Metallographisches Ätzen

Methoden zur optischen Kontrastierung

Ob eine Mikrostruktur unter polarisiertem Licht (mit einer Wellenplatte im Strahlengang) sichtbar ist, hängt stark von den Phasen des untersuchten Materials ab. In diesem Kontext ist das Bravais-Gitter der Kristalle wichtig. Während kfz und krz Metalle wie Stähle, Aluminium-, Kupfer- oder Chromlegierungen geätzt werden müssen, um ein Gefüge sichtbar zu machen, zeigen HDP Metalle wie α-Titan, Kobalt, Hafnium, Zinklegierungen oder orthorhombische Metalle wie Bismut ihr Gefüge bereits im polierten Zustand.

Es gibt verschiedene Techniken zur Erzeugung von optischem Kontrast. Zum Beispiel können doppelbrechende Kristalle (wie Sphärolite in teilkristallinen Kunststoffen wie Polyamiden oder high-density Polyethylen) durch Phasenkontrastierungstechniken sichtbar gemacht werden. In der Schadensanalyse sind auch Fluoreszenzmikroskopie und Dunkelfeldmikroskopie als wichtige optische Kontrastierungsmethoden zu nennen. Sie werden meist genutzt um Poren, Mikrorisse oder ähnliche Inhomogenitäten sichtbar zu machen.

In den meisten Fällen wird das einfallende Licht jedoch einheitlich an der Probenoberfläche reflektiert. Darum muss ein Kontrast anderweitig generiert werden, um eine Form der optischen Analyse zu ermöglichen, z. B. durch metallographisches Ätzen. 
 

Chemisches Ätzen

Die chemische Ätzung ist das verbreitetste Ätzverfahren. Es ist aufgrund der hohen Kosteneffizienz und seines einfachen Prozessablaufs beliebt. Zumeist wird eine Tauchätzung durchgeführt, dabei wird die zu ätzende Probe in das Ätzmittel gehalten und bewegt. Wischätzungen werden in manchen Fällen ebenfalls ausgeführt. Hier tränkt man Wattebäusche oder sehr weiche Zellstofftücher mit Ätzmittel und wischt über die Probenoberfläche. Diese Methode wird angewendet, wenn eine Tauchätzung aufgrund der Empfindlichkeit der Probe gegenüber dem Ätzmedium nicht möglich ist. Dabei ist besonders darauf zu achten, die Probenoberfläche nicht zu zerkratzen.

In den meisten Fällen handelt es sich beim chemischen Ätzen um eine selektive Korrosion bzw. Oxidation. Dies bezeichnet man als Strukturätzung. Im Fall der oxidativen Ätzung läuft einer Redoxreaktion zwischen einem Bestandteil des Ätzmediums, oft H+/H2 und dem, häufig metallischen, Festkörper ab. Diese Reaktion tritt, in Abhängigkeit von der Kristallorientierung (bei Kornflächenätzungen) und Gitterverzerrung (bei Korngrenzenätzungen) mit unterschiedlicher Reaktionsgeschwindigkeit auf. Die chemischen Zusammensetzungen verschiedener kristalliner Phasen führen ebenfalls zu unterschiedlichen chemischen Potentialen und damit zu unterschiedlichen Oxidationsraten. Dies führt zu einer Reliefbildung, welche durch Abschattungseffekte mikroskopisch sichtbar wird.

Bei manchen Strukturätzmitteln, wie z.B. dem Ätzmittel nach Kalling 2, werden Filme aus reduziertem Metall, oder Metallsalzen auf der Probenoberfläche abgeschieden. Diese können mit einem Wattebausch entfernt werden. Nur dann wird die geätzte Mikrostruktur sichtbar. Der Informationsgehalt einer reinen Strukturätzung ist begrenzt, da die benannten Ätzmechanismen sich überlagern und nicht viel Information zur Kornorientierung abgegriffen werden kann. Das Primärziel einer Strukturätzung ist die Bestimmung der Korngrößenverteilung und Phasenzusammensetzung eines bestimmten Materials.

Dies macht die Entwicklung von mikroskopischen Methoden zur automatisierten Bestimmung von Kornorientierungen nahezu unmöglich. Das Gleiche gilt auch, zum Teil, für chemische Inhomogenitäten. Es ist festzuhalten, dass nichtmetallische Einschlüsse durch Strukturätzungen reproduzierbar dargestellt werden können. Dies kann anhand des Beispiels eines niedriglegierten Stahls gezeigt werden. Ferrit besitzt ein geringeres chemisches Potential als ausgeschiedener Zementit oder Grafit, was zu einer schnelleren Oxidation der Phase führt. Die Korngrenzen werden langsamer abgetragen und formen vorstehende Bereiche. Wegen der lamellaren Struktur des Perlits bildet sich bei dieser Phase ein homogenes Relief aus, welches durch eine Abfolge dunkelgrauer Streifen sichtbar gemacht wird. Abhängig von der Orientierung des Korns zur Schliffebene sind diese Lamellen mehr oder weniger klar sichtbar. Für diese Anwendung stellen Nital oder V2A Beize typische Strukturätzmittel dar.

