Zenon Ignaszak, Joanna Ciesiółka

ZNACZENIE SYNERGII WIEDZY W IDENTYFIKACJI I
INTERPRETACJI WYBRANYCH WAD ODLEWNICZYCH
NA PRZYKŁADZIE ODLEWÓW Z ŻELIWA
SFEROIDALNEGO
Zenon IGNASZAK
Politechnika Poznańska, Poznań, [email protected]
Joanna CIESIÓŁKA
Odlewnia Żeliwa ŚREM S.A., [email protected]
1. Wprowadzenie
Technologiczne uzasadnione nazwy wad wymieniane podczas szkoleń, prezentacji
referatowych, warsztatów, stażów itp. w celu lepszego zilustrowania rodzaju nieciągłości
w wyrobie powinny być bezbłędnie dostosowane do rodzaju tego wyrobu i specyfiki jego
wytwarzania, i nie zasługiwać na miano „nieciągłości jako takich”. Przecież na tej
podstawie przyszli adepci lub specjaliści badań UT, a także specjaliści doskonalący swoje
umiejętności, będą identyfikować w swoich miejscach pracy jakość wyrobów i
interpretować rodzaj nieciągłości, pomagając w ten sposób technologom optymalizować tę
jakość. Niektóre rodzaje wyrobów, tzn. tych, które są produkowane seryjnie i
wielkoseryjnie (np. w walcownictwie) czy też technologie na przykład spawalnicze mogą
się pochwalić, naszym zdaniem, dobrą spójnością wiedzy operacyjnej UT i wiedzy
technologicznej. Wachlarz wad możliwych do wystąpienia w wyrobie jest tam dobrze
opracowany, ze względu dobrą powtarzalność warunków produkcji i określonych
wymagań jakościowych.
Nie dotyczy to niestety zastosowań metod UT w krajowym odlewnictwie. Ta
dziedzina wytwarzania, charakteryzująca się ogromną rozpiętością wielkości odlewów,
rodzajów stopów, zróżnicowaniem seryjności itp., często w krajowych warunkach szkoleń
i badań NDT używa jeszcze sformułowań, które przyjęto uważać jako „uniwersalne i
bezpieczne”. Jeżeli na przykład ktoś próbuje omawiając wady wewnętrzne przykładać
wspólny mianownik do pęknięć na gorąco w spoinie i w odlewie lub wtrąceń
niemetalicznych występujących w tych obu grupach technologii, nie mówiąc o
porównywaniu porowatości w strukturze i ich źródeł, to oznacza to, że nie interesuje go
zupełnie dialog z technologiem, a tylko wykazanie, że to technolog jest nie tylko
odpowiedzialny za wyprodukowanie odlewu z taką nieciągłością lecz dodatkowo powinien
on sam sobie odpowiedzieć na pytanie co może kryć się faktycznie za oszacowaną na
sposób geometryczny nieciągłością.
Taki dialog ze wskazaniem na synergię gruntownej wiedzy z zakresu inżynierii
materiałowej, odlewnictwa i badań NDT obserwuje się ewidentnie w dobrych odlewniach
europejskich. I dlatego autorzy niniejszego artykułu starają się od kilku lat na
zakopiańskich Sympozjach prof. Juliana Deputata pokazywać wyzwania dotyczące
nowych wymagań i kierunków doskonalenia badań UT w tej dziedzinie produkcji
półwyrobów [1–5].
W słowie wstępnym, zamieszczonym w materiałach 33 Krajowej Konferencji
Badań Nieniszczących (2004) [6] napisaliśmy, że istnieje duże zapotrzebowanie na
wymianę doświadczeń i wiedzy w środowisku zajmującym się badaniami NDT oraz
oczekiwanie na nowości w zakresie naukowych oraz praktycznych podstaw, w zakresie
metod i technik oraz ich zastosowań w systemach pomiarowych i defektoskopowych NDT.
Zainteresowanie to rozciąga się także na zagadnienia ugruntowania pozycji badań
nieniszczących w nowej konfiguracji powiązań naukowych, przemysłowych i handlowych
rynku europejskiego, z uwzględnieniem elementu konkurencyjności i wzajemnego
uznawania procedur oraz wyników badań. Dotyczy to także norm europejskich, w tym
tych ukazujących się sukcesywnie i tych jakie istnieją w postaci projektów. Ciągle
aktualny jest jednocześnie problem optymalnego szkolenia i doskonalenia umiejętności
specjalistów operatorów NDT i ich certyfikacji.
