材料検証技術の理解と選択

原材料の出荷が製造業者の受け入れドックに到着したとき、書類を読むだけで材料を特定するのに十分ですか? そうかもしれないし、そうでないかもしれない。 ポータブル合金 ID ツールを使用すると、金属の化学組成を簡単に検証できます。 サーモフィッシャーサイエンティフィック

典型的な製造工場では、炭素鋼、ステンレス鋼、アルミニウム合金、場合によってはマグネシウムなど、毎日、いくつかの材料を扱っています。 付属の書類によって材料が特定されますが、製造業者は注文したものを本当に受け取ったかどうかをどのように判断するのでしょうか? 多くの場合、出荷された金属が材料試験報告書 (MTR) と一致するかどうかを判断することが有益です。 材料を試験ラボに送らずにこれを行うために、製造業者は元素分析装置を使用できます。

元素分析技術は、金属加工業者が材料検証のために高価で時間のかかる実験室試験や初歩的な火花試験や酸試験に頼らなければならなかった時代から大きく進歩しました。 技術の進歩により、ポータブル機器で分析プロセスを実行できるようになりました。つまり、実験室レベルの元素分析を作業現場で数秒で実行できるようになりました。 この機能は、リスクを軽減し、生産性を大幅に向上させるのに役立ちます。

蛍光 X 線 (XRF)、レーザー誘起破壊分光法 (LIBS)、発光分光法 (OES) といった利用可能な技術を区別し、特定の用途にどれが最適であるかを判断することは困難な場合があります。

非破壊検査である XRF は、装置内の小型 X 線管によって生成された高エネルギー X 線を金属サンプルに照射します。 これにより、サンプル内の原子が、サンプル内に存在する元素に特有の二次 (または蛍光) X 線を放出します。 機器の検出器は二次 X 線を測定および分析して、その化学的正体と試験対象の金属中の濃度を決定します。 この機能により、XRF は材料組成の定性分析と定量分析の両方に役立ちます。

OES 機器は高電圧電気パルスを送信してサンプル内の原子を励起します。 その後、サンプルはアーク スパークを放出し、OES ユニット内の分光計で測定および分析できます。 そこから、OES システムは試験対象のサンプルの化学組成を決定します。

LIBS 分析装置は、高度に集束したレーザーでサンプルの表面をアブレーションし、励起された原子とイオンのプラズマを生成します。 これらの原子が基底状態に崩壊し始めると、各元素に固有の波長の光が放射され、LIBS デバイスの分光計で分析されます。 XRF と同様に、LIBS 分析は定量的測定と定性的測定の両方に使用できます。

OES と LIBS の破壊性は最小限です。 サンプルには微細な焼け跡が残ります。

金属製造者は、テクノロジーを選択する際に、移植性、速度、使いやすさなど、いくつかの考慮事項を念頭に置く必要があります。

移植性は生産性に大きな影響を与える可能性があります。 幸いなことに、LIBS アナライザーと XRF アナライザーはどちらも軽量で手持ち型です。 これは、店舗や倉庫内のほぼすべての場所（手の届きにくい場所であっても）で簡単に分析を実行できることを意味します。 OES はモバイル テクノロジーですが、手持ち式ではありません。 狭い作業エリアでは操作が難しい手押しカートが必要です。 現在の最先端の LIBS アナライザーの重さはわずか 6 ポンドです。 (2.9 kg)、モバイル OES の重量は最大 80 ポンドになります。 (36kg)。

使用速度に関しては、主な要因として、機器のセットアップとメンテナンス、サンプルの準備、分析速度が関係します。

3 つのテクノロジーのうち、XRF が最も使いやすいです。 これは、毎日のセットアップやメンテナンスを必要としないオートフォーカス デバイスです。 LIBS のセットアップは比較的最小限で、2 段階のプロセスが必要で、所要時間は約 10 分です。 OES の毎日のセットアップにはいくつかの手順が必要で、完了までに 15 ～ 20 分かかります。 LIBS および OES 機器は定期的なクリーニングが必要です。

OES および LIBS を使用する場合は、サンプルの前処理が必要です。 グリース、塗料、さらには酸化などの微量の汚染物質がテストを妨げ、信頼性の低い結果が得られる可能性があります。 サンプルの準備には、金属上のテスト領域 (通常は 1 平方インチ) の洗浄と研磨が含まれます。 また、XRF ではサンプルの前処理がまったく必要になることはほとんどありません。

