Controleren van de reinheid van metaaloppervlakken

Afhankelijk van de vereiste reinheidsgraad variëren verontreinigingen van ongewenste verontreinigingen, zoals corrosieprodukten, stof en bezwete handen tot corrosiewerende stoffen, smeermiddelen en vetten die met opzet tijdens de desbetreffende bewerkingsstappen op het metaaloppervlak zijn aangebracht. De methoden die worden toegepast om de mate van reinheid te beproeven zijn daarom net zo gevarieerd als de optredende vormen van verontreiniging.


A. J. Schornagel - (artikel gepubliceerd in Roestvast Staal nummer 4, 1991- artikel 123)

Methoden

De volgende methoden zijn in zwang voor het beproeven van de reinheid van metaaloppervlakken:
 

• optische beoordeling
• afvegen met een schone doek
• aanbrengen en lostrekken van een strook plakband
• afspoelen, aftilteren en wegen van de filterrest
• waterbevochtiging
• sproeitest
• 'Fettrot' beproeving
• verkoperingsproet
• 'Nigrosin' zwart test
• bepaling restkoolstofgehalte
• oppervlakteanalyse zoals ESCA, SIMS en AUGER.

Aangezien roestvast staal zeer gevoelig is voor verontreiniging door koolstof als het materiaal naderhand een warmtebehandeling moet ondergaan ofals er aan gelast wordt, is het van groot belang om te kunnen vaststellen of er sprake is van verontreiniging door koolstof.

Reinheid

Absoluut reine metaaloppervlakken komen alleen voor onder ultra hoogvacuüm omstandigheden. Voor normale technische toepassingen wordt de reinheid van metaaloppervlak dan ook gedefinieerd als het ontbreken van storende verontreinigingen. Methoden waarmee de reinheid van metaaloppervlakken wordt gemeten, meten daarom vaak niet zozeer de daadwerkelijke vuilafzetting als wel het ontbreken van verontreinigingen, die de toepassing ervan in de weg zouden staan of een opvolgende bewerking zouden verstoren. Voorbeelden van kenmerkende verontreinigingen, waarvan de verwijdering moet worden beproefd, zijn:
 

• walshuid
• roest-en oxydelagen
• chemische conversielagen, zoals zinkfosfaatlagen
• stof
• vingerafdrukken, zweethanden
• corrosiewerende olie
• ingetrokken smeerolie en vetresten
• leppaste
• slijppasta
• lak
• galvanische lagen

In hoeverre dit soort vuil is te verwijderen en hoe de reinheid moet worden beproefd hangt in sterke mate af van de eerstvolgende bewerkingsstap.

Oppervlakken

Metaaloppervlakken vertonen dikwijls de in afbeelding 1 weergegeven opbouw. In geval van roestvast staal is daar eerst een goed hechtende dunne (enkele nanometer) oxydelaag met daarop een mengsel van meestal geadsorbeerd water en organisch vuil en daarbovenop vastgekleefd stof. Als gevolg van zulke afzettingen gedraagt het metaaloppervlak zich hydrofools (waterafstotend). Derhalve is beproeving met behulp van bevochtiging door water één van de verbreidste methoden om verontreiniging met organische stoffen vast te stellen. Oxyden zijn doorgaans alleen te verwijderen met behulp van zuren of logen, waarna ze zich bij blootstelling van het oxydevrije oppervlak aan de lucht of enig ander oxyderend milieu weer zeer sn el vormen.



Afbeelding 1. Typische opbouw van een metaaloppervlak.

Testmethoden

Er bestaan talrijke methoden waarmee de reinheid van metaaloppervlakken kan worden beproefd . Dit feit laat zich verklaren uit de veelheid van verontreinigingen die op het metaaloppervlak aanwezig kunnen zijn, alsmede door de verschillende eisen die met betrekking tot de reinheid worden gesteld . Bij de nu volgende testmethoden
kan een onderscheid worden gemaakt tussen praktijkproeven die zonder laboratoriumverrichtingen toe kunnen, proeven waarbij wat materiaal van het oppervlak wordt verwijderd waarna het aansluitend chemisch wordt geanalyseerd en tenslotte de moderne methoden van de oppervlakteanalyse.

