32/14 Solid i fi kation of Metais and Alloys, No. 32, 1997 Krzepnięcie Metali i Stopów, Nr 32, 1997 PAN- Oddział Katowiec PL ISSN 02:1l!I-9J!l(t NIENISZCZĄCA KONTROLA W PRODUKCJI ŻELIW A ORŁOWICZ Władysław, OPIEKUN Zenon, MRÓZ Marek Politechnika Rzeszowska, ul. W.Pola 2, 35-959 Rzeszów Streszczenie Praca dotyczy ultradźwiękowej kontroli struktury i własności mechanicznych żeliwa. Podstawą odbioru żeliwa jest jego stiuktura i własności mechaniczne określone zazwyczaj na materiale wlewka próbnego. W pracach nad rozwojem technik związanych z kontrolą stopów preferowana jest ostatnio metoda ultradźwiękowa, która pozwala na wylaycie wad wewnętrznych, zabieleń a także szybkie rozróżnienie żeliwa w odlewie, czy jest ono sferoidalne czy szare. W praktyce przemysłowej zdarza się, że przed uzyskaniem wyników badań struktury i własności mechanicznych podejmuje się decyzję o obróbce cieplnej i mechanicznej odlewów, co często naraża zakład na zbędne koszty. W związku z tym duże znaczenie mają metody pozwalające na szybką ocenę jakości odlewów. Bardzo interesujące wydaje się zastosowanie w tym celu ultradźwięków. Zakres zastosowania badań ultradźwiękowych obrazuje tys. l. Kontrola ultradźwiękowa stosowana jest najpowszechniej do lokalizacji i rozpoznawania wad. Badania te wykonuje się z zastosowaniem typowych defektoskopów a wnioski wyciąga się w oparciu o obraz obsetwowany na jego ekranie (rys.2). Zazwyczaj opracowuje się zależności między prędkością podłużnej fali ultradźwiękowej a wytrzymałością na rozciąganie lub związki między iloczynem prędkości podłużnej fali ultradźwiękowej i twardości a v.ytrzytnalością na rozciąganie. Szereg opracowań wskazuje istnienie liniowej zależności między wytrzymałością na rozciąganie a prędkością podłużnej fali ultradźwiękowej (rys.3).
107 Ultradźwiękowe badania odlewów Sortowanie odlewów: żeliwo szare żeliwo sferoidalne Rys. l. Badania ultradźwiękowe odlewów Ze względu na specyfikę każdego zakładu (różne piece do topienia metalu, metody sferoidyzacji) zależności te opracować należy dla każdej odlewni indywidualnie. Dla odlewni, która stosuje na przykład żeliwiak i piec elekt1yczny wytopy należy analizować oddzielnie. Żeliwo wytopione w piecu eleknycznym posiada większą gęstość niż żeliwo z żeliwiaka, co znajduje odzwierciedlenie w wrutościach prędkości podłużnej fali ultradźwiękowej ponieważ zależy ona od wartości współczynnika sprężystości podłużnej E, gęstości matetiału p, a także wartości liczby Poissona v. Zależność tą podaje wyrażenie (l): c~., l E (l - v) p (l + v) (l - 2v) 1 (l) W obszarze poszczególnych ziarn materiału prędkość fali ultradźwiękowej jest różna, gdyż współczynnik sprężystości podłużnej przyjmuje inne wattości w zależności od ~jerunku krystalograficznego. Przejściu fali z obszaru o jednej wartości współczynnika sprężystości podłużnej do obszruu o innej jego wartości towarzyszy ugięcie, rozproszenie i odbicie na granicy. Przykładowo przy przejściu z ziarna fenytu w kierunku < 100> wykazującym E <l OO> = 1,3 l0 5 MPa do ziarna o kierunku < 111 > wykazującym K 111 > = 2,9 10 5 MPa należy spodziewać się silnego ugięcia w wyrtiku zmian jej prędkości. Grafit w snukturze stopu silnie ugina falę na granicy grafit-osnowa, gdyż wartość współczynnika sprężystości podłużnej grafitu (E = 2,8 1 0 3 MPa ) jest mała w porówani u z wmtością tego współczynnika dla fenytu czy perlitu. Różn i ca w opornościach falowych (pc) grafitu i osnowy powoduje, że energetyczny współczynnik odbicia przy przejściu fali z osnowy do grafitu jest duży R = [(PosnCosn - Psra~graf) l (PgratCgraf + Pos 11 Cosn)f W efekcie tego fala w znacznym stopniu odbija się od wydzieleń grafitu, co wydłuża jej rzeczywistą drogę pr zejścia przez materiał i wpływa na położenie czoła przemieszczającej się fali ultradźwiękowej (rys.4).
