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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Spektralanalyse von Metallen,
bei dem mittels einer Lichtbogen- oder Funkenentladung zwischen der zu untersuchenden
Probe und einer Gegenelektrode bei Anwesenheit eines nicht oxydierenden Schutzgases
das Metall verdampft wird, sowie eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
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Die Durchführung spektralanalytischer Untersuchungen von Metallproben
in freier Luft mittels einer Bogen- oderFunkenentladung wird bekanntlich insbesondere
im ultravioletten Bereich durch die Aussendung eines kontinuierlichen Untergrundspektrums
sowie von beispielsweise von Cyangas herrührenden Molekül-Bandenspektren und auch
durch die Oberflächenoxydation der Metallproben, die die Helligkeit des Spektrums
vermindert, erschwert. Auch die Gegenwart von VerUnreinigungen in den Metallproben
und die metallurgische Vorbehandlung der Proben beeinflussen die relativen Intensitäten
der von den zu untersuchenden Elementen ausgesandten Spektrallinien.
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Es ist bereits bekannt, die genannten, die Meßergebnisse störenden
Einflüsse dadurch auszuschalten, daß die Spektralanalyse in einer Schutzgasatmosphäre
durchgeführt wird, die im Hinblick auf die leicht oxydierenden Bestandteile der
Proben weitgehend sauerstofffrei sein soll und selbstEmissionsstrahlungen nur wenig
streut. Eine derartige bekannte Spektralanalyse hat den Nachteil, daß sie in geschlossenen
Räumen durchgeführt werden muß, in die vielfach erhebliche Mengen an teurem Schutzgas
einströmen.
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Ein solches Verfahren ist jedoch nicht nur wegen der aufzuwendenden
Mengen an Schutzgas in der Durchführung teuer, sondern erfordert auch einen erheblichen
Arbeitsaufwand, da jede Probe in einen besonderen Raum eingebracht und dieser Raum
in geeigneter Weise verschlossen werden muß.
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung
dieser Nachteile ein Verfahren zur Durchführung einer Spektralanalyse von Metallproben
zu schaffen, das in freier Luft durchgeführt werden kann und bei dem die Helligkeit
des ausgesandten spektrums erhöht, die Aussendung eines kontinuierlichen Untergrundspektrums
sowie eines Bandenspektrums in dem zu untersuchenden Spektralbereich unterdrückt
bzw. verringert und die Intensität des von den untersuchten Elementen ausgesandten
Linienspektrums erhöht wird. Außerdem sollen durch die Erfindung die Reproduzierbarkeit
und die Genauigkeit der Spektraluntersuchung vergrößert und die vorgenannten Einflüsse
der Vorbehandlung der Metallproben und etwaiger Verunreinigungen auf die Intensität
des Linienspektrums der der Analyse unterworfenen Elemente mindestens im Bereich
hodhfrequenter Funkenentladungen verringert werden. Des weiteren liegt der Erfindung
die Aufgabe zugrunde, eine geeignete Einrichtung zur Durchführung des genannten
Verfahrens zu schaffen.
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Die Erfindung geht also von einem Verfahren zur Spektralanalyse von
Metallen, bei dem mittels einer Lichtbogen oder Funkenentladung zwischen der zu
untersuchenden Probe und einer Gegenelektrode bei Anwesenheit eines nicht oxydierenden
Schutzgases das Metall verdampft wird, aus. Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß
dadurch gelöst, daß nur ein kontinuierlicher Film des Schutzgases auf der der Gegenelektrode
gegenüberliegenden Oberfläche der Metallprobe durch tangentiales Anblasen dieser
Ober-
fläche mit dem Schutzgas erzeugt wird, während im übrigen die Entladung in
bekannter Weise in freier Atmosphäre stattfindet. Als Schutzgas wird vorzugsweise
ein Edelgas, Stickstoff oder Wasserstoff oder ein Gemisch dieser Gase verwandt.
