Brevet FR2356928A1 — publié le 19780127

La présente invention se rapporte a la préparation d'échan- tillons destinés a autre analysés subséquemment par des techniques instrumentales, et elle concerne plus particuliêrement l'analyse d'échantillons de fil métallique de la gamme de dimensions correspondant à une section transversale d'aire comprise entre 0,1 et 100 mm2. Cependant, l'invention s'applique également'à d'autres types d'échantillons tels que des copeaux, de la mitraille, des tubes, de la poudre, de la limaille, des déchets de fraisage et de tournage, et le procédé de préparation peut être utilisé avec la plupart des procédés d'analyse instrumentaux , y compris la spectroscopie d'émission optique (SEO) la spectroscopie de fluorescence aux rayons X (FRX), la spectroscopie de masse les microsondes ioniques, l'activation neutronique, la spectroscopie Mossbauer, la spectroscopie Auger, la spectroscopie électronique, la spectroscopie par analyse de décharges luminescentes, ou la diffraction des rayons X. La préparation de la surface d'échantillons solides à l'analyse instrumentale est nécessaire pour obtenir une aire suf fisamment grande et représentative de l'échantillon dans une forme appropriée pour permettre l'irradiation et l'excitation. Les aires représentatives typiques varient pour chaque instrument ; par exemple, la SEO demande en général une aire de présentation d'environ 15 zia de diamètre, tandis que la FRX est en général appliquée sur une aire de présentation d'environ 25 mm de diamètre. En outre, l'aire de présentation doit être uniformément plate et dépourvue de défauts physiques. Sans préparation adéquate, l'analyse n'est pas représentative de la composition. Les techniques de préparation des échantillons a l'analyse instrumentale classiques comprennent : (1) la refusion, (2) l'agglomération directe, et (3) l'analyse directe du fil métallique, poli a la bande abrasive aux extrémités. Les techniques de refus ion ont des inconvénients : il faut une masse importante pour produire une pièce coulée refondue ; il y a aussi perte d'un certain nombre d'éléments importants, et le temps nécessaire pour la préparation est trop long pour des opérations industrielles courantes. Les technique8 d'agglomération nécessitent également une masse d'échantillon importante et une force élevée pour obtenir les briquettes de la dimension requise. La précision de l'analyse est limitée, les inclusions ne peuvent être maintenues dans une orientation uniforme et ne peuvent être apparentées à des normes relatives aux solides, il y a des vides dans l'échantillon, qui perturbent des techniques telles que la FRX, où il peut se produire une pénétration variable des rayons X, tandis que du gaz se dégage et que la surface se déforme pour les techniques qui provoquent le chauffage au cours de l'excitation, comme dans la SEO. Les procédés actuels publiés de l'analyse des copeaux se limitent à des pièces séparées suffisamment grandes pour permettre une excitation complète. Par exemple, des copeaux préparés sur un grand tour sont coupés à 24 x 20 mm et comprimés en granulés de plomb ou d'étain réutilisables contenus dans une coupelle d'aluminium de 25 mm. Le procédé est satisfaisant pour la SEO avec le grand échantillon, bien qu'il se pose des problèmes avec la fissuration dans le copeau et avec l'aluminium. Cependant, il ne se produit que peu ou pas de déformation de l'échantillon pendant la compression ce qui empêche d'utiliser des fils métalliques ou de petits copeaux comme échantillons pour instruments d'analyse. La technique échoue pour l'analyse des fils métalliques et d'autres échantillons petits. On peut analyser des échantillons de diamètre supérieur à 2,5 mm par des procédés directs en utilisant un gabarit pour maintenir l'extrémité d'un échantillon travaillé à la bande abrasive dans la chambre a étincelles, au lieu de l'échantillon normal. On prétend que cette technique convient également pour certains éléments pour des fils métalliques dont les diamètres peuvent descendre jusqu'd 1 mm si les fils sont groupés. L'expérience de la Demanderesse a fait ressortir plusieurs défauts inhérents dans ce type de préparation à la SEO. (1) Les échantillons chauffent exagérément et produisent une émission nonreprésentative ; par exemple, un fil de 1 mm fond en 20 secondes. (2) Les inclusions dans le