Použití ultrazvuku k hodnocení jakosti litinových odlitků

VADY ODLITKŮ Z METALURGICKÉHO HLEDISKA

Použití ultrazvuku k hodnocení jakosti litinových odlitků Use of ultrasound for evaluation of iron casting quality

doc. Ing. Břetislav Skrbek, CSc. Technická univerzita v Liberci, Technical University in Liberec

669.13 : 669.017 : 620.179.15 cast iron – structure – x-ray testing

In foundry industry the ultrasound diagnostics finds its application in the field of structure detection for evaluating the share of structural constituents and in detection of defects. Within this contribution a review of present knowledge in the description of cast iron graphite and an analysis of possibilities and standards for detecting and display the iron casting internal defects are given. The necessary comparison with radioscopic methods is not missing.

Úvod Ultrazvuková diagnostika ve slévárenství nalézá uplatnění v oblasti strukturoskopie pro hodnocení podílu strukturních složek a v defektoskopii vad. V rámci tohoto příspěvku je uveden přehled současných poznatků v popisu grafitu litin a rozbor možností a norem pro detekci a zobrazování vnitřních vad litinových odlitků. Nechybí nezbytné porovnání s prozařovacími metodami.

Hodnocení tvaru a množství grafitu Předmětem technických podmínek odlitků nebývají jen vlastnosti materiálu, jejichž mezní velikosti střeží EN 1561-4. Rozměry (tvar a velikost) grafitu se tradičně snadno určují v rovině metalografického výbrusu z tavebního vzorku či odlitku. Proto se některé mezní hodnoty užitných vlastností litin váží k meznímu popisu grafitu na výbruse podle ČSN EN ISO 945. Příklady: minimální obsah grafitu GVI (80 %) u odlitků z LKG (měla by být předepsána i velikost grafitu), Cm 0 (žádný ledeburitický cementit) souvisí s příznivými velikostmi hodnot

334

slévárenství / LIV / záþí 2006 / 9

základních mechanických vlastností E, Rm, Rp a A [1]. Maximální délka lupínků G1A (např. velikost 4) u LLG (měla by být předepsána i hustota lupínků) souvisí s minimální dosažitelnou drsností frézovaného povrchu odlitku, tepelnou vodivostí a kluznými vlastnostmi rozhraní k párovému materiálu kluzné dvojice [8]. Parametry grafitu (tvar i velikost současně) dobře popisují akustické vlastnosti grafitických litin. Princip vysvětlují následující odstavce. Princip Prostupnost akustických vln materiálem klesá s útlumem hmoty matrice a zejména s množstvím a velikostí vnitřních nespojitostí. Za nespojitost lze považovat inkluze se značně odlišným vlnovým odporem Z vůči matrici [2].

Z = c × ρ [MPa/s]

(1)

Čím větší je rozdíl akustických odporů Z m a Zg, tím větší je množství a velikost odrazu R tlaku akustické vlny z rozhraní zpět. R = (Zg – Z m) / (Zg + Z m) (2)


Pro ocelovou matrici litiny platí Z m = 5,92 × 7,2 = 46,2 MPa/s. Pro grafit přibližně platí Zg = 2 × 2 = 4 MPa/s. Rozhraní matrice–grafit odrazí R = 80,5 % tlaku akustické vlny. Přímé šíření akustické vlny litinou je po několika odrazech od útvarů grafitu vyčerpáno a rozptýleno. Velikost dráhy akustické vlny matricí pak závisí na labyrintu grafitických útvarů. Čím více útvary matrici oslabují (čím jsou štíhlejší), tím větší je hodnota akustické dráhy L u ve srovnání s přímou dráhou (tlouškou prozvučované stěny) L. Rychlost zvuku cL tak klesá.

cL = cLO × L/L u = 5 920 × L/Lu [m/s]

(3)

CLO – rychlost zvuku ocelové matrice litiny. Pokud dochází v rychleji ochlazované části odlitku k metastabilní krystalizaci eutektika (to znamená, že se uhlík místo vyloučení jako grafit váže na železo ve formě karbidu Fe3C a vylučuje se jako tvrdý ledeburit), existuje v šíření akustické vlny odlitkem méně překážek, a proto hodnota rychlosti zvuku s rostoucím množstvím ledeburitu ve struktuře roste. Útlum amplitudy akustických kmitů α výrazně roste, pokud se délka vlny λ blíží velikosti útvarů l grafitu [6].