Nie jest tajemnicą, że poszukiwania nad wykorzystaniem kojarzenia poszczególnych
zjawisk fizycznych towarzyszących konkretnym stanom i właściwościom materiałów w
trakcie ich kształtowania, (i następnie ich ewentualnej degradacji podczas eksploatacji),
osiąga stan pewnego wysycenia. W obszarze tym korelacja faktycznego lokalnego stanu
przestrzennej struktury materiału z sygnałami odpowiedzi o zróżnicowanej naturze
fizycznej, zależnej od metody badań NDT, wymaga zawsze efektywnego podejścia i
jednoznacznego rezultatu końcowego. Nie dotyczy to tylko technicznych parametrów
generowania danego sygnału NDT i rejestracji sygnałów odpowiedzi materiału oraz
obróbki sygnałów czyli samego wyposażenia aparaturowego. Równie istotne jest
posiadanie wiedzy i doświadczenia na temat interpretacji zapisanych sygnałów.
Stwierdzenie patologii w strukturze materiału niczego przecież nie przesądza, jeżeli nie
odniesie się tego stanu do wzorców odpowiadających uznanym powiązaniom ze
strukturami rzeczywistych wyrobów, konstrukcji czy ogólnie każdego z badanych
obiektów. Stąd ważne jest, aby odtworzyć klasyczne i obecne w systemach wytwarzania
powiązania wyników badań NDT z wiedzą o naturze potencjalnych nieciągłości materiału,
obcych faz itp. i o podstawach zjawisk ich powstawania w jego strukturze.
Jest też faktem, że sprawdzone w praktyce metody badań NDT dostarczając informacji
o odbiegających od oczekiwań sygnałach odpowiedzi, zapisywanych np. w nowoczesny
sposób w postaci plików, co umożliwia łatwą ich komputerową kwantyfikację i
archiwizowanie, nie stanowi jeszcze automatycznie o ich właściwym wykorzystaniu.
W łańcuchu operacji kontrolnych i tych zawartych w procedurach assurance quality,
interpretacja patologii sygnałów stanowi najsłabsze ogniwo. Jej słabość nie jest identyczna
w poszczególnych metodach NDT i obszarach ich zastosowań. Wiadomo natomiast, że jest
to w przypadku wielu aplikacji NDT piętą achillesową. Nie wystarczy bowiem arbitralnie
stwierdzić obecność anomalii w strukturze materiału czy np. oszacować stan naprężeń
własnych. Decyzja jaką należy na tej podstawie podjąć jest typowym „wróżeniem z
fusów”, jeżeli nie stoi za tym wiedza o technologiach wytwórczych danego materiału czy
wyrobu. Istnieją jak wiadomo przypadki, w których stwierdzone np. nieciągłości czy
wtrącenia fazowe w strukturze materiału, nie stanowią jeszcze o jego nieodwracalnej
degradacji w okresie eksploatacji i możliwe jest jego bezpieczne eksploatowanie przez
długi okres czasu, przekraczający okres tzw. międzyremontowy lub więcej – przez całe
życie wyrobu. Bywa więc, że degradacja ta w ogóle nie postępuje, mimo, że stan
wyjściowy materiału (po jego wytworzeniu) nie jest stanem oczekiwanej, szkolnej, bywa
że wyimaginowanej, doskonałości.
2
Zgodzimy się, że kontrola degradacji materiału w okresie eksploatacji wyrobu
(obiektu, instalacji, urządzenia itp.) jest wtórnym obszarem zastosowania badań NDT.
Pierwszorzędne znaczenie ma ocena jakości wyrobu gotowego, na końcu jego procesu
wytworzenia. Oczekiwana wysoka jakość wyrobu wchodzącego do eksploatacji jest
wynikiem odpowiedniego przygotowania i realizacji procesów produkcyjnych, w którym
miejsce tych pierwszych kontroli NDT jest niepodważalne. I ten właśnie obszar jest istotny
jeśli chodzi o kontrolę, sterowanie i zapewnienie jakości produkcji.
Jako organizatorzy i kierujący pracami komitetu naukowego 33 KKBN staraliśmy
się nadać taką synergiczną rangę zamówionym referatom, adresując zaproszenia do ich
autorów, aby ich przekonać do szczególnego uwzględnienia roli badań nieniszczących
powiązanych z wiedzą o poszczególnych procesach technologicznych, w projektowaniu,
prognozowaniu, kontroli i sterowaniu jakością w produkcji i eksploatacji wyrobów
(budownictwo, technologie materiałowe, hutnictwo i walcownictwo, metalurgia i
odlewnictwo, spawalnictwo, przeróbka plastyczna, przetwórstwo tworzyw, technologie
mechaniczne, inżynieria materiałowa, inne technologie i materiały, ochrona środowiska).
