Haberler

OPTİK EMİSYON SPEKTROMETRELERDE UYGUN NUMUNE HAZIRLAMA TEKNİKLERİ

25.03.2013

 OPTİK  EMİSYON  SPEKTROMETRELERDE UYGUN  NUMUNE  HAZIRLAMA TEKNİKLERİ (Mehmet AKTÜRK)

 

ÖZET: Metallerin   kimyasal  analizinde   vazgeçilmez  olan  optik  emisyon  spektrometrelerde  güvenilir  analizin en önemli  kriterlerden  biri de   numunenin doğru bir şekilde  hazırlanmasıdır. Bu yazıda  farklı  metal  ve alaşımlar  için   önerilen farklı  yöntemler incelenmiştir.

 

İYİ  VE GÜVENİLİR  BİR  ANALİZ

 

Spektrometreler  gibi  analitik  cihazlar  , belirli  bir  referansa göre  ölçüm  yapan  cihazlardır. Analiz anında materyal yüzeyinden sadece birkaç miligramı  buharlaşma  sureti  ile değerlendirilir. Bu yüzden güvenilir  ve  iyi  bir  analiz  için  numune ve yüzey hazırlanmasında  aşağıda  belirtilen  faktörlerin  uygun  olarak yerine getirilmesi  gerekir :

 

  1. NUMUNE
  2. NUMUNE HAZIRLAMA
  3. ANALİZ CİHAZININ HAZIRLANMASI

 

  1. NUMUNE :

 

Spektrometre  numunesi  analiz  edilecek  alaşıma  bağlı  olarak   doğru  sıcaklıkta  dökülmüş  ,   gaz vs. boşluklardan arındırılmış  ve temiz  olmalıdır. Aşağıda  çeşitli  materyaller  için  uygun  numune  alma yöntemleri   verilmiştir :

 

DÖKME DEMİR : Demir  bazlı  alaşımlarda  karbon  miktarı , malzeme yapısını  belirleyen  en önemli  faktörlerden birisidir. Karbon miktarı  % 2 den  daha  düşük  ise   çelik  olarak  adlandırılır  ve  karbon serbest olarak  grafit  halinde  bulunmaz. % 2 nin üzerinde  olan  karbon oranı  dökme demir  olarak sınıflandırılır. Eğer  dökme demirdeki  tüm  karbon   demir karpit  bileşiminde  olursa   çok gevrek  ve kırılgan  bir  yapıya  sahip olacaktır. Bu  tür  dökme demire  beyaz tabakalar  halinde kırıldığından  ve  gümüşi  görünüşünden dolayı  “beyaz  dökme demir “  olarak adlandırılır. Karbonun  dökme demirde demir  karpit olarak     bulunması  büyük oranda hızlı soğuma  ile  grafitleşmenin engellenmesine  dayandığından  bu tür  demire  “ soğuk dökme demir – chilled cast iron “ da denilebilir.

 

Dökme  demir  eğer  dökümden sonra  hızlı  soğuma  olmazsa  karbon serbest ve grafit  halinde olacaktır  ve  daha  yumuşak , çekme ve işlemeye daha uygun  bir yapıda olacaktır. Yapısı ince grafit tabakalar halinde , koyu bölgeler göründüğünden  “gri dökme demir – gray cast iron “ olarak adlandırılır. 

Analiz  esnasında   elektrot  ile  numune  yüzeyi  arasında  elektriksel  boşalma (kondanse ark) gerçekleşir. Numune yüzeyine verilen enerji  ile bu noktada buharlaşma olur  ve numunenin kimyasal yapısına uygun olarak  ışık  spektrumu oluşur. Eğer  numune homojen olmazsa, elde edilecek  spektrum  uygun olmayacaktır , dökümü yapılan  materyalle uyuşmayacaktır. Serbest grafit halde karbonun bulunduğu  gri dökme demir  formu  bu homojenliği  sağlamadığından  yapılacak analizler sıhhatli olmayacaktır. Karbonun demir karpit  formunda bulunduğu  beyaz dökme demirler  homojen yapıda olduğundan  yapılacak  analizler de sıhhatli ve güvenilir olacaktır.

Bir  takım  ilave tekniklerle  okuma öncesinde  analiz bölgesinin  tekrar  ergitilmesi  yolu ile homojenleştirilmesi   mümkün  olmasına rağmen  hem daha pahalı bir işlem hem de  beyaz dökme demir  formundaki kadar  güvenilir değildir.

Yukarıda  saydığımız  nedenlerden  dolayı ,  spektrometrede analizini  yapacağımız  dökme demir (pik, sfero ) numunesinin    belirli  prosedürlere  uygun  olarak ocaktan  alınması   ve yapının beyaz  formda  olması sağlanmalıdır.

Bu  alanda  uluslararası  saygın  bir  kuruluş  olan  BCIRA (British  Cast  Iron  Association- İngiliz  Dökme Demir Derneği ) numune alma konusunda da bazı standartlar  belirlemiştir. Aşağıda  bununla ilgili  bazı teknik detaylar   verilmiştir.

