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Partikelauswertung nach Elementen

Wissenswertes

Abrasiv wirkende Partikel

Abrasiv wirkende Partikel können massive Probleme, insbesondere in reibenden Systemen hervorrufen. Daher ist es häufig von besonderer Bedeutung einen Eintrag zu vermeiden und nachzuprüfen. Im Folgenden sind einige Informationen zu abrasiv wirkenden Partikeln zusammengefasst.

Eigenschaften abrasiver Partikel

In den meisten technischen Systemen kommt es im Laufe der Zeit zu mechanischem Abrieb einiger Komponenten. Häufig führt der Eintrag harter Partikel zu einem beschleunigten Verschleiß. Der abrasive Verschleiß führt zum Abrieb der Reibpartner aufgrund von Ritzungen, Mikrozerspanung und Riefenbildung. Problematisch sind hierbei vor allem Partikel hoher Härte und scharfkantiger Morphologie. Diese finden sich zum Beispiel in nahezu jedem Umgebungsstaub in Form von Siliziumoxid-Partikeln wieder (SiO2, Quarz). Als Maßstab kann die mineralogische, zehnstufige Härteskala nach Mohs herangezogen werden. Minerale mit einem Mohs’schen Härtegrad von über 7 sind härter als die meisten bekannten Werkstoffe und gelten daher als abrasiv wirkend. Hierzu gehören die meisten Carbide sowie einige natürlich vorkommende Minerale. In der folgenden Tabelle sind einige Materialien unter Angabe des Härtegrads aufgelistet.

Material/Werkstoff Chem. Verbindung/Elemente Härte nach Mohs
Minerale und Carbide    
Diamant C 10
Siliziumcarbid/-nitrid SiC/ Si3N4 9,5
Borcarbid B4C 9,5
Wolframcarbid WC 9,5
Vanadiumcarbid VC 9 – 9,5
Aluminiumoxid,
z.B. Korund
Al2O3 9 – 9,5
Bornitrid BN 9
Titancarbid TiC 8 – 9
Siliziumoxid
z.B. Quarz
SixOy 7
Metalle    
Stahl
einsatzgehärtet
nach Legierung 8
Chrom
(hart, elektrolytisch)
Cr 8
Wolfram W 7 – 7,5
Mangan Mn 7
Kobalt Co 5
Nickel Ni 3,5 – 7
Eisen Fe 3,5 – 4,5
Kupfer Cu 3
Aluminium Al 2 – 3
Zinn Sn 2
Blei Pb 1,5

Untersuchung auf abrasiv wirkende Partikel

Ein stark beschleunigter Verschleiß ist häufig auf den Eintrag abrasiv wirkender Partikel zurückzuführen. Die entsprechende Untersuchung der Bauteile und Schmiermittel kann wertvolle Hinweise liefern. Die GWP nutzt hierfür vor allem die Rasterelektronenmikroskopie mit Röntgenmikrobereichsanalyse (REM-EDX).

Dabei kommen verschiedene Methoden in Frage. So können Partikel aus den Schmiermitteln durch Filtrieren gewonnen und analysiert werden. Mit Hilfe von Elementverteilungsbildern wird auf die entsprechenden, abrasiv wirkenden Bestandteile abgesucht. Die wichtigen Elemente werden aufgenommen (Si, C, W, V, Ti, Zr, etc.) und auffällige Partikel im Detail auf ihre Elementzusammensetzung und Morphologie untersucht.

Eine weitere Untersuchungsmöglichkeit bietet die Betrachtung der Bauteiloberfläche. Durch den Einfluss abrasiv wirkender Partikel kommt es zur Abrasion und Erosion (bei Einfluss von Flüssigkeiten), die durch typische Eindrücke der entsprechenden Partikel gekennzeichnet sind. Häufig sind die Partikel noch in der Oberfläche eingedrückt.

