DE4333709C2 - Verfahren zum Herstellen einer Kalibrierprobe, insbesondere für die Emissionsspektroskopie, und damit hergestellte Kalibrierprobe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Ver­ fahren zum Herstellen einer Kalibrierprobe, insbesondere für die Emis­ sionsspektroskopie, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wie aus DE 40 32 322 A1 bekannt, und eine damit hergestellte Kalibrierprobe, wobei die Kalibrierprobe als Inhalts­ stoffe einen Grundwerkstoff und wenigstens ein Legierungs­ element aufweist.

Mittels der Emissionsspektroskopie kann die Zusammensetzung von metallischen Werkstoffen, beispielsweise Aluminiumwerk­ stoffen, qualitativ und/oder quantitativ ermittelt werden. Dabei wird die zu untersuchende Probe örtlich zur Emission von Strahlen angeregt, indem sie beispielsweise durch Funken­ entladung, Lichtbogen oder Laser punktförmig erhitzt wird. Das sich anschließende Spektralanalyseverfahren als solches ist allgemein bekannt und braucht an dieser Stelle nicht näher erläutert zu werden.

Um qualitive und/oder quantitative Aussagen über die Zusam­ mensetzung der Probe aus dem durch die Analyse erhaltenen Spektrum machen zu können, ist es erforderlich, das Spektral­ analysegerät in regelmäßigen Zeitabständen, beispielsweise täglich, zu rekalibrieren und/oder eine Grundeinstellung vor­ zunehmen. Dazu werden als Kalibrierproben sogenannte Rekali­ brierproben oder Kalibrierstandards verwendet, die bekannte Zusammensetzungen aufweisen. Ein Kalibrierstandard besitzt dabei eine genau definierte Zusammensetzung, während eine Rekalibrierprobe lediglich eine bekannte, dem Kalibrierstan­ dard angepaßte Zusammensetzung aufweist. Außer für eine Grundeinstellung ist es daher ausreichend, für die Kalibrierung eines Spektralanalysegerätes eine Rekali­ brierprobe zu verwenden. Im folgenden wird überwiegend von einer Kalibrierprobe gesprochen.

Die Kalibrierproben werden entsprechend der normalen Meß­ methode ebenfalls örtlich zur Emission von Strahlen angeregt und einer anschließenden Spektralanalyse unterzogen. Aus dem daraus erhaltenen Spektrum kann eine Zuordnung der Wellenlänge und der Intensität der emittierten Strahlung zu einem Inhaltsstoff und dessen Gewichtsanteil erfolgen.

Im allgemeinen wird dabei so vorgegangen, daß eine sogenann­ te Niedrig- und Hochprobe zur Kalibrierung des Spektralanaly­ segerätes verwendet werden. Die Hochprobe enthält dabei einen hohen Gewichtsanteil des betreffenden Legierungsele­ ments bzw. der Legierungselemente, während die Niedrigprobe lediglich einen sehr geringen Anteil aufweist. Durch die er­ haltenen Meßwerte können beispielsweise durch Interpolation beliebige Zwischenwerte ermittelt werden, die bei der Unter­ suchung von Proben auftreten können.

Für exakte Messungen ist es daher zum einen erforderlich, daß die Kalibrierproben hinsichtlich der Genauigkeit der mengenmäßigen Zusammensetzung den gestellten Anforderungen genügen. Zum anderen ist es erforderlich, daß die Inhalts­ stoffe in der Kalibrierprobe gleichmäßig verteilt sind, da bei dem Analyseverfahren lediglich eine örtliche Anregung erfolgt, so daß bei evtl. Inhomogenitäten der Kalibrierprobe nicht alle Inhaltsstoffe oder nur ein nicht repräsentativer Bruchteil derselben im Spektrum wiedergegeben sein könnten. Dies würde zu einer Verfälschung der zugrundeliegenden Kalibrierkurve des Spektralanalysegerätes führen, wodurch teilweise erhebliche Fehler der Analysedaten der zu untersuchenden Proben verursacht werden könnten.

Inhomogenitäten treten insbesondere bei der Herstellung von Kalibrierproben mittels Gießen auf, da z. B. durch unterschiedliche Erstarrungsgeschwindigkeiten der Inhaltsstoffe, beispielsweise von Aluminium-Silicium-, Aluminium-Blei- oder Aluminium-Zinn- Legierungen, Seigerungen gebildet werden. Zur Vermeidung derartiger Inhomogenitäten ist es aus der eingangs genannten DE 40 32 322 A1 bekannt, einen Kalibrierstandard für Metalle und Legierungen aus Metallkörpern als Schnellverfestigungsprodukte herzustellen. Als Metallkörper kommen beispielsweise Körner, Folien, Stäbe, Drähte oder ein Pulver zur Anwendung. Eine Standardprobe wird dann durch Mischen und Formen der Metallkörper erhalten.

