ハンドヘルド XRF が金属および合金の分析をどのように進化させたか

出典: サーモフィッシャーサイエンティフィック

過酷な環境で使用する金属や合金を製造する場合、意図した組成からのわずかな逸脱でも大きな問題を引き起こし、人命を危険にさらす可能性があるため、品質管理は非常に重要です。 幸いなことに、研究室でも現場でも、材料の分析に使用できるさまざまな方法があります。 オンサイト検査には結果がすぐに得られるという大きな利点があり、一般的な選択肢はハンドヘルド蛍光 X 線 (HH-XRF) です。 この記事では、製造業者が品質管理プロセスを合理化し、材料が要求の厳しい用途の要件を確実に満たすように、HH-XRF がどのように役立つかについて説明します。

航空宇宙、自動車、石油・ガス、発電産業向けのコンポーネントの製造では、珍しい金属を含む多種多様な金属や、ステンレス鋼、ニッケル、コバルトベースの超合金、銅、アルミニウムなどの合金を使用する必要があります。そしてチタン合金。 これらの材料は、かなりの機械的ストレスに耐えながら、過酷な条件下で動作する必要があります。 良い例は、高速かつ極端な温度下で連続的に動作するガス タービンで使用されるブレードです。 したがって、これらのコンポーネントのメーカーは、使用される材料の組成が必要な仕様を満たしていることを確認することが重要です。 したがって、品質管理プログラムは製造プロセスの不可欠な部分であり、場合によっては、分析のためにサンプルを研究室に送信することが含まれます。 残念ながら、このアプローチは破壊的であるだけでなく、結果を受け取るまでに数日かかる場合があるため、非常に時間がかかります。 このような納期の遅さは、現場で使用して即座に回答を提供できる、HH-XRF を含む新しいテクノロジーの開発につながりました。

HH-XRF は 50 年以上市場に出回っていますが、大規模な使用が可能になったのは、小型化された管が放射線源に取って代わってからです。 翌年にはさらなる改良が行われ、シリコンドリフト検出器の導入により機器の全体的な感度が大幅に向上し、検出範囲が原子番号 22 ～ 83 (チタンからビスマス) から 12 (マグネシウム) まで拡張されました。 高出力管やグラフェン窓を備えた検出器の開発を含む最近のアップグレードにより、軽元素の検出速度が向上し、微量レベルでの検知が可能になりました。 現在の HH-XRF システムは、AISI、ASTM、DIN などのさまざまな国際規格に準拠した複数のライブラリの表の値と測定された組成を比較することにより、合金のグレードを識別することもできます。

搬入および搬出される材料の検証は、これらの高応力用途向けのコンポーネントの製造における重要なステップであり、多くの場合、製造および組立プロセス全体を通じて複数回行われます。 HH-XRF を使用すると、さまざまな金属や合金の組成を迅速かつ便利に測定できます。 これには、CSMX-4 (図 1 を参照) などの珍しい合金や、ニッケルなどの典型的な合金元素と、材料のクリープ強度と高温を向上させるレニウムやタンタルなどの非常に珍しい元素の両方を含む独自の材料の識別が含まれます。耐食性。

図1：ガスタービンに使用される独自の超合金グレードである CSMX-4 の HH-XRF 分析。 | 出典: サーモフィッシャーサイエンティフィック

場合によっては、グレード 303 および 304 ステンレス鋼で作られたロッドなど、同じサプライヤーからの 2 つの異なる材料の組成が非常に似ていることがあります。 304 はステンレス鋼の最も一般的なグレードであり、良好な耐食性を示し、さまざまな産業用および家庭用用途に適していますが、高い機械加工性が必要なブッシング、ベアリング、ナット、ボルトなどの部品には 303 が好まれます。 303 には 304 に比べて硫黄が多く含まれているため、機械加工性は向上しますが、材料の耐食性と溶接性は低下します。 したがって、2 つのグレードを混同せず、各用途に正しい材料を使用することが重要です。これは、HH-XRF 装置を使用して簡単にチェックできます (図 2 を参照)。

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図 2 (A と B):グレード 303 (左) と 304 (右) のステンレス鋼で作られた 2 本の棒の HH-XRF 分析。 | 出典: サーモフィッシャーサイエンティフィック

多くの製油所、パイプライン、発電所は、試運転中に材料分析を行うことが一般的になる前の 40 年以上前に建設されました。 したがって、メーカーは製鉄所から提供される「材料試験レポート」に依存し、それ以上の調査を行わずにエンドユーザーに転送していました。 残念ながら、一部の材料は用途に必要とされるほど耐久性や耐腐食性が低く、有毒または危険な液体や蒸気の放出を引き起こす大惨事につながりました。 このような失敗を回避するために、API RP 578 のような遡及的テスト プログラムが実装されています。 HH-XRF を使用すると、材料のトレーサビリティを回復できるため、石油・ガスまたは発電施設のオペレーターは、故障する前にコンポーネントを交換する機会が得られます。

「電気・電子機器における有害物質の制限」(ROHS) や「電気・電子機器廃棄物」(WEEE) などの規制により、電子機器や電気機器に含まれる重金属やその他の危険物質の存在が制限されています。 これらの規制はヨーロッパで生まれたものですが、その後、日本、中国、韓国、米国の一部を含む他の国々でも同様の法律が採用されました。 HH-XRF は、鉛、水銀、カドミウム、クロム、臭素をスクリーニングすることで、規制への準拠を確保し、IEC 62321-3-1:2013 または ASTM F2617-15 規格に準拠するのに役立ちます。 製品が店頭に並ぶ前にこの方法で製品をチェックすることで、メーカーとエンドユーザーの間の信頼が維持され、企業は製品リコールに伴う高額なコストを節約できます。

特に最終製品が厳しい環境で使用される場合、仕様からの逸脱は多大な損害を引き起こす可能性があるため、金属および合金の組成を検証することが重要です。 過去 20 年間にわたり、HH-XRF は金属や合金が重要なさまざまな業界の品質管理プログラムに革命をもたらし、倉庫、生産ライン、産業施設に実験室機能をもたらしてきました。 さらに、HH-XRF 装置は、化学に関する深い知識がなくても使用および保守が簡単で、信頼できるリアルタイムの結果により、企業は情報に基づいた迅速な意思決定が可能になります。 この分野はすでに大幅な改善が見られていますが、さらなるイノベーションが目前に迫っています。ハードウェアが絶えず改良されているため、金属や合金をより迅速に、より少量で識別できるようになりました。 さらに、HH-XRF データは人工知能を使用して処理され、自動および半自動の製造プロセスに供給される可能性があります。

マシュー・バウアー 、シニア アプリケーション サイエンティスト – アソシエート プロダクト マネージャー、サーモサイエンティフィック フィールドおよび安全機器。 詳細については、+49 89 36 81 38-55 に電話するか、[email protected] に電子メールでお問い合わせいただくか、thermofisher.com/industrial にアクセスしてください。