Wady wyrobów metalowych

Transkrypt

1 Wady wyrobów metalowych Marta Wojas Urząd Dozoru Technicznego 1. WSTĘP Wiadomości o wyrobach metalowych, procesach ich wytwarzania oraz wadach mogących występować w wyrobach są niesłychanie istotnym obszarem wiedzy niezbędnej dla osób wykonujących każdy rodzaj badań nieniszczących. Celem badań nieniszczących jest ocena jakości wyrobów, na podstawie której wyroby dopuszczane są do stosowania, eksploatacji. Jednak to nie kontrola tworzy jakość. Istotny wpływ na jakość wyrobów ma projektowanie, materiały, procesy technologiczne wytwarzania i ich przebieg oraz rodzaj i stan zastosowanych urządzeń produkcyjnych i oprzyrządowania. Materiał, z którego wytwarzany jest wyrób musi posiadać odpowiednie własności użytkowe po wykonaniu, np. odpowiednią żaroodporność, odporność na ścieranie itp. Ważne także są własności materiału, które pozwalają na wytworzenie z niego w drodze przeróbki technologicznej wyrób bez pogorszenia w istotny sposób jego cech użytkowych. Znajomość tych danych pozwala na świadome i rzetelne wykrywanie wad w wyrobach i ocenę ich jakości. Wykonanie badań powinno być oparte co najmniej o informacje o rodzaju wyrobu i jego przeznaczeniu, rodzaju i własnościach materiału, z którego został wytworzony, procesie technologicznym wytwarzania i oczywiście o wymagania jakościowe kryteria odbioru, akceptacji. Na tej podstawie możliwe jest określenie spodziewanych wad oraz miejsc ich występowania. Daje to podstawy do zaplanowania odpowiednich badań - metod i technik, obszarów badania, doboru odpowiedniego wyposażenia badawczego i parametrów badania. Tak przeprowadzone badania pozwalają nie tylko na wykrycie wad, ale także określenie przyczyn ich powstawania i wyeliminowanie tych przyczyn w procesach wytwarzania i eksploatacji wyrobów. Wadą, na użytek niniejszego referatu, jest niespełnienie wymagania czyli niespełnienie potrzeby lub oczekiwania, które zostało ustalone, przyjęte zwyczajowo (przez wytwórców i klientów) lub jest obowiązkowe (wynika z prawa), odnoszące się do zamierzonego lub wyspecyfikowanego użytkowania wyrobu. W niniejszym referacie pod pojęciem wyrobu rozumiane są te produkty wytwarzania, które norma PN-EN 473:2002 podaje w załączniku A, a więc: 1) odlewy (c), 2) odkuwki (f), 3) wyroby spawane (w), 4) rury różnych średnic i wyroby płaskie do wytwarzania rur spawanych (t), 5) wyroby przerabiane plastycznie (wp). 1