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Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, die eine Halterung
für die als eine Elektrode dienende Metallprobe und eine Gegenelektrode, die mit
einer Spannungsquelle verbunden sind, sowie eine Schutzgasquelle konstanten Drucks
aufweist, unterscheidet sich von bekannten Vorrichtungen dieser Art gemäß der Erfindung
dadurch, daß in der Nähe der Metallprobe eine Düse vorgesehen ist, die an die Schutzgasquelle
angeschlossen ist und einen dünnen, parallel zu der abzufunkenden Probenfläche fließenden
Gasstrom abgibt. Die Düse ist vorzugsweise etwa halbringförmig um die Achse der
Gegenelektrode angeordnet und so ausgebildet, daß der Gasstrom quer zu den Feld-
bzw. Stromlinien der Entladung an der Oberfläche der Metallprobe verläuft. Die Düse
kann weiterhin einen durch zwei Lippen gebildeten Ringspalt oder eine Anzahl kleiner
Öffnungen aufweisen.
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Mit der Schutzgasquelle konstanten Drucks können Regelvorrichtungen
verbunden sein, die auf die Düsenform zurückzuführende Druckschwankungen ausgleichen.
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Die den Ringspalt bildenden Lippen sind vorzugsweise sehr dünn und
kreisbogenförmig ausgebildet und horizontal so angeordnet, daß sie den Entladungsraum
umfassen. Die Zufuhr des Gases zu diesen Lippen erfolgt durch einen senkrechten
Kanal, dessen Querschnitt die Form eines Kreissegmentes bzw.
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Kreisringes aufweist. Das obere Ende dieses Kanals mündet in die Düse,
und das untere Ende dieses Kanals ist an ein Zuleitungsrohr angeschlossen.
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Die Erfahrungen haben gezeigt, daß mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen
quantitativ sehr bedeutende Fortschritte erzielt werden konnten. So konnte beispielsweise
die Helligkeit des Linienspektrums um den Faktor 10 erhöht und die Intensität des
kontinuierlichen Untergrundspektrums um denselben Faktor verringert werden.
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Eine systematische Untersuchung dieser Verfahrensbedingungen hat
überraschenderweise gezeigt, daß es genügt, an der Oberfläche der Metallrohre einen
sich stets erneuernden Film eines nicht oxydierenden Gases zu bilden, ohne daß dieser
Gasstrom die Spitze der Gegenelektroden berührt.
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Die Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens und die Reproduzierbarkeit
der Meßergebnisse wurde auch in solchen Fällen gesteigert, in denen der Lichtbogen
bzw. die Funkenentladung in einem Selbstinduktionsstromkreis lag, da die Potentiale
der molekularen Dissoziation und der Ionisation des verwandten Gases Schwankungen
in der Bogen-bzw. Funkenentladung ausgleichen. Die Spektraleigenschaften der Entladung
erwiesen sich als unabhängig von der Entladungsspannung und zeigten lediglich eine
Abhängigkeit von dem Druck des verwandten Gases, der ohne Mühe konstant gehalten
werden kann.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Vorrichtung zusammen mit einer Einrichtung für die Gaszufuhr dargestellt. Es zeigt
F i g. 1 einen senkrechten Schnitt durch die mit der erfindungsgemäßen Düse versehenen
Vorrichtung, F i g. 2 eine schaubildliche Darstellung der erfindungsgemäßen Düse,
F
i g. 3 eine schematische Darstellung der Einrichtung für die Gaszufuhr zu der Düse.
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Eine zu analysierende Metallprobe 1 liegt auf einer Metallplatte
2, die von zwei isolierenden Stützen 3 und 4 getragen wird. Diese beiden Stützen
sind mit einer Grundplatte 5 verbunden, die von einem Teleskopstativ 6 getragen
wird, das in der gewünschten Höhe mittels eines gerändelten Stellringes 7 eingestellt
wird.
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An einer Stirnfläche der metallischen Platte 2 ist eine in der Waagerechten
halbkreisförmige, randoffene Aussparung vorgesehen, deren unterer Rand 2 a eine
konische Abschrägung aufweist. In die Fig. 1 ist eine senkrechte Linie A eingezeichnet,
deren Abstand von der vertikalen Achse X-X gleich dem Krümmungsradius der randoffenen
Aussparung der Metallplatte 2 ist.