fil sont orientées défavorablement pour la présentation à l'arc ; par exemple, les émissions de Mn et de S sont en général fortement obliques à cause de l'orientation d'inclusions formées pendant la coulée dans le lingot initial. (3) La précision d'analyse est limitée par la nécessité d'avoir des étalons de dimension et de composition semblables à celles des échantillons en cours d'analyse. (4) La précision d'analyse de tous les éléments est inférieure aux échantillons ronds solides et se dégrade rapidement pour certains éléments én fils métalliques dont la gamme des dimensions est de 5 a 0,5 mm de diametre. En outre, la zone préparée est trop petite pour d'autres techniques comme la FRX. La présente invention a pour objet un procédé de préparation à l'analyse rapide d'échantillons normalement trop petits pour l'irradiation et l'excitation directes par un instrument, et plus particulièrement une technique directe-applicable à la gamme complote de dimensions d'échantillons à partir d'un seul étalonnage. L'invention concerne donc un procédé de préparation de petits échantillons à l'analyse par des techniques instrumentales, comprenant les stades consistant à maintenir une pluralité d'échantillons représentatifs en contact avec une surface d'un élément de support, les échantillons étant très proches les uns des autres, et à travailler a la bande abrasive une zone desdits échantillons sur une surface parallèle ou tangente à ladite surface de l'élément de support. Dans le présent mémoire, on notera que l'expression de "travail ou polissage à la bande abrasive" englobe des opérations équivalents de traitement superficiel convenant pour préparer une surface a l'analyse subséquente. Selon un mode d'exécution de l'invention, on maintient les échantillons au contact de l'élément de support en comprimant ou en laminant les échantillons-pour les incorporer dans la surface de L'élément de support, et l'on travaille alors les échantillons à la bande abrasive. Selon un autre mode d'exécution de l'invention, on maintient les échantillons fermement en contact avec une surface polie à la bande abrasive de l'élément de support au moyen de brides de fixation, et l'on travaille alors les échantillons à la bande abrasive parallèlement a ladite surface polie a la bande abrasive. Selon un autre mode d'exécution de l'invention, on enroule un échantillon de fil métallique sur un élément de support cylindrique ou incurvé, on le comprime pour produire une surface aplatie, puis on le travaille à la bande abrasive sur la face tangente à I'élémentde support. Les figures du dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif, feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1 rerésente schématiquement les stades du procédé de préparation selon l'invention. La figure 2 est une vue en plan agrandie de la surface préparée montrant les fils métalliques qui y sont incorporés. La figure 3 est une vue en perspective d'un autre moyen possible pour effectuer la préparation des échantillons par un second procédé. La figure 4 est une vue en élévation latérale d'autres moyens pour effectuer la préparation des échantillons par un troisième procédé. Selon le premier mode d'exécution de l'invention représenté schématiquement sur la figure 1, on débarrasse des échantillons de fil métallique W des croûtes et des revêtements par des moyens mécaniques ou chimiques connus (stade a). On coupe alors le fil métallique W en longueurs appropriées pour la compression/ norma- lement 10 à 25 mm (stade b ff et on les place parallèlement et mutuellement très près sur une plaque de support P en acier doux fratchement travaillée a la bande abrasive (stade c) (normalement 50 x 25 x 4 mm). Pour obtenir une-zone de présentation appropriée d'un diamètre de 15 mm pour effectuer une analyse par SEO subséquente, un fil métallique d'un millimètre de diamètre requiert environ 10 longueurs, tandis qu'un fil de 3 mm de diamètre n'en demande que trois. L'aire de présentation plus grande, d'un diamètre de 25 mm, exigée par la FRX demande des nombres de longueurs de fil métallique proportionnellement supérieurs.Après les avoir alignés, on soumet les fils métalliques à une force de compression ou de laminage au moyen de n'importe quelle presse de laboratoire appropriée (stade d) et les fils s'incorporent -alors dans la surface de la plaque de