Spektrometr fluorescencji rentgenowskiej, który posiadamy w naszym laboratorium posiada wysoką czułość dla kilku szczególnie występujących w elektronice pierwiastków, a które są szczególnie niebezpieczne dla ludzi, zwierząt i całego środowiska. Mowa o Ołowiu, Rtęci, Kadmie, Chromie sześciowartościowym oraz Związkach polibromowanych. Nasze urządzenie w tej wersji powstało do badania części, produktów i substancji dla zgodności z Dyrektywą RoHS. Dyrektywa ta to zbiór przepisów Unii Europejskiej w sprawie ograniczenia stosowania niektórych niebezpiecznych substancji w sprzęcie elektrycznym i elektronicznym. Wprowadza ograniczenia w zakresie stosowania tych substancji.

W trakcie przygotowywania oferty analiz skierowanych dla sektora biżuterii, czyli osób i firm mających do czynienia ze stosunkowo ciężkimi pierwiastkami jak złoto czy platyna, postanowiliśmy sprawdzić funkcje badawcze naszego sprzętu także dla malutkich ilości tych niebezpiecznych pierwiastków. Materiałem badawczym, jak się później okazało, niezwykle cennym w obu naszych zastosowaniach była próbka złota z recyclingu elektroniki.

Rys. 1 Próbka złota pochodzącego z recyclingu elektroniki.

 Dostarczona przez naszego klienta próbka złota o masie 40g odlana w postacie małej sztabki. Została pozyskana z przetworzenia elementów stykowych i płytek elektronicznych. Naszym zadaniem było oznaczenie zawartości w próbce złota, co jest niezbędne dla określenia próby jubilerskiej, ale także stwierdzenie innych pierwiastków towarzyszących i ich ilości.

Rys. 2 Próbka złota umocowana na stoliku pomiarowym.

 Próbka umieszczona zostaje na stoliku, którym zarządza już nasz komputer. Jest on poruszany na prowadnicach trzema silnikami krokowymi zawiadywanymi z aplikacji. Ważną czynnością, którą musimy wykonać jest sprawdzenie czy próbka nie jest za wysoka by w trakcie przejazdów wewnątrz maszyny nie uderzyła w głowicę pomiarową.

Rys. 3 Próbka złota umocowana na stoliku pomiarowym - widok z wewnętrznej kamery.

 W trakcie ustalania wysokości zaznaczyliśmy markerem też jej najwyższy punkt. Mierzony obszar musi znaleźć się w odległości 2mm od membrany próżniowej naszej głowicy pomiarowej. Gdy umieściliśmy próbkę na stoliku, oprogramowanie wprowadza ją pod jedną z kamer CCD, która wykonuje zdjęcie. Obszar tej kamery jest zsynchronizowany z polem pod głowicą pomiarową. Gdy na tym wykonanym zdjęciu zaznaczymy punkt, automatyka ten właśnie punkt ustawi idealnie w miejscu naświetlania promieniami Roentgena.

Rys. 4 Obraz z kamery z obiektywem powiększającym.

 Nasze urządzenie ma w sumie trzy kamery optyczne. Pierwsza do wykonywania ogólnego obrazu pozycjonującego, druga obserwuje próbkę poprzecznie i służy do ustalania wysokości do głowicy a trzecia ma obiektyw powiększający, dzięki któremu możemy bardzo precyzyjnie nakierować pomiar na bardzo małe obiekty jak np. cienki drucik lub bardzo mały punkt w próbce. 

Rys. 5 Stanowisko pomiarowe przed rozpoczęciem badania.

 Gdy wszystkie czynności manualne zostały wykonane a przestrzeń pomiarowa zamknięta, możemy przystąpić do wybrania parametrów pomiarowych i rozpoczęcia pomiaru. Wszystkie ustawienia maszyny do badania takich ciężkich pierwiastków są praktycznie identyczne jak dla badania zgodności z Dyrektywą RoHS dlatego też, na tym przykładzie mogliśmy przećwiczyć również to badanie. Staramy się ograniczyć do minimum czas pracy lampy RTG w tej maszynie, gdyż jej certyfikowana żywotność jest ograniczona, koszty wymiany ogromne a każda sekunda pracy przekłada się realnie na złotówki. Mogąc upiec dwie pieczenie na jednym ogniu - po prostu to robimy.