Fallbeispiel: Verschleiß von Gleitlagern durch Siliziumoxid

Gleitlager aus Bronze zeigten plötzlich eintretenden Verschleiß. Es kam zur deutlichen Trübung des eingesetzten Öles. Die Partikel im Öl wurden über einen Goldkernporenfilter gewonnen, um sie mittels REM-EDX zu analysieren. Dabei fiel bereits eine starke Filterbelegung auf.

Im REM wurde der starke Verschleiß sichtbar. Der Filter war nahezu vollständig von Spänen bedeckt – ein typisches Zeichen für Verschleißmechanismen. Die Elementanalyse ergab Kupfer und Zinn. Diese Elementkombination entspricht Bronze. Demnach handelte es sich wie erwartet um Abrasion des Lagers. Um den Grund für den hohen Verschleiß herauszufinden, wurden an mehreren Bildfeldern Verteilungsbilder mit den entsprechenden Elementen erstellt. Diese waren u.a. Kohlenstoff (z.B. für Diamant und Carbide), Silizium (für Siliziumoxide), Aluminium (für Aluminiumoxide) und Titan (für Titancarbide). Dies sind häufig in Systeme eingetragene Materialien, die zum Ausfall von Lagern führen können. Mit Hilfe der Analyse konnten Ansammlungen von Silizium gefunden werden (Blau im Bild).

Diese Partikel wurden im Detail analysiert. Die EDX-Spektren ergaben dabei die Hauptelemente Sauerstoff und Silizium. Diese Zusammensetzung entspricht folglich Siliziumoxid. Im REM-Bild erscheinen die Partikel scharfkantig und von gläserner Struktur – die typische Morphologie für mineralische Siliziumpartikel, wie z.B. Quarz.

Siliziumoxidpartikel eine hohe Härte (vgl. Härtetabelle) sowie eine sehr scharfkantige Morphologie von geringer Größe (meist < 5 µm) aufweisen, können sie stark abrasive Eigenschaften zeigen. Gerade in geschmierten Systemen können die Partikel zwischen den Reibpartnern wirken und aufgrund der plastischen Verformung der Oberfläche zu Mikrospanen führen.
Im vorliegenden Fall wurde später festgestellt, dass die Laufflächen des Lagers zuvor mit einer siliziumoxidhaltigen Polierpaste behandelt wurden. Aufgrund des bestehenden Verdachts des Eintrags der Partikel durch die Paste, wurde diese ebenfalls mittels REM-EDX untersucht. Es ergaben sich Übereinstimmungen sowohl in der elementaren Zusammensetzung als auch der Morphologie und -größe der beinhalteten Partikel. Es ist davon auszugehen, dass es durch ungenügende Reinigung nach der Politur zum Eintrag der Partikel in das Schmiermittel kam.

Bild 1:
Suche nach abrasiv wirkenden Partikel; Elementverteilungsbild von Silizium (blau)

Diese Partikel wurden im Detail analysiert. Die EDX-Spektren ergaben dabei die Hauptelemente Sauerstoff und Silizium. Diese Zusammensetzung entspricht folglich Siliziumoxid. Im REM-Bild erscheinen die Partikel scharfkantig und von gläserner Struktur – die typische Morphologie für mineralische Siliziumpartikel, wie z.B. Quarz

Bild 2:
Typische Morphologie abrasiv wirkender Mineralpartikel.

Bild 3:
EDX-Spektrum eines SiO-Partikels

Siliziumoxidpartikel eine hohe Härte (vgl. Härtetabelle) sowie eine sehr scharfkantige Morphologie von geringer Größe (meist < 5 µm) aufweisen, können sie stark abrasive Eigenschaften zeigen. Gerade in geschmierten Systemen können die Partikel zwischen den Reibpartnern wirken und aufgrund der plastischen Verformung der Oberfläche zu Mikrospanen führen.

