Die richtige Technik für die Analyse von Edelstählen

Als einer der führenden Hersteller von tragbaren LIBS (Laserinduzierte Plasmaspektrometrie)-Analysegeräten wurden wir unlängst gefragt, ob die LIBS-Technik über kurz oder lang die optische Funkenemissionsspektroskopie (OES) verdrängen wird. Die LIBS-Technik ist eine relativ neue Analysemethode mit großem Potenzial. Allerdings ist diese Technik im Moment noch nicht so weit, dass sie die optische Funkenemissionsspektroskopie in Einsatzbereichen, bei denen es um die exakte Materialbestimmung geht, ersetzen könnte. Mikko Jarvikivi, Produkt Manager bei Hitachi High-Tech, erläutert, warum es im Moment noch für beide Techniken Bedarf gibt.

Für Anwender in zahlreichen Branchen war es eine echte Errungenschaft, als für die Bestimmung der chemischen Zusammensetzung von Materialien erstmals tragbare Analysegeräte auf den Markt kamen. Mit dem richtigen tragbaren Analysegerät lassen sich Aufgaben wie das Sortieren von Materialien, positive Materialidentifikationen (PMI), Qualitätsprüfungen und Qualitätssicherungsmaßnahmen schnell und effizient ausführen.

LIBS-Handgeräte, wie das Vulcan-Analysegerät von Hitachi High-Tech, können hier eine zeitsparende und kostengünstige Option sein. LIBS-Geräte werden für das Sortieren von Metallen oder PMI-Prüfungen eingesetzt. Bei Edelstählen und Aluminium-Basislegierungen haben sie sich als besonders leistungsfähig erwiesen. Aber auch bei Materialien mit Titananteilen und bei niedriglegiertem Stahl arbeiten sie sehr zuverlässig. Das Vulcan-Gerät hinterlässt einen kleineren Abdruck auf der Probe, ist sehr robust, erfordert nur geringe Einarbeitung des Bedieners und besticht durch niedrige Betriebskosten.

Die Entwicklung der LIBS-Technik hat in den letzten Jahren große Fortschritte gemacht. Dennoch liegen die Nachweisgrenzen immer noch deutlich über denen von Funken-OES Analysegeräten, was zum Beispiel für das Sortieren von Edelstählen mit geringen Kohlenstoffanteilen problematisch ist. Beide Verfahren haben jedoch auch heute noch ihre Daseinsberechtigung. Welches am besten geeignet ist, hängt von der jeweiligen Aufgabe ab.


Die Analyse von Stahl

Bei bestimmten Stahlsorten liegen die Anteile von Elementen, die die Härte, den Schmelzpunkt, die Festigkeit oder Bearbeitbarkeit bestimmen, deutlich unter 100 ppm. Diese niedrigen Werte können Laser-basierte Analysegerät im Moment noch nicht genau genug erfassen. Daher ist in diesen Fällen – wie auch bei Kohlenstoffstählen – ein Funken-OES Analysegerät wie der PMI-MASTER von Hitachi High-Tech die bessere und zuverlässigere Alternative.

Kohlenstoff

Die Bestimmung der Kohlenstoffanteile ist nicht nur für die Unterscheidung von hoch- und niedriggekohlten Edelstählen wichtig. Kohlenstoff ist generell das entscheidende Element in Stahl. Es bestimmt maßgeblich die Eigenschaften, wie z. B. die Schweißbarkeit. Seit Jahrzehnten haben sich mobile und stationäre Funken-OES-Geräte für diese Anwendungen etabliert und bewährt.

Zwar liegt das Hauptaugenmerk vielfach auf der Messung des Kohlenstoffanteils, doch ist Kohlenstoff bei der Stahlanalyse nicht das einzige relevante Element. Für die präzise Berechnung der Kohlenstoffäquivalenz (als Indikator für die Schweißbarkeit) kann man mit einem Funken-OES-Gerät auch die genauen Anteile von Nickel, Mangan, Silizium und Titan bestimmen. Bei Legierungen, die große Härte und hohe Schmelzpunkte aufweisen und Elemente wie Molybdän, Niob, Tantal, Wolfram oder Hafnium enthalten, kommen die heutigen LIBS-Analysegeräte schnell an ihre Leistungsgrenzen. Ebenso können Elemente wie Schwefel (Automationsstahl) und Phosphor nicht bestimmt werden.

