Wie die Hand-RFA die Analyse von Metallen und Legierungen weiterentwickelt hat

Quelle: Thermo Fisher Scientific

Bei der Herstellung von Metallen und Legierungen für den Einsatz in rauen Umgebungen ist die Qualitätskontrolle von entscheidender Bedeutung, da selbst kleine Abweichungen von der vorgesehenen Zusammensetzung große Probleme verursachen und Leben gefährden können. Glücklicherweise gibt es eine Reihe von Methoden, mit denen Materialien analysiert werden können, sei es im Labor oder vor Ort. Tests vor Ort haben den großen Vorteil, dass sie schnell Ergebnisse liefern. Eine beliebte Wahl ist die handgeführte Röntgenfluoreszenz (HH-RFA). In diesem Artikel wird beschrieben, wie HH-RFA Herstellern dabei helfen kann, ihre Qualitätskontrollprozesse zu optimieren und sicherzustellen, dass Materialien den Anforderungen anspruchsvoller Anwendungen entsprechen.

Die Herstellung von Komponenten für die Luft- und Raumfahrt-, Automobil-, Öl- und Gas- oder Energieerzeugungsindustrie erfordert die Verwendung einer Vielzahl von Metallen – einschließlich exotischer Metalle – und Legierungen wie Edelstahl, Superlegierungen auf Nickel- und Kobaltbasis sowie Kupfer und Aluminium und Titanlegierungen. Diese Materialien müssen unter rauen Bedingungen funktionieren und gleichzeitig einer erheblichen mechanischen Belastung standhalten. Ein gutes Beispiel sind die Schaufeln von Gasturbinen, die kontinuierlich mit hoher Geschwindigkeit und extremen Temperaturen arbeiten. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, dass die Hersteller dieser Komponenten überprüfen, ob die Zusammensetzung der verwendeten Materialien den erforderlichen Spezifikationen entspricht. Qualitätskontrollprogramme sind daher ein integraler Bestandteil des Herstellungsprozesses und erfordern in manchen Fällen den Versand von Proben an ein Labor zur Analyse. Leider ist dieser Ansatz nicht nur destruktiv, sondern auch sehr zeitaufwändig, da es mehrere Tage dauern kann, bis die Ergebnisse vorliegen. Diese langsamen Durchlaufzeiten haben zur Entwicklung neuartiger Technologien – einschließlich HH-RFA – geführt, die vor Ort eingesetzt werden können, um sofortige Antworten zu liefern.

Obwohl HH-RFA bereits seit mehr als 50 Jahren auf dem Markt ist, wurde ein großtechnischer Einsatz erst möglich, nachdem miniaturisierte Röhren die radioaktiven Quellen ersetzten. In den folgenden Jahren wurden weitere Verbesserungen vorgenommen, und die Einführung des Silizium-Driftdetektors verbesserte die Gesamtempfindlichkeit der Instrumente erheblich und erweiterte den Nachweisbereich von den Ordnungszahlen 22–83 (Titan bis Wismut) bis hinunter zu 12 (Magnesium). Neuere Upgrades – einschließlich der Entwicklung von Hochleistungsröhren und Detektoren mit Graphenfenstern – erhöhten die Geschwindigkeit der Erkennung leichter Elemente und ermöglichten die Erkennung im Spurenbereich. Heutige HH-RFA-Systeme sind auch in der Lage, Legierungsqualitäten zu identifizieren, indem sie die gemessenen Zusammensetzungen mit tabellarischen Werten in mehreren Bibliotheken vergleichen, die verschiedenen internationalen Standards wie AISI, ASTM, DIN usw. entsprechen.

Die Überprüfung des eingehenden und ausgehenden Materials ist ein wichtiger Schritt bei der Herstellung von Komponenten für diese hochbeanspruchten Anwendungen und wird häufig zu mehreren Zeitpunkten während des Herstellungs- und Montageprozesses durchgeführt. Mit HH-RFA kann die Zusammensetzung verschiedener Metalle und Legierungen schnell und bequem gemessen werden. Dazu gehört die Identifizierung exotischer Legierungen wie CSMX-4 (siehe Abbildung 1) und proprietärer Materialien, die sowohl typische Legierungselemente – z. B. Nickel – als auch sehr ungewöhnliche Elemente wie Rhenium und Tantal enthalten, die die Kriechfestigkeit und Hochtemperaturfestigkeit des Materials verbessern Korrosionsbeständigkeit.