support. I1 n'est pas, en général, nécessaire de maintenir positivement les fils en position pour l'opération de compression, mais, dans le cas de fils métalliques fins, il peut être désirable de placer les fils sur la plaque de support en les aimantant légèrement. On peut le faire en faisant passer les fils au-dessus d'un aimant d'intensité d'aimantation normale. L'importance de la force nécessaire dépend, dans une large mesure, de l'aire d'échantillon nécessaire (on peut préparer des échantillons pour SEO avec une force d'environ 35 tonnes, tandis que les échantillons pour FRX demandent des forces pouvant atteindre 100 tonnes). La force appliquée fait "couler" le fil métallique et la plaque de support de façon a produire une zone uniforme d'échantillon pour analyse, soudée a froid a la plaque de support. On polit alors a la bande abrasive la surface obtenue, de façon qu'elle convienne a la présentation a l'instrument d'analyse (stade e). La figure 2 représente un échantillon typique, dans ce cas un fil métallique W de 0,8 mm incorporé à l'intérieur d'une plaque de support P en acier doux, prêt a être analysé par SEO. Pour la plupart des applications, de l'acier doux de nuance S1021 doit suffire comme plaque de support, mais des nuances a faible teneur en carbone comme la nuance K10A03 et des nuances a forte teneur en carbone comme la nuance Wu1068, respectivement, ont pu être appliquées à des fils mous et très durs respectivement. D'autres métaux et alliages doivent en outre être utiles dans des applications particulières, par exemple le cuivre ou le laiton pour des fils mous très fins (de diamètre inférieur a 0,5 mm). En outre, l'invention ne se limite pas a des échantillons d'acier, ni a des plaques de support d'acier; on peut par exemple, analyser d'une façon analogue des échantillons d'acier inoxydable, de laiton, d'aluminium ou d'étain. Les plaques de support ne doivent pas nécessairement avoir une surface polie lisse. I1 est préférable de travailler les plaques la bande abrasive avec un abrasif grossier pour obtenir une surface rugueuse, et il s'est avéré que cela donne un meilleur accrochage après compression. En variante, on peut percer des trous dans la plaque de support sur la longueur de l'échantillon pour obtenir une plus grande sécurité de l'échantillon après compression. Cette technique convient également pour des fils métalliques plus mous que la plaque de support, du fait que la compression du fil provoque parfois de l'étalement et un manque de pénétration.Selon un agencement, on peut percer des trous aux extrémités du fil, de sorte que l'opération de compression extrude les extrémités du fil dans les trous afin d'obtenir une adhérence plus forte des fils métalliques à la plaque de support. En variante, un seul trou place centralement convient pour un ou plusieurs fils métalliques, notamment des fils mous. Selon le second mode d'exécution de l'invention représenté surh figure 3, des échantillons de fil métallique W' sont disposés sur une surface plate F et une barre d'acier trempé B, et maintenus en place avec des brides de fixation C. On travaille alors les fils W' à la bande abrasive directement, comme on l'a représenté, ou bien on les comprime et on les travaille a la bande abrasive pour obtenir la surface d'analyse S. Dans le troisième mode d'exécution représenté sur la figure 4, on enroule du fil W" autour d'une barre ou d'un tube T de forme appropriée, avant de le comprimer et de le polir pour obtenir la surface d'analyse S. On effectue l'opération de compression de façon à étaler légèrement les spires d'échantillon, pour assurer le contact de spires adjacentes. Dans le second comme dans le troisième mode d'exécution il faut une plus grande longueur de fil que pour la technique d'insertion du premier mode d'exécution. La technique décrite ci-dessus présente les avantages suivants 1.- elle permet de préparer de petits échantillons de fil d'acier ou de fil d'un autre métal d'une gamme de dimensions de 0,3 à 12 mm de diamètre à l'analyse directe sans refusion. 2.- Le procédé de préparation convient pour d'autres types d'échantillons trop petits pour être analysés directement, par exemple de la poudre, des. déchets de tournage et de fraisage, des tubes, des copeaux et de la mitraille. 3.