Duplex-Stähle

Angesichts der schnell wachsenden Verbreitung von Duplex-Stählen stellt die leichte Identifizierung und Unterscheidung von Duplex-Stahlsorten auf der Grundlage des Stickstoffanteils eine sehr wichtige Anwendung dar. Die optische Funkenemissionsspektrometrie bietet hierzu geeignete Geräte, sowohl mobil als auch stationär.

Weitere wichtige Spurenelemente

Aktuell richtet sich wachsende Aufmerksamkeit auf das Element Bor, und zwar in geringen Konzentrationen bis unter 5 ppm. Als Legierungselement eingesetzt verbessert Bor bei der Wärmebehandlung die Härtbarkeit von Stahllegierungen. Vor allem für konstruktive Anwendungen, Werkzeuge und Teile wie Schrauben hat es sich als besonders nützlich erwiesen.

Allerdings ist Bor in unlegierten Stählen unerwünscht, da es die Schweißeigenschaften negativ beeinflusst.

Bereits ab einem Boranteil von nur 0,0008 ppm wird ein Stahl als legierter Stahl klassifiziert. Damit wird der Stahl zolltechnisch anders behandelt und deshalb muss der Zoll überall auf der Welt bei der Einfuhr von Stahl in der Lage sein, diese extrem niedrige Konzentration nachzuweisen.
Wie bei allen technologisch relevanten Elementen, einschließlich Kohlenstoff, bieten Funkenemissionspektrometer auch bei Stickstoff, Bor und sonstigen relevanten Haupt- und Spurenelementen eine deutlich höhere Analysegenauigkeit als die LIBS-Technologie.

Eine bewährte Methode

Handgeräte auf LIBS-Basis arbeiten zwar schneller, sind kleiner und preisgünstiger, doch wird auch heute immer noch an der Technik entwickelt. Die optische Funkenemissionsspektroskopie gibt es seit Jahrzehnten. Sie hat sich selbst bei niedrigsten Nachweisgrenzen als verlässliche und präzise arbeitende Technik bewährt. Die zentrale Frage ist: Können welche Abweichungen bei den Gehalten von Kohlenstoff oder anderen Elementen Sie sich leisten können.

Selbst kleine Abweichungen bei den Elementen einer Probe beeinflussen die Festigkeit und Sprödigkeit des Werkstoffs sowie die Methoden, Werkzeuge und Temperaturen, mit denen die spätere Ver- und Bearbeitung stattfindet. Wenn aus einer falsch bestimmten Legierung ein Bauteil, ein Werkzeug oder eine Maschine hergestellt wird und diese Produkte später einmal versagen, können schwerste Unfälle, teure Rückrufe, Rechtsverfahren und der Verlust des guten Rufes die Folge sein. Mit der optischen Funkenemissionsspektroskopie sind sie auf der sicheren Seite, denn sie garantiert Präzision bei der Analyse und höchste Wiederholgenauigkeit.

Hitachi High-Tech blickt auf mehr als 40 Jahre Erfahrung in der Analysetechnik für Anwendungen in unterschiedlichen Industriezweigen zurück. Wir wissen, wie wichtig es ist, mehrere Technologien zur Auswahl zu haben. Denn nur so können wir Ihnen die für Ihre Anwendung und Analyseanforderungen beste Lösung anbieten. Daher können unsere Spezialisten Ihnen erst dann ein Produkt empfehlen, wenn sie Ihre konkreten Bedürfnisse genau kennen.
Unser tragbares LIBS-Analysegerät 'Vulcan' ist hervorragend für die Sortierung von Edelstahl und Aluminium und bestimmte PMI-Qualitätsprüfungen geeignet. Für schnelle, zerstörungsfreie Analysen sind die tragbaren Röntgenfluoreszenzgeräte der Serie X-MET8000 marktführend. Für die exakte Bestimmung der chemischen Zusammensetzung der meisten gängigen Legierungen sind unsere stationären und mobilen OES-Geräte unschlagbar.

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Datum: 13 June 2018

Autor: Mikko Jarvikivi, LIBS Produktmanager

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