Spectromètres avancés pour l'analyse élémentaire précise des métaux de fonderie

Analyse de la composition et du grade des métaux de fonderie

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

Spectroscopie et spectromètre

Spectroscopie et spectromètre sont des termes qui apparaissent souvent lorsqu'on discute d'analyse spectrochimique. Simplement dit, la spectroscopie est l'étude de l'énergie en relation avec un matériau d'échantillon, 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 matériau d'échantillon. Cette interaction produit des ondes électromagnétiques sous forme de lumière visible, typiquement vues comme des étincelles. La spectroscopie a été introduite au 17^e siècle quand Sir Isaac Newton a découvert que la lumière blanche pouvait être séparée en couleurs composantes en utilisant un prisme, et ces composantes pouvaient être recombinées pour former de la lumière blanche. Il a réalisé que le prisme n'est pas ce qui crée les couleurs, mais qu'il travaille plutôt à séparer les couleurs composantes de la lumière blanche. Au début des années 1800, Joseph von Fraunhofer a effectué des expériences qui ont fait évoluer la spectroscopie en une technique scientifique plus précise et quantitative. Cependant, ce n'est qu'au 19^e siècle que la mesure quantitative de la lumière dispersée a été standardisée et reconnue comme une méthode de test fiable.

Spectromètre

Un spectromètre est l'instrument utilisé en spectroscopie qui produit des lignes spectrales et mesure leurs longueurs d'onde et intensités. C'est un dispositif scientifique qui sépare les particules, atomes et molécules par leur masse, momentum ou énergie. Les spectromètres sont intégraux à l'analyse chimique et la physique des particules. Il existe deux types de spectromètres : optiques et spectromètres 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 fréquence et la déviation est créée par la réfraction dans un prisme, ou par diffraction dans un réseau de diffraction. Les spectromètres optiques utilisent le concept de dispersion optique — et comme chaque élément dans un échantillon laisse une signature spectrale unique, l'analyse spectrale peut déterminer la composition de l'échantillon lui-même. Les spectromètres optiques sont courants en astronomie, production métallique, énergie solaire et industries des semi-conducteurs.

Spectromètre de masse

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

Pourquoi la spectrométrie est-elle nécessaire ?

Les techniques spectroscopiques sont à l'avant-garde 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 de matériaux pour diverses industries. La science et la technologie ont toujours compté sur la spectrométrie — des premières études aux technologies avancées 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 aux rayons X a ouvert la voie à la recherche astronomique sur les étoiles lointaines et les molécules intergalactiques. La spectroscopie optique est régulièrement utilisée dans les contextes industriels et environnementaux pour identifier la composition chimique de la matière. Sans cette application en spectrométrie, la méthode rapide et efficace d'identification d'alliage et d'inspection de matériau d'aujourd'hui n'existerait pas.

Spectroscopie d'émission optique

La spectroscopie d'émission optique (SEO/OES) est une forme courante de spectroscopie utilisée pour déterminer les composants élémentaires dans des échantillons de métal solide. Elle est largement utilisée dans les fonderies et les installations de production de métaux car elle peut analyser une vaste gamme d'éléments avec une haute précision et exactitude. Les métaux d'échantillon utilisés en SEO peuvent provenir de la fusion en production primaire et secondaire de métaux, ou de métaux traités tels que tiges, plaques, fils et boulons.

Comment fonctionne la spectroscopie d'émission optique ?

La SEO fournit une analyse quantitative en utilisant trois composants clés : une source électrique, un système optique et un système informatique.

1) Source électrique

Une source électrique est requise pour exciter les atomes dans un état actif dans un échantillon de métal. Une petite portion de l'échantillon est chauffée à des milliers de degrés Celsius en utilisant une source électrique à haute tension dans le spectromètre à travers une électrode. Une décharge électrique est produite due à la différence de potentiel électrique entre l'électrode et le métal d'échantillon. Cette décharge électrique cause le chauffage et la vaporisation du métal d'échantillon à la surface.

Pendant ce processus, les atomes activés produisent des lignes 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 est plus une décharge électrique abrupte — une brève émission de lumière souvent accompagnée d'un claquement net.

2) Système optique

Le système optique transfère les lignes d'émission du métal vaporisé, connu sous le nom de plasma, dans le spectromètre. Le réseau de diffraction dans le spectromètre travaille à séparer la lumière entrante en longueurs d'onde spécifiques à chaque élément. L'intensité de la lumière de chaque longueur d'onde est ensuite mesurée par un détecteur correspondant. L'intensité mesurée pendant ce processus est proportionnelle à la concentration de l'élément dans le métal d'échantillon testé. Comme chaque élément émet un ensemble spécifique de longueurs d'onde basé sur sa structure électronique, la composition élémentaire peut être déterminée en observant ces longueurs d'onde.

3) Système informatique

Finalement, un système informatique est requis pour traiter les données. Les intensités mesurées sont traitées à travers une calibration prédéfinie pour produire des concentrations élémentaires. La technologie moderne a fait avancer l'interface utilisateur pour offrir des résultats clairs avec une intervention minimale de l'opérateur.

La SEO est conviviale et largement acceptée dans l'industrie de la fabrication métallique. Bien qu'un instrument populaire, elle comporte encore quelques limitations incluant des dommages mineurs à la surface du matériau d'échantillon et le besoin de maintenance constante.

SPECTROSCOPIE D'ÉMISSION OPTIQUE
Avantages	Inconvénients
Détermination quantitative rapide des éléments (généralement moins d'une minute).	Pas complètement « non destructif » (de légers dommages de surface peuvent être attendus).
Faible investissement en capital et coûts d'exploitation.	Ne peut pas tester de petites pièces (moins de la taille d'une pièce de 10 cents).
Préparation d'échantillon facile.	Difficile à tester dans des espaces confinés.
Analyse rapide du carbone, azote, oxygène, phosphore et soufre dans l'acier.	Nécessite une calibration et maintenance constantes.
Calcule la teneur en carbone (%) des aciers inoxydables ou faiblement alliés.	Une certification tierce partie des résultats peut être requise régulièrement.
Différencie les aciers inoxydables 304/316 et 304L/316L.
Fournit des données d'entrée pour le calcul d'équivalence carbone.

Spectromètres en fonderie

La spectroscopie d'émission optique peut être employée sur une gamme de matériaux allant des métaux purs aux alliages. Les fonderies, ainsi que les industries aéronautique, automobile et électroménager, bénéficient des spectromètres pour le contrôle de processus et qualité.

Les spectromètres sont souvent l'instrument de choix pour l'analyse des métaux de fonderie car ils nécessitent seulement une intervention minimale des opérateurs de fonderie quand utilisés pour l'inspection, le contrôle qualité et l'identification d'alliages. Des versions stationnaires et portables existent, toutes deux avec un haut niveau de précision. Une calibration et maintenance de routine est requise, et une certification tierce partie des résultats est souvent nécessaire pour que les résultats du spectromètre conservent leur validité. Les spectromètres permettent l'analyse des métaux tout au long du cycle de vie du métal, de la production à la transformation, ainsi qu'à la fin de sa vie utile dans les usines de recyclage.