Como a Química de uma Corrida de Aço Ferramenta é Testada

Quatro métodos, não um

Os elementos que definem um grau de aço ferramenta estão distribuídos entre técnicas. Os elementos de liga e as impurezas comuns são reportados por espectroscopia de emissão por centelha, que é o cavalo de batalha de um laboratório siderúrgico. Carbono e enxofre são medidos por combustão a alta temperatura, que é o método de referência para esses dois elementos porque as fontes de emissão têm dificuldade com eles. Oxigênio, nitrogênio e hidrogênio são medidos por fusão em gás inerte, e nenhum método de emissão os alcança. A fluorescência de raios X fica ao lado como uma técnica independente que não precisa de padrões para uma resposta semiquantitativa.

Os quatro métodos que, em conjunto, cobrem a química de uma corrida de aço. Compilado dos três artigos-fonte em ASM Handbook, Volume 10.

A consequência para um certificado é que suas linhas vieram de métodos diferentes em formas de amostra diferentes, e isso é normal. Onde isso importa é quando um cliente manda reverificar uma das linhas. Carbono, por exemplo, pode ser reportado por emissão, por combustão ou por uma configuração dedicada de descarga luminescente, e essas três rotas não têm a mesma incerteza.

Como a corrida é amostrada e analisada

A emissão por centelha é a via mais rápida para uma análise elementar de um metal, e o uso que a indústria do aço faz dela explica por quê. Durante a produção de uma corrida, o metal é amostrado e a amostra fundida é deixada resfriar. Uma superfície plana é retificada ou lixada na amostra resfriada, que então entra na fonte de centelha sem preparação adicional. A análise é executada, e o resultado retorna diretamente ao forno para que as adições de liga possam ser ajustadas para a faixa. A amostragem e a análise juntas levam alguns minutos, no máximo.

Essa velocidade é a razão pela qual o método é confiável no forno, e também é a razão pela qual seus limites importam. A amostra forma um eletrodo da centelha e um pino de tungstênio forma o outro, então o material tem que conduzir. A centelha normalmente é operada em uma bainha de argônio em fluxo, o que torna a descarga muito mais reprodutível e reduz a área de queima por um fator de dez em comparação com uma centelha não estabilizada. A luz não é registrada imediatamente. Um período de pré-queima de cerca de um minuto condiciona uma superfície fresca do eletrodo, após o qual a emissão para a maioria dos elementos permanece razoavelmente constante pelos 30 segundos necessários para registrar um espectro.

A razão dessa pré-queima vale a pena conhecer, porque é o mecanismo por trás de uma discrepância que um cliente ocasionalmente verá. A emissão de um trem de centelhas muda em minutos conforme a centelha condiciona a superfície, um comportamento chamado sparking-off. Sua forma exata depende dos parâmetros da centelha, da composição da amostra, da estrutura de fase da amostra, da condição da superfície, da atmosfera de centelhamento e da área de queima. Como a composição e a estrutura de fase do eletrodo estão entre as entradas, o resultado de emissão para um elemento é dependente da matriz, e a correção usada na prática é relacionar as intensidades de linha dos elementos menores contra uma linha do ferro, o constituinte principal. Isso compensa variações de amostragem e excitação entre amostras, e carrega uma suposição consigo. A suposição é que o elemento de referência é amostrado e excitado da mesma forma que os constituintes menores, o que nem sempre é seguro em um aço que contém inclusões cuja composição difere acentuadamente do volume.

A calibração é onde um resultado de emissão se ganha ou se perde

Nada disso produz um número utilizável a menos que o instrumento tenha sido calibrado contra padrões que correspondam de perto ao desconhecido, tanto em composição química quanto em forma física. Um laboratório que realiza análise por centelha tem que manter um conjunto de padrões para cada tipo de material que analisa, e o artigo é direto ao afirmar que padrões para centelha não são facilmente produzidos e geralmente têm que ser comprados, do fornecedor nacional de materiais de referência ou de uma empresa privada. Uma corrida de aço ferramenta verificada contra um padrão de aço de baixa liga está sendo medida em uma curva que não a descreve.

A espectroscopia de emissão também tem um limite rígido sobre quais elementos consegue detectar. Nitrogênio, oxigênio, hidrogênio, os halogênios e os gases nobres são listados como difíceis ou impossíveis de determinar por emissão óptica. Todo método de emissão também carrega a mesma ressalva geral, que é o fato de sua resposta depender da matriz. É por isso que a linha do certificado para o teor de nitrogênio ou oxigênio de um aço ferramenta não pode ter vindo do mesmo instrumento que a linha do cromo.

Carbono e enxofre por combustão

A análise por combustão inverte a lógica dos outros métodos. Em vez de excitar a amostra, ela a queima. Uma amostra pesada de 1 g ou menos vai para um cadinho de cerâmica com um acelerador e é levada a entre 1370 e 1425 °C em uma corrente de oxigênio. O carbono sai como monóxido de carbono e dióxido de carbono, o enxofre como dióxido de enxofre, e ambos são medidos por absorção infravermelha ou condutividade térmica e reportados como porcentagem do peso da amostra. A análise leva de 40 segundos a dois minutos depois que a amostra é preparada.

Os aceleradores não são opcionais, e suas regras de seleção são específicas o suficiente para ser uma verificação útil de se um laboratório sabe o que está fazendo.

Aceleradores de combustão e o que cada um contribui. Fonte, Tabela 1 de Combustão em Alta Temperatura, no ASM Handbook, Volume 10.

