Comprensión y selección de una tecnología de verificación de materiales

Cuando un envío de materia prima aparece en el muelle de recepción de un fabricante, ¿es suficiente leer la documentación para identificar el material? Tal vez lo sea, y tal vez no lo sea. El uso de una herramienta portátil de identificación de aleaciones es una forma rápida de verificar la composición química de los metales. Thermo Fisher Scientific

En un día cualquiera, un taller de fabricación típico trata con un puñado de materiales: aceros al carbono, aceros inoxidables, aleaciones de aluminio, tal vez incluso magnesio de vez en cuando. La documentación adjunta identifica el material, pero ¿cómo determina un fabricante si realmente recibió lo que ordenó? En muchos casos, sería beneficioso determinar si el metal enviado coincide con el informe de prueba de material (MTR). Para hacer esto sin enviar el material a un laboratorio de pruebas, los fabricantes pueden usar dispositivos de análisis elemental.

La tecnología de análisis elemental ha recorrido un largo camino desde los días en que los fabricantes de metales tenían que depender de pruebas de laboratorio costosas y lentas o pruebas rudimentarias de chispas o ácidos para la verificación de materiales. Los avances tecnológicos permiten que los instrumentos portátiles lleven a cabo procesos analíticos, lo que significa que el análisis elemental de grado de laboratorio ahora se puede realizar en segundos directamente en el taller. Esta capacidad ayuda a mitigar los riesgos y mejora en gran medida la productividad.

Puede ser difícil diferenciar entre las técnicas disponibles (fluorescencia de rayos X (XRF), espectroscopia de descomposición inducida por láser (LIBS) y espectroscopia de emisión óptica (OES)) y determinar cuál es la óptima para una aplicación determinada.

XRF, una prueba no destructiva, irradia una muestra de metal con rayos X de alta energía producidos por un tubo de rayos X en miniatura en el instrumento. Esto hace que los átomos de la muestra emitan rayos X secundarios (o fluorescentes) que son exclusivos de los elementos presentes en la muestra. El detector del instrumento mide y analiza los rayos X secundarios para determinar su identidad química y su concentración en el metal bajo prueba. Esta capacidad hace que XRF sea útil para el análisis cualitativo y cuantitativo de la composición del material.

Los instrumentos OES envían un pulso eléctrico de alto voltaje para excitar los átomos en una muestra. Luego, la muestra descarga una chispa de arco que puede medirse y analizarse con un espectrómetro en la unidad OES. A partir de ahí, el sistema OES determina la composición química de la muestra que se está analizando.

Los analizadores LIBS someten a ablación la superficie de la muestra con un láser altamente enfocado, que produce un plasma de átomos e iones excitados. A medida que estos átomos comienzan a decaer a sus estados fundamentales, emiten longitudes de onda de luz que son únicas para cada elemento, que son analizadas por un espectrómetro en el dispositivo LIBS. Al igual que con XRF, el análisis LIBS se puede utilizar tanto para mediciones cuantitativas como cualitativas.

OES y LIBS son mínimamente destructivos. Dejan una pequeña marca de quemado en la muestra.

Los fabricantes de metal deben tener en cuenta varias consideraciones al elegir una tecnología, incluida la portabilidad, la velocidad y la facilidad de uso.

La portabilidad puede tener un impacto sustancial en la productividad. Afortunadamente, tanto los analizadores LIBS como XRF son livianos y portátiles. Esto significa que el análisis se puede realizar fácilmente en casi cualquier lugar de una tienda o almacén, incluso en áreas de difícil acceso. OES es una tecnología móvil, pero no es portátil. Requiere un carrito de empuje que puede ser difícil de maniobrar en áreas de trabajo confinadas. Los analizadores LIBS más avanzados de la actualidad pesan tan solo 6 libras. (2,9 kg), mientras que un OES móvil puede pesar hasta 80 libras. (36 kg).

Con respecto a la velocidad de uso, los principales factores involucran la configuración y el mantenimiento del instrumento, la preparación de muestras y la velocidad de análisis.

De las tres tecnologías, XRF es la más fácil de usar. Es un dispositivo de apuntar y disparar que no requiere configuración ni mantenimiento diarios. La configuración de LIBS es relativamente mínima y requiere un proceso de dos pasos que demora aproximadamente 10 minutos. La configuración diaria de OES requiere varios pasos y tarda entre 15 y 20 minutos en completarse. Los instrumentos LIBS y OES requieren una limpieza regular.

Se requiere la preparación de muestras cuando se utilizan OES y LIBS. Pequeñas cantidades de contaminantes, como grasa, pintura o incluso oxidación, pueden interferir con la prueba y producir resultados poco confiables. La preparación de la muestra implica limpiar y moler un área de prueba en el metal, normalmente de 1 pulgada cuadrada. Alternativamente, XRF rara vez requiere preparación de muestras.

