Cómo se analiza la química de una colada de acero para herramientas

Cuatro métodos, no uno

Los elementos que definen un grado de acero para herramientas se reparten entre técnicas. Los elementos de aleación y las impurezas comunes se reportan mediante espectroscopía de emisión por chispa, que es la herramienta de trabajo de un laboratorio de acería. El carbono y el azufre se miden por combustión a alta temperatura, que es el método de referencia para esos dos elementos porque las fuentes de emisión tienen dificultades con ellos. El oxígeno, el nitrógeno y el hidrógeno se miden por fusión en gas inerte, y ningún método de emisión los alcanza. La fluorescencia de rayos X se sitúa junto a ellos como una técnica independiente que no necesita estándares para una respuesta semicuantitativa.

Los cuatro métodos que en conjunto cubren la química de una colada de acero. Recopilado de los tres artículos fuente en ASM Handbook, Volumen 10.

La consecuencia para un certificado es que sus filas provienen de métodos diferentes sobre formas de muestra diferentes, y eso es normal. Donde importa es cuando un cliente hace reverificar una de las filas. El carbono, por ejemplo, puede reportarse por emisión, por combustión o por una configuración dedicada de descarga luminiscente, y esas tres vías no tienen la misma incertidumbre.

Cómo se muestrea y analiza la colada

La emisión por chispa es la vía más rápida para un análisis elemental de un metal, y el uso que hace de ella la industria del acero explica por qué. Durante la producción de una colada, se toma una muestra del metal y se deja enfriar la muestra fundida. Se rectifica o lija una superficie plana sobre la muestra enfriada, que luego entra en la fuente de chispa sin preparación adicional. El análisis se ejecuta y el resultado vuelve directamente al horno para que las adiciones de aleación puedan ajustarse al rango. El muestreo y el análisis juntos toman unos minutos como máximo.

Esa velocidad es la razón por la que el método es confiable en el horno, y también es la razón por la que sus límites importan. La muestra forma un electrodo de la chispa y un pin de tungsteno forma el otro, por lo que el material tiene que conducir. La chispa normalmente se hace funcionar en una vaina de argón en flujo, lo que hace que la descarga se establezca de forma mucho más reproducible y reduce el área de quemado en un factor de diez en comparación con una chispa no estabilizada. La luz no se registra inmediatamente. Un período de prequemado de aproximadamente un minuto acondiciona una superficie de electrodo fresca, tras lo cual la emisión de la mayoría de los elementos permanece razonablemente constante durante los 30 segundos necesarios para registrar un espectro.

La razón de ese prequemado vale la pena conocerla, porque es el mecanismo detrás de una discrepancia que un cliente verá ocasionalmente. La emisión de un tren de chispas cambia en minutos a medida que la chispa acondiciona la superficie, un comportamiento llamado sparking-off. Su forma exacta depende de los parámetros de la chispa, la composición de la muestra, la estructura de fase de la muestra, la condición de la superficie, la atmósfera de chispeo y el área de quemado. Debido a que la composición y la estructura de fase del electrodo están entre las entradas, el resultado de emisión para un elemento depende de la matriz, y la corrección utilizada en la práctica es relacionar las intensidades de línea de los elementos menores contra una línea del hierro, el constituyente mayoritario. Eso compensa las variaciones en el muestreo y la excitación entre muestras, y conlleva una suposición. La suposición es que el elemento de referencia se muestrea y excita de la misma manera que los constituyentes menores, lo que no siempre es seguro en un acero que contiene inclusiones cuya composición difiere marcadamente de la del material base.

La calibración es donde se gana o se pierde un resultado de emisión

Nada de eso produce un número utilizable a menos que el instrumento haya sido calibrado contra estándares que coincidan estrechamente con la incógnita, tanto en composición química como en forma física. Un laboratorio que realiza análisis por chispa tiene que mantener un conjunto de estándares para cada tipo de material que analiza, y el artículo es directo en que los estándares de chispa no se producen fácilmente y generalmente tienen que comprarse, al proveedor nacional de materiales de referencia o a una empresa privada. Una colada de acero para herramientas verificada contra un estándar de acero de baja aleación se está midiendo sobre una curva que no la describe.

La espectroscopía de emisión también tiene un límite duro sobre qué elementos puede ver. El nitrógeno, el oxígeno, el hidrógeno, los halógenos y los gases nobles se enumeran como difíciles o imposibles de determinar por emisión óptica. Todo método de emisión también conlleva la misma advertencia general, que es que su respuesta depende de la matriz. Es por eso que la fila del certificado para el contenido de nitrógeno u oxígeno de un acero para herramientas no puede haber venido del mismo instrumento que la fila del cromo.

Carbono y azufre por combustión

El análisis por combustión invierte la lógica de los otros métodos. En lugar de excitar la muestra, la quema. Una muestra pesada de 1 g o menos entra en un crisol cerámico con un acelerador y se lleva a entre 1370 y 1425 °C en una corriente de oxígeno. El carbono sale como monóxido de carbono y dióxido de carbono, el azufre como dióxido de azufre, y ambos se miden por absorción infrarroja o conductividad térmica y se reportan como porcentaje del peso de la muestra. El análisis toma de 40 segundos a dos minutos una vez preparada la muestra.

Los aceleradores no son opcionales, y sus reglas de selección son lo suficientemente específicas como para ser una verificación útil de si un laboratorio sabe lo que hace.

Aceleradores de combustión y lo que aporta cada uno. Fuente, Tabla 1 de Combustión a alta temperatura, en ASM Handbook, Volumen 10.

