Bestimmung nichtmetallischer Einschlussverbindungen in Stählen mit Hilfe der Röntgenfluoreszenz- und Röntgenemissionsspektrometrie

Abstract

Für die Werkstoffentwicklung ist neben den klassischen Elementbestimmungen die Speziation der Elemente zunehmend wichtig. Dabei gibt es Bestrebungen, die mit hohem Chemikalienverbrauch und Arbeitsaufwand behafteten klassischen nasschemischen Verfahren durch spektrometrische Verfahren zu ersetzten. In der vorliegenden Arbeit wurde für Anwendungsbeispiele aus der Stahlindustrie die Möglichkeit der Speziation mit spektrometrischen Analysemethoden aufgrund von Profiländerungen der Spektrallinien anhand der klassischen Röntgenspektrometrie und der LEEIXS (low energy electron induced X-ray spectrometry) vorgestellt. Am Beispiel der Speziation von Aluminium wird das analytische Potential der klassischen Röntgenfluoreszenzspektrometrie mit vorgeschalteter elektrolytischer Isolierung zur Charakterisierung von nichtmetallischen Einschlussverbindungen in Stählen gezeigt. Dieser Voranreicherungsschritt ermöglicht die Untersuchung von Proben mit sehr niedrigen Aluminiumkonzentrationen. Da die Effekte, welche die Bindungspartner auf die Röntgenfluoreszenzlinien ausüben, sehr gering sind, können die überlagerten Kß-Linie von Al bei den verschiedenen Verbindungen nicht spektral aufgelöst werden. Daher ist eine Profilanpassung notwendig, um die Intensitäten der überlagerten Peaks zu ermitteln. Es wurde ein Verfahren zur Unterscheidung zwischen AlN und Al2O3 entwickelt, was bei Auswertung der Kß-Satelliten Nachweisgrenzen von 1,8 Massen-% Al2O3 und 0,4 Massen-% AlN in der Mischung ergibt. Dieses Verfahren wurde zur Untersuchung von insgesamt 16 Stahlproben zweier niedriglegierter Stahlqualitäten herangezogen. Die LEEIX-Spektrometrie ermöglicht im Vergleich zu anderen spektrometrischen Methoden eine preiswerte Untersuchung von Proben mit einer Schichtdicke bis etwa 1 µm, bei der zusätzlich Informationen über die vorliegenden Verbindungen der Elemente erhalten werden. Im Gegensatz zur klassischen Röntgenfluoreszenzspektrometrie können zudem auch leichte Elemente bestimmt werden. Darüber hinaus werden nur einige wenige mg an Probenmaterial benötigt, weshalb diese Methode zur Bestimmung von Gefügebestandteilen besonders geeignet ist. Daher wurde die LEEIXS in dieser Arbeit zur Bestimmung von Silizium-, Zirkonium- und Niobverbindungen herangezogen. Die hier ermittelten Nachweisgrenzen sind allerdings unbefriedigend, was vornehmlich auf die geringe Auflösung des verwendeten Multilayers Ax11 mit einem Netzebenabstand von 2d = 11,02 nm zurückzuführen ist.