Dois outros detalhes decidem se um valor baixo é real. O branco, definido como carbono ou enxofre proveniente de qualquer lugar que não a amostra, pode vir do suprimento de oxigênio, do cadinho ou barquinha, e dos aceleradores, e varia entre 0,010 e 0,0005 % dependendo do sistema e da qualidade dos consumíveis. Analisadores automáticos o compensam, e os manuais ou semiautomáticos exigem que seja subtraído. E o corpo de prova precisa ser homogêneo, porque o método é destrutivo e reporta um total para a peça que foi queimada.

Oxigênio, nitrogênio e hidrogênio por fusão em gás inerte

A fusão em gás inerte é o método para os três gases. Uma amostra de 2 g ou menos é fundida em cadinho de grafite, aquecida entre 2500 e 3000 °C por corrente de impulso ou por indução de alta frequência. Nessa temperatura as ligações entre o gás e o metal se rompem, e o próprio cadinho fornece o carbono que capta o oxigênio. Hidrogênio e nitrogênio saem como H₂ e N₂, o oxigênio sai como monóxido de carbono, e um gás carreador inerte os conduz a um detector de condutividade térmica ou infravermelho. Hélio é o carreador usual para nitrogênio ou nitrogênio e oxigênio, e nitrogênio ou argônio para oxigênio ou hidrogênio isoladamente.

Os três gases medidos por fusão em gás inerte, por que entram em um aço ferramenta e o que fazem ali. Compilado de Fusão em Gás Inerte, ASM Handbook, Volume 10.

O manuseio da amostra para este ensaio tem uma regra fácil de quebrar. O material tem de ser cortado no tamanho, e o corte tem de ser mantido frio especificamente para o trabalho com oxigênio e hidrogênio, porque o aquecimento durante o seccionamento expulsa o hidrogênio da amostra e oxida a superfície, e qualquer um dos dois altera o número. O corpo de prova também não deve ser contaminado com nitretos, óxidos ou hidretos na entrada. Para um aço ferramenta o valor de hidrogênio é o que tem consequência em serviço, já que a trinca interna que o hidrogênio causa aparece durante o resfriamento após trefilação, laminação ou forjamento, ou seja, durante os processos que fizeram a barra.

Fluorescência de raios X como verificação independente

A fluorescência de raios X funciona por um princípio físico diferente da emissão, o que a torna útil como segunda opinião. Ela mede os raios X característicos que uma amostra emite quando é irradiada, funciona em sólidos maciços, pós, pastilhas prensadas, vidros, discos fundidos e líquidos, os resultados são semiquantitativos em muitas amostras sem nenhum padrão, e seus limites de detecção para trabalho em massa vão de algumas partes por milhão a algumas dezenas de partes por milhão dependendo da energia dos raios X e da matriz.

Seus limites são igualmente bem documentados. Não é adequada para elementos abaixo do sódio em número atômico, a menos que equipamento especial seja instalado, e então apenas até o carbono no melhor caso, de modo que não pode ser o método por trás de um valor de carbono em um certificado de aço ferramenta. A preparação da amostra é descrita como a etapa mais importante da análise e a mais frequentemente negligenciada. A rugosidade superficial geralmente pode chegar a 100 μm para radiação de maior energia, mas tem de cair para 20 a 40 μm abaixo de cerca de 2 keV, e metais macios se espalham pela superfície durante o polimento, o que reveste a amostra com o elemento que está sendo medido e retorna um resultado alto. Um laboratório que polir um aço com chumbo ou de corte fácil da mesma forma que polir um aço ferramenta está medindo sua própria preparação.

Uma fonte de descarga incandescente é a terceira opção para a mesma tarefa, e se sai melhor que a centelha em dois pontos que importam para o controle de rotina. Suas curvas de trabalho são mais lineares e menos dependentes da matriz, e produz espectros mais limpos com linhas mais estreitas em uma fonte eletronicamente mais simples. Em contrapartida, exige uma amostra limpa e lixada plana o suficiente para manter vácuo no anel de vedação, enquanto a centelha opera à pressão atmosférica em uma amostra que foi apenas lixada grosseiramente.

O que isso significa para um pedido de aço ferramenta

A química em um certificado é um conjunto de resultados, e os elementos que decidem uma classe não são todos medidos da mesma forma. O carbono, o elemento que separa um aço ferramenta de outro mais que qualquer outro, é uma medição por combustão ou uma medição dedicada por descarga incandescente, não uma leitura de centelha de rotina. Cromo, molibdênio, vanádio e tungstênio vêm de emissão. Oxigênio, nitrogênio e hidrogênio, que governam a limpeza e o risco de trinca interna, vêm de fusão em gás inerte e serão reportados separadamente ou não serão.

Assim, quando uma composição tem de ser verificada, as duas perguntas que valem a pena fazer são qual método produziu cada linha e qual padrão foi usado para calibrá-lo. As faixas de composição para as famílias comuns de aço ferramenta estão tabeladas em Tabela de composição de aços para ferramentas, com as fichas individuais de classe em Composição de aço D2 e Composição do aço H13, e a rota de fusão que decide quão baixos podem chegar os níveis de gás e inclusão é abordada em Aço ferramenta ESR. As classes de metalurgia do pó, onde um valor de carbono é central para a especificação, estão reunidas em composição do aço rápido PM. Como os números são tratados na saída do nosso próprio armazém está exposto em como controlamos a qualidade do aço para ferramentas, os graus com suas faixas de composição estão em trabalho a frio e high speed aços ferramenta, o catálogo está em aços para ferramentas, e uma questão sobre certificado pode ser encaminhada diretamente a nós através do página de contato.

Fonte: ASM Handbook, Volume 10, Materials Characterization, ASM International, 1986.