Dos detalles adicionales deciden si una cifra baja es real. El blanco, definido como el carbono o azufre que llega de cualquier lugar distinto de la muestra, puede provenir del suministro de oxígeno, del crisol o la navecilla, y de los aceleradores, y oscila entre 0,010 y 0,0005 % según el sistema y la calidad de los consumibles. Los analizadores automáticos lo compensan, y los manuales o semiautomáticos requieren que se reste. Y la probeta debe ser homogénea, porque el método es destructivo y reporta un total para la pieza que se quemó.

Oxígeno, nitrógeno e hidrógeno por fusión en gas inerte

La fusión en gas inerte es el método para los tres gases. Una muestra de 2 g o menos se funde en un crisol de grafito, calentado a entre 2500 y 3000 °C mediante una corriente de impulso o por inducción de alta frecuencia. A esa temperatura los enlaces entre el gas y el metal se rompen, y el propio crisol aporta el carbono que capta el oxígeno. El hidrógeno y el nitrógeno salen como H₂ y N₂, el oxígeno sale como monóxido de carbono, y un gas portador inerte los arrastra hasta un detector de conductividad térmica o infrarrojo. El helio es el portador habitual para nitrógeno o nitrógeno y oxígeno, y el nitrógeno o el argón para oxígeno o hidrógeno por sí solos.

Los tres gases medidos por fusión en gas inerte, por qué entran en un acero para herramientas y qué hacen allí. Recopilado de Fusión en gas inerte, ASM Handbook, Volumen 10.

La manipulación de muestras para este ensayo tiene una regla fácil de incumplir. El material debe cortarse a medida, y el corte debe mantenerse frío específicamente para el trabajo de oxígeno e hidrógeno, porque el calentamiento durante el seccionado expulsa el hidrógeno de la muestra y oxida la superficie, y cualquiera de los dos altera la cifra. La probeta tampoco debe contaminarse con nitruros, óxidos o hidruros durante su introducción. Para un acero para herramientas, la cifra de hidrógeno es la que tiene una consecuencia en servicio, ya que el agrietamiento interno que causa el hidrógeno aparece durante el enfriamiento tras el trefilado, laminado o forjado, es decir, durante los procesos que fabricaron la barra.

Fluorescencia de rayos X como verificación independiente

La fluorescencia de rayos X funciona con un principio físico distinto al de la emisión, lo que la hace útil como segunda opinión. Mide los rayos X característicos que emite una muestra cuando se irradia, funciona con sólidos masivos, polvos, pastillas prensadas, vidrios, discos fundidos y líquidos, los resultados son semicuantitativos en muchas muestras sin ningún estándar, y sus límites de detección para trabajo en masa van desde unas pocas partes por millón hasta unas pocas decenas de partes por millón según la energía de los rayos X y la matriz.

Sus límites están igualmente bien documentados. No es adecuada para elementos por debajo del sodio en número atómico a menos que se instale equipo especial, y entonces solo hasta el carbono en el mejor de los casos, por lo que no puede ser el método detrás de una cifra de carbono en un certificado de acero para herramientas. La preparación de la muestra se describe como el paso más importante del análisis y el que se descuida con más frecuencia. La rugosidad superficial normalmente puede alcanzar 100 μm para radiación de mayor energía, pero debe reducirse a 20 o 40 μm por debajo de unos 2 keV, y los metales blandos se embadurnan por la superficie durante el pulido, lo que recubre la muestra con el elemento que se mide y devuelve un resultado alto. Un laboratorio que pule un acero con plomo o de fácil mecanización de la misma manera que pule un acero para herramientas está midiendo su propia preparación.

Una fuente de descarga luminiscente es la tercera opción para el mismo trabajo, y lo hace mejor que la chispa en dos aspectos que importan para el control rutinario. Sus curvas de trabajo son más lineales y menos dependientes de la matriz, y produce espectros más limpios con líneas más estrechas en una fuente electrónicamente más simple. En contra, necesita una muestra limpia y rectificada lo bastante plana como para mantener el vacío en la junta tórica, mientras que la chispa funciona a presión atmosférica sobre una muestra que solo se ha lijado de forma gruesa.

Qué significa esto para un pedido de acero para herramientas

La química en un certificado es un conjunto de resultados, y los elementos que deciden una calidad no se miden todos de la misma manera. El carbono, el elemento que separa un acero para herramientas de otro más que ningún otro, es una medición por combustión o una medición dedicada por descarga luminiscente, no una lectura rutinaria por chispa. El cromo, el molibdeno, el vanadio y el tungsteno provienen de la emisión. El oxígeno, el nitrógeno y el hidrógeno, que gobiernan la limpieza y el riesgo de agrietamiento interno, provienen de la fusión en gas inerte y se reportarán por separado o no se reportarán.

Así que cuando hay que verificar una composición, las dos preguntas que vale la pena hacer son qué método produjo cada fila y qué estándar se usó para calibrarlo. Los rangos de composición de las familias comunes de aceros para herramientas están tabulados en el Tabla de composición del acero para herramientas, con las fichas individuales de cada calidad en Composición del acero D2 y Composición del acero H13, y la ruta de fusión que decide hasta qué punto pueden bajar los niveles de gas e inclusiones se trata en Acero para herramientas ESR. Las calidades de metalurgia de polvos, donde una cifra de carbono es fundamental para la especificación, se recopilan en composición del acero rápido PM. Cómo se manejan los números a la salida de nuestro propio almacén se establece en Cómo controlamos la calidad del acero para herramientas, las calidades con sus rangos de composición se encuentran en trabajo frío y high speed aceros para herramientas, el catálogo está en tool steels, y una consulta sobre certificados puede dirigirse directamente a nosotros a través de página de contacto.

Fuente: ASM Handbook, Volumen 10, Materials Characterization, ASM International, 1986.