Vad är egentligen smältkvalitet och hur mäter man det idag?

Kvalitet har blivit ett uttryck som används brett i industrin. Ett kvalitetssystem håller reda på rutiner och standarder, kvalitetschefen kontrollerar processen och produktkvalitet är ett mått på hur länge en pryl håller. Produktkvalitet är, enkelt uttryckt, de egenskaper som en produkt får efter tillverkning. För metallprodukter kan det vara egenskaper som korrosionsmotstånd, hållfasthet och ytfinhet. Konventionella mätmetoder, såsom test i korrosionskammare, dragprovning och mätning av ytjämnhet, används för att testa produkten och därefter kunna beskriva produktens egenskaper. Dessa egenskaper beror dels på processteg i tillverkningen men grunden är råvaran och hur den smälta metallen behandlas vid gjutprocessen. Detta kallar vi smältkvalitet.

För aluminium är smältproces- sen extra viktig eftersom syret i den omgivande luften reagerar med metallen och bildar oxider. Oxider påverkar egenskaperna mycket och behöver kontrolleras. Speciellt viktigt blir detta vid återvunnen aluminium, vilket i stort sett alla produkter består av, eftersom internt processkrot smälts om inom gjuteriet. Om det är lätt att mäta egenskaper i en färdig produkt så får det betraktas som mycket svårt att mäta egenskaperna i smält aluminium. Det finns en uppsjö analysmetoder för att mäta i smält metall men gemensamt för de flesta är att de är illa anpassade för industriellt bruk. Att använda smältkvalitet för processkontroll kräver att analysmetoden är robust och snabb så att man hinner korrigera i processen innan metallen gjuts. En annan viktig parameter är operatörsberoendet, där många metoder som används idag förutom smältkvalitet beror på hur testet utförs. Jag har många gånger sett hur industriella mätningar justeras för att uppnå rätt värde. Genom att hålla instrumentet på ett visst vis, eller hälla metallen på ett visst vis, eller att ta provet från en viss del av provet ger alla olika resultat. Med erfarenhet har man lärt sig att justera utfallet så att kunden blir ”nöjd”. I själva verket är det förödande både för kunden och för den egna processutvecklingen. Att förlita sig på felaktiga resultat är riktigt illa då fel beslut tas i tron att beslutet baseras på fakta. ”Faktabaserade” resultat är svåra att argumentera emot.

Temperaturmätning med termoelement

Det vanligaste analysverktyget vid kontroll av smält metall är termoelementet, vilket är ett enkelt sätt att kontrollera temperaturen. Trots enkelheten kräver temperaturmätning med termoelement att instrument underhålls och kalibreras. Vanligt förekommande är att termoelementet skyddas av ett keramiskt rör från den smälta metallen. På detta rör växer aluminiumoxider som skapar ett tjockt, isolerande skikt mellan metall och termoelement. Följden blir att temperaturmätningen inte mäter i metallen vilket kan ge mätfel på flera tiotal grader vid mätning i en aluminiumugn. Även en enkel mätmetod kan alltså vara lätt att misstolka.

Mätning av temperatur med termoelement typ K är en standardteknik. Om temperaturmätningen på grund av påbyggnad av oxider blir lägre än den verkliga temperaturen kommer ugnen dra på mer effekt och den smälta metallen bli varmare.

Ljusoptisk emissionsspektrometri (OES)

På varje gjuteri finns idag en spektrometer, eller mer korrekt OES, som används för att bestämma halten av legeringsämne och andra förekommande ämnen. Principen är att man häller upp smält aluminium i en kokill där metallen får stelna. En yta fräses ren och en ”gnista” bränns på provet i spektrometern. Inom en halv minut ges en lista över koncentrationen av de grundämnen som spektrometern mäter. Men går det att lita på resultatet? Spektrometrar är robusta instrument, men även här är underhållet och daglig instrumentkontroll avgörande för resultatet. Tekniken kräver också ett ganska djupt kunnande för det finns mycket som kan påverka provresultatet. Den största utmaningen med OES är oftast provberedningen, där den frästa ytan måste vara plan och tät. Det är lätt att tro att ett dyrt instrument som en spektrometer ska visa ”rätt” koncentrationer, men det är i själva verket ett avancerat mätredskap som kräver hög kompetens. Saknar man den djupa kunskapen får man använda experter eller helt enkelt snäva in sina gränser för legeringsämne så att man inte riskerar att hamna utanför sina specifikationer. Detta skapar å andra sidan ökade kostnader eftersom det, då och då, kommer metall som man dömer ut, även om metallen vid korrekta instrumentinställningar skulle legat inom specifikation. Det är klokt att skicka dina prover till andra aktörer inom branschen för att kontrollera hur ditt instrument mår. Sedan måste du vara medveten att det kommer tillfällen där ditt instrument visar fel, speciellt när du arbetar med skrotbaserad råvara där risken är större för ämnen som påverkar analysen av övriga ämnen.

Bilden visar ett använt OES-prov inför fräsning av provytan med 10 stycken gnistor analyserade på provet. Beroende på om du placerar gnistan mitt i provet eller i kanten av ett gjutprov kommer du få olika mätresultat. Hur provytan fräses spelar stor roll för resultatet, vilket gör provtagning och provberedning avgörande för din analys.

