26/15. l. Wprowadzenie ULTRADŹWIĘKOWA KONTROLA W PRODUKCJI ODLEWÓW ŻELIWNYCH. ZYCH Jerzy, FALĘCKI Zygmunt

Transkrypt

1 26/15 Solidiiikation of Metais and Alloys, No 26, 1996 Kncpoi~ie Metali i Stopów, Nr 26, 1996 PAN - Oddzial Katowice PL ISSN ULTRADŹWIĘKOWA KONTROLA W PRODUKCJI ODLEWÓW ŻELIWNYCH ZYCH Jerzy, FALĘCKI Zygmunt Wydział Odlewnictwa AGH, ul Reymonta 23, Kraków W artykule skrótowo przedstawiono wyniki badań autorów nad wykorzystaniem pomiarów ultradźwiękowych do kontroli w produkcji odlewów z żeliwa szarego. Omówiono obszary, w których wyniki zostałe wdrożone do odlewni. Dotyczy to zarówno kontroli odlewów (wytrzymałości, wykrywanie zabieleń, kontrola grubości ścianek), jak i kontroli ciekłego metalu poprzez ocenę wskażników składu chemicznego Sc i CE wysokowęglowego żeliwa szarego. l. Wprowadzenie Rozwój w zakresie budowy aparatury ultradźwiękowej sprzyja rozszerzaniu obszarów jej wykorzystania, również w odlewnictwie. We wcześniejszym okresie technika ta stosowana była głównie w klasycznej defektoskopii (wykrywanie pęknięć, jam skurczowych, itp.), aktualnie może być i jest wykorzystywana do szeregu innych celów. W produkcji odlewów żeliwnych może być wykorzystana do kontroli jakości ciekłego metalu (ocena S c i CE żeliwa nadeutektycznego, ocena skuteczności zabiegu sferoidyzacji), lub kontroli odlewów (kontrola struktury i ocena R." żeliwa szarego i sferoidalnego, wykrywanie zabieleń, kontrola grubości ścianek itp.). W produkcji odlewów żeliwnych kontrola ultradźwiękowa oparta jest na pomiarze prędkości fal w ściance odlewu lub odpowiednio przygotowanej próbce. Prędkość ta silnie powiązana jest z kształtem i ilością grafitu, słabiej z rodzajem osnowy metalowej [l,2,3 l Istnienie tych zależności stwarza z jednej strony duże możliwości wykorzystania techniki

2 128 ultradźwiękow~j dla wielu celów, z drugiej zaś, tworzy też szerokie pole potencjalnych błędów wynikających z dokonywania niewłaściwej interpretacji wyników pomiarów. W artykule prezentowane są fragmenty wieloletnich badań i przykłady wdrożeń ich wyników do procesu kontroli technologicznego kilku odlewni. 2. Badania własne 2.1. Pomiary na surowych powienchniacb odlewów W badaniach ultradźwiękowych stosowanych do kontroli jakości odlewów żeliwnych dąży się do prowadzenia pomiarów na powierzchniach surowych (nieobrobionych), bez wstępnego ich przygotowania. Obróbka powierzchni zmniejsza efektywność ekonomiczną i wydłuża czas pomiaru. Wykonywanie pomiarów na nieobrabianych powierzchniach prowadzi zawsze do uzyskiwania wyników obarczonych pewnym błędem. Wielkość tego błędu jest funkcją kilku parametrów: chropowatości powierzchni, grubości ścianki pomiarowej i warstwy (rodzaju) użytego czynnika sprzęgającego, itp.można wykazać [4], że prędkość fal, którą wyznacza się w takich pomiarach jest wartością średnią opisaną zależnościami (l)lub (2). (l) gdzie: S, - wymaczana prędkość fal [m/s), a.., -rzeczywista prędkość fal w żeliwie [m/s], X1 - grubość ścianki odlewu [m], X3 -grubość warstwy sprzęgającej [m]. aczs.- prędkość fal w ośrodku sprzęgającym [m/s], S = XI x T+2R.n.x acz.s. gdzie: T - czas przejścia przez ściankę odlewu [s], Rm.. -maksymalne wartości nierówności [m], Im większa jest grubość warstwy sprzęgającej (x3) lub większa chropowatość powierzchni (R."..) tym bardziej mierzona wartość prędkości (a,) jest "oddalona" ( mniejsza) od rzeczywistej prędkości fal (a.. 1 ) w żeliwie. Na rysunku 1 przedstawiono graficznie przebieg zaletność (l), przyjmując do obliczeń stałe wartości: a / = 4500 i 8 a.. = 1500 m/s. Z analizy zależności l i rysunku l wynika również, że przy wyznaczaniu bezwzględnych (2)

