26/16 Solidiliklltion of Metais and Alloys, No 26, 19%

Transkrypt

1 26/16 Solidiliklltion of Metais and Alloys, No 26, 19% Krzepnięcie Metali i Stopów, Nr 26, 1996 P AN - Oddzial Katowice PL ISSN KONTROLA ULTRADŹWIĘKOWA ŹELIW A W PRAKTYCE PRZEMYSŁOWEJ ORLOWlCZ Władysław Politechnika Rzeszowska, ul. W. Pola 2, Rzeszów Praca dotyczy zastosowania nieniszczącej oceny struktury żeliwa. 1. WSTĘP Zwiększająca się ilość zamówień na odlewy od odbiorców z zachodniej Europy wymaga podporządkowania się ich życzeniom w zakresie jakości. Wymusza to zastosowanie nowoczesnych metod kontroli już we wczesnych stadiach wytwarzania detali. Jednym z ważniejszych problemów w produkcji żeliwa jest szybkie razróżnieme kształtu grafitu tworzywa w gotowym odlewie - czy jest on sferoidalny czy płatkowy. Błędna diagnoza to zbytecznie poniesione koszty na obróbkę cieplną i mechaniczną. Nie wystarcza już metoda badań metalograficznych, która wymaga pobrania próbki z detalu. Dlatego coraz częściej zaczyna się stosować kontrolę ultradźwiękow ą. W praktyce krajowej badania ultradźwiękowe ograniczają się głównie do wykrywania wad nieciągłości w odlewie i ustalenia głębokości ich zalegania lub rozpoznawania ich rodzaju. co dla pewności robi się łącznie z badaniami radiograficznymi. Mniej uwagi poświęca się zastosowaniu tej metody do badań struktury. Jak wykazano w szeregu prac pomiary wartości wskaźników kontroli ultradźwiękowej mogą być z powodzeniem wykorzystane do oceny jakości ciekłego metalu a także do segregacji odlewów ze względu na kształt grafitu (rys. l). Z przedstawionego rysunku wynika, że kształt grafitu wywiera wpływ na prędkość fali ultradźwiękowej rozchodzącej się w żeliwie. Jednym ze wskaźników kształtu grafitu jest stopień jego kulistości (S, ), który definiuje się jako iloraz pola powierzchni i kwadratu obwodu wydzieleń grafitu. Dla uzyskania w niestopowym żeliwie sferoidalnym grafitu o wysokiej wartości wskaźnika kształtu proces sferoidyzacji należy prowadzić tak, aby w odlewie uzyskać zawartość magnezu bli ską 0,05%. Odchyłka zawartości magnezu w górę lub w dół prowadzi do pogorszenia wartości wskaźnika kształtu.

2 136 o ) N "'... "' = ";) "' o l..... "' :1) <ll N.. "' '" N (/) predkość p a dł. fali ul t radźwiekowej Rys. l. Wpływ kształtu grafitu w żeliwie na prędkość podłużnej fali ultradźwiękowej Na kształt grafitu wpływa skład chemiczny żeliwa. Przy obecności pierwiastków desferoidyzujących rosną trudności w uzyskaniu grafitu sferoidalnego. Ze wzrostem wartości eutektycznego równoważnika węgla do 4,5 rośnie ilość wydzieleń grafitu i obserwuje się poprawę jego kulistości, szczególnie w odlewach cienkosciennych. Poprawę kulistości grafitu obserwuje się także w wytopach o niskich zawartościach krzemu i podwyższonej zawartości manganu. Poprawie kształtu grafitu sferoidalnego sprzyja również wzrost szybkości krzepnięcia. Okazuje się, że cienkie ścianki odlewu żeliwnego czyli krzepnące szybciej zawierają więcej magnezu i wykazują wyższe wartości wskaźnika kształtu grafitu w porównaniu do ścianek grubszych. W literaturze spotyka się stwierdzenie, że ilość wydzieleń grafitu sferoidalnego jest wprost proporcjonalna do szybkości odprowadzania ciepła ze ścianki odlewu i odwrotnie proporcjonalna do ilości wydzieleń grafitu o nieprawidłowym kształcie. Na prędkość fali ultradźwiękowej rozchodzącej się w żeliwie wywiera także wpływ jego gęstość, rodzaj obróbki cieplnej i parametry austenityzowania, co schematycznie obrazuje rysunek :!. Tak więc okazuje się, że problem przewidywania kształtu grafitu w poszczególnych częściach odlewu jest trudny i w jego kontroli nie wystarczająjuż badania metalograficzne, które wiążą się zwykle ze zniszczeniem odlewu. Zadanie to coraz częściej rozwiązuje się przy zastosowaniu kontroli ultradźwiękowej. Celem pracy było przedstawienie możliwości zastosowania kontroli ultradźwiękowej struktury żeliwa w praktyce przemysłowej.