Ein solcher o. g. Metallkörper kann mittels direktem Abschreckungsgießverfahren oder auch durch feine Pulverisierung des gegossenen Barrens hergestellt werden. Bevorzugt wird ein feines Pulver, das durch schnelle Verfestigung eines Metalls mittels eines Zerstäubungsprozesses hergestellt ist.

Beispielsweise wird gezeigt, wie eine Al-Legierungsschmelze durch Rotation eines perforierten Schmelztiegels gesprüht wird. Man erhält granulare bzw. körnige Metallkörper mit Korngrößen von 0,3 bis 3 mm bei einer Kühlrate von 100 bis 1000 K/s. Diese Metallkörper werden im Anschluß durch Extrusion oder Pressen zu einem Stab kompaktiert und dann in gewünschte Längen zugeschnitten, um Kalibrierproben zu erhalten.

Es kann jedoch bei der Herstellung der Kalibrierproben gemäß diesem Verfahren nicht ausgeschlossen werden, daß während der Vielzahl der Verfahrensschritte (Metallkörperherstellung, Mischen, Formen bzw. Metallkörperherstellung, Kompaktieren) Gaseinschlüsse gebildet werden können, die sich bei den Kalibriermessungen für das Spektralanalysegerät negativ auswirken können. Ferner besteht ein Nachteil in der Vielzahl der Verfahrensschritte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfacheres Verfahren zur Herstellung von Kalibrierproben für die Emissionsspektroskopie zu schaffen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 durch die in seinem kennzeichnenden Teil angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den anhängigen Ansprüchen angegeben.

Dadurch, daß der Abstand zwischen der Zerstäubervor­ richtung und der jeweils der Zerstäubervorrichtung zugekehr­ ten Oberfläche der Auffangvorrichtung bzw. des Vorformlings im wesentlichen konstant gehalten wird, in dem die Auffang­ vorrichtung in Abhängigkeit von der Dicke des Vorformlings relativ zum Zerstäuber von diesem abgezogen wird, sind die zerstäubten Teilchen jeweils bezüglich ihrer Ver­ weilzeit, Auftreffgeschwindigkeit und Auftrefftemperatur gleichen Bedingungen ausgesetzt, die insgesamt zu einer Verbesserung der Homogenität auch bezüglich der Kornbildung innerhalb der einzelnen Teilchen des Vorform­ lings und somit der Kalibrierprobe führen.

Grundsätzlich ist das Herstellungsverfahren gemäß der Er­ findung für Kalibrierproben nicht auf bestimmte Grundwerk­ stoffe oder Legierungselemente beschränkt. Das Verfahren eignet sich jedoch besonders für die Herstellung von Kali­ brierproben auf Aluminiumbasis, da insbesondere hochlegier­ te Aluminiumlegierungen aufgrund von Dichteunterschieden und/oder Kristallbildung zu Entmischungen neigen. Auch kann das Verfahren bei der Herstellung von Kalibrierproben mit Vorteil verwendet werden, deren Legierungselemente zu Agglo­ merationen, Koagulationen oder Seigerungen neigen.

Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfin­ dung kann es vorgesehen werden, daß wenigstens ein Legie­ rungselement durch Partikelinjektion beim Sprühkompaktieren zugegeben wird. Dies ist insbesondere bei einer Aluminium­ legierung mit Legierungselementen vorteilhaft, die zu starken Seigerungen neigen, beispielsweise Aluminium-Blei-Legierungen. Dabei wird das Legierungselement als Elementpulver oder eine Schmelze des Legierungselementes durch wenigstens einen zu­ sätzlichen Sprühstrahl mittels Zusatzdüsen in den Sprühstrahl der Schmelze und/oder auf die dem Sprühstrahl zugewandte Oberfläche des Sprühgutes in den Werkstoff eingebracht. Damit können ggf. in der Schmelze auftretende Inhomogenitäten, beispielsweise durch Dichteunterschiede, keine Auswirkung auf die gleichmäßige Verteilung, beispielsweise des Bleis im Vorformling haben.

Aufgrund der feindispersen Zerstäubung der Schmelze, ist es möglich, einen homogenen Vorformling sowohl bei hochle­ gierten als auch bei niedriglegierten Kalibrierproben zu erhalten. Durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren für Kalibrierstandards ist sichergestellt, daß sowohl die sogenannten Hochproben als auch die sogenannten Niedrigpro­ ben eine homogene Verteilung ihrer Inhaltsstoffe aufweisen und weiterhin nahezu frei von Gaseinschlüssen sind.

