XRF vs OES per acciaio fuso: perché il carbonio è importante insieme a cromo, nichel e molibdeno

Viene fornito un rivestimento sostitutivo con un certificato del materiale. Un analizzatore portatile identifica il cromo e il molibdeno e il suo schermo visualizza una famiglia di leghe familiari. Il casting sembra corrispondere all'ordine di acquisto.

È sufficiente per rilasciarlo per l'installazione?

Non necessariamente. Se lo strumento è un convenzionale analizzatore portatile a fluorescenza a raggi X, non ha misurato direttamente il carbonio. Il carbonio può essere uno degli elementi più importanti che controllano la durezza, la risposta al trattamento termico e il comportamento alla frattura di un componente soggetto ad usura in acciaio fuso.

Questa distinzione è importante per le attrezzature minerarie, per il cemento e per gli aggregati. Un rivestimento, un componente del frantoio, un bullone del rivestimento o un'altra parte in lega possono contenere il cromo e il molibdeno previsti pur avendo un contenuto di carbonio non idoneo, un trattamento termico errato o proprietà meccaniche inadeguate.

L'identificazione positiva del materiale, comunemente chiamata PMI, è preziosa. Tuttavia, il risultato dell'identificazione di una lega deve essere interpretato in base alle capacità dello strumento e ai requisiti delle specifiche del materiale.

Questa guida mette a confronto l'XRF portatile, la spettrometria delle emissioni ottiche a scintilla e l'analisi della combustione. Spiega cosa può stabilire ciascun metodo, cosa non può stabilire e come gli acquirenti possono specificare un piano pratico di verifica chimica per i componenti in acciaio fuso.

Perché il carbonio è fondamentale nell'acciaio fuso

Il carbonio è un elemento non metallico, ma la sua influenza sull’acciaio può essere maggiore di quella di numerosi metalli aggiunti deliberatamente.

In sistemi di leghe adatti, il carbonio influenza:

• Durezza potenziale dopo la tempra
• Resistenza e duttilità
• Formazione di carburo
• Comportamento di trasformazione
• Risposta temperante
• Saldabilità
• Suscettibilità al cracking
• L'equilibrio tra resistenza all'abrasione e resistenza agli urti

Il corretto contenuto di carbonio dipende dalla lega completa e dalla microstruttura prevista. Un risultato di carbonio più elevato non è automaticamente migliore per un componente soggetto a usura.

Un rivestimento fortemente colpito può richiedere un diverso equilibrio di durezza e tenacità rispetto a un componente esposto principalmente all'abrasione da scorrimento. Il fabbisogno di carbonio deve quindi essere valutato insieme a quello di cromo, molibdeno, manganese, nichel, trattamento termico e condizioni di servizio.

Un certificato chimico che mostri solo il cromo e il molibdeno non può stabilire questo equilibrio.

Il carbonio non è un sostituto dei test meccanici

Anche quando il carbonio rientra nelle specifiche, un pezzo fuso può avere proprietà non idonee a causa di:

• Condizioni di austenitizzazione errate
• Raffreddamento inadeguato attraverso una sezione pesante
• Un ciclo di tempera non idoneo
• Segregazione locale
• Grani grossi
• Porosità da ritiro
• Inclusioni non metalliche
• Stress residuo
• Estingui il cracking

La verifica chimica conferma la composizione nella posizione campionata. Non conferma in modo indipendente la solidità della fusione, la qualità del trattamento termico o l'idoneità al servizio.

Cosa misura l'XRF portatile

La fluorescenza a raggi X utilizza una sorgente di raggi X per eccitare il materiale. Lo strumento misura la fluorescenza caratteristica emessa dagli elementi rilevabili e utilizza lo spettro risultante per stimare la composizione.

Gli strumenti XRF portatili convenzionali sono utili per identificare molti elementi di lega, tra cui cromo, nichel e molibdeno. A seconda dello strumento, della calibrazione e delle condizioni operative, possono anche misurare elementi come manganese, rame, cobalto, tungsteno e alcuni elementi più leggeri.