3 137..., QJ -< :J... o... <ll -"..,... u :lo 'en ' N O "<l "' "<l <ll lo< Cli U l.<.-l <l. :l ~ ~ VVp Mn 11' 1r 11' 1f żeliwo sferoidaln -t). V H 11 -t). o br. ~z cieplna -=::----.:::wyż. f e rr. } ==:norma l i z.. {} hartowanie TA,t' Rys. 2. Wpływ składu chemicznego, gęstości, rodzaju obróbki cieplnej oraz warunków austenityzowania na prędko ść podłużnej fali ultradźwiękowej w niestopowym żeliwie sferoidalnym. 2.. MATERIAL Badania wykonano na przemysłowych wytopach żeliwa. Stop otrzymano w piecach elektrycznych. Wsad metalowy t<:piono w piecu łukowym. Metal przelewano do pieca indukcyjnego o pojemności 15 ton i tam przygotowywano stop. Materiał do badań stanowiło ż eliwo o składzie : 3,70% C; 2,22% Si; 0,37% Mn; 0,007% S; 0,017% P; 0,072% Cr; 0,016% Sn; 0,02% Ni; 0,04% C u; 0,0 l% Al, II 3,75% C; 2,54% Si; 0,41 % Mn; 0,01% S; 0,02% P; 0,066% Cr; 0,021% Sn; 0,03% Ni; 0,04% Cu; 0,01% Al, Ill3,70% C; 2,33% Si; 0,42% Mn; 0,009% S; 0,02% P; 0,067% Cr; 0,039 Sn; 0,04 Cu; 0,01 % Al. Do otrzymania żeliwa sferoidalnego stosowano zaprawę Fe Si Mg 5. Proces sferoidyzacji prowadzono w kadzi o małej smukłości i pojemności 700 kg. Po wsypaniu na jej dno porcji zaprawy magnezowej (Fe Si Mg 5) i modyfikatora (Fe Si 75) zapełniano ją ciekłym metalem (rys. 3). Po jej przetransportowaniu na stanowisko zalewania zgarniano żużel i mierzono temperaturę przy zastosowaniu termopary zanurzeniowej. Wynosiła ona odpowiednio: dla stopu I 1400 C, dla stopu ll C i dla stopu Ill C. W trakcie zalewania form (rys. 3) na strumień metalu podawano ustaloną dla każdego rodzaju odlewu porcję modyfikatora (Fe Si 75).

4 138 Rys. 3. Prowadzenie zabiegu sferoidyzacji i modyfikacji oraz zalewanie form. Dla oceny wpł y wu kształtu grafitu na prędkość fali ultradźwiękowej odlewano próbki (rys. 4). Z tej samej porcji metalu pobierano również matenaj do analizy składu chemicznego ( zawartości magnezu). Pierwszą próbkę pobrano ze strugi metalu w trakcie zapełniania kadzi. Rys. 4. Foremki i kształt próbki do badań ultradźwiękowych. Drugą próbkę pobrano z kadzi po zgarnięciu żużla. Następne próbki pobierano ze strugi metalu podczas zapełniania kolejnych form odlewniczych. Dla uzyskania próbek wykazujących zanik efektu sferoidyzacji metal pozostawiano w kadzi dłużej niż przewidywał to proces technologiczny zalewania. Metal pobierano wówczas ze strugi podczas zlewania stopu do kokil. Dla uniknię c ia zabieleń próbek do badań ultrad źw iękowych na dnie foremek umieszczano sproszkowany modyfikator Fe Si 75. Próbki zaraz po zakrzepnięciu wybijano i chłodzono w wodzie dla uzyskania martenzytycznej struktury osnowy.

5 WYNlla BADAŃ W badaniach zawartości magnezu stosowano spektrometr RET. W badaniach ultradźwiękowych stosowano zestaw do kontroli ultradźwiękowej AlVlEX. W badaniach metalograficznych stosowano mikroskop optyczny Neophot. Określenie zawartości magnezu i predkości fąli ultradżwiekowej Badania zawartości magnezu i pomiary prędkości podłużnej fali ultradźwiękowej (rys. 5) pozwoliły opracować dla wytopu I przebiegi:,.. O,OJ a) N.. " c)... c: "' 55!JOO 00 e...., ~ 0,0:! u 3. o., ~.., o Lo ) N ) " ~ 0,0 l "'....., - ::> 0,0 o lo 15 upływ czasu od sferoidyzacji, -.;; min."".., 1l... c: 5800 "' -"' o (l.... e_ u.,..j,. o ~ hl " 5500 "' 5400 SóOO... Lo -;; c.... "~.. 0,01 0,0 0,02 0,11'1 o 5500.>: zawartość magnezu, ~ ""., Lo c Rys. o lo l 'i upływ czasu od sferoidyzacji. min 5. Zmiana zawartości magnezu w miarę upływu czasu od sferoidyzacji i modyfikacji -a), Zmiana prędkości podłu żn ej fali ułtradżwiękowej w miarę upływu czasu od sferoidyzacji i modyfikacji - b). Zmiana pręd kosci podłużnej fali ultradźwiękowej w zależności od za wartości magnezu w żeliwie- c).

