WIELOETAPOWA, ULTRADŹWIĘKOWA KONTROLA PROCESU WYTWARZANIA ODLEWÓW Z ŻELIWA SFEROIDALNEGO

ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2001, Rocznik 1, Nr 1 (1/2) Archives of Foundry Year 2001, Volume 1, Book 1 (1/2) PAN - Katowice PL ISSN 1642-5308 WIELOETAPOWA, ULTRADŹWIĘKOWA KONTROLA PROCESU WYTWARZANIA ODLEWÓW Z ŻELIWA SFEROIDALNEGO J. ZYCH 1 Wydział Odlewnictwa ; Akademia Górniczo-Hutnicza, ul. Reymonta 23, 30-059 Kraków STRESZCZENIE W pracy przedstawiono spektrum możliwości zastos owania techniki ultradźwiękowej do wieloetapowej kontroli w odlewni produkującej żeliwo sferoidalne. Kontrola obejmuje praktycznie wszystkie etapy produkcji rozpoczynając od kontroli składu ch e- micznego przez kontrolę jakości ciekłego metalu kierowanego do wnęki formy, kończąc na kompleksowej ocenie jakości końcowego wyrobu - odlewu. Artykuł oparty na wieloletnich badaniach autora i wdrożeniach ich wyników do krajowych odlewni. Key words: ultrasonic, contro, ductile cast iron. 1. 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 rzadzizn i pęknięć, lokalizacja jam skurczowych, itp.), aktualnie może być i jest wykorzystywana do szeregu innych celów. W produkcji odlewów żeliwa sferoidalnego może być wykorzystana do kontroli jakości ciekłego metalu (ocena Sc i CE żeliwa nadeutektycznego, ocena skuteczności zabiegu sferoidyzacji), lub kontroli odlewów (kontrola struktury i ocena R m, kontrola grubości ścianek, defektoskopia itp.). 1 Dr. inż. ; e-mail: jzych@ galaxy.uci.agh.edu.pl 227

W produkcji odlewów żeliwna sferoidalnego szeroka kontrola ultradźwiękowa oparta jest na pomiarze prędkości fali (najczęściej), jej tłumienia ( przy wykrywaniu rzadzizn i porowatości skurczowych) oraz wyznaczaniu częstotliwości rezonansowej (przy ocenie postaci grafitu i związanej z nim ocenie stopnia sferoidalności). Prędkość fali ściśle związana jest z kształtem i ilością grafitu, słabiej z osnową metalową [ 1-6 ]. Istnienie tych zależności stwarza z jednej strony duże możliwości wykorzystania techniki ultradźwiękowej dla wielu celów, z drugiej zaś, tworzy też szerokie pole potencjalnych błędów wynikających z dokonywania niewłaściwej interpretacji uzyskiwanych wyników. W artykule prezentowane są wyników badań laboratoryjnych i przykłady ich wdrożeń do kontroli procesu technologicznego kilku odlewni. 2. KONTROLA KOLEJNYCH ETAPÓW PRODUKCJI ŻELIWA SFEROIDALNEGO 2.1 Kontrola wskaźników składu chemicznego ( S c, CE ) [8-10] Żeliwo sferoidalne z punktu widzenie podstawowego składu chemicznego jest żeliwem o wysokim wskaźniku stopnia nasycenia, najczęściej S c 1,0. Wyznaczanie wskaźników składu chemicznego Sc i CE dla żeliwa o składzie okołoeutektycznym i nadeutektycznym stanowi istotny problem dla wielu odlewni. Największe trudności występują w określeniu zawartości węgla, dotyczy to tak metod klasycznej analizy ch e- micznej, analizy spektralnej jak i analizy termicznej. Pewną propozycją w rozwiązaniu tego problemu jest opracowana metoda ultradźwiękowa, w której w oparciu o pomiar prędkości fal w odpowiednio zaprojektowanej próbce można, z wystarczającą do celów technologicznych dokładnością, oceniać wskaźniki składu chemicznego żeliwa przed sferoidyzację [7,8,9,10]. Zaletą tej metody jest stosunkowo szybko uzyskiwany wynik oceny. Opracowano pełną metodykę wykonywania ultradźwiękowej oceny wska ź- ników Sc i CE i wdrożono do bieżącej kontroli [9]. Empiryczne zależności p omiędzy prędkością fal a wskaźnikami składu mają postać: 4 Sc 2,2117 2,67 10 (1) CE 8,1704 8,56 10 gdzie: x - prędkość fali w próbce do badań Sc, CE [ 8,9] [m/s]. Opracowana metoda kontroli Sc i CE żeliwa około i nadeutektycznego, jako metoda pośpieszna uzupełnia analizę termiczną na obszar żeliwa wysokowęglowego, której analiza termiczna praktycznie nie obejmuje. 4 x 2.2. Kontrola procesu sferoidyzacji, stopnia sferoidalności [5,11-14] x (2) W produkcji żeliwa sferoidalnego konieczna jest kontrola skuteczności samego procesu sferoidyzacji. Po poprawnie przeprowadzonym procesie należy oczekiwać, 228