Rys. 6 Widmo zebranych w trakcie pomiaru danych z detektora.

 W trakcie naświetlania próbki detektor zbiera wtórne promieniowanie a komputer je analizuje i w czasie rzeczywistym rysuje widmo ilości kwantów o danej energii przypisanych dla danego pierwiastka. Już w trakcie pomiaru możemy obserwować jakich kwantów energii jest najwięcej bo te piki rysują się najszybciej. W tym przypadku prawie natychmiast urosły piki dla złota więc możemy przypuszczać, że będzie go tam najwięcej.

Rys. 7 Obliczony przez oprogramowanie skład badanego metalu.

 Jednak dopiero po upływie określonego dla tych parametrów czasu naświetlania komputer wylicza skład substancji, którą badamy. Robi to dwiema metodami FPM lub w oparciu o krzywe kalibracyjne. W przypadku chęci poznania składu stosujemy metodę proporcjonalną FPM i z tej metody mamy powyżej wynik. Widzimy, że dostarczona próbka nie jest całkowicie czysta i zawiera tylko 98,56 % czystego złota. Jest tam też m.in. 0,36% palladu czy 0,17% molibdenu. Jest też 0,35% toru - ten promieniotwórczy pierwiastek jest często dodawany do złoconych elementów stykowych w w elektronice dla poprawy właściwości kontaktowych i skracania czasu zadziałania styku. Jest też świetnym markerem pochodzenia złota. Badaliśmy już kilka próbek złota z odzysku i praktycznie zawsze tam był. Jest go bardzo trudno z takiego złota usunąć, dlatego pewnie zawsze tam zostaje. Dla wykonanej analizy wystawiamy Protokół, który np. tak może wyglądać: ->Pobierz<- 

Rys. 8 Obliczony przez oprogramowanie skład badanego metalu w oparciu o wykonane wcześniej krzywe kalibracyjne.

 Wykorzystując zebrane wcześniej dane z detektora, na podstawie których powstało zarówno widmo jak i wyliczenia, możemy dokonywać kolejnych obliczeń w oparciu o inne metody i formuły. Na powyższym obrazie mamy wynik użycia formuły stosowanej dla badania zgodności z dyrektywą RoHS, a która wykorzystuje dane z wykonanych wcześniej krzywych kalibracyjnych. Te krzywe zaprogramowane zostały przy użyciu specjalnych wzorców z różną zawartością danych pierwiastków w próbce.

Rys. 9 Wzorce kalibracyjne z różną zawartością niebezpiecznych pierwiastków wg. RoHS.

 Gdy mamy wzorzec, w którym w określonym materiale znajduje się dokładnie opisana ilość np. rtęci, możemy przygotować w oprogramowaniu wspomnianą wcześniej krzywą kalibracji. Dzięki niej oprogramowanie może precyzyjnie oznaczyć nawet niezwykle śladowe ilości, które podawane są w jednostce ppm czyli Part Per Million. Dla przykładu w dostarczonej nam próbce stwierdziliśmy 1198,97 ppm kadmu. Jest to bardzo niebezpieczny metal, który poza wieloma bardzo negatywnymi oddziaływaniami na organizm ma już potwierdzone właściwości rakotwórcze. Niestety, bardzo często stosowany jest w metalurgii i elektronice, gdyż poprawia twardość stopów metali i zmniejsza ich korozyjność. Praktycznie zawsze stosowany jest jako dodatek do stopów metali stosowanych jako styki w przekaźnikach i stycznikach.

Rys. 10 Protokół RoHS część 1.

Stanowi drugi z markerów źródła pochodzenia złota i srebra. Bardzo często, podobnie jak tor występuje w tych próbkach, choć jest go dużo łatwiej usunąć z tych metali w procesach oczyszczania. Stanowi to jednak dodatkowy koszt, dlatego firmy nie zawsze to robią. Jest to także niebezpieczny proces, bo jedną z metod usuwania kadmu jest wdmuchiwanie tlenu do stopionego metalu a kadm w postaci tlenku unosi się do atmosfery narażając ludzi na ekspozycję.

