量表征：统计致密度表观密度

ü 材料中夹杂物的统计定量分布以及材料中夹杂物不同粒度的统计定量分布

目前，金属原位分析仪己经应用于唐钢、马钢、国家连铸工程中心、725所、首钢、重钢、珠钢、武钢、瑞典金属研究所、钢铁研究总院等诸多冶金单位的产品质量解析以及冶金工艺参数控制等，解决的问题有：

*连铸厚板坯质量的判据

*不同晶态铸坯的原位统计分布分析研究

*进口连铸坯质量异议的评定

*电磁搅拌工艺对连铸坯质量影响的判据

*轻压下工艺对连铸坯质量影响的判据

*船板钢中心偏析带的原位统计分布分析

*高温合金压气机盘加工前质量的评定

*高温扭转部件高温合金浇铸棒加工切除部位的判定

*管线钢质量的判据

*堆焊试样原位统计分布分析

*工具钢不同生产工艺质量判据

*薄板坯连铸工艺质量解析

目前，本单位在原位分析方面开展的项目主要还是在偏析度分析方面，接下来就以偏析度分析为例，介绍利用金属原位分析仪可以得到的材料元素偏析情况的信息。


5、原位分析仪对钢板元素偏析情况的分析示例

钢铁材料中各化学元素的偏析状态与其机械性能密切相关，全面了解其表面元素偏析状态可为改进钢铁材料的加工流程提供重要的参考数据。试验选取了两块样品钢板，利用原位分析仪对其C, Si, Mn, P, S, Ni, Cr, Mo等元素的偏析状

态进行了检测，通过原位统计分析技术对钢板横截面上两处不同区域中各元素偏析状态进行统计计算，可以发现，利用原位分析方法所得到的结果较之传统方法更显直观，也很全面。

上面所绘二维图直观且全面地表示了样品激发区域对应元素含量的分布，不同颜色分别对应着含量的高低。通过这些图可以得到样品整个表面元素分布情况，而不像直读光谱那样只能得到一个点的数据。

对于试验中的两个样品而言，从上面的图可以很明显的得到此两块样品表面元素偏析情况的结论：

1＃样品：C、Mn、Cr、Mo四元素在中心线附近的颜色明显与其它区域不一致，根据颜色对应的含量可知，该四个元素存在较大的正偏析，偏析位置与分析区域的中心线位置较为一致，而Si、Ni的偏析情况相较之以上四个元素显得不是那么明显，偏析区域较小；

2＃样品，整体情况偏析很小，Si、Mn、Cr、Mo颜色基本一致，C、P、S局部有点偏析，但也很小，就整个表面而言，可以认为这几个元素都没有明显的偏析集中处，各元素分布较为均匀。

在进行元素偏析分析时，有一个概念很重要的，就是最大偏析度，最大偏析度的计算方法：

M=Ci/C

其中：M－最大偏析度；

Ci－单次放电位置处某元素最高含量；

C－平均值；

最大偏析度有时并不能准确反映样品真实的偏析情况，因为钢板表面可能会有局部的某个点成分异常偏高（如由缺陷、夹杂等引起），这时就有了统计偏析度 (S)的概念，统计偏析度可以更加准确、实际地反映出样品的偏析情况。

统计偏析度的计算方法：

S=Z/C₀

其中： S－统计偏析度；

Z－某元素在材料各位置含量统计分布中位值的95%置信区间为(C₂-C₁)，则Z=(C₂ – C₁)/2；

C₀－中位值；

例如对于本试验中的具体情况，根据上面的二维图，可以很方便的得到1#样品C元素的最大偏析度1.541、最大偏析的位置(x21.47，y30.00)、统计偏析度0.367，2#样品C元素的最大偏析度1.352、统计偏析度0.158。通过这些数值的比较，可以很容易、很直观地表示出这两个样品碳元素分布的差异。这些参数对于确定产品质量问题、改进工艺条件具须非常重要的指导意义。

另外，在进行原位分析时还会用到统计均匀度、统计致密度、统计致密度、统计疏松度等概念。



6、总结

传统的方法如火花直读光谱法、化学钻样法取点测定在分析样品元素的偏析状况时，也可得到类似的元素分布规律，但其只是反映的激发点或钻样点的位置的成分，受到分析位置及钻孔深度的影响，仅能反映出各个分析位置的平均含量，不能详细反映出整个区域内各元素含量的分布状况。原位分析则可以全面反映检测面内各元素含量的整体分布状况，这也正是原位分析最大的价值所在。

金属原位分析技术的应用正日益增多，希望原位分析技术工作同仁们加把努力，除钢板偏析度分析外，促进原位分析在疏松度分析、夹杂分析等方面的应用，加强交流，促进科研检验技术的提高和利用新技术设备的水平。

之前也看过介绍，纳克公司开发的金属原位分析仪是世界第一台可进行原位统计分布分析的仪器，算是世界首创的了。纳克依托钢铁研究总院的优势，也向国内用户极力推荐此产品。
我想问的是金属原位分析仪的市场究竟有多大，这种仪器会在未来几十年后像现在的火花直读光谱仪一样普及吗？
此款金属原位分析仪推向市场已经好几年了，除了讲座中提到的唐钢、马钢、国家连铸工程中心、725所、首钢、重钢、珠钢、武钢、瑞典金属研究所、钢铁研究总院等这十几家冶金单位外，还有其它客户吗？目前的销售量一年有多少台呢？

与传统的火花直读光谱仪相比，
1、它分析一次的时间大概需要多少秒？
2、它也可以进行化学成分的定量分析，那么它定量分析的准确度和精密度与火花直读光谱仪相比有优势吗？
3、它的检出限如何，能分析几个ppm的成分吗？

金属原位分析仪主要还是用在研究上的　不跟直读是生产必备　市场没法跟直读去比；
用户情况现在应该更多多了　没有具体新的数据情况　这是早几年的数据了　近两年就有过多次新用户调研来这参观的　　

1、跟分析面积有关系　　以60mm*60mm面积为例　大概需要45-50分钟
2、单点定量分析准确度和精密度与直读类似
3、单点是可以的　但是做面积扫描的话　稳定性稍差　据说光谱经过长时间激发有漂移　现在纳克正在研发激光光源　可能会改善吧　

这东西能不能测非金属元素，总是感觉直读光谱测非金属元素不准