Контроль свойств чугуна ультразвуковым толщиномером UT-4DL

ЛУКИН Виктор Анатольевич – технический директор ООО «УЛЬТРАТЕХ», Москва

Введение

Согласно данным издания Modern Casting (№ 12, 2015) наблюдается из года в год устойчивый рост мирового выпуска отливок. Так, в 2014 году было выпущено более 103,6 млн. т, причем, доля отливок из серого чугуна (СЧ) составляла 47,46 млн. т, из высокопрочного чугуна (ВЧ) – 25,03 млн. т, стали - 11,05 млн. т. Надо отметить, что объем отливок из СЧ более чем в 4 раза, а ВЧ почти в 2,5 раза превосходит объем стального литья, что в совокупности составляет 75% всего объема выпуска отливок. Наблюдается четко выраженная тенденция в технологически развитых странах сокращения выпуска отливок из стали при ежегодно увеличивающемся на 2-3% выпуске отливок из чугуна. 

В связи с увеличением объемов производства и применения чугуна в промышленности, появления новых перспективных видов, например, чугунов с вермикулярной формой графита (ЧВГ), занимающих промежуточное положение по прочности между СЧ и ВЧ, в настоящее время задача развития и совершенствования методов контроля изделий из различных видов чугуна является высокоприоритетной и перспективной. 

Постановка задачи

В качестве методов контроля могут быть использованы стандартные лабораторные методы контроля структуры образцов из чугуна посредством металлографических исследований, косвенные методы проверки на прочность образцов механическим разрушением и их разновидности. Указанные методы требуют изготовления специальных образцов из отливок или объектов контроля (ОК), изготовленных из чугуна [1]. 

К методам неразрушающего контроля (НК) относится активные ультразвуковые (УЗ) методы, дающие самые быстрые и точные результаты без разрушения ОК или отливки из чугуна, через оценку скорости распространения или затухания продольных ультразвуковых колебаний (УЗК) в материале [5, с.599; 3, с.434]. 

Применяемые активные УЗ методы делятся на две группы, использующие сквозное прохождение УЗК (амплитудный теневой метод) и отражение УЗК (эхо-импульсный) [3, с.94]. Из-за использования технических средств УЗ НК старых модификаций или с ограниченными техническими характеристиками донный сигнал на изделиях, изготовленных из чугуна, при использовании эхо-импульсного метода получить не удается, поэтому УЗ контроль проводится этими средствами теневым методом, что требует наличия двух специально подготовленных поверхностей ввода и донной, параллельных друг другу для сквозного прозвучивания двумя идентичными преобразователями. Данный метод имеет свои преимущества в лабораторных условиях, но перспектив практического применения на производстве по сравнению с эхо-импульсным у него нет. 

Таким образом, главной задачей испытаний является практическое подтверждение возможности использования ультразвукового толщиномера UT-4DL 

- при УЗ НК изделий и ОК из различных видов чугуна эхо-импульсным методом при одностороннем доступе к стенке ОК (подбор типов РС ПЭП, настроек прибора при измерениях); 
- при определении физико-механических свойств чугуна в отливках для их идентификации из-за нестандартной формы графита и разбраковки посредством измерения скорости продольных УЗК в них; 
- при измерении толщины изделий и ОК из различных видов чугуна (определение диапазона измеряемых толщин, определение погрешности измерений). 

Теория

Виды литейного чугуна: СЧ, ЧВГ, ВЧ имеют большие различия по химическому составу, условиям литья, что обуславливает значительные различия структуры отливок. Особый вид чугуна – отбеленный чугун, где углерод входит в химическое соединение с железом (цементит), в данном исследовании не рассматривается. Химический состав и структура чугуна определяет его физико-механические свойства: прочность (предел прочности при растяжении ϬВ), твердость (обычно НВ), модуль упругости Е [3 с.435]. По прочности: наименее прочным является СЧ, наиболее прочным соответственно ВЧ, промежуточное положение занимает ЧВГ. В СЧ, ЧВГ, ВЧ углерод содержится в виде графита различной формы. 

На рисунке 1 представлены структуры различных видов чугуна, формы графитных включений [2, с.207]. В СЧ видны включения графита пластинчатой формы, в ВЧ – шаровидной, в ЧВГ – вермикулярной. Форма графита, содержащегося в чугуне, и структура металлической основы оказывает непосредственное влияние на физико-механические свойства отливок. С другой стороны, форма графита в чугуне, крупность графитовых включений (от 1 до 8 баллов) и их количество определяет скорость продольных УЗК, т. е. зная скорость УЗК, можно получить информацию о форме графитных включений. 

