Verstehen und Auswählen einer Materialverifizierungstechnologie

Reicht die Lektüre der Unterlagen aus, um das Material zu identifizieren, wenn eine Lieferung Rohmaterial an der Empfangsrampe eines Herstellers ankommt? Vielleicht ist es das, vielleicht auch nicht. Die Verwendung eines tragbaren Legierungsidentifizierungstools ist eine schnelle Möglichkeit, die chemische Zusammensetzung der Metalle zu überprüfen. Thermo Fisher Scientific

An jedem beliebigen Tag verarbeitet eine typische Fertigungswerkstatt eine Handvoll Materialien – Kohlenstoffstähle, rostfreie Stähle, Aluminiumlegierungen, von Zeit zu Zeit vielleicht sogar Magnesium. Die beigefügten Unterlagen identifizieren das Material, aber wie stellt ein Hersteller fest, ob er wirklich das erhalten hat, was er bestellt hat? In vielen Fällen wäre es von Vorteil, festzustellen, ob das versendete Metall mit dem Materialtestbericht (MTR) übereinstimmt. Um dies zu erreichen, ohne das Material an ein Testlabor schicken zu müssen, können Hersteller Geräte zur Elementaranalyse verwenden.

Die Technologie der Elementaranalyse hat seit den Tagen, als Metallverarbeiter sich zur Materialüberprüfung auf teure, zeitaufwändige Labortests oder rudimentäre Funken- oder Säuretests verlassen mussten, einen langen Weg zurückgelegt. Technologische Fortschritte ermöglichen die Durchführung analytischer Prozesse mit tragbaren Instrumenten, sodass Elementanalysen in Laborqualität jetzt in Sekundenschnelle direkt in der Werkstatt durchgeführt werden können. Diese Funktion trägt dazu bei, Risiken zu mindern und die Produktivität erheblich zu steigern.

Es kann schwierig sein, zwischen den verfügbaren Techniken – Röntgenfluoreszenz (RFA), laserinduzierte Durchbruchspektroskopie (LIBS) und optische Emissionsspektroskopie (OES) – zu unterscheiden und zu bestimmen, welche für eine bestimmte Anwendung optimal ist.

RFA, ein zerstörungsfreier Test, bestrahlt eine Metallprobe mit hochenergetischen Röntgenstrahlen, die von einer Miniatur-Röntgenröhre im Gerät erzeugt werden. Dadurch emittieren Atome in der Probe sekundäre (oder fluoreszierende) Röntgenstrahlen, die nur für die in der Probe vorhandenen Elemente gelten. Der Instrumentendetektor misst und analysiert die sekundären Röntgenstrahlen, um ihre chemische Identität und ihre Konzentration im zu testenden Metall zu bestimmen. Diese Fähigkeit macht die RFA sowohl für die qualitative als auch für die quantitative Analyse der Materialzusammensetzung nützlich.

OES-Instrumente senden einen elektrischen Hochspannungsimpuls, um Atome in einer Probe anzuregen. Die Probe entlädt dann einen Lichtbogenfunken, der von einem Spektrometer in der OES-Einheit gemessen und analysiert werden kann. Von dort aus bestimmt das OES-System die chemische Zusammensetzung der zu untersuchenden Probe.

LIBS-Analysatoren tragen die Oberfläche der Probe mit einem hochfokussierten Laser ab, wodurch ein Plasma aus angeregten Atomen und Ionen entsteht. Wenn diese Atome beginnen, in ihren Grundzustand zu zerfallen, emittieren sie Lichtwellenlängen, die für jedes Element einzigartig sind und von einem Spektrometer im LIBS-Gerät analysiert werden. Wie bei der RFA kann die LIBS-Analyse sowohl für quantitative als auch für qualitative Messungen verwendet werden.

OES und LIBS sind minimal destruktiv. Sie hinterlassen einen winzigen Brandfleck auf der Probe.

Metallverarbeiter sollten bei der Auswahl einer Technologie mehrere Aspekte berücksichtigen, darunter Portabilität, Geschwindigkeit und Benutzerfreundlichkeit.

