A TERMELÉSI FOLYAMAT MINÕSÉGKÉRDÉSEI, VIZSGÁLATOK 2.5 2.4
Tempervas jellemzése örvényáramos módszerrel Tárgyszavak: öntöttvas; vasötvözet; örvényáram; roncsolásmentes anyagvizsgálat, roncsolásmentes vizsgálat.
A közelmúltban több különböző roncsolásmentes módszert dolgoztak ki a műszaki vasötvözetek minősítésére és ellenőrzésére. Ilyen többek között a lézersugaras ultrahang-frekvenciás módszer, az infravörös termográfia, a neutrondiffrakciós eljárás stb. Az új megoldásokon kívül fokozott figyelmet szentelnek a hagyományos módszerek, az ultrahangos, a mágneses fluxusszóródásos, a maradékfeszültség, az örvényáramos stb. eljárások fejlesztésének. Mindeddig egyszerűsége és olcsósága ellenére az örvényáramos módszert elsősorban beépített rendszerek, például csövek, atomerőművi hőcserélő csövek, többrétegű struktúrák és más, korrózióra, valamint repedésképződésre hajlamos termékek felülvizsgálatára, állapotuk folyamatos ellenőrzésére vették igénybe. A következők a tempervas anyagi tulajdonságainak örvényáramos jellemzésére kiterjesztett változatát ismertetik. Közismert, hogy a tempervas mechanikai, valamint elektromágneses tulajdonságai nagymértékben függnek a szövetszerkezettől, a grafitzárványok alakjától, méretétől és mennyiségétől. A keménységet, a folyáshatárt és a fajlagos ütőmunkát döntő mértékben befolyásolja a perlit– ferrit arány. A ferrites öntöttvas lágymágnesesebb, mint a perlites, nagyobb a villamos vezetőképessége, ezért az öntöttvasban a váltakozó feszültség hatására gerjesztett örvényáram ennek megfelelően változik. Ennek a kapcsolatnak az alapján válik lehetővé az öntött tempervas roncsolásmentes minősítése örvényáramos szonda alapján. Mivel jelenleg általában az ultrahang-frekvenciás módszerrel határozzák meg az acél és az öntöttvas mechanikai tulajdonságait, ezért célszerű volt ezek-
nek a módszereknek az eredményeivel összevetni az örvényáramos vizsgálattal kapott eredményeket.
Kísérletek Az anyag tulajdonságainak értékelésére szokványos tekercselrendezést vettek igénybe. A felületi szondák két, differenciál üzemmódban működő tekercsből álltak. Az egyik feladata az indukció és a detektálás, a másiké a referenciafeszültség szolgáltatása (1. ábra).
referenciatekercs 20 mm
detektálótekercs
a próbatest felülete
1. ábra A tekercselrendezés vázlata örvényáramos szonda esetében A tekercsek ASSORT-PC2 örvényáramos műszerrel csatlakoztak a személyi számítógéphez. A műszer kétcsatornás kimenettel volt ellátva, vagyis a szonda örvényáramos műszer által feldolgozott jelei a kimeneti csatornára jutottak. A regisztrált jelet az alsó detektálótekercs feszültéségének és a felső referenciatekercs feszültségének különbsége képezte. A feszültség arányos volt a tekercsek komplex impedanciájával. A mérést megelőzőleg a szondát az egyik ellenőrzött próbatest alapján kalibrálták. Valamennyi mérést szobahőmérsékleten végezték. Ultrahang-frekvenciás méréseket is végeztek. 5 MHz frekvenciájú longitudinális hullámokat gerjesztettek. A kivágott próbatestekből 50 mm magas, párhuzamos alsó és felső véglappal kialakított mintákat állítottak elő. Az ultrahang-frekvenciás longitudinális hullámokat közvetlen érintkezéses szondával gerjesztették. A jeleket Parametrics Pulser/Receiver Model 5800 típusú vevővel detektálták. 52 próbatest vizsgálatára került sor. Az öntvények anyagának típusa a japán szabványelőírások szerinti FCD 450-600 minőségnek felelt meg.