Praktijkproeven

De praktijkproeven zijn in de regel op eenvoudige wijze uit te voeren, maar niet eenvoudig en reproduceerbaar in getallen uit te drukken. Voor wat de beoordeling op roest en walshuid betreft geeft onder andere de DIN norm 55 928 Teil 4, die is afgeleid van de Zweedse norm SIS 05 5900/1967, een beoordelingsscala aan de hand van vergelijkingsfoto's. Deze norm geldt hoofdzakelijk voor niet roestvaste staalsoorten en zal verder onbesprokenblijven. Een eenvoudige praktijkproef is het afvegen van het oppervlak met een schone witte d"o.ek of het wegnemen van eventueel verontreinigende stoffen met plakband, dat vervolgens op een witte ondergrond
wordt aangebracht. Bij beide varianten kan de verontreiniging naderhand met nauwkeurige analysemethoden worden geïdentificeerd en/of gekwantificeerd. Praktijkproeven op de aanwezigheid van organische verontreinigingen berusten op de onderscheidenlijke hydrofobe en hydrofiele karakters van respectievelijk vervuilde en reine metaaloppervlakken. De waterbevochtigingstest (water break test) is de meest gebruikte test. Hierbij wordt het te beoordelen oppervlak even onder water gedompeld en na het uit het water halen wordt er gekeken hoeveel van het oppervlak hoelang volledig bevochtigd blijft. Een oppervlak dat vrij is van vet en olie blijft wel langer dan een minuut volledig bevochtigd. Bij de neveltest wordt het oppervlak bevochtigd door er een fijne waternevel op te sproeien. Bij een hydrofools oppervlak blijven de druppels individueel op het oppervlak liggen, bij een hydrofiel, dat wil zeggen vet-en olievrij. oppervlak vloeien ze ineen en vormen aldus een gesloten waterfilm. Beide methoden kunnen een onjuist beeld geven als er op het metaaloppervlak hydrofiele substanties, bijvoorbeeld tensiden, geadsorbeerd zijn. Ruwe oppervlakken laten zich bovendien beter bevochtigen dan gladde, zodat vergelijkende proeven alleen zinvol zijn onder gestandaardiseerde omstandigheden. Minder verbreid, maar in afzonderlijke gevallen zeker bruikbaar, zijn de beide volgende beproevingen, die het bovendien mogelijk maken om het bevochtigingsgedrag over langere tijd vast te leggen.
 

• Nigrosintest; bij deze test wordt het metaaloppervlak bevochtigd met een oplossing van 1,5% nigrosine in water, waarbij het oppervlak horizontaal staat. De oplossing laat men indrogen. Bij een goede bevochtiging, dus vrij van vet en olie, vertoont het oppervlak een gelijkmatige donkere tint, terwijl bij verontreinigde oppervlakken de oplossing samentrekt en na indrogen opvallende donkere vlekken vertoont.
• Fettrotproef; bij deze proef wordt een druppel van een 0,1 % oplossing van Fettrot BB in ethanol op het horizontale oppervlak aangebracht, waarna het gelegenheid krijgt om op te drogen. Bij vetvrije oppervlakken vloeit de aangebrachte druppel enigszins uit, bij vette oppervlakken droogt de druppel op zonder van diameter te veranderen.

Afspoel- en oplosmethoden

De afspoel- en oplosmethoden met aansluitende analytische bepaling zijn bijna altijd toepasbaar en laten zich kwantitatief interpreteren. De hierbij toegepaste methoden zijn, omdat ze op een speciaal doel worden afgestemd, buitengewoon veelzijdig en ze vergen dikwijls de middelen en methoden van een modern analytisch laboratorium. Deze methoden worden met name gebruikt voor het vaststellen van de aanwezigheid van oplosbare ijzerzouten op gestraalde staaloppervlakken. Hierbij wordt het oppervlak afgadept met een dotje vochtige watten, dat daarna met water wordt uitgespoeld, waarna het ijzergehalte van het spoelwater door middel van titratie wordt bepaald. Een andere toepassing is de bepaling van koolstof op het staaloppervlak. Het metaaloppervlak wordt met een alkalisch middel schoongespoten (power wash) en aansluitend schoongewreven met een in zoutzuur gedrenkt glasvezellapje, waarna de hoeveelheid afgewreven koolstof analytisch door middel van verbranden wordt bepaald.

Oppervlakteanalyse

De oppervlakteanalyse biedt heden ten dage allerlei instrumentele methoden voor kwalitatief en kwantitatief onderzoek van oppervlakteverontreinigingen. Daarvan zullen er enkele kort de revue passeren.


