Funkenemissions-
spektroskopie
Die Funkenemissionsspektroskopie (OES) ist eine analytische Technik, die in der Metallurgie und Werkstoffwissenschaft zur Bestimmung der chemischen Zusammensetzung metallischer Werkstoffe verwendet wird. Dieses Verfahren spielt eine entscheidende Rolle in der Qualitätskontrolle und Materialprüfung, da es eine schnelle und genaue Analyse der Legierungselemente in einer Vielzahl von Metallen ermöglicht.
Inhaltsverzeichnis
- Was ist die Funkenemissionsspektroskopie?
- Funkenemissionsspektroskopie bei Quality Analysis
- Rasche und zuverlässige Messergebnisse
- Wie funktioniert die Funkenemissionsspektroskopie
- Wie läuft die Analyse mittels Funkenemissionsspektroskopie ab?
- Die Vorteile der Funkenemissionsspektroskopie
- Wo kommt die Funkenemissionsspektroskopie zum Einsatz?
Was ist die Funkenemissionsspektroskopie?
Die Funkenemissionsspektroskopie (OES, auch optische Emissionsspektrometrie) ist ein Verfahren zur chemischen Analyse von metallischen Werkstoffen. Sie kommt im Rahmen der Werkstoffprüfung zum Einsatz, um einzelne Legierungselemente einer Probe zu bestimmen.
Funkenemissionsspektroskopie bei Quality Analysis
Mit der Funkenemissionsspektroskopie (OES) werden bei Quality Analysis einzelne Legierungselemente qualitativ und quantitativ mit höchster Genauigkeit analysiert. Die ermittelte Legierungszusammensetzung wird mit den in den gängigen Normen aufgelisteten Grenzwerten, den Grenzwerten im Stahlschlüssel oder Kundenvorgaben abgeglichen und bewertet. Unser aussagekräftiges Analyseprotokoll bestätigt oder widerlegt die Zugehörigkeit eines Materials zu einer Werkstoffgüte. So lassen sich rasch zuverlässige Aussagen zur elementaren Zusammensetzung eines Materials treffen und Rückschlüsse auf dessen Eigenschaften ziehen.
Rasche und zuverlässige
Messergebnisse
- Analyse von Legierungen aus Eisen, Aluminium, Kupfer, Zink, Magnesium, Titan, Cobalt und Nickel
- Quantitative und qualitative Analyse
- Abgleich mit gängigen Normen, Stahlschlüssel oder Kundennormen
- Zahlreiche Verfahren zur korrekten Probenpräparation
Wie funktioniert die Funkenemissionsspektroskopie
Um eine Analyse per Funkenemissionsspektroskopie durchzuführen, sind drei Komponenten notwendig. Das ist zum einen eine elektrische Quelle, die das Probenmaterial verdampft und dadurch die Atome anregt, wodurch eine optische Emission entsteht. Die zweite Komponente ist das Spektrometer – das optische System, in dem das einfallende Licht durch ein Beugungsgitter in seine einzelnen Wellenlängen aufgespalten wird. Es dient also der Separierung des Lichts in seine spektralen Bestandteile. Dieser Vorgang ist entscheidend, um die verschiedenen Elemente im Probenmaterial identifizieren zu können. Anschließend kommt ein Detektionssystem zum Einsatz, das die Lichtintensität für jede spezifische Wellenlänge misst und so die Intensität der spezifischen Emissionslinien festlegt. Das Ergebnis ist eine grafische Darstellung der Lichtemission bei verschiedenen Wellenlängen. Diese erlaubt, die chemische Zusammensetzung der Probe zu bestimmen.
Wie läuft die Analyse mittels Funkenemissionsspektroskopie ab?
Die Funkenemissionsspektroskopie basiert, wie der Name schon verrät, auf der Erzeugung eines elektrischen Funkens oder Lichtbogens. Dieser erhitzt die zu analysierende Probe in einem vorab festgelegten Bereich. Die hochenergetische Funkenentladung in Argon-Atmosphäre wird zwischen einem präparierten, grob geschliffenen Teil des Prüfstücks und einer Kupfer- oder Silberelektrode gezündet. Dadurch entsteht ein Lichtbogen, der Probenmaterial verdampfen lässt und Atome und Ionen freisetzt, die durch Elektronenstoß angeregt werden. Diese Emission kann gemessen werden: Die Strahlung wird über Lichtleiter an optische Systeme weitergeleitet, die sie in ihre einzelnen spektralen Komponenten zerlegen. Das Spektrometer erfasst die spezifischen Linien der emittierten Strahlung und wandelt sie in ein Spektrum um.
Emissionslinien zur Charakterisierung der Elemente
Die Emissionslinien sind das Identifikationsmerkmal für jedes chemische Element, da sie die verschiedenen Wellenlängen der emittierten Strahlung repräsentieren. Diese Linien entstehen, wenn Elektronen innerhalb eines Atoms Energie aufnehmen, typischerweise durch eine elektrische Entladung wie bei einem Funken oder Lichtbogen. Diese Energiezufuhr versetzt Elektronen in höhere Energiezustände, die auf weiter außen liegenden Bahnen, um den Atomkern anzusiedeln sind.
Diese angeregten Zustände sind energetisch instabil. Daher fallen die Elektronen nach kurzer Zeit wieder auf niedrigere Energiezustände zurück, und setzen dabei Energie in Form von Licht frei. Dieses Licht wird als optische Emission bezeichnet. Jedes chemische Element erzeugt dabei einzigartige Emissionslinien mit definierten Wellenlängen, die den spezifischen Übergängen der Elektronen zwischen diesen Energieniveaus entsprechen. Diese charakteristischen Linien ermöglichen es, die Elemente in einer Probe zu identifizieren und ihre Konzentrationen zu bestimmen.