Az optikai mikroszkópos felvételek szerint a vizsgált próbatestek szövetszerkezete ferrites, perlites és közbenső struktúrájú volt. Az öntést a szokványos módon végezték: a betét anyaga nyersvas, ócskavas és elektroacél volt. A gömbgrafitos öntöttvas előállítása céljából a csapolóüst aljára ferroszilíciumos magnéziumötvözetet adagoltak. Beoltás után az olvadékot homokformába öntötték. Az öntvényekből mintákat vágtak ki Brinell-keménység, szakítószilárdság, ultrahang-frekvenciás, valamint örvényáramos vizsgálatok céljaira. Az utóbbi esetben 50 mm élhosszúságú kockákat használtak fel. A szakítóvizsgálatokat 30 mm sugarú, 400 mm hosszú hengeres próbatesteken végezték.
Eredmények Az irodalom szerint az ultrahang-frekvenciás hullám sebessége a gömbgrafitos öntöttvasban gyorsan csillapodik. Hasonlóképpen az öntöttvas egyes tulajdonságai (szakítószilárdság, rugalmassági modulus) a grafit morfológiájának függvényében változnak. Ugyanez érvényes az ultrahang-frekvenciás hullám sebességére. Miután a szakítószilárdsági paraméterek és a keménység között empirikus kapcsolat érvényesül, ebből következhetne, hogy talán a keménység is meghatározható ultrahang-frekvenciás méréssel. Ennek ellenőrzésére kísérletsorozatot végeztek. Azonban a 2. ábra szerint nincs korreláció az ultrahang-frekvenciás hullám sebessége és a próbatestek keménysége között.
Brinellkeménység
sebesség, m
2. ábra A longitudinális ultrahang-frekvenciás hullámok sebessége és a Brinell-keménység közötti kapcsolat mérési eredményei
Tekintettel arra, hogy valamennyi vizsgált próbatest 100%-ban gömbgrafitos, azonban szövetszerkezetük eltérő, azt a következtetést lehet levonni, hogy a korreláció hiánya a ferrit és a perlit közel azonos rugalmassági tulajdonságaira vezethető vissza. A különböző ferrit/perlit arányú próbatestek szétválasztása érdekében az örvényáramos módszert alkalmazták, mivel ez az eljárás érzékeny lehet a ferrit és a perlit eltérő mágneses tulajdonságaira. Miután az eljárás érzékenysége függ a gerjesztési frekvenciától, előkísérleteket végeztek az optimális frekvencia meghatározása érdekében. A vizsgálatokat két ferrites és perlites szövetszerkezetű mintán végezték. A frekvencia 5 és 600 kHz határok között változott. A két csatorna kimenőfeszültségét a komplex síkban ábrázolták. A vizsgálatok szerint a jelek leghatékonyabb megkülönböztetése minimális tekercs–próbatest távolság esetében, 50 kHz fölötti frekvencián érhető el. A szkinhatás mélységére vonatkozó összefüggés: δ = (1/ πσµf )
1/ 2
(1)
ahol (σ) az anyag vezetőképessége, (µ) a permeabilitás és f a frekvencia. Ennek értelmében a szkinhatás mélysége 5 kHz frekvencián 0,55 mm, 10 kHz esetében 0,39 mm, 50 kHz frekvencián 0,17 mm, 600 kHzen 0,05 mm. Amennyiben az örvényáram behatolási mélysége nagyobb, akkor pontosabb információhoz lehet jutni a vizsgált anyag tulajdonságairól. Ezért optimális frekvenciának az 50 kHz értéket választották. A továbbiakban vizsgálták az öntöttvas mechanikai tulajdonságait az örvényáramos szonda Vx kimenőjele függvényében. A 3. ábra szerint a Vx feszültség és az öntöttvas Brinell-keménysége közötti korreláció elég szoros. Az empirikus összefüggés jellemzésére egyszerű regressziós elemzési módszert alkalmaztak. Lineáris összefüggés illeszkedik legjobban a mérési adatokhoz. A kísérleti adatok és a lineáris kapcsolat közötti eltérést az R korrelációs tényezővel lehet jellemezni: R2 = S/T
(2)
ahol S az Y átlagérték és az előre jelzett Y érték közötti különbségek négyzetösszege és T az Y átlagérték és az aktuális Y érték különbségeinek négyzetösszege. A 3. ábrán feltüntetett adatok esetében a korreláci-
ós tényező R = –0,88. Figyelembe kell venni, hogy bár a vizsgált próbatestek grafitszemcse-struktúrája azonos, azonban a grafitszemcsék száma és nagysága eltérő.