  

Resim 2 de  şeması  gösterilen kalıp grafit, bakır  veya düşük fosforlu gri dökme demir malzemeden yapılabilir. Bu şemada  görülen  küçük pinler otomatik  karbon-kükürt cihazı için kullanılabilir. Dökümhanelerde  metal kalıp grafit kalıba göre daha uygundur. Açılır, kapanır kitap şeklinde  bu kalıp şeması  resim 3 de gösterilmiştir.

 Ergimiş  metal , yüzeyleri temiz  ve kuru  olan  kalıbın  yukarıdaki  besleyici gözünden aşağı  dökülür. İki kalıp yüzeyi de  birbirine sıkı yapışmış olmalıdır. Ergimiş metal  mümkün olduğu kadar yüksek sıcaklıkta  kalıba dökülmeli, katılaşır, katılaşmaz da kalıp  iki kolu açılarak  numune dışarı alınmalıdır. Böylece  kalıbın fazla ısınarak  çabuk  bozulması  ve  numuneye zarar vermesi önlenir. Numune alma işlemi  aşılamadan  önce  yapılması uygundur.  Ya da  aşılamadan  sonra ani etkileşim   geçtikten sonra  yeterli bir beklemeden  sonra da numune alınabilir.

 

ÇELİK:  Grafitleşme gibi sorunlar bulunmadığından “ lolipop” şeklinde   veya   konik   kalıba dökülerek alınabilir. Konik bir çelik numunesinin tipik ölçüleri Resim 6 da verilmiştir.  Bu numune  ortadan kesilerek  alt kısmı  taşlanarak veya  zımparalanarak   analize hazırlanır.  Resim 5 te de otomatik numune daldırma kalıbı ile  lolipop şeklinde alınan çelik  numune ölçüleri görülmektedir.

 

ALÜMİNYUM  VE ÇİNKO : Gerek alüminyum, gerekse de çinko alaşımlarında numune biçimi mantar  biçiminde olmalıdır.


Bu numune biçimi  hem homojen , düzgün dağılımlı bir yapı sağlar , hem de tornaya kolaylıkla  bağlanmasına  yardımcı olur. İnce kısmı istenirse  kesilerek  üst düz yüzeyi analiz  edilir.

BAKIR  VE NİKEL :  Bakır  ve  Nikel numuneler de  çelikte  olduğu  gibi  konik veya lolipop şeklinde  alınabilir.

 

 

  1. NUMUNE HAZIRLAMA :

 

Numune hazırlamaya yönelik alaşımlara  bağlı  olarak  farklı  yöntemler geliştirilmiştir.

 

DÖKME DEMİR, TAKIM ÇELİĞİ, OTOMAT ÇELİĞİ : Pik  vs. gibi dökme demir , takım çeliği, otomat çeliği gibi  materyaller  çok sert  yapıya sahip olduğundan yüzeylerin  düzgün hazırlanması  zordur. En çok kullanılan teknik  döner kafalı veya  döner tablalı taşlama  cihazlarıdır.  Resim 7 de  döner  kafalı  , resim 8 de ise  döner tablalı taşlama gösterilmiştir.\"\\"\\\\"\\\\\\\\"\\\\\\\\"\\\\"\\"\"

 

Gri dökme demir ve düşük alaşımlı çelikler kuru olarak taşlanabilir. Ancak paslanmaz çelikler, takım ve otomat çelikleri ile beyaz  form dökme demir  numuneleri çok sert olduğundan taşlama anında  numunenin yüzeyi aşırı ısınabilir. Bu durumda yüzeyin yanmasını önlemek için   uygun soğutucu sıvılar kullanılmalıdır. Yüzey uygun miktarda taşlanınca soğutma sıvısı kapatılarak son  geçişler  kuru olarak yapılmalı, sıvı tamamen uzaklaştırılmalıdır. Kullanılacak taş da malzemeye uygun olmalıdır. Genel kural , sert malzemeler için yumuşak , yumuşak malzemeler için ise sert taş kullanmaktır.

 

ÇELİK :  Zımpara  kağıdı takılan  makineler bir çok çelik alaşımları  için  uygundur. Zımpara kağıdı  olarak 40 – 80  nolu  alumina  (kırmızı renkli)  zımparalar önerilir. Silikon karpitli olanlar, çelikte silis yüzdesini etkilediği için  pek uygun değildir. Zımpara makinaları  dakikada 1400 devirli bir tabla üzerinde takılı diskli   olabileceği gibi , dakikada  300 m . hızda dönen kayış zımpara  tarzında da olabilirler. Soluble/Insoluble alüminyum  tayini yapılacaksa zirkonyum  zımparalar daha uygun olacaktır.