α = k α× l × (cL /λ)2 [dB/mm]

(4)

Hodnota α = 0,05 pro oceli umožňuje prozvučovat i metrové tloušky stěn. Grafit výrazně útlum zvyšuje. Pro LLG dosahuje α hodnot řádově vyšších, což velmi omezuje detekci vad. Většinu odlitků lze charakterizovat vlastní rezonanční fr, která je funkcí modulu pružnosti E (popisuje tvar grafitu), měrné hmotnosti (množství grafitu) a geometrické štíhlosti H/D. Frekvence fr se obvykle nalézá ve slyšitelném rozsahu [7].

fr = kf × (E/ρ)0,5 × D/H2 [Hz]

(5)

Hodnota E závisí přímo na velikosti rychlosti zvuku cL a tedy na tvaru a množství grafitu.

cL = {(E/ρ) × (1–µ)/[(1+µ) × (1–2 × µ)]}0,5 [m/s] (6)

Úpravou (6) lze získat zjednodušený výraz, kde L je skutečná síla stěn a L u měřeno ultrazvukem.

E = (K × L/L u)2 [MPa]

(7)

Akustické metody zkoušení Pokud se odlitek testuje kmity generovanými aktivními sondami do lokálních průřezů stěn, hovoří se o ultrazvukovém zkoušení a pokud se hodnotí frekvence a útlum vlastních kmitů vybuzeného odlitku, jde o akustické rezonanční zkoušení. Oba způsoby zkoušení využívají interakce struktury s externě buzeným akustickým vlněním. Naproti tomu akustická emise jako metoda zkoušení pracuje s pasivními snímači vln, které generuje sama struktura z míst mezního namáhání. Při ultrazvukové impulzní metodě bývá obvykle zdrojem a zároveň detektorem ultrazvukových vln sonda s kruhovým nebo obdélníkovým piezoelektrickým měničem elektrické energie na mechanickou. Ultrazvuková energie se do stěny odlitku vyzařuje formou krátkých opakovaných impulzů (opakovací frekvence řádově v kHz) nosné vlny s frekvencí jednotek MHz. Konkrétní hodnota použité nosné frekvence tvoří kompromis mezi přesností (ta roste s výškou frekvence) měření a prozařitelností stěny odlitku. Pro litiny s lupínkovým grafitem se používá frekvence max. 2 MHz. Vyslaný impulz se odrazí od protějšího povrchu stěny nebo rozhraní a jeho odraz sonda opět přijme. Po elektronickém zpracování se zobrazí jako odrazová

echa („píky“) na displeji nebo obrazovce defektoskopu nebo číselným odečtem hodnoty rozteče ech na displeji tlouškoměru. K přenosu ultrazvukového vlnění mezi čelem sondy a povrchem odlitku musí být navázána tzv. akustická vazba kontaktním kapalným médiem (voda, vazelína). Zkoušení se týká prozvučovaného sloupce litiny, který odpovídá průměru sondy a rozevření svazku vysílaných vln. Pro získání hodnot L a L u nutných ke stanovení rychlosti zvuku cL podle (3, 7) nutno provést měření posuvným měřítkem a ultrazvukem. Specializované ultrazvukové přístroje měří současně posuvným měřítkem a sondou umístěnou v čelisti měřítka [2]. Měření rychlosti povrchových vln dvěma sondami s konstantní roztečí L na jedné straně odlitku může podstatně zvětšit produktivitu zkoušení [9]. Hodnocena je však jen povrchová partie odlitku ovlivněná licí kůrou (způsob zkoušení vhodný jen pro obrobené plochy odlitků). Reflektor povrchových vln tvoří hrana odlitku. Toho lze využít k měření rychlosti povrchových vln jen jednou sondou. Nutnost akustické vazby kapalným médiem odstraňuje vynález elektromagnetických ultrazvukových měničů [2]. Využívají Lorenzovy síly, které vzniknou ve feromagnetiku po zavedení elektromagnetického impulzu. Příklady aplikací Poměrně rozsáhlý soubor experimentů a zkoušení odlitků ultrazvukem dovolil zpracovat výsledky v grafickém vyjádření funkčních vztahů [8], z nichž některé jsou dále uvedeny v číselné podobě. Stěžejní operací metalurgické úpravy tekuté litiny při odlé- vání litiny s kuličkovým grafitem je modifikace hořčíkem. Umožní krystalizaci grafitu ve tvaru kuliček. Modifikační účinek Mg v tavenině však trvá maximálně několik desítek minut. Vysoké obsahy S a O v tavenině však modifikační účinek krátí. Modifikaci je nutno kontrolovat. Ultrazvuková rychlozkouška účinku modifikace [10] se provádí na zkušebním odlitku (zakaleném ihned po ukončení eutektické reakce) ve tvaru klínku ještě před odlitím litiny do forem a po odlití posledního odlitku z modifikovaného množství litiny. Množství červíkového grafitu GIII má být max. 20 %. Platí pro martenzitickou matrici.