ARCHIWUM ODLEWNICTWA że nie mniej niż 85-95% wydzieleń grafitu będzie miało kształt kulisty. Skuteczność sferoidyzacji zależy od wielu czynników, między innymi od: składu chemicznego żeliwa, rodzaju wsadu metalowego, sposobu jego topienia, metody sferoidyzacji, ilości i rodzaju sferoidyzatora, temperatury metalu itd. W związku z tym zawsze istnieje duże prawdopodobieństwo otrzymania żeliwa o nieprawidłowym kształcie grafitu. Dla oceny procesu sferoidyzacji odlewnie stosują najczęściej opracowaną przed kilkudziesięcioma laty tzw. próbę prętową,. Aktualnie ocena procesu przy zastosowaniu próby prętowej uznawana jest często za niewystarczającą. W niektórych odlewniach, dla uzyskania większej wiarygodności oceny, wykonywane są dodatkowo badania metalograficzne materiału pobranego z próbki prętowej [11]. Praktyka wykazuje, że kontrola procesu sferoidyzacji z wykorzystaniem próby prętowej pozwala na szybką,ale małodokładną ocenę żeliwa, natomiast badania metalograficzne są zbyt czas ochłonne. Inne metody kontroli procesu sferoidyzacji żeliwa (analiza termiczna [15] lub pomiar oporności elektrycznej krzepnącego żeliwa [16]), choć dobrze opracowane od strony teoretycznej, nie znalazły dotychczas szerokiego zastosowania w krajowej praktyce przemysłowej. Kontrolę procesu sferoidyzacji można również prowadzić w oparciu o pomiar wybranych parametrów fali ultradźwiękowej w odpowiednio przygotowanej próbce technologicznej [12,14]. Tak więc poprzez pomiar prędkości fali ultradźwiękowej można wnioskować o kształcie grafitu, a także o procentowym udziale wydzieleń grafitu ku lkowego i płatkowego (stopniu sferoidalności [12]), czyli można oceniać skuteczność procesu sferoidyzacji. Inne rozwiązania aplikacyjne w zakresie ultradźwiękowej oceny stopnia sferoidalności żeliwa wskazują na dużą dokładność i niezawodność w pomiarach opartych na wyznaczaniu częstotliwości rezonansowej fali w odlanej próbce [16]. Częstotliwość rezonansowa jest ściśle skorelowana z modułem sprężystości E żeliwa. Z kolei moduł sprężystości zależy od postaci wydzieleń grafitowych. Ogólnie im w żeliwie mniej jest wydzieleń grafitu o innej postaci niż sferoidalna tym większa wartość modułu sprężystości a co za tym idzie i tym większy stopień sferoidalności żeliwa. Praktyczne zastosowanie techniki ultradźwiękowej w kontroli procesu sferoidyzacji żeliwa sprowadza się w głównej mierze do rozwiązania następujących zagadnień : - określenia kształtu i wymiarów próbki pomiarowej, a także opracowanie dla niej technologii formy, - rozwiązania problemów związanych z pomiarami ultradźwiękowymi (dobór aparatury, dobór głowic, zdefiniowanie dokładności pomiarowej, interpretacja wyników), - opracowania, dla konkretnej odlewni, empirycznego związku pomiędzy: wskaźnikiem kształtu grafitu lub stopniem sferoidalności i prędkością lub jej częstotliwością rezonansową podłużnej fali ultradźwiękowej oraz określenia kryterium oceny - granicznych wartości tych wielkości fizycznych. Szczegółowe rozwiązania w tym zakresie opisano w pracach [11,12,13,14,16]. 229