 

 

 

  • Farklı bazlarda  zımpara yapılırken (çelikten bronza, nikelden çeliğe  geçerken) materyal bulaşmasını  önlemek için  kesinlikle zımpara kağıdı değiştirilmelidir.
  • Zımpara kağıdı incelmeye başlayıp , numune yüzeyini parlatmaya (polisaj) başlamışsa  hemen değiştirilmelidir.
  • Özellikle krom-nikelli, paslanmaz çelik numunelerinde zımparalama yaparken numune yüzeyinin  aşırı ısınması önlenmelidir.
  • Elle zımpara kağıdı üzerinde yüzey zımparalanırken  özellikle numune  kenarları daha fazla  aşınarak , orta kısım  daha yüksek  Bu da  analizi  olumsuz etkiler.

 

ALÜMİNYUM , ÇİNKO, BAKIR, KURŞUN, KALAY  : Bu materyaller  için yüksek  devirli   torna  en uygun  tekniktir. Bazı alüminyum alaşımlarında çelikte olduğu gibi   zımparalama  yapılabilir.  Özellikle  saf alüminyum ve saf bakır  gibi  çok yumuşak numunelerde iyi sonuç almanın yolu iyi bir  tornalamadan geçer. Pirinç numunelerinde  yüksek  oranda çinko bulunur. Analiz anında  spark yapılan noktada  çinko buharlaşmaya uğrar. Aynı noktada  tekrar  analiz yapılırsa  çinkoyu az dolayısıyle   bakırı  yüksek okuyacaktır. Aynı durum  magnezyum  , kükürt  gibi  elementler için de geçerlidir. Bu yüzden  yüzeyi  bir sonraki  analiz  için  hazırlarken  eski  spark  izlerinin  yok olması gerekir.

 

  1. ANALİZ CİHAZININ HAZIRLANMASI :

 

Yukarıda saydığımız  koşullar  yerine getirildiğinde  spektrometrenin de analize  hazır  olup, olmadığının  kontrol edilmesi gerekir. Bu noktalar şunlardır :

  1. Kullanılan argonun istenilen saflıkta olması . Sistemde kaçak yok,  numune homojen ve düzgün ve grafitleşme yok  , buna rağmen  yanma  beyaz  ise  argon  içinde oksijen oranı yüksek  demektir. Eğer yanma  grimsi ise nem oranı  yüksek demektir. Özellikle yüksek silisyumlu malzemeler  kötü argondan en çok etkilenen  materyallerdir.
  2. Argon tüpünün giriş ve çıkış basıncının istenen değerde olması.
  3. Tüm argon bağlantılarında her hangi bir kaçak olmaması. Çok küçük bir sızıntı bile argonun saflığını bozmaya yeterlidir.
  4. Spark bölgesi ve elektrot  temiz  olmalıdır.
  5. Eksoz çıkışı tıkalı olmamalıdır. Analiz sonrasında yanma holünden  poflama ile kurum geliyorsa eksoz tıkalı demektir. Numune yanma holü üzerine konduktan sonra , eksoz hortumu suya daldırıldığında  kabarcıklar oluşmalıdır.
  6. Elektrot ucu standartlara  uygun ve numune ile olan uzaklığı  doğru  ayarlanmış olmalıdır.
  7. Mercek ve optik  pencereler  temiz, optik sistem  yeterli vakumda veya gerekli inert ortam sağlanmış olmalıdır..
  8. Numune yanma holünü tamamen kapatmalıdır. Jet akışlı bazı spektrometrelerde bu koşul gerekmeyebilir
  9. Daire yüzeyli bir numuneyi yerleştirirken mümkün olduğu kadar merkezden  ve  kenarlara çok yakın kısımlardan  kaçınmak gerekir. En uygun analiz bölgesi  numunenin kenarlarından  merkeze doğru 1/3  uzaklıkta  olan bölgedir.
  10. Cihaz ilk açıldığında veya 30 dakikayı geçen ara verildiğinde argon flaş yapılmalı veya herhangi bir  numune ile birkaç kez  yanma yapılarak spark bölgesi hazır hale getirilmelidir.
  11. Her numune en az iki ayrı noktasından, gerekirse üçüncü bir noktasından analiz edilerek stabil değerler alınmalıdır. Yanmaların standart sapması istenilen limitlerin içinde kalmalıdır.
  12. Analiz başlangıcında önce uygun “monitör”  veya  anahtar numunesi  analiz edilerek  cihazın  doğruluğu  test edilmeli , gerekirse re-standardize edilmelidir.
  13. Her analiz arasında elektrot fırçası ile elektrot ucu temizlenmelidir. Minimum etkileşim için her farklı matriks için farklı elektrot  ve fırça kullanılması önerilir.
  14. Numune yüzeyi hazırlandıktan sonra kesinlikle elle dokunulmamalı,  tozdan, nemden vs. den uzak tutulmamalı  ve hemen analiz edilmelidir. Beklemiş numunelerin yüzeyi temiz olsa bile  oksitlenme  olabileceğinden  yeniden  zımparalanmalı veya taşlanmalıdır.

 

KAYNAKLAR :

  1. A manual of recommended procedures for the analyses cast iron using direct reading vacuum spectrometers .Birmingham, BCIRA
  2. The sampling of cast iron products for optical emission analysisB. Smith
  3. A guide to better analysis ,T.L.P. Forrest
  4. General Analysing procedure for analyses in spark (Argon) WAS ,Germany