Zwróciliśmy się do kilku specjalistów, reprezentujących wybrane technologie, aby
opracowali referaty na sesje plenarne. Na ile to się powiodło ?
Na tyle, że zaprezentowany na tej konferencji i przytoczony poniżej tekst, za w.w
słowem wstępnym, jest i dzisiaj w pełni aktualny:
„Tymczasem opowieści jakie krążą dotyczące „przygód” z badaniami różnych
wyrobów, z rozwijaniem przypuszczeń co do natury wady, bez znajomości technologii
wyrobów, są może i atrakcyjne dla przygodnego słuchacza. Dla specjalisty, który posiadł
przynajmniej podstawy wiedzy i umiejętności w danej technologii bywają one często
dopiero początkiem do głębszej analizy, pozbawionej ferowania spektakularnych,
salomonowych wyroków. Stąd ważna jest nie tylko wola odpowiedniego technologicznego
szkolenia specjalistów, ale także stworzenie lobby, które na temat spójności w obszarze
badań NDT poszczególnych grup materiałów i wyrobów spojrzy szerzej i odważniej,
ingerując zdecydowanie w treści szkoleń, ale także i norm kwalifikujących”, z
uwzględnieniem podstaw technologii.
Tak więc, nad synergią musimy jeszcze wszyscy popracować.
2. Analiza problemu i wskazanie celowości jego podjęcia
Analizując niektóre materiały jakie wchodzą w skład dossier towarzyszącego
systemowi badań, szkoleń, certyfikacji w obszarze metod NDT, można dojść do wniosku,
że omówione we wprowadzeniu postulaty, sygnalizowane od pewnego czasu w krajowym
środowisku, są ciągle żywe i powinny doczekać się realizacji. Oczywiście analiza ta
uwzględnia fakt, że autorzy niniejszego artykułu są związani od wielu lat z praktyką i
nauką odlewniczą, a jednocześnie stosują szeroko w swojej pracy metody NDT.
W materiałach szkoleniowych [7], „Badanie ultradźwiękowe odlewów staliwnych”
(rozdz.10) Podsumowanie czytamy m.in., że (poniżej dokonano skrótu tego tekstu):
a) ultradźwiękowe badanie odlewów (z oceną wskazań wg metod używanych dla
odkuwek i wyrobów walcowanych lub spoin) nie prowadzi do uzyskania wyników, które
spełniają wymagania odnośnie wykrywalności wad, (podkreślenia autorów),
b) istniejące do chwili obecnej normy (materiały pochodzą z września 2005 –
przyp. autorów) nie uwzględniają tych wymagań w wystarczającym stopniu,
c) przygotowywana norma europejska (nie podano jaka to norma – przyp. autorów)
obiecuje poprawę trafności diagnozy poprzez ustalenie nowych metod badania ..., co
3
umożliwi uzyskanie wyników badania ultradźwiękowego porównywalnych z badaniem
radiograficznym (przypuszczalnie – echotomografia, przyp. autorów),
d) szczególne znaczenie przypada wyszkoleniu personelu jakości, a mianowicie ze
względu na znajomość typowych dla odlewów staliwnych (!) rodzajów wad,
mechanizmów ich powstawania oraz najczęstszego położenia względnie ukierunkowania
w odlewach jak również na wykrywanie wad i określanie rozmiarów wad,
e) aby badanie mogło być przeprowadzone w sposób efektywny jak i
ekonomiczny, konieczna jest dokładna instrukcja uwzględniająca technologię
odlewniczą oraz wyspecyfikowane przez Zamawiającego wymagania.
Powyżej zacytowane Podsumowanie mogłoby stanowić motto dotyczące
konieczności znaczącej „obecności” wiedzy technologicznej w programach szkolenia
specjalistów UT.
To podsumowanie jest jednocześnie samokrytyczne w stosunku do zawartych w tym
wykładzie treści i wskazuje na postulaty, których spełnienie (jak można przypuszczać –
przyp. autorów) poprawi istniejący stan rzeczy. Jednocześnie należy podkreślić, że jest to
jedyny wykład (2 godz. lekcyjne) na temat badań UT odlewów staliwnych (i tylko z tego
stopu – przyp. autorów) w trakcie dwutygodniowego szkolenia UT–3.
Odnosi się wrażenie, że postawione postulaty można już częściowo przynajmniej
zrealizować i oferując je krajowemu odlewnictwu zdecydowanie poprawić miejsce i
znaczenie badań UT, szeroko stosowanych w odlewnictwie zachodnioeuropejskim, przez
szersze wprowadzenie tej tematyki do programu specjalistycznych szkoleń i warsztatów im
towarzyszących lub na wzór francuski wprowadzić warsztaty ekstra–specjalistyczne.