2.3. Kontrola właściwości mechanicznych R m, A 5 [5,13] Kontrola produkcji żeliwa wymaga stałej kontroli jego właściwości mechanicznych, w tym R m, HB i plastyczności. Sposób odlewania próbek, wykonanie z nich próbek do wyznaczania właściwości opisują odpowiednie normy. Klasyfikację żeliwa sferoidalnego prowadzi się w oparciu o wyznaczone właściwości w znormalizowanych próbkach. W y- trzymałość tworzywa w ściankach odlewu jest na ogół inna niż w próbce z uwagi na inne warunki krzepnięcia i uzyskiwanie innej struktury. Dlatego interesujaca jest próba określenia możliwości nieniszczącej oceny wytrzymałości żeliwa sferoidalnego w ściankach odlewów. Propagacja fali w żeliwie zależą głównie od wydzieleń grafitu, słabiej od rodzaju osnowy metalowej. To z góry ogranicza możliwości łatwej adaptacji tej techniki do kontroli wytrzymałości żeliwa sferoidalnego. Wytrzymałość żeliwa sferoidalnego, w którym zgodnie z normą grafit w ponad 95% ma postać kulkową, wytrzymałość zależy od rodzaju osnowy. Wyniki badań nad próbą zastosowania ultradźwięków do oceny wytrzymałości opisano poniżej. 2.3.1 Ocena wytrzymałości oparta o pomiar prędkości fali Wszystkie pomiary zostały wykonane na próbkach pochodzących z wlewków typu Y odlewanych wg procedury opisanej w normie. Również w znormalizowany sposób na próbkach wykonanych z wlewków Y wykonano pomiar wytrzymałości, sprężystości, plastyczności i twardości. Dodatkowo, na przeszlifowanych próbkach pochodzących z głównej próbki wykonywano pomiar prędkości fali stosując głowicę o częstotliwości 2MHz. Badaniom poddano zbiór próbek o liczności około 400 sztuk, pochodzących z wytopów wszystkich gatunków żeliwa sferoidalnego uzyskiwanych bez obróbki cieplnej. Uzyskany zbiór mierzonych wielkości poddano obróbce statystycznej. Poszukiwano modelu matematycznego opisującego możliwie najlepiej związki istniejące p omiędzy mierzonymi wielkościami. W pierwszej kolejności poszukiwano związku wytrzymałości żeliwa z kolejnymi wielkościami lub właściwościami. Na rysunku 1 przedstawiono zależność pomiędzy prędkością fali a wytrzymałością żeliwa sferoidalnego. Pomiędzy tymi dwoma wielkościami zgodnie z wcześniejszymi uwagami, praktycznie nie ma jakiegokolwiek związku matematycznego. Próba wyznaczenia linii regresji kończy się na uzyskaniu współczynnika korelacji R 2 0,05. 230

Wytrzymałość Rm [MPa] ARCHIWUM ODLEWNICTWA 800 700 600 500 400 5450 5550 5650 5750 5850 Prędkość fali [m/s] Rys. 1. Zależność pomiędzy prędkością fali a wytrzymałością żeliwa [13] Fig. 1. Relation between wave velocity and strength of cast iron [13] Twardości żeliwa niesie informację o strukturze osnowy, a pomiar prędkości fali o wydzieleniach grafitu, ich kształcie, ilości i wielkości. Głównie jednak o kształcie. Mo ż- na więc poszukiwać różnych modeli matematycznych opisujących zależność Rm=f(v,HB). Najprostszy z nich ma postać iloczynu bezwymiarowej prędkości ( =v/v wz. ) i bezwymiarowej twardości HB bezw. = HB/HB śr.. Dla opracowania zależności przyjęto: v wz = 5940 [m/s] a HB śr. = 250. Dla tak przyjętych wartości opracowano zależność przedstawiono na rysunku 2. Miarę poprawności opracowanego modelu jest współczynnik korelacji. Dla zaproponowanego modelu przyjmuje on wartość bliską 0,8 (R 2 =0,79). Uzyskanie dużo lepiej skorelowanych zależności w badaniach eksperymentalnych prowadzonych na tak niejednorodnym tworzywie jakim jest żeliwo jest na ogół trudne. Wszystkie wielkości (R m, HB i v) wchodzące do równania są obarczone pewnym błędem pomiarowym. Opracowaną zależność R m = f(v,hb) można w przybliżeniu zapisać. R m 690 v 5940 HB 29,0 250 [MPa] Równanie to można przekształcić do prostszej postaci ( po wydzieleniu stałych): R m 4,646 10 4 v HB 29,0 [ MPa ] W oparciu o pomiar twardości i prędkości fali można oceniać wytrzymałość żeliwa sfero i- dalnego uzyskanego na drodze odlewniczej (bez obróbki cieplnej). 231

