材料的表征方法X射线荧光分析仪（XRF）和辉光放电（GDOES）的在日常生活中的材料测试实验室

材料的表征方法X射线荧光分析仪（XRF）和辉光放电（GDOES）的在日常生活中的材料测试实验室

1介绍

材料的性能在任何检验，需要准确和快速的信息根据调查样品的化学成分。一般上下文结构 - 结构 - 材料的属性是至关重要的，需要一个全面的材料表征。
大多数情况下，提供的信息的试样的化学组成或相形成的覆盖不足，有时没有统计学。在损坏的情况下，显着的断裂面的零件的材料往往来自本的组合物或结构中的不均匀性。
破坏性的可激发的特征X射线和新兴的辐射特征的X-射线荧光分析（XRF）的全面分析的化学成分。辐射的能量提供有关的信息不同的原子，其强度是从在所调查的体积的量。
在辉光放电光谱（GDOES）至200微米的深度均匀的去除材料将实现在样品表面上，通过低压辉光放电。虽然可选择使用空心阳极直径的横向分辨率，默认是在1-8毫米之间，受限制，深度非常高的分辨率可以达到的值<10纳米。

结合高的溅射速率，它可以是几微米/分钟，是一致的辉光放电的方法，它允许在组合物层的厚度和在几分钟之内的污染方面的一个完整的层特性的光学分析。这是可能的，即使是轻元素，如C，N，O和H来确定检测限低ppm范围内[1-3]。

2实验的

X射线荧光分析发现工作 - 到 - 空气单元，FISCHERSCOPE X-RAY XAN赫尔穆特·菲舍尔联系，辛德芬根，W-管，可选的加速电压：10，30或50千伏，珀尔帖冷却半导体探测器，能量分辨率<210 eV的锰K表，可选择的准直器/光斑尺寸：0.2，0.6，1和2毫米，而不是。当测量时间，30 - 60秒当选。无标准的基本参数分析[4，5]进行评价。出测量设置作为铝，检出限为0.1原子序数13的材料组合物可以是 -
0.02％（重量）的证明。
750辉光放电，SPECTRUMA Analytics（分析）有限公司（码）和一个2.5毫米的直流电源（格林型）与GDA调查发生GDOES，。光学系统的帕邢龙格多色仪（2400线/毫米，750毫米直径的罗兰圆）。使用高深度分辨率分析参数1200 V和13毫安（模式：恒压电源）进行优化，进行了调查。所使用的元素线铁（纳米238.204），W（429.461纳米），NB（316.340纳米），钴（345.351纳米），锌（330.258纳米），铬（267.716纳米），钛（334.941纳米），硅（288.157纳米），铝（396.152纳米），S（180.731纳米），O（130.217纳米），N（149.262纳米），C（156.143 nm）的，和P（177.499 nm）的。
要确定测量的性能，的GDOES交付特定的模型样品制备样品。中的电解质组合物，硫酸镍，次磷酸钠，乳酸，丙酸，和在pH为4.4的硝酸铅（1毫克/升，Pb2 +离子） - 4.6淀积由乳酸制备的镍 - 磷层。 SiC颗粒的分散颗粒的平均颗粒大小为2微米（ESK陶瓷有限两合公司，肯普滕）。它们被添加的电解质的浓度为25g /升。在剧烈搅拌下，以防止沉淀的颗粒进行沉积。
沉积含Al2O3的厚膜钝化从商业钝化SLOTOPAS的的HK 31（电镀技术Schloetter，德国）和粒子的含量为20克/升的立体稳定Al2O3纳米粒子（13纳米，EVONIK ALUC，德国）。用于比较的测量涂层厚度测量，沉积钝化进行抛光（度Ra 0.2微米）和镀锌钢基材上，75，120和300秒的浸泡时间

3 X射线荧光分析仪（XRF）

在许多检查任务，这是需要快速获取信息的材料组成。在这方面，图1和图2示出两个样品测量日常实验室X射线荧光光谱。与基本参数分析可确定无须事先校准，即使是复杂的系统的组合物。在实施例1中，如图1所示，是一个特殊的调幅Cu合金的摩擦学应用，被称为Brush Wellman公司合金，ASTM标准C72900 - 2示出了测量的锆掺杂的铂丝。即使是小样本量和样本表面可以判定这里standardlessly组成。在当前的情况下，锆含量1.44米设计％，接合性和电常数的温度依赖性。