La loro portabilità li rende utili per l'ispezione in entrata, lo smistamento dei materiali e il controllo dei singoli componenti rispetto alle aspettative della famiglia di leghe.

Tuttavia, l’XRF portatile convenzionale non misura direttamente il carbonio.

Se il grado di un materiale si distingue principalmente per il contenuto di carbonio, una corrispondenza del grado XRF non può confermare tale distinzione. Il nome del grado visualizzato è un'interpretazione basata sugli elementi misurati e sulla libreria dei voti dello strumento.

Un nome di grado sullo schermo non è un certificato completo

Una funzione di identificazione del grado in genere confronta la composizione misurata con i limiti memorizzati o i modelli di riferimento.

La sua affidabilità dipende da:

• Quali elementi misura lo strumento
• La calibrazione selezionata
• Il contenuto della libreria dei voti
• Tempo di misurazione
• Preparazione della superficie
• Geometria del campione
• Rivestimenti o contaminazione
• Verifica dello strumento
• La somiglianza dei gradi concorrenti

Due acciai possono avere contenuti simili di cromo, nichel e molibdeno ma requisiti di carbonio diversi. Lo strumento può identificare la loro famiglia comune senza risolvere la differenza basata sul carbonio.

L'ispettore dovrebbe quindi esaminare i risultati elementari e le limitazioni del metodo, non solo il nome del grado suggerito.

Cosa misura Spark OES

La spettrometria a emissione ottica a scintilla, o OES a scintilla, utilizza una scarica elettrica per eccitare una piccola area della superficie metallica. La luce emessa viene separata e analizzata per determinare la composizione elementare.

Con un'adeguata configurazione dello strumento, calibrazione, preparazione del campione e condizioni operative, spark OES può misurare il carbonio e altri elementi importanti per le specifiche dell'acciaio.

ASTM E415 fornisce un metodo per analizzare l'acciaio al carbonio e bassolegato mediante spettrometria di emissione atomica a scintilla. Il suo campo di applicazione comprende intervalli definiti per le leghe e gli elementi residui.

L'esistenza di uno standard non significa che ogni strumento possa analizzare ogni grado di fusione secondo quello standard. Il laboratorio deve confermare che il campione e gli intervalli di composizione richiesti rientrano nell'ambito convalidato del metodo.

Gli OES da banco e gli OES mobili non sono accordi di ispezione identici

Gli strumenti da banco normalmente analizzano i campioni preparati in condizioni di laboratorio controllate. Mobile Spark OES può supportare il test di componenti idonei in altri luoghi, ma richiede comunque la corretta configurazione dello strumento e una superficie preparata adeguata.

Le considerazioni pratiche includono:

• Accesso alla sede del test
• Planarità della superficie
• Rimozione di incrostazioni e rivestimenti
• Fornitura di argon dove richiesto
• Calibrazione dello strumento
• Controlli sui materiali di riferimento
• La dimensione del supporto o della sonda per scintille
• L'effetto della decarburazione superficiale
• Autorizzazione a lasciare un piccolo segno di prova

Una specifica dovrebbe identificare il risultato richiesto e il metodo accettato. Non si dovrebbe dare per scontato che tutte le apparecchiature descritte come “spettrometro” abbiano le stesse capacità.

Cosa aggiunge l'analisi della combustione

L'analisi della combustione è un altro approccio consolidato per la determinazione del carbonio e dello zolfo.

Un campione preparato viene bruciato in condizioni controllate e i gas risultanti vengono analizzati. La procedura richiede pratiche di campionamento, massa del campione, calibrazione e controllo qualità adeguate.

ASTM E1019 copre i metodi per determinare il carbonio, lo zolfo, l'azoto e l'ossigeno in materiali metallici specifici utilizzando tecniche di combustione e fusione di gas inerte. La procedura applicabile deve essere selezionata per l'elemento e il materiale da testare.

L'analisi della combustione è particolarmente utile quando il carbonio o lo zolfo necessitano di una conferma di laboratorio concordata. Non fornisce un'analisi completa del cromo-nichel-molibdeno dalla stessa misurazione del carbonio/zolfo.