Raster elektronen microscopie (REM)

Met de raster elektronen microscoop (Scanning Electron Microscope of SEM) kunnen vergrotingen worden gerealiseerd oplopend van 10x tot 100.000x met een oplossend vermogen (dit is de afstand tussen twee punten die bij de maximale vergroting nog kan worden onderscheiden) van 3 tot 100 nm, afhankelijk van het beschouwde object, zie ook afbeelding 2. Met de REM kunnen onder andere metallografisch geprepareerde metaalmonsters worden bestudeerd bij vergrotingen die ruim boven de maximaal bruikbare vergroting van optische microscopen liggen. Er kunnen breukvlakken en diepgeëtste oppervlakken worden bekeken bij scherptediepten die vele malen groter zijn dan die bij optische microscopen. Er kan identificatie plaatsvinden van chemische kenmerken tot micrometer afmetingen op het oppervlak van monsters, waaronderinsluitsels, corrosie-en slijtageprodukten en uitscheidingen. De chemische samenstelling van een monster kan worden geanalyseerd tot diepten van 1 µm onder het oppervlak.



Afbeelding 2. Basisonderdelen van de raster elektronenmicroscoop.
WDS: Wavelenght-dispersive spectrometer
EOS: Energy-dispersive spectrometer
CRT: Cathode-ray tube.


Monsters
Elke vaste stof of vloeistof met een lage dampspanning (minder dan 10-3 torr of 0,13 Pa) kan worden geanalyseerd. De afmetingen worden gedicteerd door de microscoop in kwestie. Doorgaans kunnen er monsters met afmetingen oplopend tot 15 à 20 cm nog in de microscoop worden geplaatst, maar gebieden op zulke monsters die zonder herpositionering kunnen worden gadegeslagen zijn beperkt tot 4 à 8 cm. Prepareren kan plaatsvinden door middel van slijpen en polijsten en etsen en soms kan preparatie ook achterwege blijven. De monsters worden elektrisch geleidend op een aluminium houder bevestigd en ze moeten vrij zijn van stoffen met een hoge dampspanning zoals water, organische reinigingsvloeistoffen en resten van films op oliebasis.


Beperkingen
De beeldkwaliteit van vlakke oppervlakken, zoals van gepolijste en geëtste monsters, is bij vergrotingen beneden 400x in het algemeen inferieur aan die van de optische microscoop. Het oplossend vermogen, hoewel beter dan van de optische microscoop, is inferieur aan die van de transmissie elektronen microscoop (TEM).


Meettijd
Er is hier geen sprake van een bepaalde meettijd, aangezien dit geheel afhankelijk is van datgene waarnaar de onderzoeker op zoek is. Soms wordt het resultaat al na enkele minuten gevonden, soms vergt een onderzoek tientallen minuten en soms uren.



Röntgenspectrometrie

Röntgenspectrometrie (X-Ray Speetrometry of XRS) wordt toegepast voor kwalitatieve identificatie van elementen in samenstellingen en mengsels met atoomnummers groter dan 11, bepaling van laagdikte van dunne metaallagen op diverse ondergronden, kwantitatieve bepaling van elementen in verscheidene vaste en ook vloeibare stoffen, echter zonder acht te slaan op de vorm of oxydatietoestand waarin deze elementen aanwezig zijn. Het is mogelijk om met deze methode, die eenvoudig is aan te leren en wat betreft instrumentie relatief goedkoop is, van talloze monsters semikwantitatieve resultaten te behalen zonder dat hierbij vergelijkingsstandaarden hoeven te worden gebruikt.


Monsters
De monsters kunnen bestaan uit vaste stof, poeders, pillen, glas, gesinterde schijfjes of vloeistoffen. De gangbaarste afmeting van de monsters bedraagt 32 mm in diameter en ze worden in speciale bakjes, houders en opspaninrichtingen geplaatst. De indringdiepte van de röntgenstralen varieert van enkele micrometer tot een millimeter of meer al naar gelang de energie van de stralen en de samenstelling van het te onderzoeken monster. De voorbehandeling van het monster kan variëren van geen enkele tot polijsten om een vlak oppervlak te verkrijgen tot schuren en pelleteren of met een bindmiddel sinteren.
 