2 2. GŁÓWNE MATERIAŁY I TECHNOLOGIE WYTWARZANIA WYROBÓW METALOWYCH [1] Materiały Najczęściej stosowanymi na wyroby metalowe są stopy żelaza i metali nieżelaznych, głównie miedzi, aluminium, ołowiu i cyny. Istotny wpływ mają postać i stan materiału oraz jego skład chemiczny. Postać materiału zależy od rodzaju uzyskanego kształtu przez odlanie lub ostatnią przeróbkę plastyczną, a zatem można rozróżnić postać laną, kutą, walcowaną, ciągnioną itd. Stan materiału zależy od rodzaju uzyskanej struktury w czasie ostatniej zastosowanej obróbki cieplnej. Można wyróżnić stan normalizowany, zmiękczony, ulepszony cieplnie itd. Metale z zasady nie są wykorzystywane w postaci czystej chemicznie jako surowiec do przetwarzania, lecz jako stopy. Wprowadzone celowo pierwiastki stopowe poprawiają własności wytrzymałościowe, poprawiają własności technologiczne lub polepszają odporność na korozję, żaroodporność, żarowytrzymałość itp. Np. na wzrost własności wytrzymałościowych stali (wytrzymałość na rozciąganie, granica plastyczności i twardość) największy wpływ mają przede wszystkim krzem i mangan oraz, w mniejszym stopniu, nikiel, chrom, molibden i wanad. Na własności technologiczne maja wpływ: mangan, który poprawia kowalność i spawalność, chrom poprawia odporność na ścieranie. W stopach miedzi istotne znaczenie ma cynk, nikiel i cyna, które wpływają dodatnio na własności mechaniczne, szczególnie wytrzymałościowe, z nieznacznym pogorszeniem własności plastycznych. Wśród stopów aluminium zastosowanie znajdują stopy z różnymi pierwiastkami poprawiającymi własności użytkowe aluminium, jak np. miedź, krzem, magnez, cynk, mangan i nikiel, gdzie wykorzystuje się optymalny wpływ poszczególnych pierwiastków na własności stopu. Stopy niskotopliwe cyny i ołowiu znajdują zastosowanie jako stopy zawierające oprócz Sn i Pb, kadm Cd i bizmut Bi (np. stop Wood a: Pb 26,7 %, Sn 13,3 %, Cd 10 %, Bi 50 %). Stopy łożyskowe cynowe i ołowiowe spełniają wiele, często wręcz sprzecznych wymagań. Dzieje się tak za sprawą ich wielofazowej struktury, złożonej z twardych ziarn i miękkiego, plastycznego podłoża. Znajomość tych zależności oraz znajomość własności są istotnymi elementami wiedzy osób wykonujących badania nieniszczące Technologie Do głównych procesów produkcyjnych wyrobów metalowych w niniejszej pracy zaliczono przeróbkę plastyczną, odlewanie, spajanie oraz obróbkę cieplną. Przeróbka plastyczna stopu polega na nadawaniu kształtu wyrobu poprzez odkształcenie, a więc możliwa jest, gdy stop ten posiada odpowiednie własności plastyczne, tzw. wskaźniki plastyczności, tj, wydłużenie względne oraz przewężenie po zerwaniu w statycznej próbie rozciągania, udarność przy złamaniu próbki z karbem w próbie udarowego zginania oraz stosunek R e / R m. W przeciwnym przypadku wystąpią uszkodzenia, przerwy ciągłości i tym samym pogorszenie własności użytkowych albo wręcz ich uniemożliwienie. Odlewanie polega na przeprowadzeniu ciekłego tworzywa ( metalu lub innego materiału) przez układ wlewowy do wnęki formy, w której krzepnie uzyskując żądany kształt. Stąd jasno wynika, jakie głównie własności powinien posiadać stop surowiec do produkcji odlewów; mianowicie odpowiednią lejność czyli zdolność do odpowiedniego wypełniania formy. Na uzyskanie odpowiedniego kształtu i własności wyrobu odlewanego wpływ oczywiście także inne czynniki zewnętrzne. 2

3 Spajanie metali rozumiane jako spawanie, zgrzewanie, lutowanie itp., odbywa się z udziałem wysokich temperatur, które mogą mieć istotny wpływ na jakość i własności użytkowe wyrobu. Także obróbka cieplna w podwyższonych i wysokich temperaturach, nieprawidłowo przeprowadzona niszczy strukturę i wprowadza naprężenia pogarszające jakość i własności użytkowe wyrobu. W wyniku omówionych procesów technologicznych prowadzących do uzyskania żądanych własności użytkowych wyrobów, mogą wystąpić w nich naprężenia własne, niezależne od przyłożonych naprężeń zewnętrznych. W zależności od rodzaju i mechanizmu procesu technologicznego różne własności materiału mają decydujący wpływ na wielkość i rozkład tych naprężeń. 3. WADY WYROBÓW [1]. Pierwszym etapem wytwarzania wyrobów metalowych jest wytop, którego produktem jest wlewek będący półproduktem do dalszych procesów technologicznych. Uzyskanie wlewka o cechach niezgodnych ze stawianymi mu wymaganiami wiąże się z powstawaniem wad w wyrobach, dla których wlewek ten stanowi półwyrób [2],[9]. Główne wady występujące we wlewku to pęcherze gazowe (rys.1a -wskutek niedostatecznego stopnia odtlenienia stali strefa pęcherzy przybrzeżnych występuje na całej prawie wysokości wlewka przy powierzchni i 1b), które mogą występować jako pęcherze wewnętrzne, podskórne lub powierzchniowe, nakłucia i ospowatość, jama usadowa (rys.1d - przy nadmiernym odtlenieniu otrzymuje się wlewek stali uspokojonej z jamą usadową w górnej części) i rzadzizna, wtrącenia niemetaliczne (rys.2), segregacja - niejednorodność chemiczna, transkrystalizacja (rys.3) i pęknięcia. Każda z nich może w istotny sposób wpłynąć na rodzaj wad wyrobów. Np. pęcherze gazowe lub pozostałości jamy usadowej powstałe w procesie krzepnięcia wlewka, podczas przeróbki plastycznej, szczególnie walcowania na gorąco, powinny ulec zgrzaniu. Nie całkowicie zgrzane na skutek zbyt małych nacisków lub nieodpowiedniej temperatury - powodują rozwarstwienia (rys.4), które mogą być niebezpieczne przy obciążeniach poprzecznych (prostopadłych) do grubości. W przypadku kucia otwierają się one i w skrajnym przypadku mogą eliminować wlewek z dalszej przeróbki. Wtrącenia niemetaliczne w postaci na ogół tlenków, siarczków, krzemianów i azotków oraz drobin żużla, wymurówki pieca itp., w procesach przeróbki plastycznej (walcowania i kucia) odkształcają się. Siarczki i tlenki żelaza i manganu tworząc nitki (rys.5), tlenki aluminium rozdrabniają się tworząc łańcuszki, zaś krzemiany pozostają niezmienione. Nitki (pasmowość) wtrąceń może być przyczyną lamelarnych pęknięć w blasze. Transkrystalizacja polegająca na rozroście strefy występowania kryształów słupkowych bywa przyczyną pęknięć w narożach podczas przeróbki plastycznej W wyrobach mogą wystąpić wady na powierzchni i/lub w ich wnętrzu. Występują więc wady kształtu, np. wypchnięcie odlewu (rys.6) i wymiarów, wady powierzchni, np. strup na powierzchni odlewu (rys.7) oraz wady wewnętrzne, np. jama skurczowa w odlewie (rys.8). Przyczyną powstawania wad powierzchni wyrobów, podobnie jak odchyleń kształtu i wymiarów od wymagań norm, specyfikacji lub wymagań klienta, są zwykle błędy popełnione w procesie technologicznym. Każdy jego etap może być przyczyną innych wad. Wady wewnętrzne to brak ciągłości wewnętrznej wyrobów oraz niejednorodność chemiczna i strukturalna. W czasie procesów i zabiegów cieplnych także powstają wady kształtu i wymiarów oraz pęknięcia hartownicze, nieodpowiedni stan powierzchni, niewłaściwa struktura, a także niezgodne z wymaganiami własności mechaniczne lub fizyczne. Większość z nich spowodowana jest niewłaściwie dobranymi warunkami zabiegów cieplnych, niekiedy niekorzystnym kształtem wyrobu lub niewłaściwym materiałem. 3