GIII = 775 – 0,142 × cL [%] K = 0,83

(8)

K – koeficient korelace. Kontrola tvaru grafitu přímo na posledním odlitku, který byl z pánve odlit, přináší jistotu celé dávce, pokud je množství kuličkového grafitu GVI > 85 %. Pokud tato podmínka není splněna, je nutno zkontrolovat podíl GVI u všech odlitků dávky. Obsah GVI 6. velikosti dle ČSN v ojnicích z LKG v litém stavu byl určován podle rovnice

GVI = 1 132 × L/L u – 1 000 [%] K = 0,9

(9)

Rezonanční zkoušení spočívá ve vyvolání (generátorem s proměnným kmitočtem nebo úderem) a měření parametrů vlastních kmitů, které reprezentují celý objem odlitku. Takto lze zkoušet pouze “znějící” štíhlé tvary. Odlitky musí být geometricky stejné v hmotnostní toleranci 3 %. Pro konkrétní odlitky byl například stanoven výraz [7]:

GVI = 0,2038 × fr – 186 [%] K = 0,91

(10)

Z řady provedených zkoušek vyplývá třikrát větší vliv lupínkového grafitu GI než červíkového GIII na snížení hodnoty


335


rezonanční frekvence fr. Vzorec (10) platí v soustavě výskytu grafitů GVI a GIII. Ledeburit ve struktuře LLG působí velké problémy při obrábění. Včasná identifikace pro obráběcí centra „nebezpečných“ odlitků (s obsahem ledeburitického cementitu) ultrazvukem je poměrně spolehlivá, což potvrzuje vysoká hodnota koeficientu korelace výrazu (11). Platí pro příruby konkrétního druhu armatur. Měření hranových zákalek není jednoduché.

CEM = 462,5 × L/L u – 368 [%] K = 0,98

(11)

Vliv množství a velikosti lupínkového grafitu Množství grafitu nepřímo popisuje obsah uhlíku C vyjádřený stupněm eutektičnosti SE, který zohledňuje i vliv Si a P.

SE = C/(4,3 – 0,3(Si + P)) [1]

cL = c LO/(l0,045 × Se0,3) [m/s] K = 0,89

(13)

Ultrazvuková kontrola LLG si neklade za cíl stanovení délky nebo určitého podílu grafitu, ale zařazení do jakostní třídy dle ČSN podle hodnot tuhosti reprezentované hodnotou počátečního modulu pružnosti Eo. Tab. I uvádí hodnoty platné pro stěny odlitků silné 15–30 mm. Konstantu K ve výrazu (7) lze vypočítat z měření na štíhlých tyčích dle [6]. Pro diagnostiku odlitků z LLG Slévárny Liberec-Ostašov se tak například používá výraz ve tvaru:

Eo = (437,8 × L/L u)2 [MPa]

(14)

Např. hodnoty modulů pružnosti (tab. II) uvádí EN 1561 v ši- roké toleranci pro jednu jakost LLG (vždy nižší než uvádí ČSN 42 2410-35) s poznámkou, že závisí na morfologii grafitu a zatížení. Přisuzují se tedy již zatěžovaným provozovaným výrobkům z litinových odlitků. Pro posuzování shodnosti litin v odlitcích ještě ve slévárně je nutno uvádět mezní hodnotu nebo toleranci počátečního modulu pružnosti (počátečním hodnotám Eo odpovídají informativní údaje původních zna- ček LLG ČSN). U výchozího odlitku číselně charakterizuje množství a velikost grafitu v prozvučované stěně. Nejde o porovnávací metodu, ale o rychlý účinný kontrolní způsob [3] určování jakosti litiny přímo na odlitku podle hodnoty počátečního modulu pružnosti Eo (tab. II). Pro potřeby provozní kontroly SKS Krnov byly např. stanoveny konstanty pro: LKG

Eo= (430,9 × L/L u)2 [MPa]

(15)

LLG

Eo= (446,1 ×

L/L u)2 [MPa]

(16)

LLG

Rm= 1 652 × L/L u + 1 000 [MPa]

(17)

