Die positive Materialidentifikation (PMI) spielt für die Fertigung, die petrochemische Produktion und die Verbrauchersicherheit eine entscheidende Rolle. Es ist wichtig, das richtige Metall oder die richtige Legierung an der richtigen Stelle einzusetzen, aber auch zu gewährleisten, dass das Material keine Abweichungen aufweist (wie Verunreinigungen mit Schwermetallen). Die Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) ist eine effektive und anwendungsfreundliche PMI-Methode zur Prüfung von Komponenten, um den Einsatz der richtigen Metalle und Legierungen zu bestätigen.
Die RFA mit einem tragbarem Handanalysator erfordert eine geringe Probenaufbereitung und liefert schnell Ergebnisse. Eine der häufigsten RFA-Anwendungen ist die Beschreibung der Legierungszusammensetzung. Der Elementgehalt kann mit einem Vanta RFA-Handanalysator häufig in nur 1 bis 2 Sekunden bestimmt werden.
Materialzusammensetzung
Mit der mobilen RFA können mehr als 90 % der Elemente (von Magnesium bis zu Elementen höherer Ordnungszahlen) des Periodensystems quantifiziert werden.Dies deckt die große Mehrheit der Elemente in kommerziellen Legierungen ab. In Abbildung 1 werden repräsentative1 Grenzwerte für häufig eingesetzte Legierungselemente angezeigt.Mit dieser RFA-Erkennungskapazität können positive Übereinstimmungen für Aluminiumlegierungen, Edelstähle, Chrom-Molybdän-Legierungen, viele Materialien von Rohren und Flanschen, Messinge, Bronzen und andere Kupferlegierungen, Lote, Titanlegierungen, Werkzeugstähle und viele sogenannte Superlegierungen basierend auf Nickel oder Kobalt ermittelt werden.
Abbildung 1: Repräsentative Grenzwerte für häufig eingesetzte Legierungselemente1.
Der RFA-Handanalysator kann keine Elemente bestimmen, die leichter als Magnesium sind. Dies umfasst Legierungselemente, wie Lithium, Beryllium, und Kohlenstoff. Diese Elemente werden in verschiedenen Anwendungen genutzt, u. a.:
- Lithium in einigen Aluminiumlegierungen in der Luft- und Raumfahrt
- Beryllium in einigen Kupferlegierungen
- Kohlenstoff in vielen niedriglegierten Stählen
Dennoch können viele dieser Legierungszusammensetzungen basierend auf der Zusammensetzung ihrer anderen Legierungselemente bestimmt werden. Für die Quantifizierung dieser leichten Elemente sind jedoch andere analytische Methoden erforderlich.
Anforderungen an die Probe
Die Funktionsweise der RFA-Analysatoren kann wie folgt zusammengefasst werden: (1) Abgabe von Röntgenstrahlung. (2) Empfangen zurückgestrahlter Röntgenstrahlung vom Detektor. (3) Datenverarbeitung mittels komplexer Mathematik. (4) Bestimmung der Legierungszusammensetzung (Abbildung 2). RFA ist eine Messtechnik auf der Oberfläche. Sie misst bei einer leichten Legierung, wie Aluminium, nur die obersten paar Hundert Mikrometer der Probe. Bei Hauptmetallen, wie Eisen oder Kupfer, misst sie weniger als hundert Mikrometer in die Probe.Bei dichten Materialien, wie Gold oder Blei, misst sie nur die obersten Zehntel Mikrometer. Dies bedeutet, dass die Oberfläche des Materials die Zusammensetzung der gesamten Menge genau repräsentieren muss. Verunreinigungen der Oberfläche, wie durch Anstrich, Versieglung und Verzinkung, können die Analyse erheblich stören. Ebenso können Rückstände von Sand- oder Kugelstrahlung, Schleifen oder sogar Schmutz die positive Materialidentifikation beeinträchtigen. Daher ist unbedingt darauf zu achten, dass die Probe für die RFA nicht verschmutzt ist.
Abbildung 2: Ablauf der Röntgenfluoreszenzanalyse bei der positiven Materialidentifikation.
RFA-Handanalysatoren verwenden eine Röntgenröhre mit niedriger Wattzahl. Da die Leistung der gesendeten und empfangenen Röntgenstrahlung so niedrig ist, muss sich der Analysator nah an der Probe befinden. Idealerweise ist die Probe in direktem Kontakt mit dem Messfenster des Geräts. Dies kann schwierig sein, wenn die Probe eine komplexe Geometrie aufweist. Doch durch das niedrige Profil können Vanta Analysatoren sehr nah an schräge Proben (z.B. an einen Flansch, der an ein Rohr im 90°-Winkel geschweißt wurde) gehalten werden.
Oberflächentemperatur der Probe
Die Röntgenstrahlung bleibt bei Temperaturabweichungen der Probe im Wesentlichen unverändert.Zudem wurde der Vanta RFA-Handanalysator so gebaut, dass er eine zuverlässige Leistung unabhängig von den Betriebsbedingungen bietet. Der Analysator ist ohne thermische Kompensation oder Leistungsverminderung bei Temperaturen zwischen -10 °C und 50 °C einsetzbar.2
Ohne Änderung können Vanta Analysatoren Proben mit Temperaturen bis zu ca. 100 °C messen. Bei höheren Temperaturen kann die Prolene-Messfensterfolie des Analysators beschädigt werden.Olympus bietet einen optionalen Vanta Temperaturschutz.Dieser Temperaturschutz umfasst eine Kapton-Messfensterfolie, mit der Proben mit einer Temperatur bis zu 315 °C gemessen werden können.
Fazit
Die Röntgenfluoreszenzanalyse ist eine leistungsstarke Methode für die positive Materialidentifikation. Dank ihrer umfassenden analytischen Fähigkeiten und Bedienerfreundlichkeit kann die PMI schnell und zuverlässig durchgeführt werden.Dies ist nicht nur zur Verhinderung von Produktionsausfällen hilfreich, sondern – besonders wichtig – auch zur Verhinderung von Verletzungen oder Tod durch das falsche eingesetzte Material.
[1] Grenzwerte werden durch die Analysezeit, Probenart und die Kombination von Störelementen beeinträchtigt.Diese Werte sind nur repräsentativ. Sie können je nach Probe und Prüfbedingungen variieren.Sie gelten lediglich als Richtlinie.
[2] Mit Ventilator als Option. Die Ventilator-Einheit entspricht der Schutzart IP56. Kontinuierlicher Betrieb bei 33 °C ohne Ventilator.