Die Wellenlängen im Spektrum
Die einzelnen Spektrallinien werden mit Detektoren gemessen und die Daten verarbeitet, um ein kontinuierliches Linienspektrum zu erstellen. Das geschieht durch das Funkenspektrometer, das in der Lage ist, die Intensität der einzelnen Wellenlängen zu messen und so ein detailliertes Spektrum zu erstellen. Das entstandene Spektrum bildet einen einzigartigen Fingerabdruck der Elemente in der Probe ab. Es besteht aus helleren und dunkleren Linien, die auf die Intensität der emittierten Strahlung bei bestimmten Wellenlängen hinweisen. Die Linien im Spektrum sind das Ergebnis der Übergänge von Elektronen zwischen verschiedenen Energiezuständen in den Atomen des untersuchten Elements. Hellere Linien entsprechen dabei einer höheren Emissionsintensität und damit einer höheren Konzentration des entsprechenden Elements.
Die Analyse und Identifikation der Elemente
Dadurch lassen sich in wenigen Sekunden alle chemischen Elemente quantitativ untersuchen und alle Elemente in der Probe identifizieren. Die Empfindlichkeit und Präzision der Analyse werden weiter verbessert durch Varianten wie die induktiv gekoppelte Plasma-Funkenemissionsspektroskopie (ICP-OES).
Die Vorteile der Funkenemissionsspektroskopie
Die Funkenemissionsspektroskopie erlaubt die schnelle, effiziente, zuverlässige, quantitative und qualitative Bestimmung der Zusammensetzung einer metallischen Probe. Da weder die Probenvorbereitung noch das Verfahren selbst besonders zeitaufwendig sind, eignet sie sich gut für schnelle Analysen zur Qualitätssicherung.
Funkenemissionsspektroskopie
Präzise auch bei geringsten Konzentrationen
Neben Metallen können auch leichtere Elemente wie Kohlenstoff mittels OES nachgewiesen werden. Zudem können mit der Funkenemissionsspektroskopie im Vergleich zu anderen Analysetechniken beinahe alle relevanten Elemente und deren Konzentrationen in verschiedenen Metallen nachgewiesen werden. Dazu zählen auch wichtige Elemente wie Kohlenstoff, Schwefel, Phosphor, Bor und Stickstoff. Und dabei ist das Verfahren auch bei geringsten Konzentrationen sehr präzise und weist Spuren von unerwünschten Elementen zuverlässig – und vergleichsweise kostengünstig – aus. Durch die schnelle Umsetzbarkeit und ihre Genauigkeit ist die Funkenemissionsspektroskopie auch für Massentests geeignet.
Die Funkenemissionsspektroskopie: Für eine Vielzahl an Proben geeignet
Die Funkenemissionsspektroskopie wird effektiv für die Analyse von Metallschmelzen in der primären Metallproduktion, wie der Gewinnung von Metallen aus Erzen, sowie in der sekundären Metallproduktion, etwa beim Metallrecycling, eingesetzt. Dabei kommen verschiedene Probenformen infrage: Massivmaterialien, Drähte und kleine Bauteile. Die Spektralanalyse ermöglicht die genaue Bestimmung der Zusammensetzung und Reinheit dieser Materialien. Voraussetzung ist lediglich, dass die Proben metallisch und elektrisch leitfähig sind, um einen Funken erzeugen zu können.
Wo kommt die Funkenemissionsspektroskopie zum Einsatz?
Die Funkenemissionsspektroskopie findet in verschiedenen Anwendungsbereichen breite Verwendung, wobei sie sich besonders in der Qualitätssicherung bewährt. Ihr Einsatzgebiet erstreckt sich über die Schadensanalyse, Metallographie und Werkstoffprüfung bis hin zur Wareneingangskontrolle und Produktentwicklung. In der Qualitätssicherung ermöglicht diese analytische Methode eine schnelle und präzise Bestimmung der chemischen Zusammensetzung von Metallen. Darüber hinaus unterstützt die Funkenemissionsspektroskopie in der Schadensanalyse, indem sie detaillierte Einblicke in die Werkstoffeigenschaften gewährt.
Medizintechnik
In der Medizintechnik kann die OES bei der Analyse von Metalllegierungen in medizinischen Implantaten, Instrumenten oder anderen medizinischen Geräten eingesetzt werden. Damit kann sichergestellt werden, dass die verwendeten Materialien den erforderlichen Qualitätsstandards entsprechen.
Additive Fertigung
Die Funkenemissionsspektroskopie ermöglicht es, die chemische Zusammensetzung von additiv gefertigten Teilen zu überprüfen, sodass sie die gewünschten Materialeigenschaften aufweisen.
Elektronikfertigung
Um sicherzustellen, dass elektronische Bauteile die spezifischen Anforderungen an Leitfähigkeit und Haltbarkeit erfüllen, ist es wichtig, die chemische Zusammensetzung der verwendeten Metalllegierungen zu kennen. Bei der Schadensanalyse von elektronischen Komponenten kann die OES dazu beitragen, die Ursachen von Defekten oder strukturellen Problemen zu identifizieren. Durch die Analyse der chemischen Zusammensetzung können zudem Herstellungsfehler oder Materialunregelmäßigkeiten aufgedeckt werden.