Metalografické plošné hodnocení struktury znaky dle EN ISO 945 není pro funkční objem litiny objektivní. Například při určování podílu červíkového grafitu se hodnoty od dvou různých osob mohou lišit až o 30 % a u tohoto typu grafitu je ještě nutné uvádět údaj, ze kterého místa vzorku odhad pochází [10], zda z tepelné osy či povrchu apod. V ose se vyskytuje nejvíce % GIII. Proto lze doporučit, struktury popisovat hodnotami fyzikálních veličin cL, E0, a ne smluvními, vizuálně získanými znaky (% GVI apod.). Výsledky experimentů z desítek taveb (indukční pece) českých sléváren z let 1988–1998 [3], [10] shrnuje obr. 1. Krajní body vymezují rozsah SE sou-

336

Jakost ČSN

42 2410

42 2415

Eo [GPa]

85

97

Rm [MPa]

100–150

150–200

42 2420 110 200–250

42 2425

42 2430

125

144

250–300

300–350

Tab. II. Hodnoty modulů pružnosti Tab. II. Modi of elasticity values EN

GJL-150

GJL-200

GJL-250

GJL-300

GJL-350

E [GPa]

78–103

88–113

103–118

108–137

123–143

(12)

Pro LLG je dominantní souvislost mezi délkou lupínků l [µm] grafitu, stupněm eutektičnosti Se (reprezentuje částečně množství grafitu) a rychlostí zvuku cL [4].

Tab. I. Hodnoty platné pro stěny odlitků silné 15–30mm Tab. I. Values valid for casting walls thick 15–30 mm


borů vzorků. Grafitu GVI přísluší přibližně velikost 5 dle EN 945. Jednotlivé body GVI s názvy původu odlitků náleží jemnějším GVI 6-8. Stupeň eutektičnosti SE a křivky pro GIA LLG jsou popsány výrazy (12) a (13). Z grafu plyne značné snížení hodnot rychlosti zvuku cL martenzitickou matricí. Vliv žíhání [11] U litin po normalizačním žíhání (N) a žíhání na odstranění cementitu (OC) klesá jak cL, tak i c T. V případě N u litin LLG-P1 % v průměru o 37,2 m/s u rychlosti podélných vln a o 13 m/s u vln příčných. U vzorků z LLG se pokles rychlosti šíření podélných vln pohyboval u vzorků 130 m/s až 277,8 m/s, což by mohlo být způsobeno větší délkou vytvořených lupínků grafitu. Obdobně rozdílný pokles je i u vln příčných, a to 48,5 m/s, 47 m/s, resp. 78,9 m/s. Důvod rozdílného chování litinových vzorků k ultrazvukovým vlnám vzorků je možno spatřit v rozdílném chemickém složení, zejména v přítomnosti většího množství fosforu u litin LLG-P1 %. U LKG se pokles pohyboval v rozmezí 153,8–207,7 m/s (ΔcL) nebo 52,7–94 m/s (ΔcL), resp. pro cT byl 64,31 a 22,9 m/s. Po OC je ΔcL u vzorků LLG-P průměrně 145,6 m/s a ΔcL= = 60,3 m/s, u LLG se pohybuje v rozmezí 108,4–168,1 m/s a příčných vln 38,9–52,2m/s. U LKG je změna rychlosti podélných vln max. 218,4 m/s a v průměru 141 m/s. Změna rychlosti příčných vln je v průměru 51 m/s a max. o 103,1 m/s. Při simulaci hodnotami cL se podíl kuličkového grafitu GVI pohybuje kolem 85 % pro výchozí litý stav. V případě zamíchání žíhaného vzorku mezi lité by byla chyba v určení podílu GVI cca 35,5 %; 12,3 %, byly-li by odlitky normalizovány, a 53,8 % až 27 %, pokud by prošly žíháním na odstranění cementitu. Zjištěné hodnoty jsou závažné, avšak jen orientační, nebo v rámci práce bylo experimentováno s 11 vzorky z LKG různých sléváren.

Defektoskopie Pro expedici vnitřně zdravých odlitků musí slévárny aplikovat radiografické (označované RT) nebo ultrazvukové (UT) metody kontroly. Pro základní roztřídění vad do skupin, druhů a pro názvy platí např. ČSN 42 1240. Přesnou identifikaci velikosti, polohy a druhu vady metodami RT a UT samostatně obvykle nelze určit. Staženiny a řediny vznikají v závislosti na teplotě lití, smrštění kovu a ošetření tepelných uzlů. Vznik „vzduchových“ bublin v odlitku souvisí přímo se slévárenskou technologií. Bubliny z plynů v kovu rozpuštěných za tekuta souvisejí s ja-


