Vergleich von Analysemethoden in den Werkstoffwissenschaften
Die Charakterisierung der Materialzusammensetzung ist ein wesentlicher Bestandteil der Werkstoffwissenschaften. Sie ermöglicht die Bestimmung der chemischen Zusammensetzung von Werkstoffen. In diesem Whitepaper werden die zwei Hauptanalysemethoden in der Metallindustrie - die Optische Emissionsspektrometrie (OES) und die Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) - mit der energiedispersiven Röntgenspektroskopie (EDX) verglichen.
Die optische Emissionsspektrometrie (OES)
Die OES ist eine Methode zur Bestimmung der chemischen Zusammensetzung von Werkstoffen, bei der das von angeregten Atomen emittierte Licht analysiert wird. Die Atome der im Metall vorhandenen Elemente werden hierbei durch Zufuhr von Energie (elektrische Lichtbogenentladung) auf ein höheres Energieniveau gebracht. Durch die Energiezufuhr springen die Atome zunächst auf freie Plätze in höherenergetischen Schalen. Da dieser Zustand sehr instabil ist, fallen die angeregten Atome unter Emission von Lichtquanten wieder in ihre Schale zurück. Aufgrund der vorhandenen Kenntnisse über die Emissionsspektren der Elemente kann die emittierte Wellenlänge den jeweiligen Elementen zugeordnet werden.
Anwendungsbeispiele:
- Analyse der chemischen Zusammensetzung von Legierungen in der Metallindustrie
- Qualitätskontrolle von metallischen Werkstoffen
Vor- und Nachteile:
| Vorteile | Nachteile |
| ➕ Hohe Genauigkeit | ➖ Aufwendige Probenvorbereitung |
| ➕ Möglichkeit zum Datenbankabgleich | ➖ Probengeometrie muss geeignet sein, um Blende zu decken (min. 6 mm Durchmesser) |
| ➕ Geeignet für die Analyse von Metallen unterschiedlicher Basislegierungen | ➖ Zerstörende Materialprüfung |
| ➖ Hohe Kosten für Geräte |
Die Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA)
Die RFA basiert auf der Wechselwirkung von Röntgenstrahlen mit der Probe. Diese wird mit Röntgenstrahlen bestrahlt, wodurch charakteristische Fluoreszenzstrahlen emittiert werden. Diese für jedes Element charakteristischen Strahlen werden analysiert und quantifiziert, um die chemische Zusammensetzung der Probe zu bestimmen. Zur Ermittlung der Anteile an leichten Elementen wie Kohlenstoff, Stickstoff etc. wird unter Schutzgas, wie dem Edelgas Helium, gearbeitet.
Anwendungsbeispiele
- Bestimmung der chemischen Zusammensetzung von Mineralien in der Geologie
- Analyse von Umweltproben zur Bestimmung von Schadstoffen
Vor- und Nachteile
| Vorteile | Nachteile |
| ➕ Vielseitig Einsetzbar | ➖ Mittlere Genauigkeit, vor allem im Bereich der leichten Elemente |
| ➕ Unabhängig von der Probengeometrie | ➖ Keine Möglichkeit zum Datenbankabgleich |
| ➕ Zerstörungsfreie Prüfung | ➖ Empfindlich gegenüber Störungen |
| ➕ Weniger aufwendige Probenvorbereitung |
Die Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX):
Die EDX ist eine Methode zur Analyse der chemischen Zusammensetzung von Werkstoffen, bei der die von der Probe emittierten charakteristischen Röntgenstrahlen untersucht werden. Hierzu wird die Probe mit einem Elektronenstrahl bestrahlt. Die emittierten Röntgenstrahlen werden je nach Winkel von einem Detektor eingefangen. Anschließend werden sie basierend auf ihrer Anzahl der eingetroffenen Counts analysiert und in einem Spektrum dargestellt.
Anwendungsbeispiele:
- Untersuchung der Oberflächen und oberflächennahen Zusammensetzung von Materialien
- Analyse von Partikeln und Rückständen, wie beispielsweise Korrosionsprodukten auf metallischen Oberflächen
Vor- und Nachteile:
| Vorteile | Nachteile |
| ➕ Hohe Genauigkeit | ➖ Begrenzte Eindringtiefe und Analysefläche |
| ➕ Kein Datenbankabgleich für Legierungszusammensetzungen | ➖ Hohe Kosten für Geräte |
| ➕ Zerstörungsfreie Prüfung je nach Probengröße und -Vorbereitung | |
| ➕ Analyse auch von organischen Proben nach geeigneter Vorbereitung |
Die Methoden im Vergleich
| Methode | Genauigkeit | Nachweisgrenze | Probenvorbereitung | Einsatzgebiete |
OES | ➕➕ Hoch | ➕➕ Niedrig | ➖ Aufwendig | ➕ Metallanalyse |
RFA | ➕ Mittel | ➕ Mittel | ➕➕ Weniger Aufwendig | ➕➕ Vielseitig |
EDX | ➕➕ Hoch | ➕➕ Niedrig | ➕➕ Weniger Aufwendig | ➕ Oberflächen-Analyse |
Fazit
Die Wahl der geeigneten Analysemethode hängt von der spezifischen Anwendung und den Anforderungen an die Genauigkeit und Nachweisgrenzen ab. Die OES eignet sich besonders für die Metallanalyse, während die RFA vielseitig einsetzbar ist und die EDX für die Oberflächenanalyse geeignet ist. Jede Methode hat ihre Vor- und Nachteile, die bei der Auswahl berücksichtigt werden sollten.
Newsletter Anmeldung