层的系统，它是可能的范围内，以确定层的厚度，与公知的基本结构或组合物的测得的强度，和一个模型检查。因此，正如图3中所示，层的厚度分布的快速测量到载体条带。尽管基体材料中的镍铁 - 镍合金，镍层的厚度可以安全地测量，这里的颜色差异表示的厚度差。的层厚度的变化，以及验证与的RFA特定层厚度的金相切片。一个的上游Kapillaroptik和使用由计算机控制的测量表，奥比斯AMETEK公司制造的MICRO-X荧光光谱仪，它可以记录元素的分布图像。图4示出的横截面的电子设备的焊接RoHS合规。自2006年以来引进的无铅焊料，仍时有发生上Lotentmischungen，起泡和焊点故障。从银幕上的分布显然在图4中显示，在四个十焊料凸点有一个部分隔离/银的排泄。使用这种预选，这种情况可能会如在更高分辨率的扫描型电子显微镜（SEM）可以更具体的研究。

图3：引线框架基材的铁 - 镍合金具有约1微米和4-7微米的镍 - 锡靶层的厚度和测量的单个层的厚度测定位置

图4：视频图像，锡和银地图; Gesamtmaterialmap和导线部分

4辉光放电（GDOES）

辉光放电光，由W.格林，图5和罗兰，图6的光谱仪设计的辉光放电的连续材料的基础上，已经在1967年开发的，对于大容量的导电性样品的分析。在源和光谱仪设计的改进，的引入的射频激励的非导电的表面上的分析，和元素的定量工作开发档案中的深入分析中的应用程序，并导致一个GDOES不仅在研究，而且在工业环境中的广泛使用。

的物质和信号形成运行中的两个步骤的过程中，在光的辉光放电。在阴极块放置在平坦的样品后，通过O形环的放电空间真空盖紧，然后抽真空。在电场作用下向阴极，通过施加的中空的阳极和样品之间的直流电压，氩原子被电离和分析气体，也就是方向样本加快。在那里，他们解决从样品表面溅射原子分离。烧蚀原子进入血浆，他们兴奋的高能电子或高能电子或亚氩离子（潘宁电离）碰撞电离碰撞。 GDOES基于通过本激发态的发射光子的检测。入射在检测器上的强度正比于样品中的元素浓度。用于记录深度剖面通过时间分辨的光电倍增管或CCD的光学系统，图像6的检测信号，根据在光谱仪的光谱分解罐，消融和激励过程的详细信息，以及为元素定量分析的基础上一个恒定的发射率的方法被称为到相应的文献[1-3]。

光学氩

- 样品原子
正氩离子

- 样品兴奋原子中的电子

O型圈

​

图5：流程示意图在辉光图6：排放源示意图格林[6]谱仪[7]

在下面的示例中，测量的分散NiP膜钝化层和辉光放电光学层分析技术系统的优点将被证明。高溅射速率和深度分辨率和低的检出限，允许分层系统的经济分析开始在纳米范围内的技术层厚度大于100微米。此外，测定的主要元素的浓度降低到痕量水平 - ppm的区域成为可能。
作为第一个例子，NiP层分散液的调查将存在与嵌入式硬质材料的SiC颗粒。的镍镀层中的磷含量的磷的分布，以确定耐腐蚀性的合金。此外，硬度，摩擦和磁学性质依赖于磷的含量。 GDOES提供的优点在于，不仅在相同浓度下测量和厚度测量没有制备大量的样品进行的，但也分散层中的深度分布可确定元素的分布和颗粒安装。
图7示出的第一个50微米的深度分布的NiP层分散液。由于沉积在实验室条件下，在P的含量是一个明确的梯度朝向表面，可检测的制备具有较高的性价比，并在扫描电子显微镜（SEM）通过EDX可见。这是由于这样的事实，少量的电解质的沉积条件的恒定不符合。在沉积时间，沉积速率，减少P的含量减少而增加。此外，请参阅深度剖面，可以实现均匀的SiC颗粒的安装，可以确认由金相显微照片在图8中。从深度剖面的膜厚也可以在接口方面的基础上的主要内容的转折点确定。结果相关性非常好与金相确定的价值为44.6微米。