kostí použitých vsázkových a formovacích surovin a s metalurgickou rafinací. Studené spoje a trhliny souvisejí s nevhodnou geometrií a teplotou tekutého kovu i s rozpuštěnými škodlivými prvky. Obě metody jsou vázány normami, jejichž výkladem se příspěvek také zabývá. Princip metod Ultrazvuková i prozařovací neboli radiografická metoda má svá specifika, která je nutno zohlednit při plnění požadavku detekce konkrétní vady o mezní velikosti v daném odlitku. Ultrazvuková impulzní odrazová metoda využívající přímé nebo úhlové sondy pokryje většinu aplikací [6]. Ultrazvuková sonda přiložená na povrch odlitku díky piezoelektrickému jevu

vysílá do zkoušené partie odlitku opakovaně impulzy (opakovací frekvence) po několika ms až setinách sekundy. Impulz tvoří několik kmitů nosné frekvence jednotek MHz. Když sonda právě nevysílá, je přepnuta do příjmového režimu. Přes vazebné médium (voda, olej) pronikají akustické impulzy do odlitku. Přijímač čeká na odražený impulz od vnitřní vady nebo zadního povrchu stěny. Odrazy akustických vln se znázorní na displeji ultrazvukového přístroje vadovým nebo koncovým echem o výšce Vn a Vk s roztečemi od počátečního echa úměrnými hloubce vady či tloušce stěny. Výška echa je úměrná množství odražené energie, které nemusí být vždy úměrné velikosti vady. Při stejné velikosti vady s rostoucí vzdáleností od sondy klesá výška echa vlivem rozptylu a pohlcování akustických vln na struktuře (útlumu α). Při prozařování vysílá zdroj záření štěrbinou několika mm pronikavé paprsky do odlitku umístěného v patřičné vzdálenosti několika desítek cm až m. Plošný detektor (kazeta s filmem, elektronický snímač pro televizní řetězec ap.) zeslabeného záření musí být umístěn za odlitkem. Intenzita prošlého záření klesá s rostoucí tlouškou materiálu odlitku v přímce od štěrbiny zdroje. Výsledkem zloušky jsou radiogramy (velkoformátové ploché negativní černobílé filmy). Zdroj záření může být „rentgen“, izotopy Ir192 nebo Co 60, urychlovač částic. Při televizním řetězci se průběžně sleduje prozařovaný odlitek prostřednictvím elektronického snímače. Vady se tak na radiogramu projeví jako tmavší skvrny o ploše větší než vada (vada je promítnuta bodovou štěrbinou na matnici filmu). Poměrná intenzita její tmavosti roste s rostoucím rozměrem vady ve směru ke zdroji záření.

Obr. 1. Grafické vyjádření vlivu SE a velikosti lupínků grafitu na podélnou rychlost zvuku c L. GI-F100 – „vyhořelý“ modifikační účinek; M – martenzitická matrice; ŠL = LLG; LČG = litina s červíkovitým grafitem; TL = LKG Fig. 1. Graphical representation of eutectic degree influence and graphite lamellae size on longitudinal sonar speed cL. GI-F100 –“burnt out” modification effect; M – martensitic matrix; ŠL = GJL; LČG = GLV; TL = GJS

Porovnání metod Litiny a oceli značně pohlcují radiační záření, takže tloušky stěn L > 150 mm vyžadují extrémní časy expozic (h) nebo zvláš výkonné zdroje (urychlovače). Pozorování v reálném čase rentgentelevizními řetězci umožňují díky malé pohltivosti jen odlitky z lehkých kovů. Tloušky stěn při volbě vhodné nosné frekvence nijak ultrazvukovou diagnostiku ocelí neomezují (lze prozvučit i řádově metry stěn). Ke kontrole ultrazvukem stačí přístup z jedné strany ke kontrolované partii odlitku. Nasazení prozařovací metody vyžaduje přístup z obou stran. Z uvedených principů vyplývá, že ultrazvukovou diagnostikou zachytíme odraz od povrchu, kdežto prozařovací registruje změny objemu (vad). Radiografií tedy obecně nelze registrovat uzavřené trhliny, zavaleniny a studené spoje, kdežto ultrazvukem velmi dobře.