テスト対象の材料に応じて、高度な LIBS および OES 分析装置は、ほとんどのサンプルを約 10 秒でテストできます。 これには、炭素含有量が重要な材料が含まれます。

XRF 分析装置を使用すると、ほとんどの材料について、多くの合金タイプの識別と有効な化学組成を 3 ～ 5 秒で得ることができます。 ただし、これには炭素分析は含まれていないため、合金に存在する他の軽元素の場合は分析時間がわずかに増加する可能性があります。 製造者が複数の読み取りまたは複数のサンプル (または複数のサンプルの複数の読み取り) が必要である可能性があると判断した場合、数秒間の差が増加します。これは、オペレーターの特定のアプリケーションにとって適切なテクノロジーの選択が重要である理由を示しています。

金属加工業者は、元素分析装置を選択する際に、生産性だけではないことを考慮する必要があります。 重要な考慮事項は、テクノロジーの分析機能とアプリケーションを一致させることです。

低炭素金属。 LIBS は、さまざまな合金を区別し、炭素鋼、低合金鋼、および L グレードのステンレス鋼 (低炭素を示す) を含むステンレス鋼の炭素濃度を定量化するのに非常に役立ちます。 LIBS は、アルミニウム、クロム、銅、鉄、マンガン、モリブデン、ニッケル、シリコン、チタン、バナジウム、タングステン、炭素当量、および擬似元素も検出できます。

新しいアルミニウムおよびマグネシウム合金。 現在、自動車の燃料効率を高めるために、新しい軽量グレードのアルミニウムおよびマグネシウム合金が自動車製造に使用されています。 自動車のフレームとコンポーネントは、合金元素の仕様が厳密に管理された特定の合金グレードから製造されています。 材料特性は非常に特殊であるため、仕様からのわずかな違いでも部品に欠陥が生じる可能性があるため、これらの完成部品の材料検証には元素分析装置が不可欠です。

シリコン ドリフト検出器 (SDD) 技術を手持ち型 XRF 装置に導入したことにより、従来の XRF 機能に比べて性能が大幅に向上し、これらの合金の種類を確実に識別できるようになりました。 現在市場にある一部の LIBS デバイスはアルミニウムなどの軽元素を分析することもできますが、より高度なユニットは代わりに炭素含有量の分析に特化していることは注目に値します。 OES を除けば、LIBS は炭素を低レベルまで検出できる唯一の分析技術です。

このアプリケーションで LIBS と XRF の両方を検討する場合、アルミニウム合金の分析では LIBS の方が高速である一方、XRF には幅広い種類の合金を非破壊で分析できる機能があることを覚えておくことが重要です。

航空宇宙用途。 XRF と LIBS は、航空宇宙用合金の全範囲に必要な分析と検証を提供できる補完的な技術です。 航空宇宙製造では、工学仕様に従って精密な合金を使用して部品を作成する必要があります。 これは、使用される高温で高い強度と高い耐食性を確実に発揮するために必要です。

化学、グレード、およびコーティングの厚さ。 XRF は、入ってくる原材料や最終製品の化学的性質やグレードの検証を迅速に行うだけでなく、合金コーティングの組成分析や厚さの測定にも使用できます。

たとえば、航空宇宙製造において、この技術はエンジン部品やその他のコンポーネントのコーティングを分析できます。これは、高温での厳しい使用による短期的および長期的な損傷から保護するために必要です。 この機能を使用すると、品質管理を確保し、高価なコーティング材料が無駄になったり、塗布が不十分になったりすることがなくなります。

業界のグローバル化が進むにつれ、多くの製造業者は海外やこれまで提携したことのない新しいベンダーから材料を購入することが増えています。 経験の浅い、または信頼性の低いサプライヤーは、確実な材料識別を行わなかったり、出荷する材料を検証するために外部の試験機関を使用したりすることでコストを削減しようとすることがあります。 残念ながら、MTR は常に正確であるとは限らないため、合金の化学組成を確認するには「信頼するが検証する」アプローチが必要です。

このような状況では、分析テクノロジーが役に立ちます。 デューデリジェンスを実施することで、製造業者はこれらのオンサイトテストを自ら実施することで、評判とビジネスを確実に守ることができます。

James Stachowiak は、Thermo Fisher Scientific、168 Third Ave.、Waltham、MA 02451、800-678-5599、corporate.thermofisher.com のテクニカル セールス マネージャーです。