Rys. 11 Protokół RoHS część 2.

 Producent maszyny przygotował automatycznie powstający protokół zgodności z dyrektywą RoHS. W oprogramowaniu możemy ustawić progi dla każdego pierwiastka i na tej podstawie w protokole pojawia się informacja zgodności. Nie dokonywaliśmy dla tego wyniku takich ustawień, gdyż by zrobić to dobrze, trzeba zapoznać się z wieloma aspektami prawnymi dyrektywy. Przyjdzie i na to czas.

Rys. 12 Pierścionek kupiony w jednym z chińskich portali.

 Artykuł ten powstał w trakcie pracy nad dopracowaniem badań metali dla złotników. Dla kontrastu do złota i potrzeby takich badań chcieliśmy przygotować próbkę tombaku - stopu miedzi z cynkiem, który do złudzenia swym kolorem przypomina złoto. Kolega wspomniał, że kiedyś na jednym z chińskich portali kupił  kilka próbek biżuterii opisywanej jako wykonanej ze złota ( wykonany w kolorze złota). Cena była naprawdę niska dlatego normalnym było, że coś jest nie tak. Po otrzymaniu zamówionych elementów biżuterii większość ludzi byłaby na pewno zadowolona. Pierścionek, który na powyższym zdjęciu już leży na stoliku naszej maszyny ma kolor nie do odróżnienia od jubilerskiego złota, nie pokrywa się patyną, jest twardy, w miarę ciężki. Czyżby Chińczycy mieli takie pokłady złota, że oddają je za półdarmo ?

Rys. 13 Widmo i wynik badania metodą FPM pierścionka od Chińczyka.

 Po wyświetleniu wyniku analizy pierścionka, który wizualnie w żaden sposób nie dałby się odróżnić od złota, zrozumieliśmy, że nie będziemy musieli włączać naszego pieca by wykonać tombak. Chińska fabryka zrobiła go perfekcyjnie. Stop, z którego wykonano tę biżuterię zawiera 91,81% miedzi, 0,97% cynku i UWAGA! 7,1% kadmu!. W tradycyjnym tombaku stosuje się jedynie miedź i cynk. Taki stop dobrze imituje złoto jednak po pewnym czasie lub w środowisku agresywnym zaczyna ciemnieć i pokrywa się patyną. W tym przypadku po naprawdę długim czasie, żadna z tych zmian nie wystąpiła. Zapewne dodanie zamiast cynku, kadmu poprawiło twardość stopu i sprawiło, że stał się niekorozyjny. 

Rys. 14 Analiza precyzyjna danych w oparciu o krzywe kalibracyjne zawartości metali niebezpiecznych.

 Dla potwierdzenia obecności tego pierwiastka przeliczyliśmy wyniki w oparciu o matryce i uzyskaliśmy wynik zawartości kadmu w stopie na poziomie 64519 ppm co stanowi dokładnie 6,452%. Jest w tym stopie jeszcze 239 ppm chromu, który też mógł być dodany dla poprawy przeciwkorozyjnych właściwości no i 832 ppm ołowiu, który może być tu dla poprawy masy, jednak w większej ilości psuł by twardość, dlatego jest go mało. Przyznam się szczerze, że nigdy nie spodziewałbym się takiego wyniku !. Rozumiem, że można było ten pierścionek wykonać ze zwykłego tombaku, który jest całkowicie bezpieczny. Klienci kupując towar za śmieszne pieniądze gdzieś w Internecie mogliby uwzględnić, że to pewnie podróbka. Jednak narażanie ich na permanentny kontakt z silnie toksycznym metalem ciężkim jak kadm, to już przestępstwo !.

Rys. 15 Pierścionek kupiony w jednym z chińskich portali.