Im vorliegenden Fall wurde später festgestellt, dass die Laufflächen des Lagers zuvor mit einer siliziumoxidhaltigen Polierpaste behandelt wurden. Aufgrund des bestehenden Verdachts des Eintrags der Partikel durch die Paste, wurde diese ebenfalls mittels REM-EDX untersucht. Es ergaben sich Übereinstimmungen sowohl in der elementaren Zusammensetzung als auch der Morphologie und -größe der beinhalteten Partikel. Es ist davon auszugehen, dass es durch ungenügende Reinigung nach der Politur zum Eintrag der Partikel in das Schmiermittel kam.

Die Elemente im EDX-Spektrum: Materialidentifikation der Partikel

Zur Materialidentifikation von Partikeln werden die im Spektrum der energiedispersiven Röntgenmikrobereichsanalyse angezeigten Elemente herangezogen (s. hierzu „Elektronen-mikroskopie“). In diesem Kapitel finden Sie weitere Informationen zur Materialzuordnung und Interpretation der EDX-Spektren.

Die EDX-Analyse Die Untersuchung mittels energiedispersiver Röntgenmikrobereichsanalyse (EDX) hilft bei der Zuordnung eines Partikels zu Materialien und Werkstoffen. Die charakteristische Röntgen-strahlung jedes Elements wird in einem Spektrum dargestellt. Die Kombination der Elemente gibt Rückschluss auf ein Material bzw. Werkstoff. Mittels EDX können lediglich anorganische Materialien näher zugeordnet werden.

Die Element-KombinationenDen Peaks in den EDX-Spektren müssen die entsprechenden Elemente zugeordnet werden. Dabei sind bestimmte Elementkombinationen typisch für bestimmte Materialien bzw. Werkstof-fe. In folgender Tabelle sind einige typische Beispiele zur Materialzuordnung angegeben. In Maschinenölen treten zum Beispiel am häufigsten Partikel mineralischen Ursprungs sowie verschiedene Stahl- und Kupferlegierungen auf. Je nach System, aus dem die Probe stammt, ergibt sich eine Vielzahl von Möglichkeiten der Materialzuordnung. Diese ist oftmals von einer spezifischen Fragestellung abhängig. Mit entsprechenden Hintergrundinformationen zum System lässt sich auf Grundlage der Materialzuordnung oftmals auch die Quelle der Partikel herausfinden. In der folgenden Tabelle findet sich ein Überblick über technisch relevante Elementverbindungen mit Beispielen zur Materialzuordnung zum Download .

Probenformen und Präparation

Präparation und Untersuchung verschiedener Probentypen

In der GWP kann eine Vielzahl an verschiedenen Proben untersucht werden. Entscheidend ist hierbei die Präparation. Folgende Probenarten werden standradmäßig mittels Rasterelektronenmikroskopie mit energiedispersiver Röntgenmikrobereichsanalyse (REM-EDX) auf anorganische, teils mittels Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FT-IR) auf organische Bestandteile im Rahmen von ParticleCheck untersucht:

  • Stäube und Pulver (REM-EDX und FT-IR möglich)
  • Beläge und Ablagerungen (REM-EDX und FT-IR möglich)
  • Partikel und Rückstände auf Filtern und Membranen (meist nur REM-EDX möglich)
  • Öle und Schmiermittel (Partikel meist nur mit REM-EDX möglich, Öl selbst mit FT-IR)
  • Wasser und verschiedene Flüssigkeiten (wie Öle)
  • Späne und Einzelpartikel (REM-EDX und FT-IR möglich)

Im Folgenden wird die Probenpräparation für jeden Probentyp erläutert.

Stäube und Pulver

In fast allen technischen Bereichen entstehen Stäube. Dabei kann es sich um Abrieb aus Maschinen handeln, um „normalen“ Umgebungsstaub oder andere Verunreinigungen. Im Rahmen von ParticleCheck kann das Material unbekannter Proben analysiert werden und bei entsprechendem Hintergrundwissen zugeordnet werden. Proben dieser Art benötigen nur geringe Vorbereitung. Für die REM-EDX-Analyse müssen die Proben leitfähig sein. Hierfür stehen Kohlenstoff-Pads zur Verfügung. Sie sind beidseitig klebend und können so auf einem Probenteller befestigt werden. Auf die andere Seite kann nun das Pulver oder der Staub gestreut oder aufgestempelt werden. Die Probe ist nun bereit zur Analyse, eine weitere Präparation ist nicht notwendig.

