XRF vs OES para aço fundido: por que o carbono é importante junto com o cromo, o níquel e o molibdênio

Um revestimento de reposição do moinho chega com um certificado de material. Um analisador portátil identifica cromo e molibdênio, e sua tela exibe uma família familiar de ligas. O elenco parece corresponder ao pedido de compra.

Isso é suficiente para liberá-lo para instalação?

Não necessariamente. Se o instrumento for um analisador portátil convencional de fluorescência de raios X, ele não mediu diretamente o carbono. O carbono pode ser um dos elementos mais importantes que controlam a dureza, a resposta ao tratamento térmico e o comportamento à fratura de um componente de desgaste de aço fundido.

Esta distinção é importante para equipamentos de mineração, cimento e agregados. Um revestimento, um componente do britador, um parafuso do revestimento ou outra peça de liga podem conter o cromo e o molibdênio esperados, embora tenham um teor de carbono inadequado, tratamento térmico incorreto ou propriedades mecânicas inadequadas.

A identificação positiva de materiais, comumente chamada de PMI, é valiosa. Contudo, um resultado de identificação de liga deve ser interpretado dentro das capacidades do instrumento e dos requisitos da especificação do material.

Este guia compara XRF portátil, espectrometria de emissão óptica de faísca e análise de combustão. Explica o que cada método pode estabelecer, o que não pode estabelecer e como os compradores podem especificar um plano prático de verificação química para componentes de aço fundido.

Por que o carbono é fundamental no aço fundido

O carbono é um elemento não metálico, mas a sua influência no aço pode ser maior do que a de vários metais adicionados deliberadamente.

Em sistemas de liga adequados, o carbono afeta:

• Dureza potencial após têmpera
• Resistência e ductilidade
• Formação de carboneto
• Comportamento de transformação
• Resposta moderada
• Soldabilidade
• Suscetibilidade a rachaduras
• O equilíbrio entre resistência à abrasão e resistência ao impacto

O teor correto de carbono depende da liga completa e da microestrutura pretendida. Um resultado de carbono mais elevado não é automaticamente melhor para um componente de desgaste.

Um revestimento fortemente impactado pode exigir um equilíbrio diferente entre dureza e tenacidade de um componente exposto principalmente à abrasão por deslizamento. A exigência de carbono deve, portanto, ser avaliada juntamente com cromo, molibdênio, manganês, níquel, tratamento térmico e condições de serviço.

Um certificado químico que mostre apenas crómio e molibdénio não pode estabelecer este equilíbrio.

O carbono não é um substituto para testes mecânicos

Mesmo quando o carbono está dentro das especificações, uma peça fundida pode ter propriedades inadequadas devido a:

• Condições de austenitização incorretas
• Resfriamento inadequado através de uma seção pesada
• Um ciclo de têmpera inadequado
• Segregação local
• Grãos grossos
• Porosidade de contração
• Inclusões não metálicas
• Estresse residual
• Têmpera rachaduras

A verificação química confirma a composição no local amostrado. Não confirma de forma independente a solidez da peça fundida, a qualidade do tratamento térmico ou a aptidão para o serviço.

O que o XRF portátil mede

A fluorescência de raios X usa uma fonte de raios X para excitar o material. O instrumento mede a fluorescência característica emitida por elementos detectáveis ​​e utiliza o espectro resultante para estimar a composição.

Os instrumentos portáteis convencionais por XRF são úteis para identificar muitos elementos de liga, incluindo cromo, níquel e molibdênio. Dependendo do instrumento, da calibração e das condições de operação, eles também podem medir elementos como manganês, cobre, cobalto, tungstênio e alguns elementos mais leves.

Sua portabilidade os torna úteis para inspeção de entrada, classificação de materiais e verificação de componentes individuais em relação às expectativas da família de ligas.

No entanto, o XRF portátil convencional não mede diretamente o carbono.

Se o grau de um material for diferenciado principalmente pelo teor de carbono, uma correspondência de grau XRF não poderá confirmar essa distinção. O nome da nota exibido é uma interpretação baseada nos elementos medidos e na biblioteca de notas do instrumento.

O nome da nota na tela não é um certificado completo

Uma função de identificação de teor normalmente compara a composição medida com limites armazenados ou padrões de referência.