3 129 '\)'[m).> J 4500 : ~ o- x m ~ ".0.002m : " o 0.02 o.oe o.1 [m] Rys. l. Wpływ grubości ścianki odlewu x 1 wartość prędkości fal 8,. grubości warstwy sprzęgającej x 3 na mierzoną wartości prędkości fal w nieobrabianej ściance odlewu należy uwzględnić składową czasu przejścia sygnału przez warstwę sprzęgającą. Przy stałej wartości ilorazów i::. lub S::. (te same warunki pomiarów) w miarę zmniejszania się grubości ścianki odlewu składowa czasu przejścia przez warstwę sprzęgającą odgrywa coraz większą rolę. Jej pomijanie w obliczeniach prowadzi do wymaczania prędkości fal obarczonej znacznym błędem. Popełnianie błędów na etapie pomiarowym uniemożliwia często malezienie jakichkolwiek empirycmych zależności pomiędzy np. prędkością fal a strukturą odlewu. W wielu badaniach ultradźwiękowych wykorzystywana jest bezpośrednio wymaczanil prędkość 8,. Odnosi się to głównie do pomiarów mających charakter porównawczy. Z przeprowadzonej analizy wynika, że szczególnie w przypadku odlewów cienkościennych (małe x 1 ) nalety dążyć do zagwarantowania takich warunków pomiarów aby składowa x 3 przyjmowała małe wartości lub jeśli jest to trudne do osiągnięcia, grubość tej warstwy powinna być jednakowa w każdym pomiarze (x 3 = const) Wykrywanie wad strukturalnych W przypadku żeliwa szarego do najczęściej występujących wad strukturalnych zalicza s1ę zabielenia, w przypadku żeliwa ciągliwego - zaszarzenia, a w żeliwie sferoidalnym obecność w strukturze grafitu innego kształtu niż kulkowy. Prędkość fal w żeliwie, a szczególnie w żeliwie szarym, zwiększa się w miarę jak ubywa grafitu i np. pojawia się w to

4 130 miejsce wolny cementyt. Stwarza to możliwość wykrywania jego obecności. Wykrywanie całkowicie zabielonych obszarów w odlewach żeliwa szarego nie stanowi trudności (prędkość fal zbl.iia się do wartości m/s). W przypadku występowan ia zabieleń częściowych lub krawędziowych ich wykrywanie jest nieco trudniejsze (4,5]. Wartość prędkości fal w ściance odlewu częściowo zabielonego opisuje zależność (3), a rysunek 2b przedstawia, w sposób ideowy, zabielenia krawędziowe w odlewie. (3) gdzie: g, g - grubość kolejno ścianki odlewu i warstwy zabielonej [m], 9 1,9 2 -prędkość fal kolejno w warstwie szarej i zabielonej [m/s] V'Lf1łŚl \ \ \ ~~ ~ ~ r t 0.001m -t 0.002m -+-f m o.oe g[m] o.11 o/ b/ Rys. 2. a) Wpływ grubości ścianki odlewu (g) i grubości warstwy zabielonej g' na średnią prędkość fal w badanej ściance, b) szkic odlewu z zabieleniem krawędziowym. Stopień oddalenia wartości średniej prędkości 9 x od prędkości rzeczywistej w żeliwie szarym S1 przedstawia, w formie przykładu, rysunek la. Ogólny wniosek wynikający z analizy zajemości (3) i rysunku 2 to stwierdzenie, że w przypadku zabieleń krawędziowych niemożliwe jest wyznaczanie jednej wartości (tzw. krytycznej) szybkości fal, która "sygn~~wałaby" o ich pojawieniu się w strukturze odlewu. Istnieje natomiast możliwość wyznaczenia takich krytycznych wartości dla każdego, konkretnego przypadku odlewu lub jego wybranej ścianki. Wczesne wykrywanie zabieleń w odlewach jest szczególnie ważne przy