 Na powyższym zdjęciu dla porównania, obok pierścionka położyliśmy opisaną wcześniej sztabkę prawie czystego złota. Jak widać, ktoś napracował się, by wykonać tani stop jak najbardziej imitujący złoto. Prócz wyglądu sprawili także, że metal nie ciemnieje, nie koroduje, jest twardy i byłby naprawdę idealny jako tania imitacja biżuterii, gdyby nie zastosowanie toksycznego kadmu. 

Rys. 16 Łańcuszek kupiony w jednym z chińskich portali.

 Drugi przykład biżuterii zakupionej w tym samym portalu jest złoty łańcuszek, który na początku wyglądał bardzo podobnie jak pierścionek, jednak z czasem pociemniał. W tym przypadku już na samym początku było podejrzenie, że wykonany jest z tombaku. W przypadku pierścionka, ze względu na brak zmian powierzchni podejrzewaliśmy złocenie. Ten łańcuszek mimo materiału, z jakiego został wykonany, estetycznie jest również bez zarzutu.

Rys. 17 Wynik analizy składu stopu "złotego" łańcuszka.

W kwestii wyniku analizy bez zaskoczenia, wykonany został ze stopu miedzi z cynkiem i żelazem. Pozytywną informacją jest całkowity brak niebezpiecznych metali. Producent miał więcej godności, by nie produkować tak niebezpiecznych elementów biżuterii choć jego "złoto" z czasem śniedzieje. Jednak czego można było spodziewać się po produkcie za 15 zł + przesyłka ?

Na zakończenie, badaniu naszym spektrometrem poddaliśmy obrączkę naszej koleżanki z pracy, która pochwaliła się, że powstała ona z przetopionej przez złotnika biżuterii rodzinnej. 

Rys. 18 Badanie złotej obrączki.

Ze względu na brak możliwości sprawdzenia jakich metali rzeczywiście użyto do wykonywania biżuterii, często na tym polu powstają oszustwa. Mieszając różne metale można uzyskiwać podobne właściwości wizualne i mechaniczne a kupujący bądź zamawiający taką biżuterie może być tego całkowicie nieświadomy. Gdy zapytałem Googla o skalę oszustw w przemyśle złotniczym, na pierwszej pozycji dostałem artykuł o tytule:  "Co ma złota biżuteria wspólnego z parówkami - czyli nie daj się oszukać"

Rys. 19 Analiza precyzyjna danych w oparciu o krzywe kalibracyjne zawartości metali niebezpiecznych.

 W przypadku obrączki naszej koleżanki nie doszło do zafałszowania. Stop zawiera 65% złota, 14% srebra i 20% miedzi i jest zgodny ze złotem o próbie 650. W składzie znalazł się jeszcze molibden. Długo szukaliśmy informacji o powodach, dla których mógł się tam znaleźć. Trafiliśmy na stare opracowanie poświęcone protetyce i składach stopów metali. Wg. tego opracowania dodawano nieznaczne ilości molibdenu do stopów złota w celu zwiększenia ich odporności na zarysowania i ścieranie. Świadczyć to może o rzeczywiście starszym pochodzeniu tego stopu. Dodatkowo o takim pochodzeniu świadczy czystość składu, bo poza wymienionymi pierwiastkami nic więcej już tam nie ma. Dla kontrastu w wyniku badania innej obrączki stwierdziliśmy obecność toru - to złoto z pewnością pochodziło już z nowszego obiegu.

 W artykule tym chcieliśmy pokazać subtelne możliwości analityczne naszej maszyny w konfrontacji z problemami pojawiającymi się na rynku biżuterii i ogólnie, metali szlachetnych. Wysoka czułość detektora, jego rozdzielczość i fakt, że jest utrzymywany w temperaturze ciekłego azotu -196 ^oC sprawia, że możemy badać metale z naprawdę wysoką precyzją i pewnością pomiarów. Ta pewność jest niezwykle ważna, gdy badamy substancje o tak dużej wartości. Wstrzymywaliśmy się też do czasu przeprowadzenia przez autoryzowaną firmę producenta, badań sprawdzających naszej maszyny, zakończonych pełnym sukcesem. Oferta tego badania pojawi się w zakładce: Badania materiałowe - Zapraszamy.