Sua confiabilidade depende de:

• Quais elementos o instrumento mede
• A calibração selecionada
• O conteúdo da biblioteca de notas
• Tempo de medição
• Preparação de superfície
• Geometria de amostra
• Revestimentos ou contaminação
• Verificação do instrumento
• A semelhança das notas concorrentes

Dois aços podem ter teores semelhantes de cromo, níquel e molibdênio, mas diferentes requisitos de carbono. O instrumento pode identificar a sua família comum sem resolver a diferença baseada no carbono.

O inspetor deve, portanto, revisar os resultados elementares e as limitações do método, e não apenas o nome da classe sugerida.

O que o Spark OES mede

A espectrometria de emissão óptica de faísca, ou faísca OES, usa uma descarga elétrica para excitar uma pequena área da superfície do metal. A luz emitida é separada e analisada para determinar a composição elementar.

Com configuração adequada do instrumento, calibração, preparação de amostra e condições operacionais, o Spark OES pode medir carbono e outros elementos importantes para as especificações do aço.

ASTM E415 fornece um método para análise de carbono e aço de baixa liga por espectrometria de emissão atômica de faísca. Seu escopo inclui faixas definidas para elementos de liga e residuais.

A existência de um padrão não significa que todos os instrumentos possam analisar todos os tipos de fundição sob esse padrão. O laboratório deve confirmar que a amostra e os intervalos de composição exigidos se enquadram no âmbito validado do método.

OES de bancada e OES móvel não são arranjos de inspeção idênticos

Os instrumentos de bancada normalmente analisam amostras preparadas sob condições laboratoriais controladas. O Mobile Spark OES pode suportar testes de componentes adequados em outros locais, mas ainda requer a configuração correta do instrumento e uma superfície preparada adequada.

As considerações práticas incluem:

• Acesso ao local de teste
• Planicidade da superfície
• Remoção de incrustações e revestimentos
• Fornecimento de argônio quando necessário
• Calibração do instrumento
• Verificações de material de referência
• O tamanho do suporte de faísca ou sonda
• O efeito da descarbonetação da superfície
• Permissão para deixar uma pequena marca de teste

Uma especificação deve identificar o resultado requerido e o método aceito. Não se deve presumir que todos os equipamentos descritos como “espectrômetro” tenham as mesmas capacidades.

O que a análise de combustão adiciona

A análise de combustão é outra abordagem estabelecida para determinar carbono e enxofre.

Uma amostra preparada é queimada sob condições controladas e os gases resultantes são analisados. O procedimento requer amostragem adequada, massa de amostra, calibração e práticas de controle de qualidade.

ASTM E1019 abrange métodos para determinação de carbono, enxofre, nitrogênio e oxigênio em materiais metálicos especificados usando técnicas de combustão e fusão de gás inerte. O procedimento aplicável deve ser selecionado para o elemento e material sendo testado.

A análise de combustão é particularmente útil quando o carbono ou o enxofre necessitam de uma confirmação laboratorial acordada. Ele não fornece uma análise completa de cromo-níquel-molibdênio a partir da mesma medição de carbono/enxofre.

Para alguns pedidos, o spark OES fornece verificação de composição de rotina, enquanto a análise de combustão fornece uma confirmação acordada de carbono ou enxofre. Se ambos são necessários depende da especificação, do risco e dos requisitos analíticos.

Análise XRF, OES e Combustão Comparada

Esses métodos respondem a diferentes perguntas. Um plano de inspeção confiável combina os métodos necessários para a especificação de compra real, em vez de tratar um teste como um substituto universal.

Como carbono, cromo, níquel e molibdênio funcionam juntos

A tabela abaixo resume as funções metalúrgicas gerais. Não é uma especificação de classe ou uma recomendação para alterar uma liga existente.

A faixa de carbono apropriada deve vir do grau especificado ou de uma composição personalizada aprovada. Nunca deve ser inferido a partir dos resultados de cromo e molibdênio de um analisador portátil.

Situações comuns em que o XRF por si só é insuficiente

Revestimentos para moinhos Cr-Mo

Um resultado de XRF portátil pode apoiar a identificação da família de ligas de cromo-molibdênio. Não é possível estabelecer o teor de carbono ou confirmar se o revestimento recebeu o tratamento térmico necessário.

