16. Näytteenottolaitteet ja analysointi Raimo Keskinen Peka Niemi - Tampereen ammattiopisto Sulasta otetaan näytteitä sulatus- ja valuprosessin eri vaiheissa. Näytteet otetaan sula-analyysin oikeellisuuden tarkastamiseksi tai sulan mahdollista muokkaamista varten. Jos mitataan termoelementtilämpömittarilla lämpötilan alenemista sulassa alieutektisessa raudassa, saadaan käyrään kaksi pysähtymiskohtaa, joissa lämpötilan aleneminen hidastuu tai pysähtyy hetkeksi kokonaan, kuva 1. Ensimmäinen pysähdyskohta vastaa alkavaa austeniittista kiteytymistä. Siinä mitatun ns. likviduslämpötilan korkeus riippuu raudan koostumuksesta, joka puolestaan määrää raudan CE liq -arvon seuraavan yhtälön mukaan: CE liq = C % + 1/4 Si % + 1/2 P % Toinen pysähtymiskohta jäähtymiskäyrässä vastaa eutektista kiteytymistä. Myös tämä lämpötila on riippuvainen raudan koostumuksesta, mutta käytännössä harmaa valurauta ei jähmety tietyssä lämpötilassa, vaan laajemmalla lämpötila-alueella johtuen sen taipumuksesta alijäähtymiseen. Alijäähtymisen suuruus voi olla 20-30 C riippuen lähinnä raudassa olevien kiteytymisytimien määrästä. Tästä syystä toisen pysähtymiskohdan lämpötila ei tarkoin vastaa jotain tiettyä koostumusta eikä sitä voida käyttää apuna raudan koostumusta määritettäessä. Käytännössä esiintyvillä tavanomaisilla valuraudoilla on eutektinen jähmettymisalue tavallisesti alueella 1140-1160 C. Jos alieutektinen rauta jähmettyy valkoisena, on toista pysähtymiskohtaa vastaava ns. soliduslämpötila tarkka ja tietyssä suhteessa raudan koostumukseen. Raudan CE sol -arvon määrää tällöin yhtälö: CE sol = C % + 1/9 Si % + 1/3,5 P % Raudan jähmettyminen valkoisena tapahtuu alueella 1100-1140 C. Edellä esitetyn perusteella on voitu kehittää termisiä analyysimenetelmiä, jotka riittävän tarkkoina ja nopeina sopivat hyvin valurautasulattojen käytön valvontaan. 16. 1 Ekvivalenttimittari Ohjeelliset hiili- ja piipitoisuudet voidaan ensisulasta analysoida raudan likvidus- ja soliduskäyrien lämpötiloihin perustuvalla ekvivalenttimittarilla. Tämä analysointimenetelmä (ns. hiilikuppimenetelmä) on tarkin selvästi alieutektisilla koostumuksilla. Valimot ovat useissa tapauksissa kiinnostuneita vain CE-arvosta, sillä sen avulla voidaan 11.11.2011 Raimo Keskinen, Pekka Niemi Näytteenottolaitteet ja analysointi - 1
tasaisessa tuotannossa tietyllä tarkkuudella valvoa valukappaleiden kovuuden ja murtolujuuden tasoa, työstettävyyttä, ymppäyksen tehoa jne. Laitteeseen kuuluu jalusta, jonka yläpäähän kiinnitetään vaihdettava keernahiekasta valmistettu muotti. Muotin sisällä on termoelementti, joka yhdistyy mittariin. Tutkittava rauta kaadetaan muottiin. Alieutektisen raudan ollessa kysymyksessä saadaan ylempi pysähtymiskohta tarkoin mitattua ja mittarit näyttävät myös suoraan CE-arvon. Eutektisilla ja ylieutektisilla raudoilla ei ole ylempää pysähdyskohtaa ollenkaan, joten niiden CE- arvoa ei tällä mittausjärjestelmällä voida määrittää. Valettaessa tällaisia rautoja voidaan menetelmällä kuitenkin valvoa, ettei niiden koostumus ole liukunut alieutektiselle alueelle. Jos CE- arvon lisäksi halutaan tietää joko hiili- tai piipitoisuus, on jompikumpi ensin analysoitava jollain muulla menetelmällä. Tämän jälkeen on toinen helposti laskettavissa. 16. 