Beperkingen
De detectielimiet voor bulkanalyses bedraagt normaal enkele ppm tot enkele tienden van ppm, afhankelijk van de stralingsenergie en de samenstelling. Voor monsters van dunne lagen ligt de detectielimiet ongeveer bij 100 ng/cm2. De methode is ongeschikt voor elementen met atoomnummers kleiner dan 11, tenzij er gebruik wordt gemaakt van speciale apparatuur waarmee elementen kunnen worden aangetoond tot atoomnummer 6.

Meettijd
Identificaties bij concentraties van meer dan enkele ppm vergen slechts een paar minuten.

Toepassing
Elk type roestvast staal.


Afbeelding 3. LEED diffractometer.


Afbeelding 4. Schematische weergave van een Auger spectrometer die is voorzien


Röntgen foto-elektron spectroscopie

Röntgen foto-elektron spectroscopie (X-ray Photoelectron Spectroscopy of XPS) wordt onder andere toegepast voor de identificatie van koolstof dat als vrije koolstof of grafiet aanwezig is op een (metaaljoppervlak of gebonden als carbide.

Monsters
Monsters bestaan uit vaste stoffen waaronder metalen. De afmetingen ervan mogen niet groter zijn dan 6,25 cm3 en de monsters moeten vrij zijn van vingerafdrukken, olie of enige andere vorm van oppervlakteverontreiniging.

Beperkingen
Het vergaren van de meetgegevens verloopt traag in vergelijking met andere oppervlakteanalysetechnieken, maar de meettijd kan drastisch worden verkort als hoog oplossend vermogen of identificatie van de chemische toestand niet nodig zij n. Het oplossend vermogen in evenwijdige richtingen is gering. De gevoeligheid voor de toestand waarin het te analyseren oppervlak verkeert is groot in vergelijking met andere oppervlakteanalysetechnieken. De nauwkeurigheid van de kwantitatieve analyse is beperkt.

Meettijd
Alvorens te kunnen meten moeten de monsters daags tevoren al onder vacuüm worden gebracht. Een kwalitatieve analyse kan tussen 5 en 10 minuten worden uitgevoerd. Kwantitatieve analyses vergen één tot verscheidene uren, afhankelijk van de gewenste informatie.


Afbeelding 5. Samenstellingsprofief van AISI 304 dat gedurende 75 minuten is geoxydeerdin lucht bij 500°C.

 

Elektronenstraal röntgen microanalyse

Elektronenstraal röntgen microanalyse (Electron Probe X-Ray Microanalysis of EPMA) kan worden gebruikt voor kwalitatieve en kwantitatieve analyse van elementen met atoomnummers van 11 en groter. De detectielimiet ligt bij 100 ppm en het oplossend vermogen ligt in de orde van grootte van 1 µm. Elementen met atoomnummers van 5 tot 10 kunnen kwalitatief worden bepaald. Met deze analysemethode kunnen afzonderlijke fasen worden bepaald zoals afzonderlijke insluitseis in staallegeringen. Verder kunnen samenstellingsverschillen op korrelgrenzen worden bepaald, zoals chroomverarming op korrelgrenzen van roestvast staal. Er kunnen ook con centratievariaties in de bulk van een legering worden vastgesteld.

Monsters
Ideaal is een metallografisch, spiegelend gepolijst monster. Andere vormen omvatten ruwe oppervlakken, afzonderlijke deeltjes en lagen op ondergronden. Kenmerkende afmetingen zijn 25 mm in diameter en een dikte van 10 mm, maar deze kunnen afhankelijk van het gebruikte instrument wat groter zijn.

Beperkingen
Kwantitatieve analyse blijft beperkt tot vlakke, gepolijste oppervlakken. Ongebruikelijke vormen zoals breukvlakken, afzonderlijke deeltjes en lagen op ondergronden, kunnen wel worden geanalyseerd, zij het dat de betrouwbaarheid van de resultaten wat minder is.

Meettijd
Per analysepunt zijn 100 seconden nodig plus nog eens 10 seconden computertijd om de meetgegevens om te zetten in kwantitatieve analyseresultaten.


Afbeelding 6. Variaties in de oppervlaktesamenstelling tijdens gloeien van AISI 304 folie onder vacuüm.
a) gloeien op 350°C
b) gloeien op 535°C
c) gloeien op 745°C


Lage energie elektronendiffractie

Lage energie elektronendiffractie (LEED) wordt in het algemeen toegepast voor het bestuderen van microstructuren van opperv lakken, analyse van processen die zich aan een oppervlak afspe len en de
invloed die de oppervlaktestructuur uitoefent op katal ytische processen, zie ook afbeelding 3.