Reduced Pressure Test (RPT)

Vid komponentgjutning används metoder för att mäta vätgashalt i metall. De tekniker som är vanligt förekommande idag är vakuumtekniker där provet med smält metall får stelna i ett lägre tryck därav namnet RPT. Det finns direkta analysmetoder där uppstigande gasbubblor detekteras på ytan för en direkt mätning av gashalten och tekniken heter därmed ”First Bubble”. Densitetsindex är en teknik där det vakuumstelnade provet jämförs med ett prov som stelnat i luft. Densitetsskillnaden mellan de båda proven ger ett index där ett lågt värde anger mindre porositet och ett högre värde mer. Det finns också ett ”dross test” där ett större prov får stelna i vakuum och efter avkylning kapas provet och den interna porositeten i snittet analyseras visuellt. Stora porer anger mycket vätgas och oxider. Vi har tidigare i denna artikelserie berört dessa tekniker och sagt att värdena för de olika RPT beror både på vätgashalt och oxidfilmer i aluminiummetallen. I nästa nummer kommer vi in på forskarrön på detta område och om att det också spelar roll vad det är för typ av oxider. RPT kan sägas vara en indikativ analysmetod men som behöver komplement för att användas som ett mått på smältkvalitet.

Filteranalys

Analysmetoder som baseras på filtertekniker, där metallen får rinna genom ett filter, analyserar de uppfångade föroreningarna. ABB har PoDFA-metoden där ett vakuum suger den smälta metallen genom ett filter. Mängden metall som passerar innan den stelnar vägs och ger ett direkt mått på renhet. Filtret analyseras med ljusoptisk mikroskopi vilket kan ge svar på vilka föroreningar som förekommer, och i vilka koncentrationer, i metallen. Detta är speciellt bra när man vill veta vad det är för föroreningar för att kunna sätta in rätt åtgärd. ABB har också en mer sofistikerad variant med namnet ”PreFill” som levererar en graf för hur snabbt metallen flödar genom filtret, vilket kan ge information för att direkt styra processen. Precis som med PoDFA kan filtret skickas till auktoriserat laboratorium för vidare analys. Tidigare har det funnits andra filtersystem på marknaden, där många säkert kommer ihåg brännmärkena efter att använt gjuteriföreningens ”Qualiflash” där metallen som passerade filtret fyllde upp en trappa och antalet fyllda trappsteg var ett mått på kvalité. Här kan man snacka om operatörsberoende, vilket antagligen är huvudanledningen till att tekniken inte finns på marknaden mera. Gemensamt för filterteknikerna är att de ger information om fasta föroreningar och inte föroreningar som är upplösta i aluminiumet, så blanda inte samman filteranalystekniker med flytbarhetsmätningar.

Vid provtagning används ofta en slev för att hälla upp smält aluminium i provutrustningen. Beroende på vart i processen ett prov tas, beroende på slevens utformning och hur operatören häller, ges olika resultat.

Flytbarhetsanalys

Flytbarhet kan beskrivas som hur väl en smält metall flyter. Flytbarhet är temperaturberoende där en varmare metall har högre flytbarhet än en kallare. Men flytbarheten beror också på legeringsinnehållet och på fasta föroreningar. En skillnad mellan flytbarhetsmätningar och filtertekniker är att med flytbarhetsmätningar analyseras aluminiumlegeringen med dess föroreningar, och inte bara föroreningarna. Med flytbarhetsmätningar går det att korrelera till gjutfyllnadssimuleringar och flytbarhetsmätningar kan sägas vara ett mått på hur gjutprocessen kommer att prestera. Flytbarhet kan mätas på en uppsjö olika sätt. Gemensamt för tidigare versioner av flytbarhetsverktyg är att själva verktyget och handhavandet skapade stora skillnader, vilket har gjort att metallkvaliteten inte var det enda som skapade skillnader i mätresultat. Idag kan flytbarhetsverktyg tillverkas i isolerfibrer som har en mycket lägre värmeledning och därmed mindre påverkan av verktyget. Helt plötsligt är det möjligt att se effekten av smältkvalitet vilket ger ett verktyg som det går att styra processen industriellt med. Tekniken har visat sig snabb och som ger svar på om metallen behöver justeras eller går att gjuta med. Vad är nackdelen då? Precis som övriga analysmetoder som mäter på smält metall så är metoden operatörsberoende. Det kräver att den som tar prover vet hur man hanterar smält metall och att man gör på samma sätt varje gång. Det bör också nämnas att, precis som vid gjutning, påverkas flytbarheten både av partiklar och av ämnen som är lösta i metallen vilket gör att tekniken är svåranalyserad om man endast tittat på flytbarhetslängden. Men det har visat sig att andra mått från flytbarhetsmätningen har en direkt relation till oxidinnehållet. Mer om detta nästa nummer.

PoDFA är en industriell mätteknik för detektering av fasta föroreningar. Metallen hälls i en uppvärmd degel där filtret är monterat i botten. Degeln placeras i apparaten där vakuum suger metallen genom filtret och vägs. Ett mycket finmaskigt nät stoppar effektivt partiklar och andra fasta föroreningar som sedan analyseras hos externt lab.

Metall som flytet genom en flytbarhetsspiral och stelnat. Längden som metallen flyter innan den stelnar är ett mått på hur väl metallen fyller ett verktyg.

Smältkvalitet

Provtagning är ett problem för mätning av smältkvalitet där det inte är önskvärt att få olika värde beroende på operatör. Här finns mer att göra. Det finns många analystekniker som ger information om smältteknik men ingen som är heltäckande för att garantera att gjutprocessen och produktkvaliteten inte påverkas. Min övertygelse är att det behövs mer forskning men också fler industriellt anpassade produkter för att säkerställa smältkvalitet. Ju högre precision gjutprocessen kräver och ju mer återvunnen råvara som används desto viktigare blir det att kunna verifiera den smälta metallen. Tror gör man i kyrkan, som min far brukade säga.

Flytbarhetsmätningar (här LOOP från Bryne) har visat sig vara ett sätt att få processtabilitet. Eftersom återvinning skapar en varierande halt förorening som skapar processinstabilitet är flytbarhetsmätning ett sätt att exponera och korrigera detta.