Pomiar XPS składu chemicznego warstwy wierzchniej powstałej na stali austenitycznej AISI 316L SS po elektrochemicznym polerowaniu w polu magnetycznym

W pracy przedstawiono możliwość wykorzystania metody XPS do analizy warstwy wierzchniej powstałej po elektrochemicznym polerowaniu w polu magnetycznym. Pokazano wynik XPS dla energii wiązania w przedziale od 0 do 1100 eV, celem wykrycia pierwiastków w warstwie wierzchniej. Przeprowadzono również badania XPS wysokiej rozdzielczości dla żelaza (Fe2p), chromu (Cr2p), molibdenu (Mo3d), siarki (S2p), fosforu (P2p) celem zaprezentowania możliwości analizy stanu chemicznego, jak i analizy ilościowej. Badania wykazały, że w warstwie wierzchniej powstałej po elektrochemicznym polerowaniu przy gęstości prądu 100 A/dm2 w polu magnetycznym o natężeniu 350 mT na powierzchni znajduje się więcej chromu (~10%) niż żelaza (~4%) oraz bardzo duża ilość tlenu (~72%). Widoczne piki w widmie XPS reprezentujące fosfor (~7%) siarkę (~5%) mogą świadczyć o obecności w warstwie wierzchniej zarówno fosforanów jak i siarczanów żelaza i/lub chromu. Wykryte zostały również piki odpowiadające magnezowi (~1%) oraz molibdenu (~1%). Chrom znajdujący się w warstwie wierzchniej najczęściej występuje w związkach chemicznych takich jak tlenki (CrO2), wodorotlenki (Cr(OH)3), fosforany (CrPO4 + noH2O) i siarczany (Cr2(SO4)3+ noH2O). Natomiast żelazo najczęściej występuje w tlenkach (Fe3O4, FeO, Fe2O3), wodorotlenkach FeOOH, fosforanach (FePO4 + noH2O, Fe3(PO4)2+ noH2O) oraz siarczanach (Fe2(SO4)3+ noH2O, FeSO4+ noH2O). Większość manganu znajdującego się w warstwie wierzchniej znajduje się na drugim stopniu utlenienia (Mn2+), a molibden na piątym (Mo5+) i szóstym (Mo6+) stopniu utlenienia.

X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) is a quantitative spectroscopic technique that measures elemental composition, empirical formula and chemical state of surface. In XPS analysis, a sample is placed in an ultrahigh vacuum environment and exposed to a low-energy X-ray source. The X-ray excitation causes emission of photoelectrons from atomic shells of the elements present on the surface. The energy of these electrons is characteristic of the element from which it is emitted. The area under peaks in the spectrum is a measure of the relative amount of each element present, and the shape and position of the peaks reflect the chemical state for each element. XPS experiments were performed in an ultra-high-vacuum system with a base pressure of about 10-10 mbar. XPS measurements were taken using a SES2002 electron energy analyzer in conjunction with a monochromatized Al K? (h? = 1486.6 eV) X-ray source (Gammadata-Scienta). A total resolution of about 0.6 eV was obtained for the presented spectra. The spectra were recorded in normal emission. The binding energy of the spectrometer is calibrated by the position of the Fermi level on a clean metallic sample. The power supplies must be stable and of high accuracy. The Fermi level is determined by the work function of the electron energy analyzer and does not vary from sample to sample. In this paper the XPS method was used to find chemical composition of austenitic stainless steel AISI 316L surface electrochemically polished in a magnetic field. The samples for XPS measurements were prepared by mechanical polishing (water abrasive paper 60) and after it by electrochemical polishing in magnetic field (i=100 A/dm2, B=350 mT). Experiments were carried out in an electrolyte of 10% water content and the ratio of H2SO4 to H3PO4 equal to 4:6. The electrolyte temperature was within the range 65 š 5 oC and the processing time was about 3 min. The results show that after electrochemical polishing in a magnetic field there is more chromium (~10%) than iron (~4%) and big amount of oxygen (~72%) on the surface. There are visible peaks of phosphorus (~7%) and sulphur (~5%) in the XPS spectrum. There were also detected peaks of manganese (~1%) and molybdenum (~1%). Chromium in the surface layer occurs most frequently in oxides (CrO2), hydroxides (Cr(OH)3), chromium phosphates (CrPO4 + noH2O) and chromium sulphates (Cr2(SO4)3+ noH2O). Iron occurrs most frequently in oxides (Fe3O4, FeO, Fe2O3), hydroxides CrOOH, iron phosphates (FePO4 + noH2O, Fe3(PO4)2) and iron sulphates (Fe2(SO4)3+ noH2O, FeSO4+ noH2O). The main oxidation state of manganese in its compounds is +2 (Mn2+) and of molybdenum are +5 (Mo5+) and +6 sixth (Mo6+).