Para um revestimento Cr-Mo, um pacote prático de verificação pode incluir:

• Análise química térmica
• Verificação de carbono por um método apropriado
• Marcação do produto e rastreabilidade térmica
• Dureza em locais acordados
• Testes de impacto quando necessário
• Documentação de tratamento térmico
• Inspeção de superfície ou interna quando especificado

Para contexto do produto, consulte nossoPágina do revestimento do moinho SAG de aço-liga Cr-Mo.

Variantes à base de carbono dentro de uma família de ligas

Algumas distinções de qualidade dependem dos limites de carbono, mesmo quando os principais elementos de liga são semelhantes.

Se o requisito de aceitação depender do carbono, use um método compatível com carbono. Não aceite uma identificação da biblioteca de notas como prova de um elemento que não foi medido.

Evite também substituir uma designação de grau forjado por uma designação de grau de fundição simplesmente porque seus nomes ou principais elementos de liga parecem semelhantes.

Ferro branco com alto teor de cromo

O ferro branco com alto teor de cromo requer verificação de carbono, bem como de cromo e outros elementos específicos.

No entanto, ASTM E415 é um método de aço carbono e de baixa liga. Não deve ser aplicado automaticamente ao ferro branco com alto teor de cromo apenas porque ambos são materiais à base de ferro.

O laboratório deverá selecionar e validar um procedimento analítico adequado ao material, sua composição e sua condição metalúrgica.

Superfícies reparadas ou revestidas

Uma leitura no metal de solda, revestimento duro, revestimento ou superfície contaminada pode não representar a peça fundida subjacente.

Antes de testar, determine se o local de medição é:

• Metal original original
• Metal para reparo de solda
• Uma camada de desgaste depositada
• Uma superfície usinada
• Uma superfície revestida
• Uma superfície descarbonetada
• Uma região afetada por corte ou aquecimento anterior

O local do teste deve corresponder à pergunta feita.

A preparação da superfície pode determinar se um resultado é útil

Um instrumento tecnicamente capaz ainda pode produzir um resultado não representativo numa superfície inadequada.

Tinta, ferrugem, incrustações, óleo, revestimento e material abrasivo incorporado podem interferir nos testes. Superfícies ásperas também podem impedir o contato ou a vedação correta da sonda.

Para OES de faísca, a preparação da amostra deve seguir o procedimento qualificado. Considerações importantes incluem:

• Removendo a camada superficial necessária
• Evitando contaminação de ferramentas de retificação
• Preparando área plana suficiente
• Controlando o calor gerado durante a preparação
• Evitar regiões alteradas por soldagem ou corte
• Identificando possível descarbonetação superficial
• Usando materiais de referência apropriados para a amostra

A ASTM E415 observa que um desempenho melhorado é esperado quando materiais de referência e amostras têm composição e condição metalúrgica semelhantes. A preparação analítica merece, portanto, a mesma atenção que a seleção do instrumento. Consulte o escopo do método ASTM E415.

Não especifique uma profundidade de retificação arbitrária para cada peça fundida. A preparação necessária depende das condições da superfície, do histórico de fabricação e do procedimento aceito.

Amostragem: uma medição correta ainda pode não ser representativa

Um resultado pode ser analiticamente correto para a amostra testada, embora seja insuficiente para caracterizar todo o componente ou remessa.

Esta distinção é particularmente importante para peças fundidas de grande porte.

Análise de Calor

Uma amostra de análise térmica apoia a verificação do fundido associado à produção. Deve estar vinculado à peça fundida através de uma identificação de calor rastreável.

Um certificado sem uma relação confiável com o componente entregue oferece garantia limitada.

Análise do Produto

A análise do produto é realizada em material retirado de uma peça fundida ou de outro local de produto acordado.

A especificação de compra deve definir:

• Se a análise do produto é necessária
• Onde a amostra é coletada
• Quem prepara
• Qual método é usado
• Quais tolerâncias se aplicam
• Como as divergências são resolvidas

Segregação Local

As peças fundidas podem conter variação de composição associada à solidificação. Uma medição não mapeia todo o elenco.

Quando a variação local for uma preocupação, o engenheiro e o laboratório deverão chegar a acordo sobre um plano de amostragem. Fazer muitas leituras sem um plano definido não produz necessariamente uma conclusão mais representativa.

A ISO 4990 aborda requisitos técnicos gerais de entrega para peças fundidas de aço, níquel e ligas de cobalto, incluindo seleção de amostras e peças de teste. A especificação aplicável do material ou do produto continua importante ao definir a aceitação.