4 Wady kształtów i wymiarów są skutkiem odkształceń następujących podczas nagrzewania, kiedy pod wpływem naprężeń wywołanych nierównomierną zmianą objętości na powierzchni i w rdzeniu materiału. Pęknięcia hartownicze występują głównie w przypadku szybkiego nagrzewania lub chłodzenia wyrobu i następują w momencie, gdy naprężenia wewnętrzne osiągną wartość przekraczającą wytrzymałość materiału w danej temperaturze. Nieodpowiedni stan powierzchni wyrobów po obróbce cieplnej jest skutkiem prowadzenia procesu bez zabezpieczenia powierzchni przez negatywnymi skutkami oddziaływania środowiska, w którym wyrób jest nagrzewany lub chłodzony. Wady strukturalne i ściśle związane z nimi niewłaściwe własności mechaniczne i fizykochemiczne są skutkiem niewłaściwie przeprowadzonego procesu obróbki cieplnej. Najistotniejsze znaczenie ma dobór temperatury wygrzewania, szybkość nagrzewania i chłodzenia, czas wygrzewania oraz atmosfera pieca i ośrodek chłodzący. Wyroby obrabiane cieplnie poddawane są często obróbce przez szlifowanie, wykańczającej lub w celu usunięcia warstw utlenionych / odwęglonych. Bywa to źródłem tzw. pęknięć szlifierskich. Wady powstające w złączach spajanych są wynikiem błędów i odstępstw podczas procesu spajania oraz obróbki cieplnej. Jeśli proces spawania podzielić na etapy, to w każdym etapie występują elementy mające istotny wpływ na jakość złącza spajanego. Jakość wyrobów jest najczęściej sprecyzowana w postaci klas, poziomów jakości i znormalizowana, co zdecydowanie ułatwia ich ocenę i założenie wymaganych kryteriów akceptacji. 4. Wady eksploatacyjne [2], [3]. Wady wyrobów mają istotny wpływ na ich własności użytkowe i żywotność w warunkach eksploatacji. Rodzaj, stan i postać wyrobu stosowanego do budowy aparatury, konstrukcji itd., dobierane są w oparciu o założenia technologiczne eksploatacji. Zależnie od tych wymagań określane są kryteria akceptacji wyrobu. Wady powstające w wyrobach podczas eksploatacji mają swoje źródło najczęściej w niewłaściwie dobranych pod względem własności użytkowych elementach konstrukcyjnych, ale także w ich jakości, jakości projektowania i wykonania aparatury / konstrukcji oraz nie przestrzeganiu założonych reżimów technologicznych eksploatacji. Wśród wielu przyczyn uszkodzeń eksploatacyjnych wyróżnić należy zmęczenie, którego istota polega na zmianach zachodzących w metalu pod wpływem zmiennych naprężeń lub odkształceń, co jest źródłem obniżenia wytrzymałości i trwałości, a ostatecznie pęknięć. W bardzo wielu dziedzinach eksploatacji, np. w chemii, energetyce, lotnictwie, kosmonautyce, problemem są procesy wysokotemperaturowego niszczenia. Procesy te zależne są od temperatury, naprężeń i czasu eksploatacji i należy wśród nich wymienić pełzanie, zmęczenie mechaniczne i zmęczenie cieplne, z którymi mogą niekiedy współistnieć procesy korozji. Korozja jako proces niszczenia materiałów w wyniku ich reakcji elektrochemicznych lub chemicznych ze środowiskiem, w którym pracują, jest kolejną bardzo istotną przyczyną powstawania wad eksploatacyjnych i dotyczy ok. 30% wyrobów z metali i ich stopów. Wady te mają odmienny charakter niż wady produkcyjne oraz nie są sklasyfikowane i znormalizowane. Przyczyny ich powstawania zależą od bardzo wielu czynników, których dopiero dogłębna analiza oraz duże doświadczenie pozwalają na dobór odpowiednich badań - metod i technik, obszarów badania, doboru odpowiedniego wyposażenia badawczego i parametrów badania. Wykrywanie wad eksploatacyjnych i ocena jakości oraz żywotności resztkowej elementów badanych wymaga znajomości co najmniej tych samych tematów, co w przypadku wykrywania wad produkcyjnych, a ponadto znajomości warunków eksploatacji, 4