Wytrzymałość Rm [MPa] 800 700 600 500 400 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 Iloczyn [ (v/5940)*(hb/250) ] Rys.2. Zależność pomiędzy iloczynem względnej prędkości fali i względnej twardości a wytrzymałością Rm żeliwa sferoidalnego [13] Fig.2.. Relation between relative wave velocity and relative hardness product and R m strength of ductile cast iron [13]. 2.3.1. Ocena plastyczności oparta o pomiar prędkości fali i HB Plastyczność żeliwa jest funkcją zarówno rodzaju osnowy jak i wydzieleń grafit o- wych. Jest ona tą właściwością, którą jest najtrudniej przewidzieć, nawet w obrębie je d- nego gatunku żeliwa sferoidalnego podlega ona dużym wahaniom. Zależy od stopnia czystości żeliwa, obecność jakichkolwiek wtrąceń znacznie ją obniża. Zbiór trzech wielkości ( A 10, v, HB) wyznaczony dla kilkuset pomiarów poddano statystycznej obróbce. Wyniki można zinterpretować następująco: twardości określa ma ksymalną plastyczność jaką żeliwo może uzyskać natomiast nie określa plastyczności min i- malnej. Dla przykładu dla HB = 210 można uzyskać plastyczność maksymalną 12-13%, a przy HB = 260 co najwyżej 6 7%. Można oczekiwać, że im większa jest prędkość fali i równocześnie mniejsza twardość tym większa plastyczność. Badane modele matematyczne miały więc ogólną postać: A 10 = f (v/hb). Przykład próby opracowania takiej zależności przedstawia rysunek 3. Stopień korelacji uzyskanej zależności nie jest jednak zadawalający. W świetle przeprowadzonych badań wydaje się mało realne znalezienie dobrze skorelowanej zależności wiążącej te trzy wielkości w postaci ogólnej funkcji : A 10 = f(hb,v). 232

ARCHIWUM ODLEWNICTWA 30 25 Plastyczność A 10 20 15 10 5 0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 11,0 12,0 Iloraz [(v-5000)/(hb-100) ] Rys.3. Zależność pomiędzy plastycznością (A 10 ), prędkością fali (v) i twardością [13] Fig. 3. Relation between plasticity (A 10 ), wave velocity (v) and hardness [13] 4. Kontrola grubości ścianek odlewów żeliwnych [5,18] Kontrola grubości ścianek odlewów może sprowadzać się do wyznaczania be z- względnych 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 ogólnie trudne. Dla wyznaczenia jej należałoby każdorazowo znać prędkość fal w badanej ściance odlewu. Ta z kolei jest funkcją struktury. W przypadku odlewów z żeliwa sferoidalnego pomiar grubości ścianki jest łatwiejszy niż dla żeliwa szarego, p o- nieważ charakteryzują się ono znacznie mniejszymi wahaniami prędkości fal (5600-5800m/s). Są liczne przypadki, kiedy nawet samo 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. Przykładem mogą być odlewy armatury. Ogólnie korzys t- niej jest posługiwać się wartościami względnej grubości, mierzonej stosunkiem grubości wyznaczonej w danym miejscu do grubości określonej w miejscu bazowym 233

5. WYKRYWANIE WAD WEWNĘTRZNYCH, KOŃCOWA OCENA ODLEWÓW [5,17] 5.1 Wady struktury W żeliwie sferoidalnym podstawową wadą strukturalną dyskwalifikującą odlew jest nieprawidłowa postać grafitu. Ta wada jest powszechnie wykrywana na drodze badań ultradźwiękowych, których istota sprowadza się do oceny sferoidalności żeliwa (co op i- sano w pkt. 2.2 ) w ściankach odlewów. Wada ta pojawia się stosunkowo często z uwagi na znane zjawisko zaniku efektu sferoidyzacji. Badania mogą się opierać o pomiar prędkości fal lub ocenę wsółczynnika tłumienia, którego wartość zwiększa się w miarę powiększania udziału w strukturze grafity płatkowego lub wermikularnego. 5.2. Wady pochodzenia skurczowego. Wykrywanie wad wewnętrznych stanowi obszar klasycznej defektoskopii powszechnie stosowanej w odlewnictwie. Żeliwo sferoidalne cechuje się zwiększoną skłonnością do tworzenia wad wewnętrznych, głównie porowatości. W wielu przypadkach nieskuteczne są próby zasilania odlewów przez nadlewy z uwagi na powiązanie zjawisk skurczowych z trudną do przewidzenia sztywnością formy. Dlatego szczegó lnie w przypadku produkcji odlewów z tego gatunku żeliwa zachodzi konieczność wielowariantowej nieniszczącej kontroli odlewów [17,19]. Metoda ultradźwiękowa stanowi w tym obszarze jedną z podstawowych metod wymienianych w warunkach technicznego odbioru odlewów. 6. PODSUMOWANIE 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 sferoidalnego, tworzywa które stanowi coraz wiekszy udział w produkcji krajowych o d- lewni. Pomiary ultradźwiękowe są stosunkowo proste. Kontrola ultradźwiękowa może dotyczyć tak 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. Opisane przykłady zastoso wań ultradźwięków wskazują na kierunki, w których metoda ta jest już wdrażana dla pełnej kontroli procesu wytwarzania odlewów żeliwnych. Kontrola ultradźwiękowa może być wykorzystywana przez odlewnie, ale coraz częściej jest wykorzystywana również przez odbiorców odlewów żeliwnych dla nieniszczacej kontroli struktury, jednorodności, właściwości i wykrywania wad. 234