Ten problem autorzy artykułu poruszali w dyskusjach na poprzednich sympozjach.
Autorzy analizowali także zaproponowaną środowisku propozycję szkolenia na temat
badań nieniszczących w praktyce przemysłowej pod kątem ich ukierunkowania na
odlewnictwo. Ciekawym hasłom wykładów, np. Technikom stosowanym do badań
poszczególnych grup wyrobów lub ich elementów (blachy, rury, odkuwki, odlewy złącza
spawane, materiały kompozytowe) czy też Ocenie i interpretacji wskazań, poświęcono
jedynie po 2 godz. zajęć (wykład + ćwiczenia).
Przecież także w normie PN EN 583–5, wymieniając zasady ogólne
charakteryzowania nieciągłości, w jednym z punktów mówi się z jednej strony, mało
precyzyjnie, o określaniu innych parametrów lub charakterystyk, które mogą się
okazać potrzebne do pełnej oceny, a w kolejnym punkcie – o ocenie prawdopodobnego
rodzaju np. pęknięcia czy wtrącenia, kiedy umożliwia to dokładna znajomość obiektu i
historia jego wytwarzania.
Te sformułowania zawierają również postulaty rozwijania powiązań wskazań
nieciągłości z historią procesu wytwarzania, a więc z wiedzą o zjawiskach procesu i ich
związkach z kreowaniem poszczególnych wad. Werbalnie nikt ich nie kwestionuje. Gorzej
jest z przełożeniem na wymiar aplikacyjny.
Znamienne są podane poniżej przykłady uproszczonego traktowania (czy wręcz
niezrozumienia) postulowanej powyżej nie tylko przez autorów tego artykułu, koniecznego
posiadania wiedzy o podstawach technologii i zjawisk towarzyszących powstawaniu
odlewu, a więc wiedzy na temat natury wad.
Pierwszym przykładem takiej nieścisłości wskazującej na niepełną znajomość
zagadnień odlewnictwa jest fragment normy PN EN 12680–3, dotyczący wady
występującej w odlewach z żeliwa sferoidalnego zwanej w języku angielskim „dross’em” i
tak zapisanej w oryginalnej angielskiej wersji normy, co powtórzono np. w wersji
niemieckiej, zachowując nomenklaturę „dross”. W polskim tłumaczeniu normy nazwano tę
4
wadę zażużleniem (jest to osobny problem dot. tłumaczenia, mimo sugestii podczas 33
KKBN przekazanej przez nas na forum dyskusyjnym sesji panelowej). W tablicy 2 tej
normy określono maksymalne dopuszczalne wskazania wymiarów nieciągłości, definiując
4 poziomy nasilenia. Poziomy te powiązano z procentem nieciągłości jako ich udział w
grubości ścianki. Autorytatywnie stwierdzamy na podstawie naszych badań i doświadczeń
w odlewniach europejskich, że poziomy 3, 4 i 5 nasilenia nieciągłości dross nie wystąpią
nigdy w rzeczywistych odlewach. Można nawet powiedzieć więcej, że sformułowanie
„procent grubości ścianki” nie przystaje do natury tej wady.
Przykładem drugim jest pewna niezręczność w używaniu niektórych sformułowań
dotyczących charakteryzowania i wymiarowania nieciągłości w normie PN EN 583–5.
Większość „Wskazówek do klasyfikacji szczegółowej” (tablica B.1 w tej normie) oraz
opisy poszczególnych wzorców dynamicznej obwiedni echa eksponują wyłącznie cechy
geometryczne reflektorów punktowych, wydłużonych płaskich i cylindrycznych,
rozległych objętościowych i płaskich (z podziałem na gładkie i chropowate), skupisk wad
kulistych i płaskich. Tylko w pojedynczych miejscach wymienia się spoinę jako miejsce
występowania danej nieciągłości, co może dowodzić, że próbuje się poszukiwać powiązań
z technologią połączeń spawanych.
