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 :
- NUMUNE
- NUMUNE HAZIRLAMA
- 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.
2.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.
3.ANALİZ CİHAZININ HAZIRLANMASI:
Yukarıda saydığımız koşullar yerine getirildiğinde spektrometrenin de analize hazır olup, olmadığının kontrol edilmesi gerekir. Bu noktalar şunlardır :
- 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.
- Argon tüpünün giriş ve çıkış basıncının istenen değerde olması.
- Tüm argon bağlantılarında her hangi bir kaçak olmaması. Çok küçük bir sızıntı bile argonun saflığını bozmaya yeterlidir.
- Spark bölgesi ve elektrot temiz olmalıdır.
- 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.
- Elektrot ucu standartlara uygun ve numune ile olan uzaklığı doğru ayarlanmış olmalıdır.
- Mercek ve optik pencereler temiz, optik sistem yeterli vakumda veya gerekli inert ortam sağlanmış olmalıdır..
- Numune yanma holünü tamamen kapatmalıdır. Jet akışlı bazı spektrometrelerde bu koşul gerekmeyebilir
- 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.
- 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.
- Her numune en az iki ayrı noktasından, gerekirse üçüncü bir noktasından analiz edilerek stabil değerler alınmalıdır. Yanmaların standart sapması istenilen limitlerin içinde kalmalıdır.
- Analiz başlangıcında önce uygun “monitör” veya anahtar numunesi analiz edilerek cihazın doğruluğu test edilmeli , gerekirse re-standardize edilmelidir.
- Her analiz arasında elektrot fırçası ile elektrot ucu temizlenmelidir. Minimum etkileşim için her farklı matriks için farklı elektrot ve fırça kullanılması önerilir.
- 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 :
- A manual of recommended procedures for the analyses cast iron using direct reading vacuum spectrometers .Birmingham, BCIRA
- The sampling of cast iron products for optical emission analysisB. Smith
- A guide to better analysis ,T.L.P. Forrest
- General Analysing procedure for analyses in spark (Argon) WAS ,Germany