Ferner besteht in vorteilhafter Weise die Möglichkeit, Ka­ librierproben mit mehreren Legierungselementen in nahezu beliebiger Zusammensetzung herzustellen. Dies hat den Vor­ teil, daß für die Grundeinstellung bzw. die Rekalibrierung eines Spektralanalysegerät lediglich ein Analyseverfahren mittels eines Kalibrierstandards bzw. einer Rekalibrier­ probe durchgeführt werden muß. Soll beispielsweise eine Versuchsreihe von Proben durchgeführt werden, die Aluminium als Grundwerkstoff und Eisen, Silicium, Kupfer und Nickel als Legierungselemente enthalten, kann das Spektralanalyse­ gerät durch die Verwendung eines Kalibrierstandards mit den entsprechenden Legierungselementen kalibriert werden. Eine Kalibrierung des Spektralanalysegerätes anhand mehrerer Ka­ librierstandards aus jeweils einer Aluminium-Eisen-, Alumi­ nium-Silicium-, Aluminium-Kupfer- und Aluminium-Nickel- Legierung ist nicht mehr erforderlich. Auch können die Le­ gierungselemente unabhängig von ihren Eigenschaften zuein­ ander ausgewählt werden, da durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren Seigerungen und Entmischungen wei­ testgehend vermieden werden, die insbesondere bei bestimm­ ten Zusammensetzungen von Legierungselementen auftreten.

Zur Herstellung der Kalibrierproben aus dem Vorformling kann vorgesehen werden, daß der verfestigte Vorformling mittels Warm- und/oder Kaltumformung zu einer Stange umgeformt wird. Aus dieser Stange können mittels spanender Bearbeitungsver­ fahren die Kalibrierproben mit entsprechendem Durchmesser und entsprechender Dicke gesägt, gefräst und/oder gedreht werden. Die Oberfläche, die durch die punktförmig aufge­ brachte Hitze örtlich angeregt wird, kann durch mechanische Feinstbearbeitung, beispielsweise Schleifen, den Anforde­ rungen entsprechend nachbearbeitet werden.

Die Erfindung wird nun anhand der Beispiele näher verdeut­ licht. In den Beispielen wird der Anteil des betreffenden Elementes in Gewichts-% bezeichnet. Die in der entsprechenden Zeile bzw. Spalte wiedergegebenen Werte entsprechen der Zusammensetzung eines Kalibrierstandards. Zusätzlich sind noch in der Zeile bzw. Spalte der maximale Gehalt in Gewichts-% bzw. der minimale Gehalt in Gewichts-% des betreffenden Inhaltsstoffes einer Rekalibrierprobe wiedergegeben. Die Beispiele 1 bis 5 stellen jeweils Aluminium-Silicium-Legierungen dar, wobei die Beispiele 1, 3 bis 5 hochlegierten Proben und das Beispiel 2 einer niedriglegierten Probe entsprechen. In Beispiel 6 ist eine Aluminium-Zink-Legierung wiedergegeben.

Aus den Beispielen wird deutlich, daß aufgrund der homoge­ nen Verteilung der Inhaltsstoffe Kalibrierproben hergestellt werden können, die eine Vielzahl von Legierungselementen in nahezu beliebiger Konzentration aufweisen können. Auch bei einer lediglich punktförmigen Erhitzung zur Anregung einer Strahlenemission ist sichergestellt, daß alle Inhalts­ stoffe gleichmäßig erfaßt werden, wodurch ein repräsenta­ tives Spektrum ermittelt werden kann.

Claims (8)

1. Verfahren zum Herstellen einer Kalibrierprobe, insbesondere für die Emissionsspektroskopie, aus einem Grundwerkstoff und wenigstens einem Legierungselement, wobei eine Schmelze des Grundwerkstoffs und des wenigstens einem Legierungselement hergestellt wird, die Schmelze mittels einer Zerstäubervorrichtung unter Zufuhr eines Inertgases in feindisperse Teilchen zerstäubt wird, die Teilchen auf einer Auffangvorrichtung zu einem Vorformling verfestigt werden und aus dem Vorformling die Kalibrierprobe gefertigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der Zerstäubervorrichtung und der der Zerstäubervorrichtung zugekehrten Oberfläche des Vorformlings konstant gehalten wird, indem in Abhängigkeit von der zunehmenden Dicke des Vorformlings die Auffangvorrichtung relativ zur Zerstäubervorrichtung von dieser wegbewegt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Legierungselement durch wenigstens einen zusätzlichen Sprühstrahl in den Sprühstrahl der Schmelze und/oder auf die dem Sprühstrahl zugewandte Oberfläche des Sprühgutes in den Grundwerkstoff eingebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Grundwerkstoff Aluminium verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Inertgas Stickstoff (N₂) verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Intertgas Argon (Ar) verwendet wird.

6. Kalibrierprobe, insbesondere für die Emissionsspektroskopie, die als Inhaltsstoffe einen Grundwerkstoff und wenigstens ein Legierungselement aufweist und nach einem der Ansprüche 1 bis 5 hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Inhaltsstoffe in feiner, gleichmäßiger Verteilung und mit einer maximalen Korngröße von 100 µm vorliegen.

7. Kalibrierprobe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserstoffgehalt kleiner als 1 ppm ist.

8. Kalibrierprobe nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoffgehalt kleiner als 300 ppm ist.