Vous êtes-vous déjà demandé comment mesurer avec précision la teneur en carbone des métaux ? Cet article explore différentes méthodes, de l'absorption infrarouge à l'analyse électrochimique, en mettant en lumière leurs principes et leurs applications. À la fin, vous comprendrez les points forts et les limites de chaque technique, ce qui vous permettra d'apprécier la science qui sous-tend le contrôle de la qualité des métaux.
Le développement et l'utilisation des métaux et de leurs matériaux composites nécessitent souvent un contrôle précis et une détermination exacte de leur teneur en carbone et en soufre. Ces éléments influencent considérablement les propriétés mécaniques, la microstructure et les performances globales des matériaux métalliques.
Le carbone dans les matériaux métalliques existe sous diverses formes, notamment le carbone libre (graphite), le carbone interstitiel en solution solide, les carbures, le carbone gazeux dissous, les couches de carburation superficielles et les revêtements de carbone organique. Chaque forme contribue différemment aux caractéristiques du matériau et nécessite une attention particulière lors de l'analyse.
Actuellement, plusieurs méthodes sont utilisées pour analyser la teneur en carbone des métaux :
Cependant, chaque méthode de mesure a un champ d'application limité et les résultats de la mesure peuvent être influencés de manière significative par divers facteurs. Ceux-ci comprennent la forme spécifique du carbone présent, l'efficacité de la libération du carbone pendant l'oxydation ou l'excitation, les techniques de préparation de l'échantillon et la valeur à blanc inhérente à l'instrument. Par conséquent, la même méthode d'analyse peut donner différents niveaux d'exactitude et de précision dans différents scénarios ou pour différentes compositions de matériaux.
Cet article présente une vue d'ensemble des méthodes d'analyse actuelles, des techniques de préparation des échantillons, de l'instrumentation et des domaines d'application de l'analyse du carbone dans les métaux. Il vise à guider les scientifiques des matériaux, les métallurgistes et les professionnels du contrôle de la qualité dans le choix de l'approche analytique la plus appropriée à leurs besoins spécifiques, afin de garantir une détermination précise de la teneur en carbone dans une large gamme de matériaux métalliques et d'applications industrielles.
La méthode d'absorption infrarouge de combustion, basée sur la méthode d'absorption infrarouge, est une méthode spécialisée pour l'analyse quantitative du carbone (et du soufre).
Le principe de cette méthode consiste à brûler l'échantillon dans un courant d'oxygène pour produire du CO2.
À une pression donnée, l'énergie absorbée par le CO2 à partir des rayons infrarouges est proportionnelle à sa concentration.
Par conséquent, la teneur en carbone peut être calculée en mesurant le changement d'énergie avant et après le passage du gaz CO2 à travers l'absorbeur infrarouge.
Principe de la combustion - méthode d'absorption par infrarouge
Ces dernières années, la technologie d'analyse des gaz par infrarouge a progressé rapidement, ce qui a conduit à l'émergence rapide de divers instruments d'analyse basés sur les principes du chauffage par induction à haute fréquence, de la combustion et de l'absorption du spectre infrarouge.
Lors de la détermination de la teneur en carbone et en soufre par la méthode d'absorption infrarouge par combustion à haute fréquence, les facteurs suivants doivent généralement être pris en considération : sécheresse de l'échantillon, sensibilité électromagnétique, taille géométrique, taille de l'échantillon, type de flux, proportion, ordre d'addition, quantité d'addition, réglage de la valeur à blanc, etc.
Cette méthode présente l'avantage de permettre une quantification précise avec un minimum d'interférences.
Il convient aux utilisateurs qui accordent une grande importance à la précision de la teneur en carbone et qui disposent de suffisamment de temps pour effectuer des tests pendant la production.
Lorsqu'un élément est énergisé par la chaleur ou l'électricité, il passe de son état fondamental à un état excité, qui revient ensuite spontanément à l'état fondamental.
Au cours du processus de retour de l'état excité à l'état fondamental, chaque élément libère son spectre caractéristique, et son contenu peut être déterminé sur la base de l'intensité de ce spectre.
Principe du spectromètre d'émission
Dans l'industrie métallurgique, où les exigences de production sont élevées, il est nécessaire d'analyser rapidement la teneur de tous les éléments majeurs dans l'eau du four, et pas seulement le carbone.
Les spectromètres d'émission à lecture directe à étincelle sont devenus le choix privilégié dans ce secteur en raison de leur capacité à fournir des résultats rapides et stables.
Toutefois, cette méthode comporte des exigences spécifiques en matière de préparation des échantillons.
Par exemple, lors de l'analyse d'échantillons de fonte par spectroscopie d'étincelles, il est nécessaire que le carbone à la surface de l'échantillon soit sous forme de carbures et exempt de graphite, faute de quoi les résultats de l'analyse peuvent être affectés.
Certains utilisateurs profitent du refroidissement rapide et des propriétés de blanchiment des tranches minces pour déterminer la teneur en carbone des pièces moulées par spectroscopie à étincelles, après avoir découpé les échantillons en tranches.
Lors de l'utilisation de la spectroscopie par étincelle pour analyser des échantillons de fil d'acier au carbone, les échantillons doivent être traités de manière rigoureuse et placés soit "à la verticale", soit "à plat" sur la table d'étincelle pour être analysés à l'aide d'un petit dispositif d'analyse d'échantillon, afin d'améliorer la précision de l'analyse.
L'analyseur de rayons X dispersifs en longueur d'onde permet de déterminer rapidement et simultanément la teneur en plusieurs éléments.