Abbildung 1: HH-RFA-Analyse von CSMX-4, einer proprietären Superlegierungssorte, die in Gasturbinen verwendet wird. | Quelle: Thermo Fisher Scientific

In einigen Fällen kann die Zusammensetzung zweier unterschiedlicher Materialien desselben Lieferanten sehr ähnlich sein, beispielsweise bei Stäben aus Edelstahl der Güteklasse 303 und 304. Während 304 die gebräuchlichste Edelstahlsorte ist – mit guter Korrosionsbeständigkeit und geeignet für zahlreiche Industrie- und Haushaltsanwendungen – wird 303 für Teile wie Buchsen, Lager, Muttern und Schrauben bevorzugt, die eine hohe Bearbeitbarkeit erfordern. 303 hat im Vergleich zu 304 mehr Schwefel, was seine Bearbeitbarkeit erhöht, aber die Korrosionsbeständigkeit und Schweißbarkeit des Materials verringert. Daher ist es wichtig, dass die beiden Qualitäten nicht verwechselt werden und für jede Anwendung das richtige Material verwendet wird. Dies kann leicht mit einem HH-RFA-Gerät überprüft werden (siehe Abbildung 2).

Quelle: Thermo Fisher Scientific

Abbildung 2 (A & B): HH-RFA-Analyse von zwei Stäben aus Edelstahl der Güteklasse 303 (links) und 304 (rechts). | Quelle: Thermo Fisher Scientific

Viele Raffinerien, Pipelines und Kraftwerke wurden vor mehr als 40 Jahren gebaut, bevor es üblich wurde, bei der Inbetriebnahme eine Materialanalyse durchzuführen. Die Hersteller verließen sich daher auf „Materialtestberichte“ der Stahlwerke und gaben diese ohne weitere Untersuchung an die Endverbraucher weiter. Leider waren einige der Materialien nicht so langlebig und korrosionsbeständig wie für die Anwendung erforderlich, was zu katastrophalen Vorfällen führte, bei denen giftige oder gefährliche Flüssigkeiten und Dämpfe freigesetzt wurden. Um solche Fehler zu vermeiden, wurden rückwirkende Testprogramme wie API RP 578 implementiert. Mithilfe von HH-RFA kann die Rückverfolgbarkeit von Materialien wiederhergestellt werden, sodass Betreiber von Öl- und Gas- oder Stromerzeugungsanlagen die Möglichkeit haben, Komponenten auszutauschen, bevor es zu Fehlfunktionen kommt.

Vorschriften wie „The Restriction of Hazardous Substances in Electrical and Electronic Equipment“ (ROHS) und „Waste Electrical or Electronic Equipment“ (WEEE) beschränken das Vorhandensein von Schwermetallen und anderen gefährlichen Materialien in Elektronik und Elektrogeräten. Obwohl diese Vorschriften ihren Ursprung in Europa haben, wurden ähnliche Gesetze später auch in anderen Ländern, darunter Japan, China, Korea und Teilen der Vereinigten Staaten, erlassen. HH-RFA kann dazu beitragen, die Einhaltung der Vorschriften sicherzustellen und die Normen IEC 62321-3-1:2013 oder ASTM F2617-15 einzuhalten, indem es auf Blei, Quecksilber, Cadmium, Chrom oder Brom untersucht. Eine solche Überprüfung der Produkte, bevor sie in die Regale gelangen, wahrt das Vertrauen zwischen Hersteller und Endverbraucher und erspart Unternehmen die hohen Kosten, die mit Produktrückrufen verbunden sind.

Es ist von entscheidender Bedeutung, dass die Zusammensetzung von Metallen und Legierungen überprüft wird, da Abweichungen von der Spezifikation großen Schaden anrichten können, insbesondere wenn das Endprodukt in anspruchsvollen Umgebungen verwendet wird. In den letzten 20 Jahren hat HH-RFA die Qualitätskontrollprogramme in einer Vielzahl von Branchen revolutioniert, in denen Metalle und Legierungen von entscheidender Bedeutung sind, und Laborkapazitäten in Lagerhallen, Produktionslinien und Industrieanlagen integriert. Darüber hinaus sind HH-RFA-Instrumente einfach zu verwenden und zu warten, ohne dass tiefgehende Kenntnisse der Chemie erforderlich sind, und die zuverlässigen Ergebnisse in Echtzeit ermöglichen es Unternehmen, schnelle, fundierte Entscheidungen zu treffen. Obwohl in diesem Bereich bereits deutliche Verbesserungen zu verzeichnen sind, sind weitere Innovationen in Sicht: Da die Hardware ständig verbessert wird, können Metalle und Legierungen schneller und in geringeren Mengen identifiziert werden. Darüber hinaus besteht das Potenzial, HH-RFA-Daten mithilfe künstlicher Intelligenz zu verarbeiten und in automatisierte und halbautomatisierte Fertigungsprozesse einzuspeisen.

Matthew Bauer , leitender Anwendungswissenschaftler – stellvertretender Produktmanager, Thermo Scientific Field and Safety Instruments. Für weitere Informationen rufen Sie +49 89 36 81 38-55 an, senden Sie eine E-Mail an [email protected] oder besuchen Sie thermofisher.com/industrial.