5 ich obróbce skrawaniem na automatach szybkowirujących. Nie można doprowadzać do niszczenia drogich narzędzi skrawających stosowanych w tego typu obrabiarkach. Takiej obróbce podlegają odlewy np. tarcz hamulcowych, korpusy i zawory armatury itp. Badania ultradźwiękowe prowadzi się na losowych "próbkach" - odlewach pobieranych z kolejnych wytopów, przy stwierdzeniu zabieleń w danej partii badaniom poddaje się każdy odlew. Omawiana kontrola była przedmiotem wdrożeń w dwóch odlewniach [ 5,6 ]. W każdym 131 przypadku, dla danego asortymentu odlewów wyznaczonego granicznie wartości 8 x, po wytej których odlewy podlegałyby zabrakowaniu ( 7 ]. prędkości Na podstawie pomiarów prędkości fal w różnych miejscach ścianki odlewu można również oceniać stopień jednorodności strukturalnej (i związanych z nią własności np. R.n lub HB). Niejednorodność struktwy spowodowana np. efektem brzegowym, złą konstrukcją układu wlewowego, błędną technologią itp. ujawnia się w takich pomiarach oddaleniami prędkości 9 x od wartości oczekiwanej - określonej empirycznie. Przykładem odlewów od których wymagana jest jednorodna struktura są wspomniane tarcze hamulcowe [ 6 ]. Obserwując obszar zmienności prędkości fal wyznaczanej w wybranych odlewach można nie tylko dokonywać ich selekcji ( dobre, złe ), ale również ogólnie oceniać stabilność technologiczną procesu wytwarzania odlewów w wybranym obszarze czasowym. Kontrola ' taka może stanow i ć wygodne narzędzie oceny jakości zarówno dla samego wytwórcy jak i odbiorcy odlewów. Nabywca może w prosty, nieniszczącą i szybki sposób ocenić jakość odlewów żeliwnych, pod względem ich strukturalnej jednorodności Kontrola grubości ścianek odlewów żeliwnych Kontrola grubości ścianek odlewów może sprowadzać się do wyznaczania bezwzględnych ich wartości (np. w mm) lub oceny w jakim stopniu zachowana jest jednolita grubość w obrębie całego odlewu lub jego części. W przypadku odlewów żeliwnych, wyznaczanie przy pomocy pomiarów ultradźwiękowych bezwzględnych grubości ścianek odlewu jest trudne. Dla wyznaczenia jej należałoby każdorazowo znać prędkość fal w badanej ściance odlewu. Ta z kolei jest funkcją struktwy. W przypadku odlewów z żeliwa sferoidalnego lub odlewów z żeliwa białego (przed wyżarzeniem) kontrola grubości ścianek jest łatwiejsza. Jeden i drugi gatunek poprawnie przygotowanego żeliwa charakteryzują się znacznie mniejszymi wahaniami prędkości fal. Natomiast w żeliwie szarym prędkość może się zmieniać się w szerokim zakresie od około 3900 do 5000 m/s. To istotnie utrudnia pomiar bezwzględnych grubości ścianek odlewu. Są liczne przypadki, kiedy nawet samo