Monsters
Monsters bestaan uit vaste stoffen en de afmetingen lopen van 1 mm2 tot 25 cm2. De monsters moeten zorgvuldig worden gepolijst om de gewenste oppervlakteoriëntatie naar voren te halen. Verontreinigingen moeten worden verwijderd door te gloeien onder vacuüm, of chemisch in een oxyderende of reducerende atmosfeer bij zeer lage druk (minder dan 10-6 torr). Ook het in het apparaat etsen met een ionenbundel en gloeien behoort tot de mogelijkheden.

Beperkingen
Te onderzoeken materiaal moet tenminste enige elektrische geleidbaarheid vertonen. Er is een ultrahoog vacuüm vereist en de oppervlaktevoorbehandeling van de monsters is zeer uitgebreid en kan moeilijk zijn.

Meettijd
Al naar gelang de gewenste informatie en de uitgangstoestand van het monster kan de meettijd variëren van 10 minuten tot 3 maanden.

Auger elektronenmicroscopie

Auger (spreek uit: ozjee) elektronenmicroscopie, zie ook afbeelding 4, wordt onder andere voor de volgende toepassingen aangewend:

• Analyse van oppervlakteverontreinigingen van metalen ter bepaling van hun invloed op zulke eigenschappen als corrosiegevoeligheid en slijtvastheid.
• Identificatie van produkten van chemische reacties zoals die onder andere ontstaan tijdens corrosie en oxydatie.
• Bepaling van de samenstelling van oppervlaktelagen, deklagen en dunne films en dat over een bepaalde diepte onder het buitenoppervlak voor diverse metallurgische oppervlaktemodificaties.
• Analyse van korrelgrenssamenstellingen ter vaststelling van de invloed van uitscheidingen op de korrelgrenzen op de mechanische eigenschappen, corrosie en scheurvormende spanningscorrosie verschijnselen.

Monsters
Als monster kunnen dienen vaste stoffen (metaal, keramiek en organisch materiaal) met relatief lage dampdruk, kleiner dan 10-8 torr bij kamertemperatuur. Materiaal met hogere dampdruk kan worden  verwerkt door de monsters te koelen.

Individuele deeltjes met een diameter van minimaal 1 µm kunnen nog worden geanalyseerd. De maximale monsterafmetingen hangen enigszins van het instrument af, maar afmetingen van 1,5 cm in diameter en 0,5 cm hoog zijn niet ongewoon. Wat betreft de vorm van de monsters: volledig vlakke oppervlakken verdienen de voorkeur, maar ook ruwe en onregelmatige oppervlakken kunnen worden geanalyseerd door geschikte kleine (ca. 1 µm) gebiedjes te selecteren of door gemiddelden te nemen over grotere (0,5 mm in diameter) oppervlakken.

De monsters behoeven doorgaans geen speciale preparatie te ondergaan, maar ze moeten wel volledig vrij zijn van vingerafdrukken, olie en andere stoffen met hoge dampdrukken.

Beperkingen
De methode is ongevoelig voor waterstof en helium. De meetfout in de kwantitatieve analyse bedraagt ± 30% . Wordt er gebruik gemaakt van standaardmateriaal dat nauw overeenkomt met het monstermateriaal dan kan de meetfout worden beperkt tot 10%. De kwantitatieve detectiegevoeligheid bedraagt voor de meeste elementen 0,1 tot 1,0 atoom procent.

Meettijd
Een volledig analysespectrum lopend van 0 tot 2000 eV vergt gewoonlijk niet meer dan 5 minuten. Het uitvoeren van uitgeselecteerde piekanalyses voor het bestuderen van chemische effecten, het maken van afbeeldingen en het maken van diepteprofielen duren aanzienlijk langer.