Mit anderen metallographischen Ätzmitteln kann eine so genannte Farb- oder Niederschlagsätzung durchgeführt werden. Diese Ätzmethode liefert mehr mikrostrukturelle Informationen und ist deutlich schwieriger reproduzierbar auszuführen. Neben dem phasen- und orientierungsselektiven Angriff des Ätzmediums, fällt eine Komponente des Redoxsystems auf der Probenoberfläche aus. Abhängig von der Reaktionsgeschwindigkeit zeigt diese Schicht eine lokal unterschiedliche Dicke. Dies führt zu Interferenzen des einfallenden Lichts, welche sich als stark orientierungsabhängige Verfärbung der Kornflächen zeigen. Im Fall einer metallographischen Überätzung verschwindet die Interferenz aufgrund zu hoher Schichtdicke.

Eine bekannte Farbätzung im Bereich von niedriglegierten Stählen ist die Farbätzung nach Klemm. Für Stähle existieren verschiedene Farbätzmittel, welche auf der anodischen Abscheidung eines Sulfidfilms basieren. Die Ätzmittel nach Behara und LePera unterscheiden sich in der Additivierung und den verwendeten Sulfitträgern. In Abhängigkeit vom zu untersuchenden Legierungssystem wird aus den verschiedenen Ätzmitteln gewählt.

Farbätzprozesse sind im Bereich der anorganisch-nichtmetallischen Anwendungen, z.B. für Zementklinker ebenfalls üblich. Die Mechanismen vieler Farbätzungen wurden bis heute nicht völlig aufgeklärt, allerdings funktionieren sie häufig zuverlässig. Dies gilt auch, wenn Phasen quantifiziert werden sollen. 

_{AlFe10, Aluminiummatrix (kfz-Gitter) mit nadeligem FeAl3, elektrolytisch geätzt mit Elektrolyt nach Barker}

_{AlMg4,5 Korngrenzen geätzt mit 7%iger Natronlauge}

_{Austenitischer V2A Stahl, geätzt mit Farbätzmittel nach Beraha 2} 

_{Alpha- und Beta-Messing Kristallgemisch, geätzt mit 10%iger wässriger Ferrinitratlösung}

Elektrolytisches Ätzen

Wie das chemische Ätzen ist die elektrolytische Ätzung auf die Ausbildung zahlreicher galvanischer Elemente auf der Probenoberfläche zurückzuführen. Es ist nötig, eine externe Spannung anzulegen, um die gewünschte Redoxreaktion zu erzwingen. Zusätzlich zu den oben erwähnten Parametern beeinflussen lokal unterschiedliche Leitfähigkeit und eingestellte Spannung bzw. Stromstärke der elektrolytischen Zelle die Abtragsrate.

Im Fall automatischer metallographischer Ätzeinheiten spielen Flussraten und Abmessungen der elektrolytischen Zelle ebenfalls eine Rolle für den Prozess. Elektrolytische Methoden zeigen üblicherweise größere Abtragsraten als chemische Ätzungen, weswegen sie auch zum metallographischen Polieren von Proben verwendet werden können. Dies ist der größte Vorteil des Prozesses, da dies den Ersatz mechanischer Polierschritte ermöglicht. Dadurch wird es möglich, komplett verformungsfreie Probenoberflächen zu erzeugen, was die Wiedergabe der wahren Mikrostruktur ermöglicht. Dies ist mit anderen metallographischen Ätztechniken nicht möglich.

Der Übergang zwischen elektrolytischem Polieren und Ätzen ist von der vorhandenen Stromdichte abhängig. Das elektrolytische Ätzen ist fast ausschließlich auf die Metallographie beschränkt. Da es ein automatisierter Prozess ist bietet es eine höhere Reproduzierbarkeit als chemische Ätzprozesse, welche händisch durchgeführt werden und generell mehr Anwendererfahrung fordern. Metallographisches elektrolytisches Ätzen kann auch als Anodisieren eines Metalls bezeichnet werden. Zumeist dient ein edleres, oder zumindest vergleichbares, Metall als Kathode, während die Probe anodisch kontaktiert ist.