legkisebb négyzetes regressziós egyenes: Y = 179 – 30X korrelációs együttható: R = -0,88 Brinellkeménység
V x, V
3. ábra Empirikus kapcsolat a szonda kimenőjele és a Brinell-keménység között (lineáris összefüggés illesztése) Bár az öntöttvas mikroszkópos szövetszerkezete nem befolyásolja annyira szorosan a szakítószilárdsági tulajdonságokat, mint a grafitstruktúra morfológiája, mégis kimutatható a korreláció a szonda kimenőjele és a szakítószilárdság, illetőleg a nyúlás között (4. ábra). Ezekben az esetekben egymáshoz elég közeli abszolút értékeket kapunk a korrelációs tényezőkre. Szakítószilárdság esetében R = –0,84 és nyúlás esetében R = 0,83. A szakítószilárdság a keménységhez hasonlóan negatív korrelációs tényezővel jellemezhető. Ugyanúgy, mint a keménység esetében, ezekben az esetekben is a lineáris kapcsolat fejezi ki legjobban az összefüggést. Meg kell jegyezni, hogy a szakítószilárdsági jellemzők érzékenyebben reagálnak a grafitmorfológia kis változásaira, mint a keménység. A vizsgált próbatestek keménységének és szakítószilárdsági jellemzőinek szórása főként szövetszerkezeti változásokra vezethető vissza. Végeredményben az örvényáramos eljárás alkalmas az öntöttvas keménységének és szakítószilárdsági tulajdonságainak értékelésére, amennyiben grafitstruktúrájuk morfológiája hasonló.
a)
szakítószilárdság, MPa
korrelációs együttható: R = -84
V x, V
korrelációs együttható: R = 0,83
nyúlás, %
b)
V x, V
4. ábra Empirikus kapcsolat a szonda kimenőjele és a próbatest (a) szakítószilárdsága, valamint (b) nyúlása között (lineáris összefüggés illesztése)
Következtetések Gyors és egyszerűen kivitelezhető örvényáramos módszert dolgoztak ki az öntött tempervas szilárdsági tulajdonságainak értékelésére. A keménység és a szakítószilárdsági jellemzők mérése a hőkezelési és
összetételi eltérések ellenére jól megoldható. Tehát a szövetszerkezeti sajátosságoktól függő jellemzők vizsgálatára alkalmas roncsolásmentes módszer felválthatja az ultrahang-frekvenciás eljárást olyan esetekben, amikor az egyébként nem alkalmazható. Összeállította: Dr. Barna Györgyné Konoplyuk, S.; Abe, T. stb.: Characterization of ductile cast iron by eddy current method. = NDT&E, 38. k. 8. sz. 2005. dec. p. 623–626. Zergoug, M.; Lebaili, S. stb: Relation between mechanical microhardness and impedance variations in eddy current testing. = NDT & E International, 37. k. 1. sz. 2004. p. 65–72. Keely, W. A.: Eddy current inspection reinvents intself. = Quality, 44. k. 13. sz. 2005. dec. p. 38–42.