2 Polttoanalyysit Polttamalla näytettä voidaan määrittää nopeasti mm. hiili- ja rikkipitoisuudet. Tällaisia polttoanalyysejä varten on saatavissa Leco-laitteita, jotka ilmoittavat analyysitulokset suoraan numeroarvoina. Menetelmässä asetetaan tutkittava näyte polttokammioon. Kammio, johon voidaan aikaan saada 1450 C:een lämpötila, täyttyy analysoitaessa hapella. Hapen vaikutuksesta palaminen käynnistyy, jolloin hiili ja rikki hapettuvat muodostaen hiilidioksidia CO 2 ja rikkidioksidia SO 2. Mittaamalla syntyvien kaasujen määrät laite pystyy ilmoittamaan tarkasti hiilen ja rikin pitoisuudet muutamassa minuutissa. Kuva. Piirrokseen on merkitty kaavamaisesti muutamien alkuaineiden tärkeimpien spektriviivojen sijaintipaikat. 11.11.2011 Raimo Keskinen, Pekka Niemi Näytteenottolaitteet ja analysointi - 2
16. 3 Spektrometri Luotettavat ja nopeat analyysit saadaan optisella spektrometrilla. Analyysinäyte otetaan sulasta rautakauhalla ja valetaan kuparikokilliin, koska hiilen analysointia varten on raudan jäähdyttävä valkoisena. Kuva. Näytteen otto Kuva. Kauhanäyte kokilliin Kuva. Näyte Spektraalianalyysi perustuu säteilyn hajautumiseen spektriksi. Näkyvä valo hajautuu prismassa värispektriksi aallonpituuksien mukaan siten, että pitkäaaltoisin punainen valo taittuu vähiten ja lyhytaaltoisin violetti valo taittuu eniten. Ultravioletin valon hajautuminen tapahtuu samaan tapaan (kuva alla) Kuva. Viivaspektrin muodostuminen ultravioletin säteilyn hajautuessa prismassa. Kukin alkuaine lähettää höyrystyessään säteilyä yhdellä tai useammalla aallonpituudella. Näyte sijoitetaan näytekammioon, jossa sitä höyrystetään valokaaren avulla. Syntyvä 11.11.2011 Raimo Keskinen, Pekka Niemi Näytteenottolaitteet ja analysointi - 3
ultraviolettisäteily johdetaan linssin kautta tyhjökammioon, jossa ultravioletti säteily voi edetä ilman sitä häiritsemättä. Säteily kulkee tarkennusraon kautta hilalevylle. Hilasta kunkin alkuaineen säteily heijastuu tietyssä kulmassa valitun aallonpituuden mukaan tarkennusraon kautta valokennolle. Röntgenspektrometrit toimivat samaan tapaan kuin optiset spektrometrit, mutta ne analysoivat näytteen lähettämää röntgensäteilyä. Nykyaikaisella spektrometrillä voidaan analysoida haluttaessa useita kymmeniä alkuaineita kustakin näytteestä. Tulos saadaan suoraan prosentteina. Analyysin korjausohjeet ja seosainelisäykset kilomäärineen saadaan jos panoksen koko on ennakolta ohjelmaan merkitty. Analyysin selvittäminen spektrometrillä kestää muutamia minuutteja. Valtaosa ajasta kuluu näytekappaleen valamiseen, jäähdyttämiseen, katkaisemiseen ja hiomiseen. Tämän jälkeen näyte jäähdytetään ja siitä leikataan näytepala, jonka koko on määritelty valimokohtaisesti. Normaalisti tämä riittää, sekä näytepalan puhdistus riittää analyysin saamiseen. Kuva. Näyte sahataan Kuva. Sahattu näytepala hiotaan Tarvittaessa näyte hiotaan useampaan kertaan eri karkeusasteilla ja puhdistetaan puhdistusaineilla. Joissakin analyysilaitteissa tarvitaan hieman enemmän näytepalan puhdistamista, kuten kuvissa esitetään. 11.11.2011 Raimo Keskinen, Pekka Niemi Näytteenottolaitteet ja analysointi - 4
