Control de calidad en cables de acero con espectrometría

El alambre de acero se utiliza en aplicaciones exigentes y críticas para la seguridad. En este artículo, explicamos cómo se está desarrollando la tecnología OES para garantizar que se cumplan las especificaciones de cables exigentes.

A primera vista, el alambre de acero parece ordinario. Y muchas de las aplicaciones para él también son comunes, como cercas de eslabones de cadena, resortes y clavos humildes. Pero mire más de cerca y verá que el alambre de acero es cualquier cosa menos común y corriente. Gran parte se utiliza para aplicaciones aeroespaciales y automotrices exigentes y críticas para la seguridad, como válvulas en motores o dentro de reposacabezas. Una aplicación muy común con la que todos estamos familiarizados es el refuerzo de alambre en los neumáticos de los automóviles. El alambre debe cumplir con una especificación muy exacta; Elegido para ser fuerte y, al mismo tiempo, respaldar las especificaciones del neumático con respecto al rendimiento de manejo y la economía de combustible. Verificar las propiedades del material y la composición del alambre es una parte importante del proceso de producción.

Producción de alambre de acero

Antes de discutir el análisis del alambre, es útil poner el proceso en contexto, echando un vistazo rápido a cómo se fabrica el alambre de acero:

Laminación
La chatarra reciclada se funde para formar una palanquilla cuadrada, que se lamina en un laminador para reducir la sección transversal. Luego, el laminado continúa dentro de un molino intermedio hasta que el alambre de acero alcanza el tamaño especificado. Para los neumáticos, esto suele ser de 5,5 mm de diámetro. El alambre se enfría antes de pasar a la siguiente fase de producción.

Tratamiento
La siguiente etapa en la producción son los tratamientos, como el recocido y el decapado. El recocido es el calentamiento y enfriamiento del alambre siguiendo un perfil específico de temperatura frente a tiempo. Esto cambia las características físicas del alambre, principalmente aumentando la ductilidad y reduciendo la dureza; un paso esencial ya que el alambre estará sujeto a otros procesos, como la conformación o el mecanizado. El decapado es un tratamiento químico en el que el óxido superficial no deseado se elimina mediante disolución en ácido. Estos tratamientos dependen de la especificación de la aplicación final.

Análisis
Es en este punto que se prueba el cable para verificar que funcione como se espera y cumpla con los criterios especificados antes del envío. De cada anillo se corta una pieza y se envía al laboratorio para su análisis. Por lo general, las pruebas se realizan para determinar la calidad de la superficie, el tamaño y la forma, la resistencia a la tracción, la descarburación y la composición química. La composición química tiene una gran influencia en el rendimiento del alambre.

¿Por qué el análisis de chispas OES?

Determinar la composición química le brinda el grado de acero básico e información crítica sobre otros elementos presentes que pueden afectar el rendimiento del alambre durante su vida útil. Por ejemplo, el análisis del alambre destinado a usarse en llantas necesitaría mostrar que efectivamente es acero con alto contenido de carbono y verificar las cantidades exactas de otros elementos, como silicio, manganeso, fósforo y azufre. No todos los métodos de análisis pueden detectar estos elementos a niveles muy bajos, por lo tanto, OES es el estándar de la industria.

OES puede medir una amplia gama de elementos y concentraciones. Es extremadamente preciso cuando mide niveles bajos de elementos vagabundos y trazas y es excelente para brindar información confiable de grado L de acero inoxidable. Es la única tecnología que puede medir el contenido de nitrógeno en aceros inoxidables dúplex y austeníticos.

En un nivel más práctico, OES es rápido y el equipo moderno es relativamente económico de operar y fácil de usar. La preparación de muestras es simple y se pueden probar muchos componentes diferentes, incluidos cables, tubos, pernos y placas.

¿Cómo funciona OES?

OES es una tecnología de análisis espectral, lo que significa que funciona detectando el espectro de radiación específico emitido por un material cuando se le aplica energía. El espectro resultante le dice qué material está presente.

Al calentar un área diminuta de la muestra, el material se vaporizará. Esto afecta a los átomos del material, que luego emiten luz de longitudes de onda específicas. Cada elemento emite un patrón específico de radiación y la tecnología de detección del instrumento puede “leer” el espectro para identificar qué elementos están presentes.