Per alcuni ordini, Spark OES fornisce una verifica di routine della composizione mentre l'analisi della combustione fornisce una conferma concordata di carbonio o zolfo. La necessità di entrambi dipende dalle specifiche, dal rischio e dai requisiti analitici.

XRF, OES e analisi di combustione a confronto

Questi metodi rispondono a domande diverse. Un piano di ispezione affidabile combina i metodi necessari per le specifiche di acquisto effettive invece di considerare un test come un sostituto universale.

Come lavorano insieme carbonio, cromo, nichel e molibdeno

La tabella seguente riassume i ruoli metallurgici generali. Non si tratta di una specifica di qualità o di una raccomandazione per modificare una lega esistente.

La gamma di carbonio appropriata deve provenire dal grado specificato o da una composizione personalizzata approvata. Non dovrebbe mai essere dedotto dai risultati di cromo e molibdeno di un analizzatore portatile.

Situazioni comuni in cui il solo XRF è insufficiente

Liner per mulini Cr-Mo

Un risultato XRF portatile può supportare l’identificazione della famiglia delle leghe di cromo-molibdeno. Non può stabilire il contenuto di carbonio o confermare che il rivestimento abbia ricevuto il trattamento termico richiesto.

Per un rivestimento Cr-Mo, un pratico pacchetto di verifica può includere:

• Analisi chimica termica
• Verifica del carbonio con un metodo appropriato
• Marcatura del prodotto e tracciabilità termica
• Durezza nei punti concordati
• Test di impatto dove richiesto
• Documentazione sui trattamenti termici
• Ispezione superficiale o interna dove specificato

Per il contesto del prodotto, vedere il nostroRivestimento del mulino SAG in acciaio legato al Cr-Mo pagina.

Varianti a base di carbonio all'interno di una famiglia di leghe

Alcune distinzioni di grado dipendono dai limiti di carbonio anche quando i principali elementi di lega sono simili.

Se il requisito di accettazione dipende dal carbonio, utilizzare un metodo compatibile con il carbonio. Non accettare l'identificazione della biblioteca di livello come prova di un elemento che non è stato misurato.

Evitare inoltre di sostituire la designazione di grado per lavorazione plastica con una designazione di grado per fusione semplicemente perché i loro nomi o i principali elementi di lega sembrano simili.

Ferro bianco ad alto contenuto di cromo

Il ferro bianco ad alto contenuto di cromo richiede la verifica del carbonio, del cromo e di altri elementi specificati.

Tuttavia, ASTM E415 è un metodo per acciaio al carbonio e bassolegato. Non dovrebbe essere applicato automaticamente al ferro bianco ad alto contenuto di cromo semplicemente perché entrambi sono materiali a base di ferro.

Il laboratorio deve selezionare e validare una procedura analitica adeguata al materiale, alla sua composizione e alle sue condizioni metallurgiche.

Superfici riparate o rivestite

Una lettura sul metallo saldato, sul riporto duro, sulla placcatura o su una superficie contaminata potrebbe non rappresentare la fusione sottostante.

Prima del test, determinare se il luogo di misurazione è:

• Metallo genitore originale
• Metallo per riparazioni di saldature
• Uno strato di usura depositato
• Una superficie lavorata
• Una superficie rivestita
• Una superficie decarburata
• Una regione interessata da un precedente taglio o riscaldamento

Il luogo del test deve corrispondere alla domanda posta.

La preparazione della superficie può determinare se un risultato è utile

Uno strumento tecnicamente capace può ancora produrre un risultato non rappresentativo su una superficie non idonea.

Vernice, ruggine, incrostazioni, olio, placcatura e materiale abrasivo incorporato possono interferire con i test. Le superfici ruvide possono anche impedire il corretto contatto o la tenuta della sonda.