Kuva. Karkea hionta Kuva. Hienompi hiointa Kuva. Hienoin hiointa Kuvat. Näytepalaa hiotaan eri karkeuksilla olevilla hiomapapereilla Kuva: Näytteen pesu Kuva: spektrometri Kuva. Spektrometri Kuvat. Näyte voidaan tarvittaessa puhdistaa kuten ennen analyysin ottamista. Analyysi otetaan Kuva. Materiaalikohtainen analyysin kalibrointipala Analysaattori, jolla analyysi tutkitaan, on kalibroitava säännöllisesti valimon tai laitteen toimittajan ohjeiden mukaan. Lisäksi teräsvaluissa otetaan myös näyte erityisellä pipetillä. Tällä voidaan määritellä vetypitoisuus, koska näin saadaan näyte otettua ilman että se joutuu ilman kanssa tekemisiin. 11.11.2011 Raimo Keskinen, Pekka Niemi Näytteenottolaitteet ja analysointi - 5
Kuva. Optinen spektrometri oheislaitteineen. Analyysitulokset on suoraan luettavissa tietokoneen näytöltä. 16.4 Hieen valmistus Sula-analyysiä voidaan tarvita tutkia tarkemmin ja silloin on mikroskooppista tarkastelua varten tehtävä näyte. Näytteenvalmistus ja optinen mikroskopia Kaikelle näytteenvalmistukselle on yhteistä Näyte tulee valita siten että se on edustava eli kuvaa tutkittavaa rakennetta Näytteen irrotus ja valmistus ei saa muuttaa tutkittavaa asiaa varo kuumentamasta arkoja näytteitä usein näyte valmistetaan asteittain niin että edellisen työvaiheen aiheuttamat muutokset poistetaan seuraavassa työvaiheessa Näytettä valmistettaessa tulee siis tietää sekä mitä tutkitaan että miten tutkitaan Hieenvalmistus = hionta + kiillotus + syövytys 11.11.2011 Raimo Keskinen, Pekka Niemi Näytteenottolaitteet ja analysointi - 6
Optisen mikroskoopin syvyysterävyys on hyvin pieni, näin ollen tutkitaan tasomaisia näytteitä eli hieitä. Hionta aloitetaan SiC- vesihiomapapereilla ensin karhealla paperilla (grit 80/180) edetään hienompiin papereihin (grit 320, 800, 1200) ja jatketaan hiontaa kunnes edellisen vaiheen hiontajäljet poistuvat käännetään näytettä 90 siirryttäessä paperilta toiselle Hionnan jälkeen kiillotus Al 2 O 3 -laikalla (tai timanttilaikalla) 1200 Grit SiC paperin jälkeen siirrytään kiillotuslaikalle laikka on samettipyörä, johon lisätään hiovia Al 2 O 3 partikkeleita veteen sekoitettuna kiillotusta jatketaan, kunnes näyte on peilikirkas näytettä pyöritetään jatkuvasti kiillotuksen aikana 11.11.2011 Raimo Keskinen, Pekka Niemi Näytteenottolaitteet ja analysointi - 7
Virheitä hieen valmistuksessa Naarmuja Kärsimättömyys, kuluneet paperit Defomaatiota Liikaa voimaa, kuluneet paperit Läppäysjälkiä Liian vähäinen huuhtelu Irronneita sulkeumia Liikaa voimaa Komeettoja Näytteen pyöritys! Tarttunut hiontapartikkeli Pehmeä näyte 11.11.2011 Raimo Keskinen, Pekka Niemi Näytteenottolaitteet ja analysointi - 8
16.5 Syövytys Kiillotettu pinta on mikroskoopissa valkoinen jotkut sulkeumat näkyvät ilman kiillotusta Mikrorakenne saadaan esiin syövyttämällä raerajat yms. syöpyvät helpommin kuin materiaali syöpyneet kohdat näkyvät tummina eri syövytteillä saadaan erilaisia asioita näkyviin (ja eri lailla) jos näytettä on syövytetty liian vähän, eivät halutut yksityiskohdat erotu jos näytettä on syövytetty liikaa, se näyttää sinistyneeltä ja halutut yksityiskohdat peittyvät muun syöpymän joukkoon 16.6 Elektrolyyttinen kiillotus Pehmeitä materiaaleja on vaikea kiillottaa mekaanisesti (esim. Al, Sn,..) Mekaaninen kiillotus hidasta ja synnyttää helposti naarmuja Elektrolyyttisessä kiillotuksessa syöpyminen ohjataan sähkövirran avulla kohdistumaan pinnan huippuihin Koska huiput syöpyvät voimakkaammin, pinta kiillottuu Joissain tapauksissa syöpyminen on myös erilaista eri faasien välillä - erillistä syövytystä ei tarvita 11.11.2011 Raimo Keskinen, Pekka Niemi Näytteenottolaitteet ja analysointi - 9