Für Kunden gibt es die Möglichkeit, ein Probenahme-Set zu bestellen. So können vor Ort Stempelproben von Stäuben oder Pulvern genommen und die präparierten Proben zur GWP geschickt werden. Sprechen Sie uns gerne darauf an.

Stäube bzw. Pulver können auch mittels FT-IR auf organische Bestandteile analysiert werden, sofern davon ausgegangen werden kann, dass es sich um homogenes bzw. gleichwertiges Material innerhalb. Die Probe kann direkt auf die Diamant-Messzelle (ATR) des Geräts aufgetragen werden. Dieser weist einen Radius von 1mm auf und sollte möglichst gänzlich vom Staub bzw. Pulver bedenkt werden können. Daher ist für die FT-IR eine ausreichende Menge erforderlich, wohingegen bei der REM-EDX-Untersuchung bereits einzelne Partikel genügen.

Beläge und Ablagerungen

Die chemische Zusammensetzung bzw. Herkunft von Belägen und Ablagerungen wie z.B. Korrosionsprodukte ist oft von besonderem Interesse bei Schadensfällen oder der Schadensverhütung.  Die Präparation ist dabei vergleichbar zu der von Stäuben und Pulvern. Liegen sie bereits lose vor, wird wie beim Probentyp „Pulver und Stäube“ vorgegangen. Haften sie noch an Oberflächen, so kann mit Hilfe eines Skalpells versucht werden, einige Partikel abzukratzen und auf ein C-Pad zu übertragen. Eine weitere Möglichkeit ist, die Probe in ein Ultraschallbad mit einem Lösemittel zu geben. Die Beläge lösen sich in der Flüssigkeit, die wiederum über eine Membran oder einen Kernporenfilter filtriert werden kann (s. „Die Filtration“ und „Wasser und verschiedene Flüssigkeit“).

Auch Beläge und Ablagerungen können teilweise auf die ATR-Messzelle der FT-IR übertragen werden, sofern genug Material zur Verfügung steht und abgeschabt werden kann. (s. „Stäube und Pulver“).

Partikel und Rückstände auf Filtern und Membranen

In vielen technischen Anwendungen kommt es vor, dass Partikel in Filtern zurückgehalten werden. Oftmals stellt sich dann die Frage, was für Materialien es sind und wo sie herkommen. Filter und Membranen können je nach Größe und Symmetrie direkt untersucht werden. Hierzu kann ein kleines Stück entnommen werden. Um es leitfähig zu machen, wird es mit Gold oder Kohlenstoff bedampft und auf einem Aluminium-Probenteller fixiert. Die Probe ist dann bereit für die Analyse mittels REM-EDX.

Häufig sitzen die Partikel jedoch zwischen mehreren Membran-Schichten oder den Maschen bzw. Poren fest. Hier besteht wiederum die Möglichkeit, die Proben im Ultraschallbad mit einem Lösemittel aufzubereiten. Die so gewonnene Flüssigkeit beinhaltet die in den Membranen fixierten Partikel und kann im Weiteren filtriert werden (s. „Die Filtration“).

Öle und Schmiermittel

Eine besonders häufige Fragestellung ist die chemische Zusammensetzung von Rückständen in Ölen und Schmiermitteln. Die gefundenen Materialien können ein Hinweis auf den Verschleiß bestimmter Bauteile geben. Öle und Fette sind jedoch sehr dickflüssig und zäh, sodass sie nicht ohne Weiteres filtriert werden können. Daher ist eine Verdünnung vonnöten.