En una muestra metálica del mundo real, cada elemento tiene un espectro complejo de muchas longitudes de onda de luz, lo que da lugar a un conjunto enormemente complicado de espectros emitidos. Hay tres componentes críticos del espectrómetro de emisión óptica que funcionan para brindar resultados precisos:

Generador de chispas que alberga un electrodo conectado a una fuente de alto voltaje dentro de una atmósfera de argón. La aplicación del soporte de chispa a la muestra de metal produce una descarga eléctrica de alto voltaje que vaporiza el metal.
Sistema óptico que alberga el espectrómetro. La luz emitida por los átomos dentro de la muestra se derrama en longitudes de onda individuales (usando una rejilla de difracción), que luego pasa al detector. Este detector mide la intensidad de la luz para cada longitud de onda.
El software del instrumento interpreta las miles de señales del detector para identificar qué elementos están presentes en la muestra analizada. La comparación adicional de los límites de detección con los niveles de referencia calibrados permite que el software le diga qué cantidad de cada elemento está presente.
Ahora que entendemos cómo funciona OES y los componentes del instrumento, podemos analizar los desafíos de la técnica para el análisis de alambre de acero y cómo se están superando con los avances en la tecnología OES.

¿Por qué es tan complicado el análisis de cables OES?

El problema de obtener lecturas precisas de OES del cable de acero es ridículamente simple: el diámetro del cable de acero es más pequeño que la apertura del espacio de chispa.

En un escenario de medición ideal, la abertura al final del soporte de chispa que alberga el electrodo de chispa está completamente cubierta por la superficie metálica que se va a medir. Esto asegura que no entre aire en la cámara del soporte de chispa llena de argón. No desea aire en la cámara por dos razones principales:

Obtendrá oxidación de la superficie del metal tan pronto como se vaporice, lo que significa que estará analizando el óxido, en lugar del metal básico.
¿Recuerda cómo el detector capta las longitudes de onda de la luz emitida por la muestra vaporizada? Algunos de los elementos más críticos para el análisis de cables, como el carbono, el fósforo, el azufre y el boro, emiten luz en el rango UV. El aire absorbe la luz ultravioleta, por lo que si tiene aire dentro de su cámara de chispas, la radiación ultravioleta emitida por su muestra se reabsorbe antes de que tenga la posibilidad de ser captada por el detector y su análisis no detectará estos elementos o mostrará sus concentraciones sean demasiado bajas. Esto hará que rechace un cable perfectamente bueno o, peor aún, que pase un cable que no cumpla con las especificaciones.

Obtención de resultados OES precisos para alambre de acero delgado
Los instrumentos OES modernos como FOUNDRY-MASTER Smart y la serie OE de Hitachi High-Tech están superando este problema con el análisis de alambre delgado de dos maneras. En primer lugar, la abertura de la cámara de chispas se hace más pequeña con el uso de adaptadores especiales que se ajustan al diámetro específico del cable.

Esto ciertamente ayuda, pero sigue siendo un trabajo complicado colocar el pequeño cabezal del analizador exactamente en el lugar correcto del cable. Y el hecho de que el cable sea redondo hace que sea difícil obtener un sello perfecto entre la cabeza de la chispa y la superficie del cable. Entonces, la segunda medida es evitar que entre aire en la cámara de la chispa, incluso si la cabeza de la chispa está expuesta a la atmósfera. Esto se logra con una tecnología de flujo laminar especial que dirige un flujo suave de argón alrededor del electrodo, lo que protege al plasma de los efectos negativos del aire que ingresa a la cámara del soporte de la chispa.

Esto hace que analizar cables, incluso con especificaciones de neumáticos de hasta 5,5 mm, sea un ejercicio sencillo. En primer lugar, se corta un trozo de alambre de un nuevo lote del anillo recocido y se muele la superficie para garantizar una superficie limpia y no contaminada para el análisis. El adaptador correcto para el diámetro del cable se coloca en la cabeza de chispa y el cable se sujeta en su lugar en el adaptador. También se debe seleccionar el programa correspondiente para el diámetro de alambre correcto en el software del instrumento para garantizar la precisión. Si el análisis está dentro de las tolerancias de la especificación, entonces se pueden medir los otros anillos del lote.

100% control de calidad

OES es el mejor método para analizar cables de acero destinados a aplicaciones críticas para la seguridad. Con los métodos de medición correctos y el uso de la tecnología adecuada, puede superar el desafío de las mediciones de alambre y obtener resultados precisos para cada anillo de alambre de acero que envíe.