6 132 stwierdzenie w sposób nieniszczący tego czy grubość ścianki odlewu jest stała (jednakowa) w wybranych miejscach jest bardzo ważną informacją. Badania tego typu dotyczą odlewów, których ścianki są najczęściej jednostronnie dostępne. Na przykład odlewy grzejników żeliwnych, odlewy armatury (korpusy), wanny kąpielowe [ 6 ]. Na każdym z tego typu odlewów wyznacza się kilka miejsc pomiarowych i przy pomocy grubościomierzy ultradźwiękowych współpracujących z głowicą sprzężoną, dokonuje pomiarów grubości ścianek. Pomiar taki ma charakter przybliżony. Wstępnie dla każdego odlewu wyznacza się średnią prędkość fal w danej ściance. Prędkość tą preyjmuje się jako stałą wartość przy pomiarach grubości. Im bardziej jednorodna jest struktura odlewu tym dokładniejszy jest pomiar grubości ścianek. Najczęściej pomiary grubości sprowadza się do kontrolowania czy grubość ścianki jest stała w obrębie odlewu [ 5,6 ]. Korzystniej jest wtedy posługiwać się wartościami względnej grubośc~ mierzonej stosunkiem grubości wyznaczonej w danym miejscu do grubości określonej w miejscu "bazowym". Dla równomiemych grubości stosunek ten oscyluje wokół wartości l Kontrola wytrzymałości żeliwa szarego Prędkość fal ultradźwiękowych w żeliwie szarym zależy głównie od ilości i wielkości wydzieleń grafitowych. Znacznie słabiej zależy od rodzaju osnowy. Z kolei wytrzymałość żeliwa zależy tak od wydzieleń grafitowych jak i od rodzaju osnowy. Dlatego opracowane empiryczne zależności typu Rm=f{S) są niejako z założenia zdane na mniejszą dokładność, słabszą korelację [ l,2,8 ]. Dlatego, dla dokładnej oceny wytrzymałości w ściance odlewu nie wystarcza pomiar samej prędkości fal. Wprowadzenie pomiaru np. twardości, jako uzupełnienie niosące informację o rodzaju osnowy ( ferrytyczna, perlityczna itd.) stwarza możliwość dokładniejszej i nadal nieniszczącej oceny wytrzymałości żeliwa w ściance odlewu. Pierwsze prace z tego obszaru wykonali autorzy [ 9 ]. Poniżej przedstawiono wyniki badań, które pozwoliły uzyskać nieco lepiej skorelowane empiryczną zależnor.ć o postaci [ 8 ] Rm = 1,8494 HB "-c -60 [MPa] (4) gdzie: A. 0 = ~- względna prędkość fal, SM 8x - prędkość fal w ściance odlewu [m/s], 8M - prędkość fal we wzorcu stalowym [m/s].

7 133 Zależność (4) charakteryzuje s1ę współczynnikiem korelacji K= 0,925, a średni błąd pojedynczego pomiaru Rm wynosi -30 MPa. Wyznaczanie wytrzymałości w ściankach odlewów żeliwnych ma charakter nieniszczący i pośpieszny. Jest i może być stosowane jako kontrola doraźna lub ciągła w zależności od wymagań odlewni lub odbion;y odlewów. Może służyć do oceny jednorodności strukturalnej, a więc i wytrzymałości w obrębie pojedynczego odlewu lub stabilności w wytwarzaniu powtarzalnie jednorodnych odlewów w całej produkcji. 2.5 Kontrola wskaźników składu chemicznego ( Sc, CE ) wysokowęgłowego żeliwa Wyznaczanie wskaźników składu chemicznego Sc i CE dla żeliwa okołoeutektycznego a zwłaszcza nadeutektycznego stanowi istotny problem dla wielu odlewni. Największe trudności występują w określeniu zawartości węgla, dotyczy to tak metod klasycznej analizy chemicznej, analizy spektralnej jak i analizy tennicznej. Pewnym rozwiązaniem tego problemu jest opracowana metoda ultraźwiękowa, w której w oparciu o pomiar prędkości fal w odpowiednio zaprojektowanej próbce można, z wystarczającą do celów technologicznych dokładością, oceniać wskaźniki składu chemicznego żeliwa szarego, wysokowęglowego [l O, 11,12 ]. Zaletą tej metody jest stosunkowo szybko uzyskiwany wynik oceny. Opracowano pełną metodykę wykonywania ultradźwiękowej oceny wartośc i wskaźników Sc i CE i wdrożono do bieżącej kontroli [ 11 l Empiryczne zależności pomiędzy prędkością fal a wskaźnikami składu mają postać : Sc = 2,2117-2, sx (5) CE = 8,1704-8, SX (6) gdzie: 9 x -prędkość fal w próbce do badań Sc, CE [m/s). Opracowana metoda kontroli Sc i CE żeliwa około i nadeutektycznego, jako metoda pośpieszna uzupełnia analizę termiczną na obszar żeliwa wysokowęglowego. Kontrola wskaźników Sc lub CE jest niezbędna dla kierowania procesem wytwarzania odlewów cienkościennych, gdzie wymagane jest ich utrzymanie w wybranym, wąskim zakresie zmienności. 3. Podsumowanie -wnioski Rozwój metod kontroli jest procesem nieuniknionym w dążeniu do podwyższenia jakości produkcji odlewów, w tym żeliwnych. Przedstawiony materiał dotyczący możliwości wykorzystania techniki ultradźwiękowej w zakresie kontroli produkcji żeliwa szarego.