Interesujące naświetlenie tej normy oraz wynikających z niej potrzeb uściślenia
w zderzeniu z rzeczywistymi wadami wyrobów przedstawione w [8] zostało podjęte przez
autorów na sympozjum w 2004 roku [4], z próbą przypisania skupiska wad (multiple) jak
następuje:
a) a) sferyczne (skupisko drobnych pęcherzy gazowych lub o brzegach
postrzępionych jako rozproszona porowatość skurczowa)
b) b) płaskie (skupisko płaskich przypadkowo zorientowanych wtrąceń
niemetalicznych)
Skupiska te mogą mieć następujące odmiany [7]:
a) liczne pojedyncze wskazania (numerous individual indications, NII)
b) skupiska rozróżnialne i nierozróżnialne – problem rozdzielczości wskazań
(clusters of resorvables i non–resorvables indications, CIR, CIN)
W dalszym ciągu geometryczne podejście do identyfikacji wad obowiązuje
w pierwszym etapie identyfikacji wady.
W pracy [8] prof. Deputat słusznie uważa, że podstawową przyczyną błędów oceny
rozmiarów i charakteru wad jest niedostateczne wykorzystywanie informacji o wadzie,
jakie są zawarte w odbitych impulsach ultradźwiękowych i podkreśla nawyk operatorów
do subiektywności oceny właściwości echa. Próbuje się uzyskać ilościowe informacje o
geometrii wady i jej charakterze, stosując zaawansowane metody analizy impulsów.
Faktycznie przed podjęciem interpretacji wady, prawidłowa geometryczna jej
charakterystyka jest koniecznym, ale nie wystarczającym warunkiem jej właściwego
zdefiniowania.
3. Czy faktycznie żeliwo sferoidalne jest specyficznym materiałem do badań UT ?
Badania UT żeliw obciążone są dwojako. Panuje powszechnie przekonanie o
ułomności żeliw ze względu na charakterystyki mechaniczne (stąd ograniczony zakres
zastosowań). Jednocześnie duże tłumienie sygnału ultradźwiękowego, spowodowane
obecnością rozwiniętej postaci grafitu płatkowego, ogranicza zastosowanie tej metody.
Sytuacja ta zmienia się diametralnie, gdy rozpatruje się grupę żeliw specjalnych: z
grafitem sferoidalnym. Prędkość fal ultradźwiękowych przekracza wtedy 5500 m/s i
otwiera możliwości badań podobne, jakie istnieją dla stali i staliw [9]. I w tym należy
5
upatrywać faktu, że operatorzy wykonujący badania UT w odlewniach żeliwa są raczej
nieprzygotowani do wykonania pełnych badań UT tych odlewów.
Definicja nieciągłości zawarta w stosownej normie – wykrywalna zmiana w materiale
powstała w sposób naturalny lub sztuczny – nie precyzuje jakiego rodzaju obca faza
odbiegająca właściwościami od faz dopuszczalnych w strukturze żeliwa lub jaki kształt i
rozproszenie fazy wpływa na wzrost tłumienia (dot. głównie grafitu).
Problem jest powiązany z wtrąceniami niemetalicznymi charakterystycznymi dla
odlewów grubościennych z żeliwa sferoidalnego zwanych DROSSEM. Drugi problem
strukturalny dotyczy także odlewów grubościennych i związany jest z degeneracją
sferoidów grafitu zwanych grafitem CHUNKY. Tym dwom specyficznym strukturom
poświęcone będą kolejne rozdziały.
4. Powstawanie, właściwości i badania UT struktury z wtrąceniami typu dross
Problem występowania wtrąceń niemetalicznych zwanych „drossem” (we Francji
przyjęto nazywać je „crasses”) powinien być znany w zasadzie producentom odlewów
z żeliwa sferoidalnego, tym bardziej, że strefa ta staje się widoczna gołym okiem na
obrobionej powierzchni odlewu. Obecność strefy dross jest typowa dla górnych regionów
odlewu, nawet jeżeli kształt odlewu tworzy wypukłe sklepienie lub we wszelkich tzw.
pułapkach czyli występach, kiedy czoło metalu zostaje uwięzione w takiej lokalnej wnęce.
W przypadku, kiedy strefę drossu poddać można obróbce skrawaniem, wtedy odpowiednio
podwyższa się dodatek na tę obróbkę. W strefach nieobrabianych trzeba kwestię tę
poruszyć w negocjacjach z odbiorcą. Natężenie obecności tych wtrąceń jest zróżnicowane.
W literaturze można znaleźć hipotezy na temat powstawania i lokalizacji wtrąceń
drossowych. W odlewach grubościennych wtrącenia typu dross zawierają w większości
przypadków siarczek wysokoreaktywnego magnezu (MgS) otoczony przez różnorodne
tlenki, którym towarzyszą krzemiany Mg, Ca, Al. Utlenianie się metalu podczas
poszczególnych etapów wytwarzania (topienie, obróbka sferoidyzacji, modyfikacja, post–
modyfikacja, usuwanie żużla, turbulencje wypełnianie formy) jest uważane jako jeden
z najistotniejszych procesów.