Per gli OES spark, la preparazione del campione deve seguire la procedura qualificata. Considerazioni importanti includono:

• Rimozione dello strato superficiale richiesto
• Evitare la contaminazione dovuta agli utensili di macinazione
• Preparare un'area piana sufficiente
• Controllo del calore generato durante la preparazione
• Evitare zone alterate dalla saldatura o dal taglio
• Individuazione di possibili decarburazioni superficiali
• Utilizzando materiali di riferimento adeguati al campione

ASTM E415 rileva che sono previste prestazioni migliori quando i materiali di riferimento e i campioni hanno composizione e condizioni metallurgiche simili. La preparazione analitica merita quindi la stessa attenzione della scelta dello strumento. Vedere l'ambito del metodo ASTM E415.

Non specificare una profondità di macinazione arbitraria per ogni fusione. La preparazione richiesta dipende dalle condizioni della superficie, dalla storia della produzione e dalla procedura accettata.

Campionamento: una misurazione corretta può ancora non essere rappresentativa

Un risultato può essere analiticamente corretto per il campione testato pur essendo insufficiente per caratterizzare l'intero componente o spedizione.

Questa distinzione è particolarmente importante per le grandi fusioni.

Analisi del calore

Un campione dell'analisi termica supporta la verifica della fusione associata alla produzione. Dovrebbe essere collegato alla fusione attraverso un'identificazione termica tracciabile.

Un certificato senza una relazione affidabile con il componente consegnato fornisce una garanzia limitata.

Analisi del prodotto

L'analisi del prodotto viene eseguita sul materiale prelevato da una fusione o da un'altra ubicazione del prodotto concordata.

La specifica di acquisto dovrebbe definire:

• Se è necessaria l'analisi del prodotto
• Dove viene prelevato il campione
• Chi lo prepara
• Quale metodo viene utilizzato
• Quali tolleranze si applicano
• Come vengono risolti i disaccordi

Segregazione locale

I getti possono contenere variazioni di composizione associate alla solidificazione. Una misurazione non mappa l'intera fusione.

Laddove la variazione locale costituisca un problema, l'ingegnere e il laboratorio dovrebbero concordare un piano di campionamento. Effettuare molte letture senza un piano definito non produce necessariamente una conclusione più rappresentativa.

La norma ISO 4990 affronta i requisiti tecnici generali di fornitura per i getti di leghe di acciaio, nichel e cobalto, inclusa la selezione di campioni e pezzi di prova. Le specifiche del materiale o del prodotto applicabili rimangono importanti quando si definisce l'accettazione.

Cosa dovrebbe contenere un utile rapporto PMI

Un rapporto che afferma solo "PMI superato" lascia domande importanti senza risposta.

Un valore che non è stato misurato dovrebbe essere identificato come non misurato. Non dovrebbe essere visualizzato come zero, presunto conforme o omesso silenziosamente laddove l'elemento è necessario per l'accettazione.

Un flusso di lavoro pratico per l'ispezione in entrata

Passaggio 1: rivedere i requisiti di acquisto

Confermare la revisione del disegno, la qualità del materiale, la chimica richiesta, le condizioni di trattamento termico e i requisiti di ispezione.

Identificare quali elementi sono essenziali per distinguere il materiale specificato da alternative plausibili.

Passaggio 2: verificare la tracciabilità

Confrontare i contrassegni della fusione con la lista di imballaggio, il certificato del materiale e i registri dei trattamenti termici.

Se l'identificazione manca o è incoerente, risolverla prima di fare affidamento sui risultati analitici.

Passaggio 3: utilizzare XRF per le domande a cui può rispondere

Laddove appropriato, utilizzare l'XRF portatile per controllare gli elementi di lega rilevabili e identificare evidenti mescolanze di materiali.

Registra i risultati elementari e qualsiasi ambiguità di voto irrisolta.

Passaggio 4: verificare il carbonio quando richiesto

Se è necessario il carbonio per la conferma o l'accettazione del grado, ottenere un risultato da un metodo appropriato compatibile con il carbonio.

Non dedurre il carbonio dalla durezza, dall'aspetto o da una corrispondenza nella libreria dei gradi.