5 własności mediów oddziaływujących na elementy, stanu naprężeń eksploatacyjnych i wielu innych, trudnych do przewidzenia faktów charakterystycznych dla określonych przypadków. Rys.1 Strefy krystalizacji wlewka w zależności od stopnia odtlenienia Rys.2 Wtrącenia niemetaliczne w wlewku Rys.3 Transkrystalizacja we wlewku Rys.4 Rozwarstwienie w blasze Rys.5 Nitki Rys.6 Wypchnięcie w odlewie Rys. 7 Strup na powierzchni odlewu Rys.8 Jama skurczowa w odlewie 5

6 Ta dziedzina kieruje się zupełnie inną filozofią niż w przypadku wad produkcyjnych i trudne jest osiągnięcie doświadczenia i odpowiednich umiejętności w dziedzinie nieniszczących badań eksploatacyjnych. Tym trudniejsze jest znormalizowanie tej dziedziny pod względem samych wad eksploatacyjnych jak i wymagań kwalifikacyjnych osób wykonujących badania nieniszczące. 5. PODSUMOWANIE 5.1. Materiały i ich własności oraz zastosowane technologie wytwarzania i stan urządzeń / wyposażenia stosowanych w procesie technologicznym mają istotny wpływ na jakość uzyskanych wyrobów Materiały i ich własności oraz zastosowane technologie wytwarzania i stan urządzeń / wyposażenia stosowanych w procesie technologicznym maja istotny wpływ na planowanie odpowiednich badań - metod i technik badań nieniszczących, obszarów badania, doboru odpowiedniego wyposażenia badawczego i parametrów badania. Tak przeprowadzone badania pozwalają na wykrycie wad, określenie przyczyn ich powstawania i wyeliminowanie tych przyczyn w procesach wytwarzania i eksploatacji wyrobów Wady wyrobów mają istotny wpływ na użyteczność i czas ich eksploatacji, przy czym najważniejsze jest dostosowanie wyrobu do warunków eksploatacji i przestrzeganie założonych reżimów technologicznych Wykrywanie i ocena wad eksploatacyjnych są procesami trudnymi i wymagają doświadczenia i odpowiednich umiejętności w dziedzinie nieniszczących badań eksploatacyjnych. Tym trudniejsze jest znormalizowanie tej dziedziny pod względem samych wad eksploatacyjnych jak i wymagań kwalifikacyjnych osób wykonujących badania nieniszczące. Literatura 1. Wojas M.: Wady wyrobów wykrywane metodami nieniszczącymi. Cz. 1. Wady produkcyjne, Biuro Gamma, Warszawa, Dobrzański L.A.: Metaloznawstwo z podstawami nauki o materiałach, WNT, Warszawa 1996, Kocańda S.: Zmęczeniowe pękanie metali, WNT, Warszawa