Ponieważ problem dotyczy szczególnie grupy odlewów ciężkich i grubościennych,
tym właśnie odlewom poświęcono badania [10]. Potwierdzono wcześniejsze obserwacje,
że wydłużenie A5 spada do 2–3%, a Rm jest niższe do 25%. Sposób wycięcia próbek
z odlewu przedstawiono na rys 1, a na rys.2 – typowe struktury metalograficzne strefy
drossu. Na rys.3 natomiast pokazano wybrane struktury obserwowane na przełomie próbki
z tej strefy.
Przedstawione na rys.4 wyniki badań za pomocą mikrosondy potwierdzają obecność
kompleksowych związków tlenków i siarczków magnezu, z obecnością związków Ca i Al.
Badania metalograficzne
Badania SEM
(na przełomie)
Strefa drossu
13
30
136
30
Góra odlewu
Rys.1 Sposób wycięcia próbek z odlewu płaskiego o grubości 136mm (dennica
kruszarki, waga ok. 30 ton)
6
Rys.2 Przykład struktur z wtrąceniami typu dross
1
2
Rys.3 Obrazy struktur z wtrąceniami typu dross z mikroskopu skaningowego
Rys.4 Struktury z wtrąceniami typu dross z mikroskopu skaningowego i wyniki
z mikrosondy
7
Wykrycie strefy wtrąceń dross metodą UT jest stosunkowo łatwe. Strefa ta powoduje
istotne oddziaływanie na warunki odbicia czy penetracji fali ultradźwiękowej lub jej
prawie całkowite wytłumienie (zależnie od kierunku penetracji sygnału UT i od sposobu
przyłożenia głowicy) [11].
Na rys.5 pokazano fotografie odlewu grubościennej płyty (200 mm) z żeliwa
sferoidalnego o ciężarze około 12 ton.
Rys. 5 Zdjęcia płyty 4000x2000x200 mm: z lewej – w pozycji odlewania, badania UT,
z zaznaczeniem stref drossu odkrytych jako całkowity zanik echa dna, z prawej –
w pozycji odwróconej, z powtórną identyfikacją i potwierdzeniem stref drossu, z
możliwością określenia ich grubości, (dzięki uprzejmości Odlewni Żeliwa Śrem S.A.)
Na rys. 6 pokazano zestawienie przykładowych obrazów zarejestrowanych jako zrzuty
ekranów USN 52, na podstawie których można było wyznaczyć grubość zalegania tej
strefy wtrąceń.
a
b
c
d
e
f
Rys. 6 Zrzuty ekranów z określeniem grubości wtrąceń drossu – około 10 mm (a,b,c,d).
Nieciągłości – zinterpretowane jako porowatości skurczowe (rozproszone) w obszarze
środkowej strefy płyty (e,f), z „czystym” echem dna –poza strefą drossu.
8
Na podstawie przedstawionych wyników, potwierdzono kolejny raz, że podana przez
nas w rozdziale 2 krytyczna uwaga dotycząca nieprawidłowego ujęcia klasyfikacji
nasilenia nieciągłości w normie EN 12680–3, które nie wystąpią nigdy w rzeczywistych
odlewach, jest prawdziwa.
5. Powstawanie, właściwości i badania UT struktury z grafitem chunky
Grafit chunky (próba bezpośredniego tłumaczenia w polskojęzycznej literaturze na :
grafit bryłkowy nie jest szczęśliwa) jest silnie zdegenerowaną postacią grafitu, odbiegającą
od oczekiwanej postaci grafitu kulkowego. Stopień tej degeneracji klasyfikuje się od lat
wg wzorców (vermicular, spiky, coral, exploded). Niekiedy w tym rzędzie umieszcza się
także grafit chunky [12]. Faktycznie nie ulega wątpliwości, że silnie rozproszone
wydzielenia grafitu chunky pierwotnie wzrastały jako regularne sferoidy, by następnie ulec
deformacji na grafit silnie rozgałęziony. Jednak mechanizm tej degeneracji wg hipotezy
opisanej w [14] nie musi wpasowywać się w powstawanie innych zdegenerowanych
postaci, wymienionych powyżej. W zasadzie grafit chunky jest najbardziej rozproszoną
postacią grafitu, który powstaje w granicach przyszłej komórki eutektycznej. Powinno się
unikać tej struktury, która powoduje istotny spadek właściwości. Wg danych podanych
w [13] Rm spada o 25%, zaś A5 o 50%. Nasze dane wskazują, że spadek ten skrajnie może
osiągać: Rm do 40%, A5 aż 10–ciokrotnie.
