X-ray fluorescence and laser-induced breakdown spectroscopy for the sorting of WC-Co hardmetal scrap based on their chromium content

Abstract

Volframikarbidikoboltit (WC-Co) ovat tärkeitä kovametalleja poranterien ja jyrsinten terien raaka-aineena. WC-Co:sta valmistettujen osien kysynnän kasvaessa on sekä ekologisesti että taloudellisesti järkevää kierrättää käytetyt WC-Co-palat. Kierrätyksestä saatavan raaka-aineen laatua voidaan parantaa erottelemalla kierrätykseen saapuvat WC-Co-palat niiden sisältämien epäpuhtauksien perusteella.

Tässä tutkielmassa testasin ja vertailin röntgenfluoresenssispektroskopiaa (XRF) ja laser-indusoitua plasmaspektroskopiaa (LIBS) WC-Co-palojen alkuaineanalyysissä. Analysoin tekniikoiden sopivuutta kromin havaitsemiseen näistä WC-Co-näytepaloista. Analyysin keskiössä olivat kromin karakteristiset energiat XRF:ssä sekä emissioviivat LIBS:ssä.

Käytin XRF-mittauksissa kolmea eri mittausasetelmaa ja LIBS-mittauksissa kahta, jotta sain selville niiden vaikutukset mittauksiin. Molemmat tekniikat osoittautuivat luotettaviksi 0,00 ja 0,45 % kromia sisältävien näytteiden erottamiseen toisistaan. Tekniikoista vain XRF pystyi luotettavasti erottamaan 0,00 ja 0,19 % kromia sisältävät näytteet toisistaan. XRF-spektreissä lupaavin alue kromin tunnistamiseen oli Cr Ka (n. 5,4 keV) energian kohdalla, kun taas LIBS-spektreissä lupaavin alue oli 425,44 nm kohdalla. Näillä kohdin esiintyi vähiten muiden aineiden aiheuttamaa häiriötä ja piikit erottuivat selkeästi muusta spektristä, joten ne vaikuttavat hyviltä kohdilta kromin havaitsemiseen.

Tungsten carbide cobalts (WC-Co) are essential hardmetals which are used as raw material in the manufacturing of drill bits and mill grinders. As the demand for WC-Co parts grows it is of paramount importance to recycle used WC-Co pieces, both from an economical and an environmental point of view. By separating WC-Co scrap based on the amount of unwanted impurities in them, the quality of the end product increases.

In this work I tested and compared X-ray fluorescence spectroscopy (XRF) and laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) techniques in the elemental analysis of WC-Co scrap. The impurity element of interest was chromium and the two techniques were compared for their suitability in the detection of chromium from WC-Co scrap pieces. The analysis of the measured XRF and LIBS spectra focused on the characteristic X-ray energies and the atomic emission of lines of chromium, respectively.

I used three different setups for XRF and two for LIBS to identify how they affect the results of the measurements. Both techniques turned out to be reliable in telling the difference between samples that contained 0.00 and 0.45 % Cr. However, only XRF was able to differentiate reliably between 0.00 and 0.19 % Cr samples. The most promising positions at the spectra for the detection of chromium were the presence or absence of a peak at Cr Ka (about 5.4 keV) in XRF spectra and at 425.44 nm in LIBS spectra. These positions had the least interference in and around them, and so they can be good indicators for chromium in a sample.