Passaggio 5: rivedere gli altri elementi richiesti

Determinare se lo zolfo, il fosforo, il silicio o altri elementi specificati sono stati adeguatamente misurati mediante la procedura accettata.

La capacità dello strumento deve essere confermata per il materiale e l'intervallo di concentrazione richiesti.

Passaggio 6: rivedere il trattamento termico e le proprietà

Controllare la durezza, l'impatto, la trazione o altri risultati richiesti. Confermare che i pezzi di prova e le fusioni di produzione abbiano il rapporto concordato.

Passaggio 7: risolvere le deviazioni prima del rilascio

Se un risultato non rientra nei criteri di accettazione, seguire la procedura concordata per ripetere il test, l'indagine o lo smaltimento.

Non calcolare la media delle letture non correlate per far apparire accettabile un risultato non conforme.

Perché la durezza non può identificare il contenuto di carbonio

La durezza è influenzata dalla composizione, dalla microstruttura e dalla lavorazione.

Lo stesso acciaio può avere valori di durezza molto diversi in condizioni ricotto, normalizzato, bonificato. Anche leghe diverse possono presentare una durezza simile.

Pertanto la durezza non può stabilire in modo univoco:

• Contenuto di carbonio
• Grado di lega
• Contenuto di cromo
• Contenuto di molibdeno
• Resistenza all'impatto
• Solidità interna

La durezza rimane preziosa se utilizzata per lo scopo previsto. Una mappa della durezza può rivelare variazioni all'interno di una fusione e aiutare a studiare la consistenza del trattamento termico.

Per informazioni generali su come la geometria e il materiale del rivestimento interagiscono in servizio, vedereChe cos'è un rivestimento per mulini SAG e come funziona?.

Errori comuni di ispezione

Trattare ogni “spettrometro” come equivalente

XRF e spark OES utilizzano principi fisici diversi e hanno capacità diverse. Identificare il metodo effettivo nel piano di ispezione.

Accettare un nome di grado senza risultati elementari

Una corrispondenza della libreria è un'utile informazione di supporto. Non dovrebbe sostituire il confronto dei valori misurati con i limiti specificati.

Misurare la superficie sbagliata

Una lettura da una riparazione di saldatura, da un rivestimento o da una regione contaminata può rispondere a una domanda diversa da quella prevista.

Applicazione di una norma al di fuori del suo ambito

Un metodo destinato agli acciai al carbonio e bassolegati non dovrebbe essere considerato adatto a tutti i getti di acciaio altolegato, ferro bianco o non ferrosi.

Confondere la conformità chimica con l'idoneità al servizio

Una chimica corretta non stabilisce che il componente abbia la forma, il trattamento termico, la tenacità o il livello di accettazione dei difetti corretti.

Omissione di elementi non misurati

Se il carbonio è necessario ma non misurato, il rapporto dovrebbe rendere visibile tale divario.

Lista di controllo RFQ per la verifica chimica

Quando si richiedono componenti in acciaio fuso, includere le seguenti informazioni.

Prodotto e materiale

• Disegno e revisione
• Numero di parte
• Quantità
• Grado e standard del materiale
• Prodotti chimici personalizzati approvati, se applicabile
• Condizione di trattamento termico richiesta
• Temperatura operativa normale
• Condizioni di impatto, abrasione e corrosione

Test chimici

• Elementi richiesti
• Intervalli di accettazione e limiti massimi
• Requisiti dell'analisi termica
• Requisiti di analisi del prodotto
• Metodo compatibile con il carbonio dove necessario
• Metodo di conferma dello zolfo ove richiesto
• Luoghi di campionamento
• Definizione di calore o lotto
• Frequenza di prova
• Precisione del reporting
• Procedure di nuovo test e controversia

Supporto all'ispezione

• Intervallo di durezza e posizioni
• Requisiti delle prove di impatto
• Requisiti della prova di trazione
• Requisiti metallografici
• Metodi NDT e criteri di accettazione
• Controllo dimensionale
• Restrizioni sulla riparazione delle saldature
• Certificati richiesti
• Punti di testimonianza di clienti o terze parti

Discutere questi requisiti prima della produzione. L'aggiunta di un requisito di ispezione dopo la fusione e il trattamento termico può creare difficoltà di campionamento o rendere inadatto il piano di qualificazione originale.