Struktura ta występuje w grubych ściankach odlewów, w węzłach cieplnych, pod
nadlewami (por. opisany przypadek zasilania dużymi nadlewami). Zapobiegać jej można
zmniejszając czasy krzepnięcia (stosując odpowiednio ochładzalniki zewnętrzne).
Wspomina się też (np. w [12,13]) o niekorzystnym wpływie niektórych modyfikatorów
zawierających np.Ce, Ca, Al, przy generalnie korzystnym wpływie wzrostu ilości
zarodków krystalizacji grafitu sferoidalnego.
W [14] opisano autorskie badania zrealizowane w Polsce i we Francji rozwijające ten
ostatni aspekt. Chodzi właśnie o sztuczne, pochodzące z modyfikatorów zarodki
krystalizacji, które nie dorównują trwałością naturalnym zarodkom heterogenicznym
pozostałym po procesie topienia. Udowodniono ponad wszelką wątpliwość dla przypadku
odlewów grubościennych, których czas krzepnięcia jest rzędu godzin, zarodki pochodzące
z post–modyfikacji powodują nieodwracalnie natężenie występowania grafitu
zdegenerowanego typu chunky. Na rys.7 przedstawiono schemat odlewu próbnego, a na
rys.8 – wybrane struktury, zaś na rys.9 przedstawiono wyniki badań wytrzymałościowych.
5
8
6
9
50
75
600
150
7
10
400
400
300
2
4
1
300
25
11
3
Rys. 7. Schemat odlewu schodkowego i rozmieszczenie próbek
9
1
4
11
8
WITHOUT INOC
200μm
1
4
11
8
INOC A
200μm
Rys. 8. Porównanie mikrostruktury (rozkład grafitu) dla 2 przypadków (bez
postmodyfikacji i z postmodyfikacją modyfikatorem A), 1, 4, 11 i 8 – numery próbek
(rys.3)
SAMPLE NUMBER
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Rm STRENGTH TENSILE MPa
550
WITHOUT
INOC A
INOC B
500
450
400
350
300
25
25
50
50
75
75
75
150
150
150
150
8
9
10
11
STEP-PLATE THICKNESS mm
1
2
3
4
SAMPLE NUMBER
5
6
7
30
A5 ELONGATION %
WITHOUT
INOC A
INOC B
25
20
15
10
5
0
25
25
50
50
75 75 75
150 150 150 150
STEP-PLATE THICKNESS mm
Rys.9 Właściwości mechaniczne (Rm i A5) dla 11 próbek wyciętych z odlewu
schodkowego
Porównując struktury 3 schodków przy tych samych grubościach ścian można
zauważyć że dodatek modyfikatora A, zawierającego Al (i dla porównania – B,
zawierającego Zr) spowodował rozdrobnienie i zwiększenie ilości sferoidów, ale
jednocześnie pojawia się w strukturze grafit zdegenerowany chunky , którego największa
ilość występuje w odlewie o ściance 150 mm. Obecność grafitu zdegenerowanego na
skutek dodania modyfikatora A lub B obniżyła znacząco plastyczność i wytrzymałość na
rozciąganie żeliwa, w ściance odlewu o gr. 150 mm (długi czas krzepnięcia ). Dla
10
cieńszych ścianek, o krótszym czasie krzepnięcia, dodatki te polepszyły własności
mechaniczne.
Wyniki badań UT na obecność grafitu chunky nie są jednoznaczne. Intuicyjnie
oczekiwany wpływ zmiany postaci wydzieleń grafitu z kulkowego na chunky obniżenie
prędkości fali ultradźwiękowej i obniżenie wartości amplitudy tzw. echa dna został
zaledwie zaobserwowany i nie może być proponowany jeszcze jako metoda pełnej
identyfikacji, kiedy grafit chunky nie wypełnia całej grubości ścianki, a jedynie środkową
partię grubości tej ścianki.
Kiedy w odlewie występuje taka strefa na całej grubości (100% zdegenerowanego
grafitu chunky) obniżenie prędkości fali ultradźwiękowej jest wyraźne (por. rys. 10).
