Spectromètres pour les tests et analyses élémentaires

Analyser la composition et la qualité du métal de fonderie

L'analyse spectrochimique est un type d'analyse chimique utilisé pour déterminer l'arrangement des atomes et des électrons dans les molécules de composés chimiques. Il observe la quantité d'énergie absorbée lors des changements de mouvement ou de structure. La longueur d'onde et l'intensité du rayonnement électromagnétique sont mesurées pour produire des résultats quantifiables qui sont principalement utilisés pour l'évaluation de la qualité.

La spectroscopie et le spectromètre

Spectroscopie et spectromètre sont des termes qui apparaissent souvent lorsqu'on parle d'analyse spectrochimique. En termes simples, spectroscopie est l'étude de l'énergie par rapport à un échantillon de matériau et un spectromètre est l'instrument utilisé pendant la spectrométrie , l'acte de spectroscopie.

Spectroscopie

La spectroscopie est l'étude de l'interaction entre l'énergie rayonnée et un échantillon de matériau. Cette interaction produit des ondes électromagnétiques sous forme de lumière visible, généralement perçues comme des étincelles. La spectroscopie a été introduite au 17 ^ème siècle lorsque Sir Isaac Newton a découvert que la lumière blanche pouvait être séparée en couleurs composantes à l'aide d'un prisme, et que ces composantes pouvaient être recombinées pour former de la lumière blanche. Il s'est rendu compte que le prisme n'est pas ce qui crée les couleurs, mais qu'il travaille plutôt pour séparer les couleurs composantes de la lumière blanche. Au début des années 1800, Joseph von Fraunhofer a réalisé des expériences qui ont fait évoluer la spectroscopie vers une technique scientifique plus précise et quantitative. Cependant, ce n'est que le 19 ^e siècle que la mesure quantitative de la lumière dispersée a été normalisée et reconnue comme une bonne méthode de test.

Spectromètre

Un spectromètre est l'instrument utilisé en spectroscopie qui produit des raies spectrales et mesure leurs longueurs d'onde et leurs intensités. C'est un appareil scientifique qui sépare les particules, les atomes et les molécules par leur masse, leur quantité de mouvement ou leur énergie. Les spectromètres font partie intégrante de l'analyse chimique et de la physique des particules. Il existe deux types de spectromètres :les spectromètres optiques et de masse.

Spectromètre optique

Un spectromètre optique, ou simplement « spectromètre », est capable de séparer la lumière blanche et de mesurer des bandes étroites individuelles de couleur (spectre). Il montre l'intensité de la lumière en fonction de la longueur d'onde ou de la fréquence et la déviation est créée par réfraction dans un prisme ou par diffraction dans un réseau de diffraction. Les spectromètres optiques utilisent le concept de dispersion optique et puisque chaque élément d'un échantillon laisse une signature spectrale unique, l'analyse spectrale peut déterminer la composition de l'échantillon lui-même. Les spectromètres optiques sont courants dans l'astronomie, la production de métaux, l'énergie solaire et les industries des semi-conducteurs.

Spectromètre de masse

Un spectromètre de masse mesure le spectre des masses d'atomes ou de molécules qui existent dans un solide, un liquide ou un gaz. Il y parvient en mesurant le rapport masse sur charge et l'abondance des ions en phase gazeuse. Les spectromètres de masse sont utilisés dans les domaines de la science pharmaceutique, de la biotechnologie et de la géologie.

Pourquoi la spectrométrie est-elle nécessaire ?

Les techniques spectroscopiques sont à la pointe de nombreux domaines techniques. La spectrométrie est nécessaire pour son rôle dans la recherche et le développement, ainsi que pour son rôle plus pratique dans l'analyse des matériaux pour diverses industries. La science et la technologie ont toujours reposé sur la spectrométrie, des premières études aux avancées technologiques qui alimentent la recherche moderne.

La spectroscopie radiofréquence a conduit à l'imagerie par résonance magnétique (IRM), un instrument médical révolutionnaire utilisé pour visualiser les tissus mous internes du corps. La spectroscopie radio et rayons X a ouvert la voie à la recherche astronomique sur les étoiles lointaines et les molécules intergalactiques. La spectroscopie optique est couramment utilisée dans les environnements industriels et environnementaux pour identifier la composition chimique de la matière. Sans cette application en spectrométrie, la méthode rapide et efficace d'identification des alliages et d'inspection des matériaux d'aujourd'hui n'existerait pas.