Principe du spectromètre de fluorescence X dispersif en longueur d'onde
Le spectromètre de fluorescence X à dispersion en longueur d'onde (WDXRF) utilise l'excitation des rayons X pour provoquer la transition des électrons internes des atomes de l'élément dans un niveau d'énergie et émettre des rayons X secondaires, également connus sous le nom de fluorescence X.
Le spectromètre divise la lumière à l'aide d'un cristal et le détecteur détecte le signal caractéristique des rayons X diffractés.
En synchronisant et en modifiant continuellement l'angle de diffraction du cristal spectroscopique et du contrôleur, il est possible d'obtenir la longueur d'onde caractéristique des rayons X et l'intensité de chaque longueur d'onde de rayons X produite par les différents éléments de l'échantillon, en vue d'une analyse qualitative et quantitative.
Produit pour la première fois dans les années 1950, le WDXRF a été largement utilisé dans le département de géologie en raison de sa capacité à déterminer simultanément plusieurs composants dans des systèmes complexes, ce qui permet d'améliorer la vitesse d'analyse.
Toutefois, le faible rendement de fluorescence de l'élément léger qu'est le carbone et l'absorption et l'atténuation significatives de son rayonnement caractéristique par les matériaux lourds de la matrice, tels que l'acier, constituent des défis pour l'analyse XRF du carbone.
Des mesures répétées de la surface du sol peuvent également entraîner une augmentation des valeurs de la teneur en carbone. C'est pourquoi cette méthode n'est pas aussi largement utilisée que les deux méthodes précédentes.
La méthode de titrage non aqueux est une méthode de titrage qui utilise un solvant non aqueux. Cette méthode permet de titrer des acides et des bases faibles qui ne peuvent pas être titrés dans une solution aqueuse en choisissant un solvant approprié pour augmenter leur acidité ou leur alcalinité.
Par exemple, l'acide carbonique faiblement acide généré par le CO2 dans l'eau peut être titré avec précision en utilisant différents réactifs organiques.
La méthode de titrage non aqueux couramment utilisée comprend les étapes suivantes :
Cette méthode est toxique, l'exposition à long terme peut affecter la santé humaine, et elle est difficile à utiliser, en particulier lorsque la teneur en carbone est élevée et que la solution doit être préréglée. Toute négligence peut entraîner des résultats médiocres en raison de la fuite de carbone.
En outre, les réactifs utilisés dans la méthode de titrage non aqueux sont pour la plupart des produits inflammables, et des opérations de chauffage à haute température sont impliquées dans l'expérience, de sorte que les opérateurs doivent avoir une conscience aiguë de la sécurité.
Le détecteur à atomisation de flamme est utilisé conjointement avec la chromatographie en phase gazeuse pour chauffer l'échantillon dans de l'hydrogène et détecter ensuite les gaz émis, tels que CH4 et CO, à l'aide du détecteur à atomisation de flamme et de la chromatographie en phase gazeuse.
Cette méthode est idéale pour ceux qui ont une teneur en carbone extrêmement faible et des exigences élevées en ce qui concerne les résultats de leurs tests. Par exemple, certains utilisateurs ont utilisé cette méthode pour tester des traces de carbone dans du fer de haute pureté, avec une teneur de 4 µg/g et un temps d'analyse de 50 minutes.
Certains utilisateurs ont introduit l'analyse potentiométrique pour déterminer la faible teneur en carbone des alliages.
Après l'oxydation de l'échantillon de fer dans un four à induction, une cellule de concentration électrochimique à base d'électrolyte solide de carbonate de potassium est utilisée pour analyser et déterminer le produit gazeux afin de déterminer la concentration de carbone.
Cette méthode est particulièrement adaptée à la détermination de très faibles concentrations de carbone. La précision et la sensibilité de l'analyse peuvent être contrôlées en ajustant la composition du gaz de référence et le taux d'oxydation de l'échantillon.
Cependant, cette méthode a des applications pratiques limitées et reste principalement au stade de la recherche expérimentale.
Lors de l'affinage de l'acier, il est souvent nécessaire de contrôler en temps réel la teneur en carbone de l'acier fondu dans un four sous vide.
Certains spécialistes de l'industrie métallurgique ont introduit des méthodes permettant d'utiliser les informations sur les gaz résiduels pour estimer la concentration de carbone.
En utilisant la consommation et la concentration d'oxygène pendant le vide décarburation Avec les débits d'oxygène et d'argon, ils évaluent la teneur en carbone de l'acier en fusion.
En outre, certains utilisateurs ont mis au point des méthodes et des instruments permettant de déterminer rapidement des traces de carbone dans l'acier fondu. En insufflant un gaz porteur dans l'acier en fusion, ils estiment la teneur en carbone en mesurant le carbone oxydé dans le gaz porteur.
Ces méthodes d'analyse en ligne sont utiles pour la gestion de la qualité et le contrôle des performances dans le processus de production de l'acier.
En tant que fondateur de MachineMFG, j'ai consacré plus d'une décennie de ma carrière à l'industrie métallurgique. Ma vaste expérience m'a permis de devenir un expert dans les domaines de la fabrication de tôles, de l'usinage, de l'ingénierie mécanique et des machines-outils pour les métaux. Je suis constamment en train de réfléchir, de lire et d'écrire sur ces sujets, m'efforçant constamment de rester à la pointe de mon domaine. Laissez mes connaissances et mon expertise être un atout pour votre entreprise.
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