108 a) b) V c) d) e) f) _m_ ~.~ ';(" l \......;--"""' ; l g) h) ~ i/ Rys.2. Zobrazowanie ultradźwiękowe, a) wady rozproszone, b) wady blisko powierzchni badanej, c) wady blisko powierzchni dolnej, d) ma ł a wada, e) duża wada, f) porowatość, g) pęknięcie prostopadłe do powierzchni badanej, h) pęknięcie pod kątem do powierzchni badanej, i) pęknięcie równoległe do powierzchni badanej
109 300 -- R. Friel!nghavs ---- R. Zicglcr, R. Cewner l pice clcklryc7.nyl - - - R. Zicglcr. R. (;crscncr 250 _" "- " ~ E 200 CI:,.,."...-,/..- l :io 4000 4500 l'rędkość fali '" mis 5000 Rys.3. Zależność między prędkością podłużnej fali ultradźwiękowej a wytrzymałością na rozciąganie żeliwa szarego Efektem wydłużenia drogi rozproszonej fali ultradźwiękowej jest dłuższy czas JeJ przejścia i pozorne zmniejszenie prędkości. W pomiarach zakłada się, że fala rozchodzi się wzdłuż linii prostopadłej do powierzchni przyłożenia głowicy ultradźwiękowej i prędkość określa się z ilorazu grubości próbki g i czasu przejścia fali t (cl = g/t). W związku z tym żeliwo szare wykazuje niższe wmtości prędkości podłużnej fali ultradźwiękowej od żeliwa sferoidalnego, co ilustruje 1ysunek 5. Rys.4. Przemieszczenie czoła fali ultradźwiękowej w zależności od struktmy materiału a) struktura drobnoziarnista, b) struktura gruboziarnista, c) żeliwo sferoidalne, d) żeliwo szare
110 Rys. 5. Wpływ struktury osnowy i kształtu wydzieleń grafitu na prędkość podłużnej fali ultradźwiękowej Jak wykazały badania, żeliwo o podobnych własnościach mechanicznych, podobnych udziałach objętościowych składników strukturalnych i parametrach stereologicznych grafitu, ukształtowane poprzez dobór składu chemicznego oraz czasu krzepnięcia lub drogą obróbki cieplnej, nie jest sobie równoważne ultradźwiękowo. Jest to wynik między innymi degeneracji grafitu, pojawienia się pustek po rozpuszczonym graficie i rozrostu ziarn (1ys.6). Wpływ składu chemicznego (Si, Mn), czasu krzepnięcia odlewu i jego gęstości, udziału objętościowego grafitu (VvG) i perlitu (Yvr), czasu i temperatury austenityzowania (LA, T A) oraz rodzaju obróbki cieplnej na prędkość podłużnej fali ultradźwiękowej przedstawiono schematycznie na rysunku 7.
I I l Rys.6. Wpływ szczeliny i degeneracji grafitu na drogę fali ultradźwiękowej -a). wydzielenia grafitu w żeliwie obrobionym cieplnic -b).... )..., C1l... o "'.~. "'"'... C1l' ''-' 3: ~ tn 'N O '"O 'O ~ "'... "'"' c..::> ~ ~ VVP Mn ił 1ffr ił Żeliw o sferoidaln 11 V.IL 11 11 obr. ~GVsi"{"YV cieplna --~z :::------.=:=wyż.[e r r. } -----=:::normaliz.. -{J har towanie TA,t' Rys. 7. Wpływ czasu krzepnięcia, składu chemicznego, udziału objętościowego sk ł a dników stmkturalnych, wskaźnika kształtu grafitu. warunków austenityzowania oraz rodzaju obróbki cieplnej na prędkość podłużnej fali ultradźwi ę kowej. Stwierdzono, że przy słuszności zależności (l) prędkość podłużnej fali ultradźwiękowej zależy również (zgodnie z prawem mieszania (2)) od udziału objętościowego składników struktunllnych: (2) gdzie: cl(nsn), cl(gral) -odpowiednio prędko ść podłużnej fali ulttadźwiękowej w osnowie i graficie, Yvrosn), Y v(gral) -odpowiednio ud z iał objęto ściowy osnowy i grafitu. Równanie to w przypadku opisu żeliwa mus1 być rozbudowane o składnik uwzględniający kształt grafitu.