Spectroscopie d'émission optique

La spectroscopie d'émission optique (OES) est une forme courante de spectroscopie utilisée pour déterminer les composants élémentaires dans des échantillons de métaux solides. Il est largement utilisé dans les fonderies et les installations de production de métaux car il peut analyser une vaste gamme d'éléments avec une grande précision et exactitude. Les échantillons de métaux utilisés dans l'OES peuvent provenir de la fonte dans la production de métaux primaires et secondaires, ou de métaux traités tels que des tiges, des plaques, des fils et des boulons.

Comment fonctionne la spectroscopie d'émission optique ?

OES fournit une analyse quantitative à l'aide de trois composants clés :une source électrique, un système optique et un système informatique.

1) Source électrique

Une source électrique est nécessaire pour exciter les atomes dans un état actif dans un échantillon de métal. Une petite partie de l'échantillon est chauffée à des milliers de degrés Celsius à l'aide d'une source électrique à haute tension dans le spectromètre à travers une électrode. Une décharge électrique est produite en raison de la différence de potentiel électrique entre l'électrode et le métal de l'échantillon. Cette décharge électrique provoque le réchauffement et la vaporisation du métal de l'échantillon à la surface.

Au cours de ce processus, les atomes activés produisent des raies d'émission distinctes pour chaque élément. Deux types de décharges électriques existent :un arc électrique ou une étincelle. Un arc électrique produit une décharge électrique continue, un peu comme la foudre. Une étincelle électrique ressemble plus à une décharge électrique brutale :une brève émission de lumière souvent accompagnée d'un claquement aigu.

2) Système optique

Le système optique transfère les raies d'émission de l'échantillon vaporisé, appelé plasma, dans le spectromètre. Le réseau de diffraction dans le spectromètre fonctionne pour séparer la lumière entrante en longueurs d'onde spécifiques à l'élément. L'intensité de la lumière de chaque longueur d'onde est ensuite mesurée par un détecteur correspondant. L'intensité mesurée au cours de ce processus est proportionnelle à la concentration de l'élément dans l'échantillon de métal testé. Étant donné que chaque élément émet un ensemble spécifique de longueurs d'onde en fonction de sa structure électronique, la composition élémentaire peut être déterminée en observant ces longueurs d'onde.

3) Système informatique

Enfin, un système informatique est nécessaire pour traiter les données. Les intensités mesurées sont traitées par un étalonnage prédéfini pour produire des concentrations élémentaires. La technologie moderne a amélioré l'interface utilisateur pour offrir des résultats clairs avec une intervention minimale de l'opérateur.

OES est convivial et largement accepté dans l'industrie métallurgique. Bien qu'il s'agisse d'un instrument populaire, il présente néanmoins quelques limitations, notamment des dommages mineurs à la surface du matériau de l'échantillon et la nécessité d'un entretien constant.

SPECTROSCOPIE D'ÉMISSION OPTIQUE
Avantages
Inconvénients

• Détermination quantitative rapide des éléments (généralement moins d'une minute).
• Faibles coûts d'investissement et d'exploitation.
• Préparation facile des échantillons.
• Analyse rapide du carbone, de l'azote, de l'oxygène, du phosphore et du soufre dans l'acier
• Calcule la teneur en carbone (%) des aciers inoxydables ou des aciers faiblement alliés.
• Distingue les aciers inoxydables 304/316 et 304L/316L.
• Fournit des données d'entrée pour le calcul de l'équivalence carbone.

• Pas complètement "non destructif" (de légers dommages de surface peuvent être attendus).
• Impossible de tester de petites pièces (moins de la taille d'un centime).
• Difficile à tester dans des espaces confinés.
• Nécessite un étalonnage et une maintenance constants.
• Une certification de routine des résultats par un tiers peut être requise.

Spectromètres dans les fonderies

La spectroscopie d'émission optique peut être utilisée sur une gamme de matériaux allant des métaux purs aux métaux alliés. Les fonderies, ainsi que les secteurs de l'aviation, de l'automobile et de l'électroménager, bénéficient de spectromètres pour le contrôle des processus et de la qualité.

Les spectromètres sont souvent l'instrument de choix pour l'analyse des métaux de fonderie, car ils ne nécessitent qu'une intervention minimale de la part des opérateurs de fonderie lorsqu'ils sont utilisés pour l'inspection, le contrôle qualité et l'identification des alliages. Des versions fixes et portables existent, toutes deux avec un haut niveau de précision. Un étalonnage et une maintenance de routine sont nécessaires, et une certification des résultats par un tiers est souvent nécessaire pour que les résultats du spectromètre conservent leur validité. Les spectromètres permettent d'analyser les métaux tout au long de leur cycle de vie, de la production à la transformation, ainsi qu'à la fin de leur durée de vie dans les usines de recyclage.