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Eine in F i g. 2 in vergrößertem Maße dargestellte Düse 8 weist einen
senkrechten Ringkanal 9 mit der Linie X-X als Längsachse auf. Am oberen Ende dieses
Ringkanals sind zwei waagerechte, einander benachbarte dünne Lippen 10 und 11 vorgesehen,
aus denen das Gas in Form eines dünnen Films ausströmt. Der untere Kanal 12 der
Düse ist an ein abgeflachtes, sich erweiterndes Rohrstück 13 angeschlossen, das
seinerseits über ein zylindrisches Rohr 14 an einen Gasschlauch 15 angeschlossen
ist.
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Die Wandung der oberen Lippe 11 bildet eine Ringschulterlla, die
gegen den zylindrischen Teil der randoffenen Aussparung der metallischen Platte
derart anliegt, daß die Oberflächell dieser Lippe gegen die untere Fläche der Metallprobe
anliegt. In der Achse der Düse ist eine zylindrische Gegenelektrode 16 angeordnet,
die von einem in die Grundplatte 5 eingepaßten Rohrring 17 gehalten wird.
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Mittels einer Schraubenmutter 18 ist an dem Ring 17 ein Kabelende
17a befestigt, das mit einer elektrischen Spannungsquelle in Verbindung steht. Der
andere Pol der Spannungsquelle ist über ein Kabel 19 mit der metallischen Platte
2 verbunden, an die das Kabel 19 ebenfalls mittels einer Schraubenmutter 20 angeschraubt
ist.
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F i g. 3 zeigt in schematischer Weise eine Einrichtung zur Zufuhr
eines Gasstromes gleichbleibender Stärke. Das Gas wird einer Druckflasche 21 entnommen,
durchströmt ein Reduzierventil mit Manometer 22, mittels dessen ein gleichbleibender
Gasstrom eingestellt werden kann. Von hier aus gelangt das Gas in eine erste Entspannungskammer
23, durchströmt ein Nadelventil 24 und gelangt von hier aus in eine zweite Entspannungskammer
25, die mit einem Manometer 26 verbunden ist, das dazu dient, bei einer bestimmten
Gasstromstärke mittels der Nadelventile 24 und 27 einen bestimmten über dem Atmosphärendruck
liegenden Druck einzustellen.
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Die Gasmenge wird mit einem Mengenmesser 28 bestimmt. Ein zwischen
diesem Mengenmesser 28 und der Düse 8 angeordneter Zwischenbehälter 29 ermöglicht
es, auf atmosphärische Druckschwankun-
gen zurückzuführende Änderungen in der Gasstromstärke
auszuschalten.
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Mit der beschriebenen Vorrichtung, die mit Argon unter einem Überdruck
von 10 mm Wassersäule betrieben wurde, war es möglich, bei einer Funkenentladung
hoher Frequenz in einer Zinkprobe noch einen Gehalt von 0,002 O/o Kupfer, 0,0010/0
Zinn und 0, 002°/o Eisen festzustellen. Bei einer Messingprobe, die 70 ovo Kupfer
und 300/0 Zink aufwies, konnte man Verunreinigungen von Mangan, Zinn, Eisen, Blei,
Arsen bis zu einem Gehalt von 0,0010/o feststellen.
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Darüber hinaus hat man Eichdiagramme verschiedener Metallschmelzen
zur Bestimmung der einzelnen in ihnen enthaltenen Elemente angefertigt und konnte
feststellen, daß diese Diagramme vollkommen, und zwar im ganzen untersuchten Spektralbereich
zwischen 2000 bis 4000 A mit den Eichwerten leicht legierter Stähle übereinstimmten,
woraus ersichtlich ist, daß die jeweilige metallurgische Vorbehandlung und die Anwesenheit
von Verunreinigungen ohne jeglichen Einfluß auf die Analyse ist.