Opnemen diepteprofielen
Een gangbare methode voor het verkrijgen van gegevens over variaties in de chemische samenstel ling van een legering vanaf het oppervlakte tot even daaronder bestaat uit het wegsputteren van  oppervlakteatomen. Dit sputteren vindt plaats met energetische ionen van een inert gas, bijvoorbeeld argon ionen met een energie lopend van 1 tot 5 keV, steeds gevolgd door een AES analyse. Het sputteren vindt dikwijls continu plaats. Afbeelding 5 toont op deze wijze verkregen samenstellingsprofielen van AISI 304 dat gedurende 75 minuten is geoxydeerd in lucht bij 500°C. Uit de profielen valt af te lezen dat de ongeveer 10 nm dikke topoxydelaag rijker is geworden aan ijzer, gevolgd door een 5 mm dikke laag met chroomrijke oxyden. In het totale oppervlakte oxyde bleek nikkelverarming te zijn opgetreden. Deze en overeenkomstige resu ltaten versterken het inzicht in het complexe oxydatiegedrag van roestvast staal.

Oppervlakteuitscheidingen
Vele legeringselementen en als verontreinigingen aanwezige elementen, en deze laatsten zelfs in hoeveelheden van enkele ppm, kunnen het chemische oppervlaktegedrag van een legering aanzienlijk beïnvloeden doordat ze naar het oppervlak diffunderen en daar uitscheidingen vormen. Onder geschikte omstandigheden kan ook het omgekeerde plaatsvinden, bijvoorbeeld door het geven van zekere warmtebehandelingen. Omdat het merendeel van de technische materialen bestaat uit binaire of nog complexere legeringen kan oppervlakteuitscheiding een grote rol spelen tijdens hun gebruik. Het uitscheidingsgedrag in legeringen die verscheidene legeringselementen bevatten kan vrij complex zijn. Dit is het gevolg van zulke aspecten als de oppervlakteactiviteit van de legeringselementen, de diffusiesnelheden, het gedrang om een goede plaats in het metaalrooster en wisselwerking tussen de diverse elementen. Legeringselementen of verontreinigingen met hoge oppervlakteactiviteit verlagen heel makkelijk de oppervlakte-energie doordat ze uitscheidingen vormen. Als voorbeeld dient de uitscheiding van zulke elementen als fosfor, zwavel, silicium en stikstof aan het oppervlak van AISI 304.

Er werd een strookje van een handelskwaliteit AISI 304 genomen, dat werd schoongesputterd onder vacuüm en wel voor een Auger spectrometer. Afbeelding 6a toont het verloop van de oppervlakteconcentraties van de elementen fosfor, silicium, zwavel en koolstof als functie van de gloeitijd bij 350°C. Bij deze temperatuur blijkt vooral silicium snelle uitscheiding te vertonen. Wordt de proef herhaald bij 535°C, dan is het resultaat wat complexer, zie afbeelding 6b. De oppervlakteconcentratie van silicium, die snel toeneemt tijdens de beginstadia van het gloeien, neemt weer af naarmate de tijd verstrijkt, maar er vond wel voortdurende opzameling aan het oppervlak plaats van fosfor. Zwavel vertoont hetzelfde gedrag, zij het in wat mindere mate. Stikstof verzamelt zich in een heel laag tempo aan het oppervlak. Bij 745°C bevatte de uitscheiding aan het oppervlak niet veel silicium of stikstof. Afbeelding 6c toont het uitscheidingsgedrag van zwavel en fosfor alsmede de variaties van silicium, ijzer, chroom en nikkel als functie van de gloeitijd. Deze gegevens tonen aan dat silicium snel aan het oppervlak uitscheidt bij lagere temperaturen (tot 350°C); bij 535°C is het fosfor dat aan het oppervlak domineert. De reden voor dit bij hogere temperatuur andere gedrag van silicium wordt toegeschreven aan de competitie met fosfor voor een geschikt plaatsje. Er wordt aangenomen dat zoiets ook het geval is bij fosfor en zwavel bij hogere temperatuur zoals bij 745°C. Auger analyse bij kamertemperatuur toonde aan dat er sprake was van een gelijkmatige verdeling van fosfor aan het staaloppervlak en dat de verdeling van de zwavel zeer lokaal van aard was. Door steeds atoomlaagjes weg te sputteren kon de verdeling van de diverse elementen als functie van de diepte onder het oorspronkelijke oppervlak worden vastgesteld en daaruit bleek dat de mate van uitscheiding van de elementen zwavel en fosfor snel afnam naarmate de afstand tot het oorspronkelijke oppervlak toenam, zie afbeelding 7.


Afbeelding 7. Samenstelling-diepteprofiel van een AISI 304 monster dat is gegloeid op 750°C.


Afbeelding 8, Schematische voorstelling van SIMS.


