Analyse von Metallen und Metalloberflächen
Metalle sind ein äußerst vielseitiger Werkstoff und finden daher eine breite Anwendung. Die Fragestellungen, welche sich ergeben sind daher ebenfalls sehr vielfältig:
- Vermessung von Oberflächentopographien (Rauheitsparameter etc.).
- Identifizierung von Rückständen, z.B. aus Reinigungs- oder Walzprozessen.
- Analyse von Oberflächenbehandlungen (Passivierung, Schichtabscheidung, Phosphatierung).
- Untersuchung von Beschichtungen und Schichtstrukturen (Schichtaufbau, Schichtdicke).
- Korrosion von Metallen.
- Ermitteln des Oxidationszustandes von Metallen, bestimmung von Oxidschichtdicken.
- Ermitteln der Ursache von Verfärbungen.
- Identifizierung von Materialeinschlüssen und Defekten (Risse, Einwalzungen, Lunker, ...).
- Analyse der Gefügestruktur des Materials
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Beispiel: Passivierung von Edelstahloberflächen
Um die Oberfläche von metallischen Werkstoffen zu schützen werden oft Passivierungsschichten auf der Werkstoffoberfläche aufgebracht. Insbesondere die Passivierung von Edelstahl zur Verbesserung der Korrosionseigenschaften soll hier behandelt werden.
Unter einer intakten Passivschicht auf einer austenitischen Edelstahloberfläche versteht man die relativ gleichförmige Ausbildung einer chromoxidreichen, amorphen Deckschicht von ca. 1-3 nm Dicke, die sich mit ca. 70% Chromoxid und 30% Eisen, Eisenoxid, Nickel, Nickeloxid etc. , deutlich von der kristallinen Morphologie der Metalllegierung des Grundwerkstoffes unterscheidet und metallurgisch fest mit dem Untergrund verbunden ist.
Die formale chemische Definition der Passivschicht erfolgt dabei meist über das Chrom/Eisen-Verhältnis. Dieses kann an der Oberfläche sowie im oberflächennahen Bereich mit der Photoelektronenspektroskopie (XPS) quantitativ untersucht werden. Hierzu werden typischerweise Sputtertiefenprofilmessungen durchgeführt.
Von allen in typischen Legierungen vorliegenden Metallen (Fe, Cr, Ni, Mo, Mn, ...) ist Chrom gemäß der elektrochemischen Spannungsreihe das unedelste. Es wird während des Passivierungsprozesses daher vorzugsweise oxidiert. Dies setzt jedoch voraus, dass die Metalloberfläche für den Sauerstoff "zugänglich" sein muss. Die Vorbehandlung der Werkstücke vor der eigentlichen Passivierung ist daher von besonderer Relevanz für ein gutes Passivierungsergebnis. Mögliche Kontaminationen lassen sich ggf. über weitergehende Analysen nachweisen und Identifizieren.