O que um relatório útil do PMI deve conter

Um relatório afirmando apenas “PMI aprovado” deixa questões importantes sem resposta.

Um valor que não foi medido deve ser identificado como não medido. Não deve ser exibido como zero, assumido como compatível ou omitido silenciosamente quando o elemento for necessário para aceitação.

Um fluxo de trabalho prático de inspeção de entrada

Etapa 1: revise os requisitos de compra

Confirme a revisão do desenho, a qualidade do material, a química necessária, a condição do tratamento térmico e os requisitos de inspeção.

Identifique quais elementos são essenciais para distinguir o material especificado de alternativas plausíveis.

Etapa 2: verificar a rastreabilidade

Compare as marcações da peça fundida com a lista de embalagem, certificado de material e registros de tratamento térmico.

Se a identificação estiver faltando ou for inconsistente, resolva o problema antes de confiar nos resultados analíticos.

Etapa 3: use o XRF para as perguntas que ele pode responder

Quando apropriado, use XRF portátil para verificar elementos de liga detectáveis ​​e identificar misturas óbvias de materiais.

Registre os resultados elementares e qualquer ambigüidade de nota não resolvida.

Etapa 4: verifique o carbono quando necessário

Se o carbono for necessário para confirmação ou aceitação do grau, obtenha um resultado de um método apropriado com capacidade de carbono.

Não deduza o carbono a partir da dureza, da aparência ou de uma correspondência entre classes e bibliotecas.

Etapa 5: revise outros elementos necessários

Determine se o enxofre, o fósforo, o silício ou outros elementos especificados foram medidos adequadamente pelo procedimento aceito.

A capacidade do instrumento deve ser confirmada para o material necessário e a faixa de concentração.

Etapa 6: revisar o tratamento térmico e as propriedades

Verifique dureza, impacto, tração ou outros resultados necessários. Confirme se as peças de teste e as peças fundidas de produção têm o relacionamento acordado.

Etapa 7: Resolva os Desvios Antes da Liberação

Se um resultado estiver fora dos critérios de aceitação, siga o procedimento acordado para novo teste, investigação ou eliminação.

Não calcule a média de leituras não relacionadas para fazer com que um resultado não conforme pareça aceitável.

Por que a dureza não consegue identificar o conteúdo de carbono

A dureza é afetada pela composição, microestrutura e processamento.

O mesmo aço pode ter valores de dureza muito diferentes em condições recozidas, normalizadas, temperadas ou revenidas. Diferentes ligas também podem apresentar dureza semelhante.

Portanto, a dureza não pode estabelecer exclusivamente:

• Conteúdo de carbono
• Grau de liga
• Conteúdo de cromo
• Conteúdo de molibdênio
• Resistência ao impacto
• Solidez interna

A dureza permanece valiosa quando usada para a finalidade pretendida. Um mapa de dureza pode revelar variações em uma peça fundida e ajudar a investigar a consistência do tratamento térmico.

Para obter informações básicas sobre como a geometria do revestimento e o material interagem em serviço, consulteO que é um revestimento de moinho SAG e como funciona?.

Erros comuns de inspeção

Tratando cada “espectrômetro” como equivalente

XRF e spark OES usam princípios físicos diferentes e têm capacidades diferentes. Identifique o método real no plano de inspeção.

Aceitando um nome de nota sem resultados elementares

Uma correspondência de biblioteca é uma informação de apoio útil. Não deve substituir a comparação dos valores medidos com limites especificados.

Medindo a superfície errada

Uma leitura de um reparo de solda, revestimento ou região contaminada pode responder a uma pergunta diferente daquela pretendida.

Aplicando um padrão fora do seu escopo

Um método destinado a aços carbono e de baixa liga não deve ser considerado adequado para todos os aços de alta liga, ferro branco ou fundidos não ferrosos.

Confundindo Conformidade Química com Adequação de Serviço

A química correta não estabelece que o componente tenha o formato, o tratamento térmico, a tenacidade ou o nível de aceitação de defeitos corretos.

Omitindo elementos não medidos

Se o carbono for necessário mas não for medido, o relatório deverá tornar essa lacuna visível.

Lista de verificação de RFQ para verificação química

Ao solicitar componentes em aço fundido, inclua as seguintes informações.