337


Z ultrazvukového zobrazení A lze vyčíst hloubku a, v níž se nalézá čelo vady a obrys vady v kolmém směru vůči sondě (pohybem sondy a vhodnou kombinací hodnocení vadovým a koncovým echem u přímých sond). Z radiogramu odhadneme velikost obrysu vady (nutno redukovat s ohledem na geometrii zdroj–odlitek–detektor) i její tloušku, tedy její objem. Nelze ovšem stanovit polohu vady ve směru k zářiči (v jaké hloubce pod povrchem se nalézá). K tomu by bylo nutno prozářit odlitek ještě z kolmého směru. Ultrazvukové měrky a úhlové sondy se konstruují pro rychlost zvuku v oceli (5 920 m/s). Aby nedocházelo k chybnému odečítání vzdálenosti, je třeba ultrazvukový defektoskop seřídit na rychlost zvuku materiálu zkoušeného odlitku (cL1 litina nebo Al cLA). Úhlové sondy pak ale vyzařují pod menším úhlem než udává jejich označení na litině a pod větším na Al (pro ocel cLo; cLA > cLo > cL1). Základní detekční kritéria pro ultrazvukovou metodu jsou splněna pro typy vad studených spojů a trhlin [2], ale nikoliv pro póry a vměstky. Pro jejich detekci je nutno zvolit vyšší úroveň citlivosti. Na vzorcích z Al slitiny s nacyklovanými trhlinami byly provedeny zkoušky i ostatními defektoskopickými metodami. Vady v hloubce menší než 0,5 mm jsou zjistitelné pouze kapilární metodou a vířivými proudy. Hloubková citlivost ultrazvuku je na vady od hloubky cca 2,5 mm; prozařování na vady vhodně orientované a větší. Prahová velikost vady závisí na použité frekvenci. Záznam vady ve své velikosti na rentgenogramu obecně nezávisí na tom, v jaké hloubce se vada nalézá. Ultrazvukové echo stejné vady se vzdáleností od sondy výrazně ve své výšce H klesá. Ke kompenzaci této nevýhody slouží vyhodnocování vad pomocí tzv. AVG škál (křivek poklesu ech náhradních vad předkreslených na matnici obrazovky či displeje ultrazvuku) nebo DAC křivek (sestaveny z vadových ech náhradních vad stejné velikosti v různých hloubkách reálného odlitku). Pod pojmem náhradní vada o průměru d se rozumí kruhová rovinná plocha o průměru Dp kolmá ke směru šíření akustické vlny nebo válec D Q kolmý ke směru šíření. Oba typy náhradních vad jsou obtížně souměřitelné. Závisejí na frekvenci f, hloubce S a efektivním průměru sondy Def. D Q – příčný válcový vývrt D P – čelní plochý kruhový vývrt

D Q = 4,935 × D P4/(λ2 × s) [mm]

(18)

λ – vlnová délka s – vzdálenost od čela měniče sondy Def Příklad pro přímou sondu 2 MHz, Def 10 mm ukazuje tab. III. Válcový vývrt se snadno vyrobí. Pracovník ultrazvukové defektoskopické kontroly obvykle vady vyhodnocuje a velikosti nálezů vad prezentuje právě v hodnotách dn. Je nezbytné si uvědomit, že pro vyvolání stejně velkého echa Hn je nutná podstatně větší (až dvojnásobná) vada ve tvaru koule nebo válce s osou kolmou k šíření vlny. Koule a válec rozptylují odražení vlny podstatně více než náhradní vada. Proto musí technolog nebo slevač předpokládat, že nález velikosti přirozené vady bude větší než prezentovaná hodnota náhradní vady. Odběratelům odlitků nestačí pouze informace o hloubce a a odhadu velikosti vady, které poskytuje zobrazení A jednoduchého ultrazvukového defektoskopu. Chtějí přesné vyhodnocení charakteru a velikosti vady včetně důkazu, kterým je u radiografie zhotovení snímku. V průmyslové praxi se již uplatňují skenovací (řádkovací) ultrazvukové systémy s výstupním plošným zobrazením B [2], které poskytuje rovnocennou prů-