- La plaque ou le tube de support constitue un élément de refroidissement pour l'analyse par SEO et d'autres types d'analyse utilisant la décharge électrique, et une seule série d'étalonnage normalement utilise pour de grands échantillons solides s'applique à tous les échantillons, indépendamment de la dimension d'échantillon initiale. 4.- La présentation de l'échantillon au spectromètre est meilleure que pour les procédés classiques, du fait que le grand axe des inclusions est dans le même plan que la surface. 5.- La précision permise par la préparation est égale à la précision permise par la préparation de grands échantillons solides. Une comparaison des résultats de l'analyse par SEO effectuée sur des échantillons en vrac du même métal (A(s) et D(s)) et sur de petits échantillons de fil métallique préparés par le premier mode d'exécution de l'invention est donnée dans le tableau ci-dessous 6.- Le procédé de préparation permet d'analyser I'échantil- lon pour rechercher tout élément du tableau périodique normalement analysé par un procédé d'analyse. I1 s'avère que les résultats obtenus en utilisant les techniques de support très apparentees représentées sur les figures 3 et 4 sont comparables a ceux obtenus par la première technique. I1 s'avère que l'enroulement d'une bobine a certaines applications pour des fils mous fins. Les résultats obtenus par 1'analyse par FRX sont également satisfaisants. I1 ressort du tableau que le procédé de préparation des échantillons convient très bien pour effectuer l'analyse instrumentale subséquente. TABLEAU PiquBeNO H43765 G3546 Nuance WK22 R23 Procédé d'analyse A(s) C(s,x) D(s) C(s,x) Echantil- 202 209 176 176 lons N Diamètre (ma) 1,2 0,9 30 6,3 2,0 Condition - H.D. C.C. - H.Sw. H.Sw. Elément 0,10 0,10 0,10 0,20 O,21 0,22 Mn 1,30 1,28 1,28 0,75- 0,74 0,76 Si 0,84 0,86 0,85 0,27 0;27 0,26 P 0,024 0,022 0,022 0,036 0,034 0,033 S 0,018 0,014 0,015 0,025 0,032 0,031 REVENDICATIONS 1.- Procédé de préparation de petits échantillons à l'analyse par des techniques instrumentales, caractérisé en ce que l'on maintient une pluralité d'échantillons représentatifs en contact avec une surface d'un élément de support, lesdits échantillons étant très proches les uns des autres, et l'on travaille à la bande abrasive une zone des échantillons sur une surface parallèle ou tangente à la surface de l'élément de support. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'avant le stade de travail à la bande abrasive, on place les échantillons sur ladite surface très près les uns des autres puis l'on comprime les échantillons contre la surface avec une force suffisante pour les, incorporer dans ladite surface. 3.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'avant le travail à la bande abrasive, on maintient les échantillons fermement en contact avec ladite surface en fixant les extrémités des échantillons à l'élément de support. 4.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'avant d'effectuer le travail a la bande abrasive, on enroule une pluralité de spires d'un échantillon de fil métallique autour d'un élément de support, lesdites spires étant en contact les unes avec les autres. 5.- Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'on comprime les spires de fil métallique contre l'élément de support avant le travail à la bande abrasive. 6.- Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'élément de support est cylindrique ou incurvé, et en ce que l'on effectue le travail a la bande abrasive dans un plan tangent a l'élément de support. 7.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'on débarrasse les échantillons de la croûte et des revêtements par des moyens connus, et l'on travaille la surface à la bande abrasive avant de mettre les échantillons en contact avec ladite surface. 8.- Procédé selon la revendication 7, caractérisé en que l'on polit la surface avec un abrasif grossier pour augmenter l'adhérence des échantillons a ladite surface. 9.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'on forme dans ladite surface des trous ou des alvéoles où l'on enfonce au moins une partie des échantillons pour bloquer lesdits échantillons sur l'élément de support. 10.- Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'élément de support est en acier doux, et en ce que l'on effectue l'opération de compression entre environ 3 et 100 tonnes selon la dimension de la zone nécessaire pour l'analyse subséquente.