Flugzeugwartungsbetriebe benötigen für die Montage von Flugzeugrumpfverkleidungen, Bordausrüstung und Zubehör große Mengen an Metallteilen. Als Rohmaterialien werden in der Regel Kohlenstoffstahl und legierter Stahl verwendet. Ein zu hoher Gehalt an Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff in Stahlteilen und Rohmaterialien kann jedoch die Leistungsfähigkeit der Teile erheblich beeinträchtigen. Beispielsweise tritt häufig Wasserstoffversprödung auf, die die Lebensdauer von Stahlteilen verkürzt. Daher ist die genaue Messung des Sauerstoff-, Stickstoff- und Wasserstoffgehalts in Metallen wie Kohlenstoffstahl und legiertem Stahl von entscheidender Bedeutung. Mit der rasanten Entwicklung der modernen Luftfahrt- und Stahlindustrie gewinnt die Analyse von Gaselementen wie Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff in Stahlwerkstoffen für Flugzeugwartungsbetriebe zunehmend an Bedeutung. Als hochpräzise und professionelle Analysemethode wird die Sauerstoff-, Stickstoff- und Wasserstoffanalyse mithilfe professioneller Analysatoren häufig eingesetzt, um den Gehalt an Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff in Metallen wie Kohlenstoffstahl und legiertem Stahl schnell und genau zu messen.
1. Die Gefahren von Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff in Kohlenstoffstahl und legiertem Stahl
Sauerstoff im Stahl liegt in verschiedenen Formen als Oxid-Einschlüsse vor, die sich zu nichtmetallischen Einschlüssen verbinden. Diese unterbrechen die Kontinuität der Metallmatrix und beeinträchtigen dadurch die mechanischen Eigenschaften des Stahls. Stickstoff kann die Alterungsbeständigkeit, die Kaltverformbarkeit und das plastische Verformungsvermögen des Stahls verringern, die Wärmeeinflusszone beim Schweißen verspröden und das Ziehverhalten beeinträchtigen. Wasserstoff löst sich im Stahl und bildet Wasserstoffmoleküle, was zu einer Versprödung des Materials, Spannungskonzentrationen, Überschreitung der Festigkeitsgrenze und zur Bildung von Mikrorissen führt – ein Phänomen, das gemeinhin als Wasserstoffversprödung bezeichnet wird. Es ist offensichtlich, dass ein zu hoher Gehalt an Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff die Eigenschaften von Bauteilen aus Kohlenstoffstahl und legiertem Stahl erheblich beeinträchtigt und daher Kontrollmaßnahmen erforderlich macht. Aus diesem Grund ist die genaue Messung des Sauerstoff-, Stickstoff- und Wasserstoffgehalts in Stahlbauteilen sowie in Kohlenstoffstahl und legiertem Stahl unerlässlich. Bei Bauteilen mit übermäßigem Gehalt können verschiedene Wärmebehandlungsverfahren, wie z. B. die Wasserstoffentfernung durch Erhitzen, eingesetzt werden, um die Eigenschaften des Stahls wiederherzustellen und zu verhindern, dass Stahlteile mit hohem Sauerstoff-, Stickstoff- und Wasserstoffgehalt und Defekten in Flugzeuge eingebaut werden, was die Qualität von Flugzeugreparaturen und die Flugsicherheit beeinträchtigen könnte.
2. Testprinzip
Das von Luftfahrtwartungsbetrieben zur quantitativen Analyse des Gehalts an Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff in Stahl, Gusseisen und Legierungen eingesetzte Prüfgerät ist ein Sauerstoff-Stickstoff-Wasserstoff-Analysator (z. B. ONH-2000), der sich durch hohe Genauigkeit und Messpräzision auszeichnet. Der Analysator arbeitet nach dem Prinzip der Impulsheizung, der Reduktion unter Schutzgasatmosphäre und der Wärmeleitfähigkeits-Infrarotdetektion. Beim Durchfließen eines starken Stroms durch den Graphittiegel zwischen den oberen und unteren Elektroden steigt die Tiegeltemperatur rapide an und erreicht eine vordefinierte Temperatur. In einer Schutzgasatmosphäre (Helium, Stickstoff) wird der Sauerstoff in der Metallprobe in Kohlenmonoxid bzw. Kohlendioxid umgewandelt und vom Helium transportiert. Die entstehenden Gase werden anschließend mit einem Infrarotdetektor gemessen. Stickstoff und Wasserstoff werden in molekularer Form freigesetzt und jeweils vom Helium bzw. Stickstoff transportiert. Sie gelangen zur quantitativen Analyse in einen Wärmeleitfähigkeitsdetektor. Zwei separate Infrarot-Detektionszellen dienen der Erfassung niedriger und hoher Sauerstoffkonzentrationen, während eine Wärmeleitfähigkeits-Detektionszelle die Wasserstoff- und Stickstoffkomponenten erfasst. Der Pulsofen wird durch zirkulierendes Wasser gekühlt, und die Probe kann im Tiegel des Hochleistungspulsofens auf über 2600 °C erhitzt werden. Während der Analyse schaltet das Gerät automatisch zwischen niedriger und hoher Temperatur um. Zusätzlich benötigt der Analysator Druckluft als Energiequelle für das Auf- und Abfahren des Pulsofens.