CL=5526m/s
CL=5445m/s
Rys.10 Różnica prędkości w produkcyjnym odlewie z żeliwa sferoidalnego, w jego dwóch
strefach: a) tzw. końcowej – end zone (grafit kulkowy w strukturze), b) podnadlewowej
(grafit chunky w strukturze)
6. Podsumowanie
Przedstawione wyniki badań wskazują, że obie specyficzne struktury powodujące
istotne obniżenie charakterystyk mechanicznych odlewów z żeliwa sferoidalnego t.j.
wtrącenia niemetaliczne „dross” oraz obecność grafitu zdegenerowanego „chunky” i
specyfika ich powstawania, muszą byc znane specjalistom badającym metodami UT
odlewy z tego stopu. W przypadku drossu autorzy normy EN 12680–3 nie znają do końca
jej natury i proponują uszeregowanie klasyfikacyjne nasilenia nieciągłości niespotykane
w rzeczywistości, co potwierdza, że bez włączenia wiedzy metalurgicznej i odlewniczej
niemożliwa jest właściwa interpretacja tej wady w strukturze. Podobny wniosek można
wyciągnąć, analizując zagadnienie identyfikacji i interpretacji stref z grafitem chunky.
Rosnący udział żeliwa sferoidalnego w światowej produkcji odlewów i stosowanie metod
UT nie tylko do badania przesiewowego rodzaju grafitu (sferoidalny czy płatkowy) będzie
wymuszał na specjalistach badań NDT konieczność posiadania pogłębionej wiedzy o
podstawach zjawisk powstawania patologii w strukturach nowych gatunków żeliw.
Ostatnio problem ten dotyczy żeliwa bainitycznego ADI.
7. Literatura
[1] Z.IGNASZAK, J.CIESIÓŁKA Wirtualne prognozowanie jakości odlewów w aspekcie kontroli
metodą ultradźwiękową.. Proceedings - Seminarium naukowego "Nieniszczące badania
materiałów", 14-16 marzec 2001, Zakopane, ss. 8.1-8.30.
11
[2] Z.IGNASZAK, J.CIESIÓŁKA – Wybrane aspekty powiązań problematyki jakości odlewów w
inżynierii wirtualnej i w kontroli ultradźwiękowej. Proceedings Konferencji Badania Nieniszczące.
Zakopane 2002 , s. 99–115
[3] Z.IGNASZAK, J.CIESIÓŁKA, Walidacja modelu powstawania wad skurczowych w odlewach
za pomocą metod NDT. Proceedings Konferencji Badania Nieniszczące. Zakopane 11–
14.03.2003.
[4] Z.IGNASZAK, Joanna CIESIÓŁKA Identyfikacja wad nieciągłości w odlewach żeliwnych w
aspekcie warunków odbioru i kryteriów jakości. Materiały Dziesiąte Seminarium Nieniszczące
Badania Materiałów Zakopane, 16-19 marca 2004
[5] Z. IGNASZAK; J. CIESIÓŁKA Problemy identyfikacji jednorodności i ciągłości struktur w
odlewach, za pomocą metod ndt, w aspekcie wybranych właściwości mechanicznych. Materiały
XI Seminarium Nieniszczące Badania Materiałów Zakopane, 8-11 marca 2005
[6] Z.IGNASZAK, Joanna CIESIÓŁKA, Wybrane zagadnienia prognozowania i
sterowania jakością odlewów z wykorzystaniem inżynierii wirtualnej i badań
nieniszczących. Materiały 33 Krajowej Konferencji Badań Nieniszczących Poznań –
Licheń 26–28.10.2004.
[7] UDT–CERT Badania ultradźwiękowe odlewów staliwnych. W17. Materiały szkoleniowe UT–3
[8] J.DEPUTAT – Ocena rodzaju wad w ręcznych badaniach ultradźwiękowych. Proceedings
Konferencji Badania Nieniszczące. Zakopane 11–14.03.2003, ss.23–36
[9] Z.IGNASZAK, Joanna CIESIÓŁKA, Wybrane zagadnienia identyfikacji nieciągłości
w odlewach żeliwnych. Archiwum Odlewnictwa nr 14. 2004, ss. 176–188
[10] Z.IGNASZAK : Etude de la zone de crasse pour un cas d'assiette en fonte GS. Raport
z badań. Groupe Ferry–Capitain 2004.
[11] Z. IGNASZAK , J. CIESIÓŁKA : Raporty z badań NDT Odlewnia Żeliwa ŚREM
S.A. 2005.
[12] H.W. HOOVER Jr.: A literature Survey on Degenerate Graphite in Heavy Section
Ductile Iron. AFS Transaction, pap.102, 1986
[13] R. KALLBOM : Avoid Chunky Graphite in Ductile Iron. Publication of Swedish
Foundry Association, september 2005.
[14] Z. IGNASZAK : Nodular graphite degeneration in the post–inoculated ductile iron.
Preprint of Seventh International Symposium Science & Processing of Cast Iron.
(SPCI’7), 4–6 september 2002, Barcelona. Article no 22.
12