6 140 zmian zawartości magnezu w miarę upływu czasu od sferoidyzacji i modyfikacji (rys. Sa}, zmian prędkości podłużnej fali ultradźwiękowej w miarę upływu czasu od sferoidyzacji i modyfikacji (rys. Sb), zmian prędkości podłużnej fali ultradźwiękowej w zależności od zawartości magnezu (rys. S c). Dla wytopu II i III analizowano próbki pobrane po czasie 2 minut i 12 minut od zapełnienia kadzi ciekłym metalem. Dla żeliwa z wytopu II zawartość magnezu i prędkość podłużnej fali ultradźwiękowej wynosiły odpowiednio: 0,037% Mg, 5780 m/s po upływie czasu 2 minut, 0,018% Mg, 5400 m/s po upływie czasu 12 minut. Dla żeliwa z wytopu m zawartość magnezu i prędkość podłużnej fali ultradźwiękowej wynosiły odpowiednio: 0,026% Mg, 5670 m/s po upływie czasu 2 minut, 0,016% Mg, 5030 m/s po upływie czasu 12 minut. Przykładowy diagram zawartości magnezu w żeliwie produkowanym w odlewni w okresie jednego tygodnia przedstawia rysunek 6. Próbka l lo Nr Data l lo >< ~ ~ " V ~~ e o.o2o ~ ] i ) l.--" """' - a o.o1o- 1---t Rys. 6. Wycinek arkusza kontroli procesu dotyczący zawartości magnezu w ciągu lo dni.

7 141 Badania metalograficzne Na próbkach po badaniach ultradźwiękowych określono stn1kturę żeliwa przed sferoidyzacją oraz po sferoidyzacji i modyfikacji dla różnych czasów po tych zabiegach. Rys. 7. Grafit w żeliwie wyjściowym (wytop l), po w. 300x, C 1. = 4020 m/s. a) CL = 5820 m/s ":. :- ~ l l b) c L = 541 O m/s.",.",. l t ~.,l ' Rys. 8. Grafit w żeliwie z wytopu I po upływie czasu od zabiegu sferoidyzacji i modyfikacji: a) 2 minut, b) 12 minut

8 142 r. ~ - ~ ' - : ' ł e..,: a) c L = 5780 m/s ~ ; l b) CL = 5400 m/s Rys. 9. Grafit w żeliwie z wytopu 11 po upływie czasu od zabiegu sferoidyzacji i modyfikacji: a) 2 minut, b) 12 minut. :- - ~ e o l l '. '. - a) CL = 5670 m/s b) CL = 5030 m/s l ~ Rys. 10. Grafit w żeliwie z wytopu III po upływie czasu: a) 2 minut, b) 12 minut. Dla okr~lenia wpływu struktury osnowy na prędkość fali ultradźwiękowej dla wytopu III pobrano próbki po upływie tego samego czasu od zabiegu sferoidyzacji i modyfikacji, przy

9 143 czym jedną próbkę chłodzono z formą, a drugą wybijano zaraz po zakrzepn i ęciu i chłodzono w wodzie. Strukturę i wartości prędkości fali ultradźwiękowej podano na rysunku Ił. a) CL = 5691 m/s b) CL = 5468 m/s Rys. Ił. Struktura próbki chłodzonej w formie - a), struktura próbki chłodzonej zaraz po zakrzepnięciu w wodzie- b). 4. KONTROLA UL TRADŹWIĘKOWA ODLEWÓW Odlewy na odpowiedzialne detale, których znieszczenie może powodować w trakcie eksploatacji zagrożenie życia ludzkiego podlegają 100% kontroli ultradźwiękowej. Kontrolę taką można prowadzić ręcznie przenośnym zestawem lub automatycznie na stanowisku stacjonarnym (rys. 12). Tego rodzaju kontrola powinna być przewidywana w fazie projektowania odlewu, aby zapewnić płaskie i równoległe do siebie powierzchnie, co jest niezbędnym warunkiem dobrego sprzężenia głowicy i odbicia fali ultradźwiękowej od przeciwległej powierzchni. Przy kontroli automatycznej odlewy zabrakowane ulegają niszczeniu przez nawiercanie.

10 144 Rys. l:!. Kontrola odlewów oraz przykład zaprojektowanych na odlewie miejsc do kontroli.!5. PODSUMOWANIE Uzyskane rezultaty wskazują na przydatność metody ultradźwiękowej do kontroli: jakości ciekłego żeliwa, struktury materiału odlewu. Przy kontroli c iekłego metalu muszą być zachowane powtarzalne warunki chłodzenia próbek.