作为第二个例子中，测量应以镀锌钢衬底上厚厚的一层钝化。在这里，很明显，使用GDOES，可实现高的深度分辨率，即使在粗糙的技术基板。
另外提供与这些无源层，以增加耐腐蚀性的锌涂层。作为欧盟ELV指令，使用中Cr（VI）的一部分，2007年7月1日起禁止含铬酸所以今天作为替补铬（VI） - 免费厚膜钝化。对于长期的显着的重要的工艺参数的符合质量保证，因此，一个合适的层的分析在这些分层系统是必不可少的。由于低转换层的厚度范围在300-500纳米和层的厚度的高粗糙度的技术基板相比，该层的厚度可以作为厚膜钝化腐蚀保护在生产环境中不直接产生的最重要的特征确定。相反，它是使出消耗盐雾试验或重量分析法。这里GDOES提供一个有趣的选择，并允许在几秒钟内一份声明层的厚度和转换层的确切成分。
图9显示了由一个90秒的浸泡时间的转换从含Al2O3的钝化层沉积产生的深度剖面。使用所示的元件的深度轮廓的拐点，层的厚度可以在310 nm处读取。此值相一致，很好用扫描型电子显微镜检查骨折边缘，如图10此外，的GDOES允许层组成和颗粒组装的一份声明。的Al 2 O 3颗粒的硬质材料越来越多地安装在近表面区域，透射电子显微镜证实了这一点。氧含量高，锌，铬 - 钴复合氧化物的形成，并反映了ZnO构成的主要成分。假设S是本作为硫酸盐的硫浓度，可以键合铬。
表1给出了一个概述层厚度测量测试比较测量沉积的样品通过SEM和椭圆抛光和镀锌钢基板（RA <0.23微米）。在整个厚度范围与GDOES结果很好的对应，从而确定粗糙表面上的高深度分辨率的方法，获得层的厚度值。

深度[纳米]

图9：氧化铝GDOES深度剖面图10：SEM断裂调查厚膜钝化膜钝化边缘

表1：，GDOES层的厚度的结果与参考方法的比较

在图11中，GDOES TiAlN层的深度剖面上WC基板与Mischkarbidanteilen（TIC，NBC，TAC，锡）所示。在这些工具/插入出现时间不够。观察到在接口方面的原因积累的NbC和TiN的硬质合金基体和相关的韧性降低。这个例子说明，的快速GDOES报表有关的化学计量和浓度测定可能。

图11：GDOES AlTiN涂层系统的深度剖面上WC硬质金属

此示例RFA，图12的比较测量，显示在40微米深
测量GDOES在一个较低的Nb Kozentration的比测量时，在表面的火山口（红点）。低调是不可能通过XRF测量。同样地，轻元素的碳/氮和铝也可以不能正确测量，因此，网和归一化到100％的不正确的指定的浓度。

5总结

对于一个全面Materialcharkterisierung分析方法的组合是必要的，这应该是单一的程序的具体的优点，可以使用。 XRF分析是一个非常快速和可靠的定性和定量测定元素和层厚度测定方法。由于使用的检测系统和一般的测试设置，但有局限性轻元素（H，B，C，N，O，镁（铝））。非破坏性涂层厚度的复层序列，以及最近的快速分析，用区域映射高横向分辨率的组合是可能的。
通过分析快速GDOES，报表元素层梯度在微米范围（高达200微米）的纳米范围，以及主要和微量元素，包括氢。表面污染，并且在接口方面的污染的检测，提供了极好的意义，尤其是在与其他测量方法的组合。

证书

[1 D.琼斯] R. Payling，A. Bengtson（ED），辉光放电发射光谱法
J. Wiley出版社，纽约，1997年
[2] R.K.马库斯，J.A.C. Broekaert（ED），辉光放电等离子体在分析光谱
J. Wiley出版社，纽约，1997年
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[4]五Roessiger，为Nensel：电影与X射线荧光分析;年鉴表面技术2004年，尤金LEUZE出版社，ISBN 978-3874801997，第1-36页
[5]五Roessiger：在层与X射线荧光分析的准确性和可追溯性，在电镀6（2005年），第1311至1318年
[6] W.格林童话：一个新的辉光放电光学Emissionspektralanalyse的Spectrochim。物理学，B部分，23（1968）第443-454页
[7]·维尔克U.施密特：辉光放电光谱学（GDOES）应用电层，第十六分析。车间等离子与表面工程，25-26。 2009年6月，伊尔梅瑙