112 Przedstawiony opis propagacji podłużnej fali ultradźw i ękowej w żeliwie wskazuje na możliwość diagnozowania struktury poprzez pomiar jej prędkości. Dla aplikacji tej metody w praktyce przemysiowej wymagane jest zrozumienie i uwzględnienie w pomiarach skutków oddziaływania różnych czynników na przemieszczanie się fali. Należy stosować aparaty gwarantujące szybki pomiar i cyfrowy odczyt oraz odpowiednie głowice a także sprawdzoną metodykę pomiarów. Do badań stosować można krajowy zestaw do diagnozowania żeliwa AMEX lub aparaty fitmy Karl Deutsch czy Krautkramer, BA UG H and WEDDON Ltd. Przykładowe prędkościomierze ultradźwiękowe przedstawiono na 1ysunku 8. Rys. S. Zestaw do diagnozowania żeliwa AMEX -a), aparat do diagnozowania że liwa firmy BAUGH and WEDDON Ltd -b) Warunkiem poprawności pomiaru jest równoległość płaszczyzn ścianki odlewu i dobre sprzężenie akustyczne głowicy z powierzchnią odlewu (mała chropowatość powierzchni styku, odpowiedni środek sprzęgający). W przpadku dostępu tylko do jednej powierzchni odlewu wykorzystuje się metodę echa. To znaczy, że impuls jest nadawany i odbierany przez głowicę nadawczo-odbiorczą przyłożoną do dostępnej powierzcłu1i (część odbiorcza głowicy przyjmuje impuls odbity od przeciwległej powierzchni). Jeżeli istnieje dostęp do obu powierzchni to pomiar można realizować także metodą przepuszczania (inne aparaty). lokalizując głowicę n adawc zą na jednej a odbiorczą na przeciwleglej powierzclmi detalu. Stmktura materiału wyvviera wpływ na wartość ciśnienia i natężenia fali ultradźwiękowej przechodzącej przez materiał. Ciśnienie akustyczne fali i jej natężenie maleje w miarę wzrostu odległości od źródła dźwięku co opisują zależności Pr,l = P 0 e-u' 1 1, 1 =!,,e-c"' gdzie: Po- początkowe ciśnienie akustyczne (w pobliżu źródła drgań). P,- ciśnienie akustyczne w punkcie odległym o x od źródła drgax1. lo - natężenie fali w pobliżu źródła drgań. l, - natężenie fali w odległości x od źródła drgań. a - współczynnik tłumienia, x - odległość od źródła drgań.