Produto e Material

• Desenho e revisão
• Número da peça
• Quantidade
• Classe e padrão do material
• Química personalizada aprovada, se aplicável
• Condição necessária de tratamento térmico
• Temperatura normal de operação
• Condições de impacto, abrasão e corrosão

Testes Químicos

• Elementos obrigatórios
• Faixas de aceitação e limites máximos
• Requisitos de análise térmica
• Requisitos de análise de produto
• Método com capacidade de carbono quando necessário
• Método de confirmação de enxofre quando necessário
• Locais de amostragem
• Definição de calor ou lote
• Frequência de teste
• Precisão do relatório
• Procedimentos de reteste e disputa

Inspeção de Apoio

• Faixa e locais de dureza
• Requisitos de teste de impacto
• Requisitos de teste de tração
• Requisitos metalográficos
• Métodos END e critérios de aceitação
• Inspeção dimensional
• Restrições de reparo de solda
• Certificados necessários
• Pontos de testemunha do cliente ou de terceiros

Discuta esses requisitos antes da produção. Adicionar um requisito de inspeção após a fundição e o tratamento térmico pode criar dificuldades de amostragem ou tornar o plano de qualificação original inadequado.

Responsabilidade de Segurança e Engenharia

O equipamento portátil por XRF produz radiação ionizante e deve ser operado por pessoal treinado de acordo com os requisitos de segurança contra radiação aplicáveis ​​e as instruções do fabricante.

Spark OES cria uma descarga elétrica e deixa uma pequena marca na superfície. A sua utilização requer equipamento adequado, preparação da superfície e controlo do local. Não deve ser utilizado em atmosfera potencialmente inflamável sem a necessária avaliação e autorização.

A amostragem, a trituração e o corte apresentam riscos adicionais. Nunca prepare ou teste um componente enquanto ele estiver em movimento, apoiado inadequadamente ou conectado a equipamento não controlado.

O plano de inspeção deve ser aprovado pelo pessoal responsável pela aceitação do material. Este artigo não substitui o padrão de material vigente, um procedimento de laboratório qualificado ou uma revisão de engenharia específica do equipamento.

Perguntas frequentes

Um analisador portátil por XRF convencional pode medir carbono em aço?

Não. Um analisador portátil por XRF convencional não mede diretamente o carbono. Use um método analítico adequado com capacidade de carbono quando o carbono for necessário para aceitação.

Uma correspondência de grau XRF prova que a peça fundida atende a todas as especificações do material?

Não. Suporta identificação com base nos elementos medidos. Elementos não medidos, tratamento térmico, propriedades mecânicas e solidez da peça fundida requerem consideração separada.

Spark OES é sempre a melhor escolha?

Não automaticamente. Sua adequação depende da liga, faixa analítica, instrumento, geometria da amostra, preparação e precisão necessária. O laboratório deve selecionar um método validado.

A análise de combustão pode confirmar o cromo e o molibdênio?

Um resultado de combustão de carbono/enxofre não fornece uma análise completa de cromo-molibdênio. Análise elementar adicional é necessária.

Posso usar uma classe de aço forjado como classe de fundição?

Não sem revisão de engenharia e especificações. Elementos de liga importantes semelhantes não tornam os padrões do produto ou os requisitos de processamento intercambiáveis.

Todo elenco deve receber todos os testes?

Não necessariamente. A frequência da inspeção deve seguir as especificações de compra, o padrão aplicável e o plano de aceitação baseado em risco. Defina os requisitos antes da fabricação.

Conclusão

O XRF portátil é útil para identificação de ligas e verificação de elementos de liga detectáveis. Sua limitação de carbono torna-se importante ao aceitar revestimentos de moinhos de aço fundido e outros componentes cujas propriedades dependem fortemente do carbono.

Um plano de verificação completo deve conectar:

• O grau de material especificado
• Calor rastreável e identificação do produto
• Um método analítico capaz de medir os elementos necessários
• Amostragem representativa
• Documentação de tratamento térmico
• Testes mecânicos e não destrutivos quando necessário

Para o aço fundido Cr-Mo, a confirmação do cromo e do molibdênio é apenas parte do processo de verificação do material. Carbono, elementos residuais, microestrutura e processamento também devem atender aos requisitos acordados.

Envie à EB China o desenho do componente, as condições operacionais e as especificações de inspeção para revisão. O escopo de fabricação, os métodos analíticos e os critérios de aceitação devem ser confirmados antes da cotação e produção.

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