Das neue Funkenspektrometer OE750 kann dank seiner niedrigen Nachweisgrenzen alle in Metallen vorkommende Elemente erfassen. Dieser Aspekt stand für uns bei der Entwicklung des OE750 an erster Stelle und ist der Grund dafür, warum wir letztendlich ein vollständig neues optisches Konzept aufgestellt und eine andere Detektortechnologie eingesetzt haben. Wir sind der Ansicht, dass Nachweisgrenzen von unter 10 ppm bzw. <1 ppm (je nach Anwendung und Element) für die heutige Qualitätskontrolle von Metallen unerlässlich sind. Dafür gibt es gute Gründe.
Begleitelemente, die sich im Schrott befinden, aber nicht Teil der Legierungsspezifikation sind, müssen überwacht und sorgfältig kontrolliert werden, da sie sich negativ auf die Eigenschaften des Endprodukts auswirken. Dabei sind einige Produkte empfindlicher als andere, beispielsweise kohlenstoffarme und niedrig legierte Stähle. Dies gilt umso mehr, wenn Altmetall als Rohstoff eingesetzt wird, eine wesentliche Quelle für Begleitelemente.
Die am häufigsten auftretenden Begleitelemente sind Kupfer, Nickel, Chrom, Molybdän und Zinn. Betrachten wir das Beispiel Zinn und seine Auswirkungen auf Stahl etwas genauer. Zinn verbessert die Festigkeit und Härte von Stahl, kann aber die Formbarkeit, Schlagfestigkeit und Kaltumformung verschlechtern. Außerdem beeinflusst Zinn die Aufbereitung für die Verarbeitung, z. B. durch Rekristallisierung, und kann zur Versprödung an den Korngrenzen führen.
Grundsätzlich bedeutet die Kontrolle der Spurenelemente das exakte Einhalten der Qualitätsspezifikation einer Legierung. Eine Beschreibung der vielen unterschiedlichen Qualitäten von Gusseisen, Stahl und Aluminium sprengt jedoch den Rahmen dieses Artikels. Dennoch soll hier zur Veranschaulichung beispielhaft der Gehalt von Bor in C-Stahl genauer betrachtet werden. Der Zusatz von Bor in sehr kleinen Mengen (nur 3 ppm) verbessert die Härtbarkeit von Stahl. Bei Zuschlägen über diesem Wert trennt sich das Bor jedoch vom Stahl und setzt sich in den Korngrenzen ab. Dadurch verringern sich Härtbarkeit, Schweißbarkeit und Zähigkeit und es tritt Versprödung ein. Der Borgehalt muss sehr sorgfältig überwacht werden, da schon winzige Mengen einen erheblichen Einfluss auf das Material haben.
Die Elemente, die beim Gießverfahren zugefügt werden, um die Materialstruktur zu beeinflussen, z. B. der Impfelemente bei Gusseisen oder der Veredelungsstoffe beim Aluminiumguss, müssen kontrolliert werden. Häufig muss sichergestellt werden, dass der Gehalt unter 10 ppm liegt.
Beispielsweise werden Strontium und Natrium beim Aluminiumguss als Veredelungsstoffe eingesetzt, um Aluminiumphosphid (ein Kristallisationskeim für Silizium) zu entfernen und eine Struktur mit verbesserter Formbarkeit zu erzeugen. Diese Veredelungsstoffe sind jedoch durch Phosphor, Antimon und Bismut verunreinigt. Um die Wirksamkeit der Veredelungsstoffe sicherzustellen, ist es unerlässlich, die Konzentration an Pnikogenen (Elementen der Stickstoff-Phosphor-Gruppe) zu überwachen und zu steuern.
Zahlreiche ASTM- und andere Prüfmethoden verlangen äußerst niedrige Nachweisgrenzen bei der optischen Emissionsspektrometrie. Ein wichtiges Beispiel dafür ist die Ausgabe 2017 der ASTM-Testmethode E415. Die Richtlinie gibt Zusammensetzungsbereiche für 21 verschiedene Elemente von Aluminium bis Zirkonium vor. Die größte Herausforderung für typische Funkenspektrometer ist der Stickstoffgehalt, weshalb der OE750 dafür konzipiert wurde, N-Konzentrationen unter 10 ppm zu messen.
Bis jetzt haben wir uns mit den Auswirkungen bekannter Inhaltsstoffe auf die Materialeigenschaften, die Chemie der Schmelze und der Einhaltung der Normen beschäftigt. Mit dem zunehmenden Einsatz von Altmetall als Rohstoff werden wir aber vermehrt ungewöhnliche Elemente in der Schmelze finden und müssen deren Eigenschaften genauer kontrollieren. Um die Auswirkungen auf die Zusammensetzung der Schmelze und die Materialeigenschaften vollständig zu verstehen und zu untersuchen, muss die vollständige Zusammensetzung mit sehr niedrigen Nachweisgrenzen bestimmt werden.
Das Funkenspektrometer OE750 kann alle Legierungs-, Behandlungs-, Spuren-, und Begleitelemente für die Stahl-, Eisen- und Aluminiumverarbeitung analysieren.
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