Öle werden mit Hilfe von Leichtbenzin vorverdünnt, bis geeignete Konzentration und Fließverhalten hergestellt sind. Schmiermittel bzw. -fette sind häufig aufwendiger in Lösung zu bringen. In diesem Fall werden Verdünnungsversuche mit verschiedenen Lösemitteln, teilweise auch Säuren bzw. Basen durchgeführt. Des Weiteren kommt hier die Zentrifuge zum Einsatz, um schwerlösliche von leichtlöslichen Bestandteilen trennen zu können. Es wird eine Anzahl recht aufwendiger Arbeitsschritte in mehrfacher Wiederholung durchgeführt, bis das Fett soweit verdünnt ist, dass es filtriert werden kann. Dieser Vorgang ist recht probenspezifisch.

Wasser und verschiedene Flüssigkeiten

In einigen Fällen werden wasserähnliche Flüssigkeiten zur Verfügung gestellt, wie z.B. Waschflüssigkeiten. Sofern sie eine geeignete Viskosität aufweisen, können sie ohne weitere Vorbereitung filtriert werden (s. „Die Filtration“). Sollten sie zu zähflüssig sein, muss auch hier ein Lösungsversuch durchgeführt werden, bis eine geeignete Verdünnung auftritt und die Partikel der Probe gewonnen werden können.

Späne und Einzelpartikel

Späne und Einzelpartikel können je nach Größe und Material zunächst gereinigt werden (Spülen und Dispergieren mit Aceton oder Ethanol) und dann (s. „Stäube und Pulver“) auf ein leitfähiges C-Pad präpariert werden.

Sind die Partikel groß genug, um sie makroskopisch händeln zu können, so können sie auch auf die Diamant-Messzelle der FT-IR übertragen werden und auf mögliche organische Bestandteile analysiert werden.

Die Filtration

Partikel aus Flüssigkeiten können über Kernporenfilter oder Filtermembranen gewonnen werden. Hierzu müssen die Proben möglichst dünnflüssig sein. Dies kann mit Hilfe verschiedener Lösemittel erreicht werden, die vom Matrixmaterial abhängen. Die Flüssigkeiten werden dann mittels Pumpwirkung und Erreichen eines Unterdrucks über eine Filtriereinheit abgesaugt. Der Filter befindet sich auf einem keramischen oder metallischen Stützfilter, der das Einsaugen bzw. Zerstören des hauchdünnen Materials verhindert. Standardmäßig verwenden wir Kernporenfilter aus Polycarbonat, die bereits mit Gold bedampft sind. So entfällt ein nachträgliches Sputtern, um die Proben leitfähig zu machen. Dies hat v.a. den Vorteil, dass das hierdurch auf den Partikeln anhaftende Gold die Elementanalyse und Auswertung durch die im Spektrum gemessenen Au-Peaks nicht allzu stark beeinflussen. Die Porengröße liegt bei 0,8 µm, sodass auch die kleinsten Partikel noch messbar bleiben. Für bestimmte Fragestellungen stehen auch andere Porengrößen (bis 0,1 µm) oder unbedampfte Filter (z.B. zur Gravimetrie) zur Verfügung sowie verschiedene Membranen.

Während der Filtration muss auf die Partikelkonzentration in der Probe geachtet werden. Bei stark kontaminierten Flüssigkeiten kann es vorkommen, dass eine hohe Partikelanzahl die Poren zusetzt und ein Absaugen nicht mehr möglich ist. Daher kann stets nur ein geringer Anteil der Probe gefiltert werden. Dies hängt von der Partikelkonzentration und Erfahrungswerten ab.

Nach der Partikelgewinnung werden die Proben getrocknet und mit Hilfe eines selbstklebenden C-Pads auf einen REM-Probenteller zur Analyse fixiert.


[Translate to English:] Bild 1: Suche nach abrasiv wirkenden Partikeln; Elementverteilungsbild von Silizium (blau)
[Translate to English:] Bild 2: typische Morphologie abrasiv wirkender Mineralpartikel
[Translate to English:] Bild 3: EDX-Spektrum eines SiO-Partikels

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