8 134 Pomiary ultradźwiękowe są stosunkowo proste, a krajowy sprzęt (np. prędkościomierz typu AMEX) spełnia warunki do zastosowania w warunkach odlewni. Kontrola ultradźwiękowa może dotyczyć przygotowania ciekłego metalu (ocena Sc i CE oraz stopnia sferoidyzacji) jak i gotowych odlewów. Każdorazowo jednak należy starannie opracować metodykę pomiarów, określić ich cel i sposób prowadzenia. Przykłady obszarów zastosowania techniki ultradźwiękowej nie wyczerpują całości tematyki nawet w odniesieniu do odlewów żeliwnych, (nie obejmuje np. opracowanej i wdrożonej metodyki kontroli procesu sferoidyzacji [13,14]). Wskazują odlewów żeliwnych. kierunki, w których metoda ta jest już wdrażana dla kontroli procesu wytwarzania Kontrola ultradźwiękowa może być wykorzystywana tak przez odlewnie żeliwa jak i odbiorców odlewów dla kontroli struktury, jednorodności, właściwości i jakości. ania wad). LITERATURA [l] Zeigler R., Gernstner R.: Giemrei, t.45, (1958),18,, s.l [2] Samotny M.: Slevarenstvi, t. 14,(1966), 6, s [3] Pawlowoki Z.: Ocena wytrzymaloici materiałów kruchych metodą ultradźwiękową, W-wa, IPPT-PAN [ 4] Zych J.: Analiza wad odlewów - Wybrane zagadnienia - Laboratorium. Skrypt AGH, Nr 1354, 1993 r. [5) Falęcki Z.,Pyka M., Zych J. Praca Nauk.-Badaw. Nr AGH, Kraków 1986 [6] Falęcki Z., Zych J.: Ekopertyza Nr , AGH- Kraków 1993 r. [7] Falęcki Z., Pyka M. :, XII Sympozjum Naukowe- Wydział Odlew. AGH, Kraków 1986 [8] Zych J., Falęcki Z.: Zeozyty Naukowe AGH, Kraków, t.l7, (1991), 2, s [9) Lopez- Vazquez: 46th International Foundry Congre>, Madryt 1979 [lo] Zych J.: Prace Naukowe Instytutu Techn. Maszyn i Automat. Politechniki Wrocławokiej, (1993). 52, s [II) Zych J., Falęcki Z.: Ekspertyza Nr , AGH- Kraków 1993 r [ 12] Falęcki Z., Zych J.: Ultradźwiękowa kontrola składu chemiemego wysokowęglowego żeliwa szarego, XX Konf. Wydz. Odlew.AGH, Kraków (1995), s [13] Zych J., Falęcki Z.: Opracowanie i wdożenie do proceou technologiczjjego ultractr.viękowej metodyki kontroli feroidyzacji żeliwa w warunkach technologiemych Odlewni Żeliwa TEKSIO-FOLAND w Skoczowie" Praca Nauk.-Bad. Nr ,. AGH, Kraków (1995. [14) Zych J., F alęcki Z. Opracowanie ultradźwiękowej metodyki kontroli procesu sferoidyz.acji żeliwa w warunkach techno!. Odlewni Zeliwa "Stąporków" Praca Nauk.-Badawcza. Nr ,.. AGH Kraków \995. ULTRASONIC CONTROL IN THE PRODUCTION OF IRON CASTINGS The paper preoents the problem con erning the ultra~>onic method o f teoting of the proceos of casting. In the fint place, an analy i of the accuracy of mea urements is preoented. Then the following problemr; have been discuued:detecting ofhard stop& in casting>, the problem of the eotimation thickness of wali~> ca~>tings and temile mength in wallr; of iron car;ting, application of ultrasanic teoting for estimation of S c end CE for hypereutektic iron. The reoultl> presented are bar;ed methods introduced by the author in same Poli h foundrie..