Schnell, sicher, schadlos – Schnellanalyse von Legierungen

Die drei gängigsten Verfahren zur Schnellanalyse von Legierungen unterscheiden sich grundlegend.

Es gibt diverse Legierungen von Eisen mit Chrom, Nickel, Cobalt, Molybdän, Wolfram und Vanadium. Gusslegierungen auf Aluminiumbasis können Kupfer, Zink, Magnesium oder Silicium enthalten, ebenso wie Knet-Legierungen, in denen neben Aluminium auch Mangan oder Magnesium-Silicium-Verbindungen zugesetzt sein können. Die Zahl der Kupferlegierungen beläuft sich sogar auf über 50. Doch wie lassen sich all diese Metallverbindungen schnell und messgenau analysieren?

Verlässliche Analysemethoden sind beispielsweise bei der Chargenkontrolle in Stahlwerken und Gießereien gefragt. Sie sind für das Screening von Primärrohstoffen ebenso notwendig wie für die Erkennung von Sekundärrohstoffen wie Schrotten. Man braucht sie zur Prüfung von Stichproben, um die Verwechslung von Materialien zu verhindern, um Chargen sortenrein sortieren oder um kritische Stör- beziehungsweise hochwertige Rohstoffe eindeutig aussondern zu können. Dabei sind Methoden gefragt, die ohne besondere Probenaufbereitung, in möglichst kurzer Zeit und mittels tragbarer Geräte zu Ergebnissen führen.

Seit 150 Jahren in der Entwicklung

Die Schnellanalytik von Legierungen schaut auf eine 150jährige Entwicklung zurück. Nachdem Robert Bunsen 1859/60 die Spektroskopie begründet hatte und Henry Mosey 1913 den Grundstein für die Röntgenspektroskopie legte, folgten 1940 der Spektralapparat, 1970 das erste stationäre Funkenemissions-Spektrometer und 1973 das erste tragbare Spektroskop. Mittlerweile sind drei verschiedene Verfahren auf dem Markt: die optische Emissionsspektroskopie, die Röntgenfluoreszenz-Spektroskopie und die laserinduzierte Plasmaspektroskopie.

Beim ersten Verfahren wird das Material durch Energiezufuhr angeregt und emittiert Licht in einer für dieses Element charakteristischen Wellenlänge. Durch dieses sogenannte „Abfunken“ entstehen jeweils spezifische Spek­trallinien, die optische Systeme in ihre einzelnen spektralen Komponenten zerlegen und daraus die Konzentration der chemischen Elemente bestimmen können. Dabei kommen ein lichtempfindlicher, elektronischer Bildsensor namens „Charge-coupled Device“ oder ein Photovervielfacher (Photomultiplier Tube) zur Entdeckung schwacher Lichtsignale durch ein elektrisches Signal zum Einsatz.

Aus der Bahn geschlagen oder ionisiert

Auch bei der Röntgenfluoreszenz-Spektroskopie wird das Material durch eine Röntgenröhre oder radioaktive Quellen angeregt. Die Strahlung bewirkt, dass Atomkern-nahe Elektronen aus ihrer Bahn geschlagen werden, ein Atomkern-ferneres Elektron die leere Stelle besetzt und die freiwerdende Energie als Fluoreszenzstrahlung abgegeben wird. Je nach Stärke der Primärstrahlung lässt sich die resultierende Strahlung auswerten und ermöglicht die Identifizierung und Konzentrationsbestimmung aller Elemente.

Bei der laserinduzierten Plasmaspektroskopie trifft ein Laserimpuls auf die Oberfläche der Probe, wodurch das Material der getroffenen Stelle zu Plasma ionisiert. Das Plasma wiederum emittiert Licht, das sich durch Linsen sammeln lässt, für das jeweilige Material charakteristisch ist und somit spektrometrisch analysiert werden kann.

Mit nachweisbarer Fachkunde

Die drei Verfahren haben ihre Vor- und ihre Nachteile. Die optische Methode erlaubt die Untersuchung aller Materialen im Periodensystem ab Lithium. Allerdings schlägt die Optik mit einem hohen Gewicht negativ zu Buche; zudem ist eine Oberflächenbehandlung vor dem Messvorgang notwendig. Die Röntgenfluoreszenz-Methode erfolgt völlig störungsfrei und wird als leicht eingestuft, doch vermag sie Elemente, die im Periodensystem niedriger als Titan stehen, nicht oder nur eingeschränkt zu analysieren. Die Laser-Spektroskopie punktet durch leichte Bedienbarkeit, kurze Messzeiten und minimale Materialspuren und -verluste. Jedoch erfordert die Messung eine Schutzbrille und die Konzentration auf den winzigen Brennfleck eine ruhige Hand.

Darüber hinaus unterscheiden sich die Verfahren auch hinsichtlich der Anwendungsgenehmigungen. An die optische Methode werden keine besonderen Anforderungen gestellt. Für den Einsatz eines Gerätes mit einer Röntgenröhre oder einem radioaktive Strahler muss jedoch eine Betriebsgenehmigung eingeholt und ein Strahlenschutzbeauftragter bestellt werden, der einen Fachkundelehrgang nachweisen muss. Hinsichtlich der Verwendung von Lasern der Klasse 3R, 3B und 4 sieht die „Verordnung zum Schutz der Beschäftigten vor Gefährdungen durch künstliche optische Strahlung“ vor, dass ein Laserschutzbeauftragter mit Fachkenntnissen schriftlich zu bestellen ist.

Der Artikel beruht auf einem Vortrag von Dr. Joachim Lüning (Siegfried Jacob Metallwerke GmbH & Co. KG, Ennepetal), gehalten am 10. Mai 2017 auf der Dortmunder „Recycling-Technik“.

Fotos: Olympus Deutschland GmbH / Matech BV / Oxford Instruments

(EU-Recycling 07/2017, Seite 31)