Responsabilità di sicurezza e ingegneria

Le apparecchiature XRF portatili producono radiazioni ionizzanti e devono essere utilizzate da personale addestrato in conformità ai requisiti di sicurezza dalle radiazioni applicabili e alle istruzioni del produttore.

Spark OES crea una scarica elettrica e lascia un piccolo segno sulla superficie. Il suo utilizzo richiede attrezzature idonee, preparazione della superficie e controlli di cantiere. Non deve essere utilizzato in un'atmosfera potenzialmente infiammabile senza la necessaria valutazione e autorizzazione.

Il campionamento, la macinazione e il taglio introducono ulteriori rischi. Non preparare o testare mai un componente mentre è in movimento, non adeguatamente supportato o collegato ad apparecchiature non controllate.

Il piano di ispezione deve essere approvato dal personale responsabile dell'accettazione del materiale. Questo articolo non sostituisce lo standard applicabile sui materiali, una procedura di laboratorio qualificato o una revisione tecnica specifica dell'apparecchiatura.

Domande frequenti

Un analizzatore XRF portatile convenzionale può misurare il carbonio nell’acciaio?

No. Un analizzatore XRF portatile convenzionale non misura direttamente il carbonio. Utilizzare un metodo analitico idoneo al carbonio quando è necessario il carbonio per l'accettazione.

La corrispondenza del grado XRF dimostra che la fusione soddisfa l'intera specifica del materiale?

No. Supporta l'identificazione basata sugli elementi misurati. Elementi non misurati, trattamento termico, proprietà meccaniche e solidità della fusione richiedono una considerazione separata.

Spark OES è sempre la scelta migliore?

Non automaticamente. La sua idoneità dipende dalla lega, dall'intervallo analitico, dallo strumento, dalla geometria del campione, dalla preparazione e dall'accuratezza richiesta. Il laboratorio dovrebbe selezionare un metodo validato.

L'analisi della combustione può confermare la presenza di cromo e molibdeno?

Un risultato della combustione di carbonio/zolfo non fornisce un'analisi completa del cromo-molibdeno. È necessaria un'ulteriore analisi elementare.

Posso utilizzare un grado di acciaio battuto come grado di fusione?

Non senza revisione ingegneristica e delle specifiche. Principali elementi di lega simili non rendono intercambiabili gli standard di prodotto o i requisiti di lavorazione.

Ogni casting deve ricevere ogni test?

Non necessariamente. La frequenza delle ispezioni deve seguire le specifiche di acquisto, gli standard applicabili e il piano di accettazione basato sul rischio. Definire i requisiti prima della produzione.

Conclusione

L'XRF portatile è utile per l'identificazione delle leghe e il controllo degli elementi di lega rilevabili. La sua limitazione del carbonio diventa importante quando si accettano camicie di laminatoi in acciaio fuso e altri componenti le cui proprietà dipendono fortemente dal carbonio.

Un piano di verifica completo dovrebbe collegare:

• Il grado del materiale specificato
• Calore tracciabile e identificazione del prodotto
• Un metodo analitico in grado di misurare gli elementi richiesti
• Campionamento rappresentativo
• Documentazione sui trattamenti termici
• Prove meccaniche e non distruttive ove richiesto

Per l'acciaio fuso Cr-Mo, la conferma del cromo e del molibdeno è solo una parte del processo di verifica del materiale. Anche il carbonio, gli elementi residui, la microstruttura e la lavorazione devono corrispondere ai requisiti concordati.

Invia a EB China il disegno dei componenti, le condizioni operative e le specifiche di ispezione per la revisione. L'ambito di produzione, i metodi analitici e i criteri di accettazione devono essere confermati prima del preventivo e della produzione.

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