Según el material que se esté analizando, los analizadores LIBS y OES avanzados pueden analizar la mayoría de las muestras en aproximadamente 10 segundos. Esto incluye material en el que el contenido de carbono es de interés.

Un analizador XRF, para la mayoría de los materiales, puede brindar una identificación y una composición química válida para muchos tipos de aleaciones en tres a cinco segundos. Sin embargo, esto no incluye el análisis de carbono y el tiempo de análisis podría aumentar ligeramente para otros elementos ligeros presentes en la aleación. La diferencia entre varios segundos se suma cuando el fabricante considera que pueden ser necesarias varias lecturas o múltiples muestras (o varias lecturas de varias muestras), lo que demuestra por qué elegir la tecnología correcta es fundamental para la aplicación específica del operador.

Los fabricantes de metales deben pensar en algo más que la productividad al elegir un analizador elemental. Una consideración clave es hacer coincidir las capacidades analíticas de la tecnología con la aplicación.

Metales bajos en carbono. LIBS es extremadamente útil para diferenciar entre varias aleaciones y cuantificar las concentraciones de carbono en aceros al carbono, aceros de baja aleación y aceros inoxidables, incluidos los aceros inoxidables de grado L (que indican bajo contenido de carbono). LIBS también puede detectar aluminio, cromo, cobre, hierro, manganeso, molibdeno, níquel, silicio, titanio, vanadio, tungsteno, equivalencia de carbono y pseudoelementos.

Nuevas Aleaciones de Aluminio y Magnesio. Los nuevos grados livianos de aleaciones de aluminio y magnesio ahora se están utilizando en la fabricación de automóviles para hacer que los automóviles sean más eficientes en combustible. Los marcos y componentes automotrices se fabrican con grados de aleación específicos que tienen especificaciones estrictamente controladas para los elementos de aleación. Las propiedades del material son tan específicas que incluso ligeras variaciones de la especificación pueden hacer que las piezas sean defectuosas, por lo que los analizadores elementales son esenciales para la verificación del material de estos componentes terminados.

La introducción de la tecnología del detector de deriva de silicio (SDD) en los instrumentos XRF portátiles ha producido mejoras significativas en el rendimiento con respecto a las capacidades XRF tradicionales, lo que les permite identificar estos tipos de aleaciones de manera positiva. Vale la pena señalar que algunos dispositivos LIBS en el mercado actual también son capaces de analizar elementos livianos como el aluminio, mientras que las unidades más avanzadas están dedicadas al análisis del contenido de carbono. Además de OES, LIBS es la única técnica analítica capaz de detectar carbono, incluso en niveles bajos.

Al considerar LIBS y XRF en esta aplicación, es importante recordar que, si bien LIBS es el más rápido de los dos para analizar aleaciones de aluminio, XRF tiene la capacidad de analizar una amplia gama de tipos de aleaciones de forma no destructiva.

Aplicaciones aeroespaciales. XRF y LIBS son técnicas complementarias que pueden proporcionar el análisis y la verificación necesarios para la gama completa de aleaciones aeroespaciales. En la fabricación aeroespacial, las piezas deben fabricarse con la aleación precisa de acuerdo con las especificaciones de ingeniería. Esto es necesario para garantizar que exhiban una alta resistencia y una alta resistencia a la corrosión a las temperaturas más altas a las que se ponen en uso.

Química, Grado y Espesor del Recubrimiento. XRF no solo proporciona una química rápida y una verificación de grado de las materias primas entrantes y los productos finales, sino que también se puede utilizar para el análisis de composición y las mediciones de espesor de los revestimientos de aleación.

En la fabricación aeroespacial, por ejemplo, esta tecnología puede analizar los recubrimientos de las piezas del motor y otros componentes, lo cual es necesario para ayudar a proteger contra daños a corto y largo plazo por el uso exigente a altas temperaturas. Esta capacidad se puede utilizar para garantizar el control de calidad y que el costoso material de revestimiento no se desperdicie ni se aplique de forma insuficiente.

A medida que la industria continúa globalizándose, muchos fabricantes compran cada vez más material del extranjero y de nuevos proveedores con los que no han trabajado anteriormente. Los proveedores sin experiencia o poco confiables a veces intentan reducir los costos al no realizar una identificación positiva del material o al utilizar un laboratorio de pruebas externo para verificar el material que envían. Desafortunadamente, los MTR no siempre son precisos, por lo que es necesario un enfoque de "confiar pero verificar" para confirmar la composición química de la aleación.

En tales situaciones, la tecnología analítica entra en juego. Al realizar la debida diligencia, los fabricantes pueden estar seguros de proteger su reputación y su negocio al realizar ellos mismos estas pruebas en el sitio.

James Stachowiak es gerente de ventas técnicas de Thermo Fisher Scientific, 168 Third Ave., Waltham, MA 02451, 800-678-5599, corporate.thermofisher.com.