338


kaznost vad jako radiografie. Odlitek je umístěn v nádobě s vodou; ultrazvuková sonda se po hladině pohybuje v řádcích a prozvučuje odlitek přes vodní sloupec. Zobrazení B kreslí zapisovač. Odražené akustické vlny mohou být také směrovány mimo přijímací sondu, i když má vada tvar náhradní vady, pokud není kolmá k ose ultrazvukového svazku vycházejícího z ultrazvukové sondy. Proto musí defektoskop vyhodnocovat nejen velikost vadového, ale i koncového echa. Rovinná vada odrážející ultrazvukový svazek vln mimo sondu se totiž projeví poklesem koncového echa. Studený spoj nebo trhlinu šikmou k ose vyzařování sondy tak lze identifikovat poklesem koncového echa nebo přímo vadovým echem při diagnostice úhlovou sondou. Normy Kontrola vnitřní jakosti ocelových odlitků podléhá pevné standardizaci radiografických metod (ČSN ISO 4993). Litiny mají blízkou pohltivost ionizujícího záření jako oceli, proto zvláštní normu EN sice nemají, ale vyskytují se u nich specifické vnitřní vady. Zkoušení prozařováním Al a Mg slitin se řídí ISO 9915 (ČSN 42 9715). Při ultrazvukovém hledání vnitřních vad vládne pevná standardizace u tvářených a svařovaných ocelových výrobků. Pro ocelové odlitky lze pro hodnocení velikosti vad využít obecné normy ČSN EN583-4 a 5 a ČSN 01 5022 a 23. Vlastní metodika a klasifikace do jakostních tříd se provádí podle norem EN 12680-1 a 2. Pro odlitky z LKG platí EN 12680-3 (ČSN 42 9717). Na odlitky z LLG a lehkých slitin lze aplikovat uvedené normy jen orientačně. Podstata nemožnosti svázat uvedenou kontrolní činnost normami tkví v rozdílném utváření struktury a objemových změnách při tuhnutí a chladnutí odlitků ve formě. Technické přejímací podmínky se obvykle „šijí“ na míru kontrolovanému litinovému odlitku. Svým způsobem je možno za nedestruktivní kontrolu vnitřních vad považovat i zkoušky těsnosti rour, skříní a hydraulických a pneumatických odlévaných prvků. EN 1779 (ČSN 015059) nabízí kritéria pro volbu metod a postupů zkoušek těsnosti. Přehled mezinárodních norem: ČSN EN 583-4 (01 5023) Zkoušení ultrazvukem – zjišování vad kolmých k povrchu ČSN EN 583-5 UT. Charakterizace a určení velikosti vad EN 12680-1 Slévárenství – Zkoušení ultrazvukem. Ocelové odlitky pro všeobecné použití EN 12680-2 Slévárenství – Zkoušení ultrazvukem. Ocelové odlitky vysoce namáhané

Tab. III. Hodnoty D Q Tab. III. Values of DQ DP [mm]

1

1,5

S = 10

0,06

0,32

S = 20

0,03

0,16

S = 50

0,01

0,064

S = 100

0,006

S = 200 S = 500 S = 800

2

3

4

6

10

1

5

16

81,5

629

0,5

2,5

8

40,8

316

0,2

1

3,2

16,5

126

0,032

0,1

0,51

1,6

8,15

63

0,016

0,05

0,25

0,8

4,1

31,6

0,02

0,1

0,32

1,65

12,6

0,05

0,16

0,82

6,3


EN 12680-3 Slévárenství – Zkoušení ultrazvukem. Odlitky z litiny s kuličkovým grafitem ISO 4993 (ČSN 42 9714) Ocelové odlitky – zkoušení prozařováním ISO 9915 (ČSN 42 9715) Odlitky ze slitin Al – zkoušení prozařováním Výklad stupňů jakosti – řediny Jeden příklad za všechny. Vady typu C – řediny bývají specifickou bolestí litinových odlitků. Pro radiografické hodnocení litinových odlitků EN norma není. Běžně se proto používá ASTM E446 pro LKG a E802 pro LLG. Při ultrazvukové kontrole se řediny neprojevují vadovým echem. Ultrazvukem se zjišují jen podle poklesu koncového echa vůči „zdravé“ stěně. Pro odlitky z LLG norma není. Hodnocení podle EN 12680-3 – odlitky z LKG Norma rozlišuje střední a okrajové pásmo hodnocení a ještě hodnocení ve vztahu k celkové kontrolované ploše. Údaje pro odlitky o stěnách cca 30 mm jsou uvedeny v tab. IV. Tab. IV uvádí přípustné plochy ředin v cm2. Mez pro vymezování plochy ředin ultrazvukovou sondou předepisuje norma poklesem KE o 20 dB (cca pokles o 90 % je úroveň pro registraci v EN 12680-3!) Řediny se vyskytují přirozeně ve středové oblasti. Hodnocení podle EN 12680-2 – Ocelové odlitky pro vysoce namáhané díly Norma opět rozlišuje okrajové a středové pásmo po 1/3 tloušky stěn odlitků. Tab. V uvádí mezní plochy ředin v cm×cm. Úroveň pro registraci plochy řediny je však pouze pokles KE o 12 dB (pokles o 75 %). Hodnocení podle E446 Hodnocení podle E446 (tab. VI) vychází z plochy ředin na vzorových radiogramech. Okrajové a středové pásmo nelze na snímku odlišit. Radiografické měřítko vypadá velice přísně. Zákazník tuto normu považuje za rozhodující a vyžaduje stupeň 3. Málokterá slévárna si může dovolit prozařovat větší litinové odlitky. Hodnocení ředin ultrazvukem podle EN 12 680-3 je však téměř 10× mírnější. Slévárna má často jen možnost ultrazvukové kontroly. Existuje cesta, jak přiblížit velikost nálezů ředin ultrazvukem požadavku E446. Je nutno snížit citlivost sondy nižší frekvencí, uplatnit úzké frekvenční pásmo (tlumením), volit průměr měniče, vyšší pokles Vk atd.