Uitscheidingen aan het oppervlak van onder andere legeringen zijn van directe invloed op een aantal materiaaleigenschappen, waaronder corrosiegedrag en katalytische eigenschappen. Uitscheidingen op grensvlakken (o.a. korrelgrenzen) beïnvloeden eigenschappen als interkristallijne breuk, interkristallijne corrosie, kruipsterkte, waterstofverbrossing en rekristallisatiegedrag.

Secundaire ionen massaspectroscopie

Secundaire ionen massaspectroscopie (Secondary Ion Mass Spectroscopy of SIMS).zie ook afbeelding 8, wordt toegepast voor identificatie van anorganische of organische afzettingen op metaaloppervlakken en op andere stoffen, voor het in de diepte opnemen van het samenstellingsverloop van oxydelagen en corrosielagen die zich op onder andere metaaloppervlakken hebben gevormd. Verder wordt deze analysemethode gebruikt voor het bestuderen van uitscheidingen op korrelgrenzen, het waterstofconcentratieverloop in door waterstof verbroste metaallegeringen en nog verscheidene andere toepassingen.

Monsters
Monsters kunnen bestaan uit kristallijne en niet-kristallijne vaste stof, vaste stof met gemodificeerde oppervlakken of substraten met daarop dunne films of deklagen. Vlakke, gladde oppervlakken hebben de voorkeur. Poeders moeten tot een pilletje worden samengeperst of worden ingebed in een zacht metaalfolie (bijv. indium) De afmetingen kunnen variëren maar komen in het algemeen neer op 1 cm x 1 cm x 1 mm. Voor oppervlakteanalyse en voor het opmeten van diepteprofielen is een prepareerbehandeling niet nodig. Voor analyse van microstructuur of sporenelementen moet het oppervlak worden gepolijst.

Beperkingen
De analyse is destructief, er blijft dus weinig heel van het preparaat. Zowel kwalitatieve als kwantitatieve analyse zijn gecompliceerd vanwege de sterke variantie in de detectiegevoeligheid van element tot element en per monster. De kwaliteit van de analyse (nauwkeurigheid, gevoeligheid enz.) hangt sterk samen met het ontwerp van de apparatuur en de werkingswijze voor elke analyse.

Meettijd
De meettijd kan variëren van een uur tot verscheidene uren per monster.

Voorbeeld
Lasers worden toegepast voor het bewerken van vele materialen, vooral in de vorm van de laserlassen. Maar niet elke legering kan met een laser worden gelast. Als een legering één of meer bestanddelen bevat die tijdens het laserlassen kunnen vervluchtigen, kan dat leiden tot afwijkingen in de legeringssamenstell ing ter plaatse van de las, met als gevolg afwijkingen (doorgaans niet ten goede) in de mechanische en chemische eigenschappen. Zo is er met SIMS nagegaan of roestvast staal van het type AISI 202 geschikt is voor laserlasbewerkingen met een CO2 laser. Hierbij waren met name de effecten van waterstof en zuurstof interessant, omdat deze stoffen de mechanische en chemische eigenschappen verregaand kunnen beïnvloeden. Afbeelding 9 toont de opgemeten diepteprofielen van zuurstof en waterstof. Er blijkt dat het aanvankelijk onbeïnvloede oppervlak wordt geoxydeerd tot een diepte die in de orde van grootte van 10 µm ligt. Het oppervlak vertoont ook penetratie van waterstof tot een diepte van zo'n 5 µm. Na het laserlassen neemt het gehalte aan zuurstof en waterstof van het oppervlak weer af. Een wat zorgvuldiger beschouwing wees echter uit dat de mate waarin deze selectieve verdamping plaatsvindt minder wordt als het energieniveau van de laser hoger is, hetgeen dus wil zeggen dat er in dat geval meer zuurstof en waterstof na het lassen in het oppervlak achterblijft. Er is ook waargenomen met SIMS dat er als gevolg·van het lassen met de CO2 laser ferriet ontstond en andere niet-evenwichtstasen waarin de oplosbaarheid van de legeringselementen chroom, mangaan en nikkel een ander beeld gaf dan in de austeniet. Dit kan verstrekkende gevolgen hebben voor de corrosiebestendigheid van het metaal van de lasverbinding, die met een laser wordt verkregen.


Afbeelding 9. SIMS diepteprofielen van zuurstof en waterstof als functie van het laservermogen bij het laserlassen van AISI 202 (austenitisch roestvast chroom-mangaanstaal).