Portabilität kann erhebliche Auswirkungen auf die Produktivität haben. Glücklicherweise sind sowohl LIBS- als auch RFA-Analysegeräte leicht und handlich. Dies bedeutet, dass die Analyse problemlos an nahezu jedem Ort in einem Geschäft oder Lager durchgeführt werden kann, selbst an schwer zugänglichen Stellen. OES ist eine mobile Technologie, die jedoch nicht in der Hand gehalten werden kann. Es erfordert einen Schubwagen, der in engen Arbeitsbereichen schwer zu manövrieren sein kann. Die fortschrittlichsten LIBS-Analysegeräte von heute wiegen nur 6 Pfund. (2,9 kg), während ein mobiles OES bis zu 80 Pfund wiegen kann. (36 kg).

Was die Einsatzgeschwindigkeit anbelangt, sind die Hauptfaktoren die Einrichtung und Wartung des Geräts, die Probenvorbereitung und die Analysegeschwindigkeit.

Von den drei Technologien ist RFA die am einfachsten zu verwendende. Es handelt sich um ein Point-and-Shoot-Gerät, das keine tägliche Einrichtung oder Wartung erfordert. Die LIBS-Einrichtung ist relativ minimal und erfordert einen zweistufigen Prozess, der etwa 10 Minuten dauert. Die tägliche Einrichtung von OES erfordert mehrere Schritte und dauert zwischen 15 und 20 Minuten. LIBS- und OES-Instrumente müssen regelmäßig gereinigt werden.

Bei der Verwendung von OES und LIBS ist eine Probenvorbereitung erforderlich. Spuren von Verunreinigungen wie Fett, Farbe oder sogar Oxidation können den Test beeinträchtigen und zu unzuverlässigen Ergebnissen führen. Zur Probenvorbereitung gehört das Reinigen und Schleifen einer Testfläche auf dem Metall, normalerweise 1 Quadratzoll. Alternativ erfordert die RFA selten überhaupt eine Probenvorbereitung.

Abhängig vom zu testenden Material können fortschrittliche LIBS- und OES-Analysatoren die meisten Proben in etwa 10 Sekunden testen. Dazu gehört auch Material, bei dem der Kohlenstoffgehalt von Interesse ist.

Ein RFA-Analysator kann für die meisten Materialien in drei bis fünf Sekunden eine Identifizierung und gültige chemische Zusammensetzung für viele Legierungstypen liefern. Allerdings umfasst dies keine Kohlenstoffanalyse, und die Analysezeit könnte sich für andere in der Legierung vorhandene leichte Elemente geringfügig verlängern. Der Unterschied zwischen mehreren Sekunden summiert sich, wenn der Hersteller davon ausgeht, dass möglicherweise mehrere Messungen oder mehrere Proben (oder mehrere Messungen mehrerer Proben) erforderlich sind. Dies zeigt, warum die Wahl der richtigen Technologie für die spezifische Anwendung des Bedieners von entscheidender Bedeutung ist.

Metallverarbeiter sollten bei der Auswahl eines Elementaranalysators nicht nur an die Produktivität denken. Ein wichtiger Aspekt ist die Abstimmung der analytischen Fähigkeiten der Technologie auf die Anwendung.

Kohlenstoffarme Metalle. LIBS ist äußerst nützlich für die Unterscheidung zwischen verschiedenen Legierungen und die Quantifizierung der Kohlenstoffkonzentrationen in Kohlenstoffstählen, niedriglegierten Stählen und rostfreien Stählen, einschließlich rostfreier Stähle der Güteklasse L (was auf einen niedrigen Kohlenstoffgehalt hinweist). LIBS kann auch Aluminium, Chrom, Kupfer, Eisen, Mangan, Molybdän, Nickel, Silizium, Titan, Vanadium, Wolfram, Kohlenstoffäquivalente und Pseudoelemente erkennen.