Závěr Mocným nástrojem ke kontrole a následnému zlepšení jakosti litiny v odlitcích jsou prostředky nedestruktivní strukturoskopie. Tento článek ukázal příklad využití ultrazvuku. Správně by prostředky NDT strukturoskopie měly preventivně sloužit k udržení jakosti v systému řízení jakosti sleváren. Hodnocení vnitřních vad ulrazvukem není tak průkazné jako hodnocení prozařováním. Kritéria (standardy) pro hodnocení stupňů vnitřní jakosti se značně liší. Pokud nejsou přesně zadány podmínky ultrazvukové kontroly, lze vývojem vhodných parametrů měření výsledky přizpůsobovat. Příspěvek byl vytvořen za podpory výzkumného záměru MSM4674788501 a projektu F1 – 1M/001.

Tab. IV. Přípustné plochy ředin [cm2] Tab. IV. Permissible areas of shrinkage porosity [cm2] Kritérium

stupeň

2

3

4

okraj

6

10

není mez

střed

100

150

200

93

více než 93

k celkové ploše odlitku

kotouč. 620 celk.

cm2

62 ředin

Tab. V. Mezní plochy ředin [cm×cm] Tab. V. Limit areas of shrinkage porosity [cm×cm] Kritérium

2

3

4

okraj

stupeň

8

16

26

střed

70

100

125

Tab. VI. Hodnocení podle E446 Tab. VI. Evaluation according to E446 Stupeň E446 plocha ředin

[cm2]

2

3

4

do 10

11–30

nad 40

Literatura [1] Exner, J. – Čech, J. – Rusín, K.: O některých fyzikálních vlastnostech dynamicky namáhaných automobilních odlitků ze šedé litiny. Sborník, 47. slévárenský kongres Chicago 1982. [2] Deutsch, Platte, Vogt. Ultraschallprüfung – Grundlagen und industrielle Anwendungen. Berlin, Springer Verlag 1997. [3] Skrbek, B.: Nedestruktivní diagnostika vlastností litin. Slévárenství, 1999, č. 8–9, s. 505–508. [4] Bejčková, M.: Vliv velikosti útvarů grafitu na rychlost zvuku. Diplomová práce KMT-199, TU Liberec 2005. [5] Skrbek, B.: Vztah rychlosti zvuku, tvrdosti, tloušky stěn a drsnosti obrobených povrchů litinových odlitků. DEFEKTOSKOPIE 93, mezinárodní konference, sborník, M&C České Budějovice, 1993, s. 72–80. [6] Obraz, J.: Zkoušení materiálu ultrazvukem, SNTL, Praha 1989. [7] Skrbek, B.: Kontrola nodularity grafitu LKG odlitků 430/3 v podmínkách hromadné výroby, interní zpráva 9604MZOL. [8] Skrbek, B.: Problémy aplikace grafitických litin u vznětových motorů a nákladních automobilů. Habilitační práce TU Liberec, březen 2000. [9] Krautkrämer, T.: The New Generation of Ultrasonic Thickness Gauges DMS 2TC. Firemní publikace TESTIMA, s. r. o., Praha, 5/2000. [10] SKRBEK, B. – VODIČKA, P.: Zkušenosti s provozováním ultrazvukové rychlozkoušky účinku modifikátoru. Konference Očkovadlá a predzliatiny, INPEKO Žilina 10/1991, sborník, s. 11. [11] FLANDERKA, M.: Změny akustických vlastností litin rovnovážným tepelným zpracováním. Bakalářská práce KMT-B-106, TU Liberec, 2005. Lektor: prof. Ing. Jaroslav Čech, CSc. slévárenství / LIV / záþí 2006 / 9

339

Použití ultrazvuku k hodnocení jakosti litinových odlitků

Recommend Documents