113 Z przedstawionych wzorów wynika, że wysoka wartość współczynnika tłumienia podłużnej fali ullradźwiękowej materiału może uniemożliwi~~ odbiór impulsu przez głowicę odbiorczą, szczególnie wówczas, gdy nie ma możliwości regulacji wzmocnienia. Szereg opracowań wykazuje, że współczynnik tłumienia podłużnej fali ultradźwiękowej zależy od wielkości z1arn materialu i częstotliwości fali ultradźwiękowej. Charakter tych zależności obrazuje 1ysunek 9. Żeliwo wykazuje wyo...,... QJ "O ~ o o O..!< QJ>... "'... ~ C 'N OJ "O... e "' ~.;.:: ~ o.j::l-- <0 ~ ""t:l o.... ~ ~ ~L_-~==~==J---~---L--~--~--_J J Częstotliwosć fali, MHz Rys.9. Wpływ wielkości ziarn matetiału i częstotliwości podłużnej fali ultradźwiękowej na wartość współczym1ika jej tłumienia sokie wartości współczynnika tłumienia podłużnej fali ultradźwiękowej, dlatego jego badania wykonuje się przy zastosowaniu głowic o częstotliwości nie wyższej ni ż :2MHz. Opracow<mie nomogramów do oceny wytrzymałości na rozciąganie żeliwa z pomiaru prędko ś ci podłużnej fali ultradźwiękowej wymaga wstępnej oceny ultradźwiękowej materiału w celu eliminacji próbek z wadami wewnętrznymi oraz określenia prędkości fali w poszczególnych jego miejscach. Po wycięciu i rozerwaniu próbki ustała się wartość prędkości fali w miejscu zniszczenia. Uzyskane wyniki opisuje się zależnością Rm = f(cl). Próbki z wadami nie są uwzględniane w pomiarach. Schemat postępowania przy opracowaniu zależności Rm = f( c L) ilustruje 1ysunek l O. Do opracowania nomogramów, dla szybkiej oceny efektu sferoidyzacji, odlewane są próbki o kształcie przedstawionym na 1ysunku l l oraz próbki do określenia zawartości magnezu. Po ocenie prędkości podłużnej fali ultradźwiękowej (1ys.8) i liczbowej charaktejystyki geometrycznych cech grafitu opracowuje się nomogramy S s = t( et.). Vvc; = f(cl), (gdzie S s -wskaźnik kształtu grafitu, Vvco- udział objętościowy grafitu). W ostatnim okresie dla kilku odlewni wykonano ocenę zawa11ości magnezu. prędkości podłużnej fali ultradźwiękowej i wytrzymałości na rozciąganie w 1marę upływu czasu. Charakter przebiegu tych zależności przedstawia 1ysunek l :2.
PredkoSć f a l i, c L Rys. lo. Schemat koncepcji opracowania nomogramu do oceny wytrzymałości na rozciąganie żeliwa z pomiarów prędkości podłużnej fali ultradźwiękowej Rys. II. Przekrój fonny oraz próbka do oceny sferoidyzacji grafitu w żeliwie Up ł yw czasu od p oczątku zalewan i a,min....,_l. u "-< "" ~. "'... :> "' O,;t. o O. <l!' u :> ' Vl 'N O"' "O ""'..,.....,_ "''"' "" ~ Upływ czasu od poczatku za l e wania, min "' e u" "' '"' o... QJ... " "' e "" "',., "" N -< '-' " u N >.O 3.... Up ł yw czas u od poczatku zal ewania, min Rys.l2. Wpływ zawaności magnezu, prędkości podłużnej fali ultradźwiękowej i wytrzymałości na rozciąganie żeliwa od upływ11 czasu po zakoi.jczeniu sferoidyzacji i modyfikacji
1 l 5 Z przedstawionych rysunków wynika, że piejwsza porcja metalu otrzymana z kadzi (przy zalewaniu przez dziób) wykazuje niską zawmtość magnezu, małą prędkość podłużnej fali ultradźwiękowej i obniżoną wytrzymałość na rozciąganie Stwierdzono, że przyczyną takiego przebiegu zmian prędkości i wytrzymałości na rozciąganie jest duża porowatość i zmniejszona zawa11ość magnezu w pierwszych porcjach metalu. Dalsze obniżanie się wmtości prędkości fali i wytrzymałości na rozciąganie w miarę upływu czasu jest spowodowane degeneracją grafitu w efekcie odparowania magnezu. Dlatego w odlewniach ocena wytrzymałości materiału wykonana na próbkach pobranych z pierwszej porcji metalu wykazuje często zaniżone wmtości. Podsumowanie Kontrola ultradźwiękowa powinna znaleźć zastosowanie w odlewniach. celem lokalizacji wad i ich rozpoznawania do s011owania odlewów, oceny ksztahu grafitu oraz nieniszczącej metody określenia własności mechanicznych odlewów Zaprezentowany materiał me wyczerpuje możliwości zastosowania metody ultradźwiękowej. Stosowana może być ona także do wyk1ywania miejsc napraw odlewów drogą spawania i wykrywania zabieleń w ściankach odlewów z żeliwa.