ARCHIWUM ODLEWNICTWA LITERATURA [1] Zeigler R., Gernstner R.: Giesserei. t.45, Nr 18, s.185-193, (1958). [2] Samotny M.: Slévarenstvi. t. 14, Nr 6, s.250-251, (1966). [3] Pawłowski Z.: Ocena wytrzymałości materiałów kruchych metodą ultradźwiękow. W-wa, IPPT-PAN (1968). [4] Orłowicz W. : Ocena właściwości mechanicznych żeliwa sferoidalnego metodą ultradźwiękową. ZN Polit.Rzeszowskiej, Mechanika, z.20, (1990). [5] Zych J.: Analiza wad odlewów - Wybrane zagadnienia - Laboratorium. Skrypt AGH, (2001). [6] Falęcki Z., Pyka M., Zych J. Praca Nauk. Bad.. Nr 5.371.117 AGH, K-ów (1986). [7] Lopez-Vazqez: 46th International Foundry Congres, Madryt (1979). [8] Zych J.: Prace Nauk. Inst. Techn. Maszyn i Aut.Polit. Wrocł., nr 52, s.283, (1993). [9] Zych J., Falęcki Z.: Ekspertyza Nr 6.170.28. AGH - Kraków (1993). [10] Falęcki Z., Zych J.: Ultradźwiękowa kontrola składu chemicznego żeliwa szarego wysokowęglowego. XX Konf. Odlew.AGH, 8 9. 06, Kraków (1995). [11] Zych J., Falęcki Z.: Opracowanie i wdrożenie do procesu technologicznego met o- dyki ultradźwiękowej kontroli sferoidyzacji żeliwa w warunkach technicznych Odlewni Żeliwa TEKSID-POLAND w Skoczowie. AGH, Praca Nauk.-Bad. Nr 5.170.125, Kraków (1995). [12] Zych J.: Ultradźwiękowa metoda kontroli procesu sferoidyzacji żeliwa Przegląd Odlewnictwa, Nr 3, s. 77-80, (1997). [13] Zych J.: Wdrożenie, w warunkach technologicznych Odlewni Żeliwa Śrem, u l- tradźwiękowej metody kontroli sferoidyzaqcji żeliwa i oceny jego właściwości mechanicznych. niepublikowane (1998). [14] Zych J., Falęcki Z.: Opracowanie ultradźwiękowej metody kontroli procesu sferoidyzacji żeliwa w warunkach technologicznych Odlewni Żeliwa Stąporków, AGH, Prac. Nauk. Bad. Nr 5.170.175, Kraków (1995). [15] Monroe R., Bates C.E.: Thermische Analyse zur Kontrolle der Graphitc hitiform bei Gusseisen mit Kugelgraphit. Giesserei Prax. Nr 4, s.53, (1983). [16] Stefanescu D., Wingert H.: Einfluss des Graphits und der metallischen Grundmasse auf den spezifischen elektrischen Widerstand von Gusseisen mit Lamellen - bzw. Kugelgraphit. Giesserei Prax., Nr 14, s.256, (1971). [17] Long J.: Nondestructive Testing. Modern casting, p. 49-53, April (1998). [18] Falęcki Z., Zych J.: Einsatz der ultraschallmeβtechnik zur Qualitätskontrolle von Guβeisenkomponenten. Giessereifurschung, nr 2, s. 63-67, (1997). [19] Krautkrämer J., Krautkrämer H.: Ultrasonic Testing of Materials, Springer - Verlag, Berlin, Heidelberg, New York (1983). 235

MULTISTAGE, ULTRASONIC INSPECTION OF MANUFACTURING PROCESS OF DUCTILE CAST IRON CASTINGS SUMMARY In this work the abilities spectrum of application of the ultrasonic method to mu ltistage inspection in foundry which is producing ductile cast iron. Control includes almost all productions stages, from the inspection of chemical composition, through quality inspection of metal guiding to the mould cavity, and finally the complex inspection of final product casting. This article is based on authors many years investigations and practical application of theirs results in domestic foundries. Recenzował prof. dr hab. inż. Stanisław Jura 236