Neue Aluminium- und Magnesiumlegierungen. Neue, leichte Aluminium- und Magnesiumlegierungen werden jetzt im Automobilbau eingesetzt, um Autos kraftstoffeffizienter zu machen. Automobilrahmen und -komponenten werden aus bestimmten Legierungsqualitäten hergestellt, für die streng kontrollierte Spezifikationen für Legierungselemente gelten. Die Materialeigenschaften sind so spezifisch, dass bereits geringfügige Abweichungen von der Spezifikation dazu führen können, dass die Teile fehlerhaft sind. Daher sind Elementaranalysatoren für die Materialüberprüfung dieser fertigen Komponenten unerlässlich.

Die Einführung der Silizium-Drift-Detektor-Technologie (SDD) in handgehaltene RFA-Instrumente hat zu erheblichen Leistungsverbesserungen gegenüber herkömmlichen RFA-Funktionen geführt und ermöglicht die eindeutige Identifizierung dieser Legierungstypen. Es ist erwähnenswert, dass einige heute auf dem Markt erhältliche LIBS-Geräte auch in der Lage sind, leichte Elemente wie Aluminium zu analysieren, während die fortschrittlicheren Geräte stattdessen auf die Analyse des Kohlenstoffgehalts spezialisiert sind. Neben OES ist LIBS die einzige Analysetechnik, die Kohlenstoff auch in geringen Mengen nachweisen kann.

Wenn Sie in dieser Anwendung sowohl LIBS als auch RFA in Betracht ziehen, ist es wichtig zu bedenken, dass LIBS zwar die schnellere Methode zur Analyse von Aluminiumlegierungen ist, XRF jedoch in der Lage ist, ein breites Spektrum an Legierungstypen zerstörungsfrei zu analysieren.

Luft- und Raumfahrtanwendungen. RFA und LIBS sind komplementäre Techniken, die die für die gesamte Palette von Luft- und Raumfahrtlegierungen erforderliche Analyse und Verifizierung ermöglichen können. In der Luft- und Raumfahrtfertigung müssen Teile mit der genauen Legierung gemäß den technischen Spezifikationen hergestellt werden. Dies ist notwendig, um sicherzustellen, dass sie bei den höheren Temperaturen, bei denen sie eingesetzt werden, eine hohe Festigkeit und eine hohe Korrosionsbeständigkeit aufweisen.

Chemie, Sorte und Beschichtungsdicke. RFA ermöglicht nicht nur eine schnelle Überprüfung der Chemie und Qualität eingehender Rohstoffe und Endprodukte, sondern kann auch zur Analyse der Zusammensetzung und zur Dickenmessung von Legierungsbeschichtungen verwendet werden.

In der Luft- und Raumfahrtindustrie kann diese Technologie beispielsweise die Beschichtungen von Triebwerksteilen und anderen Komponenten analysieren, was zum Schutz vor kurz- und langfristigen Schäden durch anspruchsvollen Einsatz bei hohen Temperaturen erforderlich ist. Diese Funktion kann genutzt werden, um die Qualitätskontrolle sicherzustellen und sicherzustellen, dass teures Beschichtungsmaterial nicht verschwendet oder zu wenig aufgetragen wird.

Im Zuge der fortschreitenden Globalisierung der Branche kaufen viele Hersteller zunehmend Material aus dem Ausland und von neuen Lieferanten, mit denen sie zuvor noch nicht zusammengearbeitet haben. Unerfahrene oder unzuverlässige Lieferanten versuchen manchmal, Kosten zu senken, indem sie keine positive Materialidentifizierung durchführen oder ein externes Testlabor mit der Überprüfung des von ihnen versendeten Materials beauftragen. Leider sind MTRs nicht immer genau, daher ist ein Ansatz „Vertrauen, aber überprüfen“ erforderlich, um die chemische Zusammensetzung der Legierung zu bestätigen.

In solchen Situationen kommt die Analysetechnologie ins Spiel. Durch die Durchführung der Due-Diligence-Prüfung können Hersteller sicher sein, ihren Ruf und ihr Geschäft zu schützen, indem sie diese Tests vor Ort selbst durchführen.

James Stachowiak ist technischer Vertriebsleiter für Thermo Fisher Scientific, 168 Third Ave., Waltham, MA 02451, 800-678-5599, corporate.thermofisher.com.