Рисунок 1 Форма графитных включений в отливках чугуна

Исследованиями установлено, что в чугуне с выпавшим графитом скорость УЗК увеличивается и приближается к соответствующему показателю скорости УЗК в стали при [3, с.434; 5 с. 599]:

• уменьшении размеров графитовых включений
• трансформации формы графитовых включений от пластинчатой через вермикулярную и хлопьевидную к шаровидной
• уменьшении в процентном отношении количества включений пластинчатых графитовых выделений в отливке с шаровидным графитом; 
• уменьшении в процентном отношении к железу содержания графита (уменьшение степени эвтектичности)
• увеличении в процентном отношении к ферриту содержания перлита (или цементита) в металлической матрице.

Большим количеством исследований установлено существование устойчивых корреляционных взаимосвязей между акустическими свойствами, в частности скоростью продольных УЗК в отливке чугуна, и формой, крупностью графитовых включений в ней, а соответственно, и с физико-механическими свойствами материала отливки [3, с.435; 5, с.599].

Иными словами, по результатам измерения скорости продольных УЗК можно контролировать не только структурные характеристики отливки, например, по величине скорости сделать вывод о процентном содержании шаровидного графита в контролируемой отливке, или, например, в двух отливках, идентичных по процентному содержанию графита (одинаковая степень эвтектичности), по различию в скорости продольных УЗК определить какая отливка содержит графит пластинчатой формы, а какая шаровидной. Но, что важнее, это возможность по результатам измерения скорости продольных УЗК контролировать физико-механические свойства материала отливки, оценивать такие важные характеристики, как: ϬВ, НВ, Е [3, с.435; 5, с.600-603].

Важно также отметить, что значение скорости УЗК зависит, во-первых, от композиции сплава, его однородности, процентного соотношения форм графита и других технологических переменных, во-вторых, зернистости чугуна, в-третьих, толщины стенки ОК.

Неоднородность (присутствие различных форм) и неравномерность распределения графитовых включений по объему приводит к значительной флуктуации скорости распространения продольных УЗК по различным акустическим трактам или направлениям прозвучивания ОК.

Зернистость чугуна, представляющего конгломерат крупных зерен феррита, перлита и графита (рисунок 1) совершенно различных по своим упругим свойствам, объясняет его ярко выраженную упругую анизотропию [5, с.129] и также приводит к погрешности измерения скорости УЗК из-за трансформации типов УЗ волн в зернах, «заваливания» фронтов и изменения формы измерительных эхоимпульсов, повышенного уровня структурных помех [5, с.544], значительного затухания и рассеяния.

Скорость продольных УЗК в отливках из СЧ линейно зависит от толщины стенки изделия. На этой зависимости сказывается еще степень эвтектичности. Этот факт затрудняет представляющие интерес измерения толщины стенки в механически недоступных местах, например, корпусах ДВС [5, с.602].

В качестве еще одной задачи для проводимых исследований выбрана задача разработки рекомендаций, позволяющих на практике избежать значительного влияния указанных факторов на точность измерения скорости УЗК.

Проведение исследований

1. Для проведения исследований была выбран чугун СЧ15 ГОСТ 1412-85 в связи с тем, что отливки из СЧ обладают предельными значениями характеристик для чугунов, затрудняющими проведение УЗ контроля особенно эхоимпульсным методом. Получение положительных результатов исследований на образцах из СЧ позволит однозначно утверждать о возможности выполнения УЗ контроля эхоимпульсным методом на других видах чугуна, у которых характеристики приближаются к показателям стали.

2. Физико-механические характеристики отливки из чугуна СЧ15 ГОСТ 1412-85 представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Физико-механические характеристики отливки из чугуна СЧ15 ГОСТ 1412-85

3. Химический состав отливки из чугуна СЧ15 ГОСТ 1412-85 представлен в таблице 2.

Таблица 2 - Химический состав отливки из чугуна СЧ15 ГОСТ 1412-85

Степень эвтектичности чугуна отливки (насыщение чугуна углеродом) определяем по формуле из [5, с.600], используя данные из таблицы 2: 

S_C = [C] / (4,23 + 0,312·[Si] + 0,275·[P]) = 3,15 / (4,23 + 0,312·1,8 + 0,275·0,3) = 0,65.

 4. Образец из отливки толщиной 5 мм был исследован при помощи разрушающих и металлографических методов контроля. Определена структура, размер зерна

4.1 Изображение образца, зернистая структура на сломе приведены на рисунке 2.

4.2 Микроструктура чугуна отливки с пластинчатым графитом показана на рисунке 3.

Рисунок 2 Изображение образца с зернистой структурой на сломе (размер зерна 6-7 по шкале ASTM)	Рисунок 3 Микроструктура чугуна отливки с пластинчатым графитом (увеличение х135)

5 Из одной отливки чугуна СЧ15 ГОСТ 1412-85 (длина отливки 450 мм) изготовлен комплект стандартных ультразвуковых образцов (СОУЗ) в количестве 7 (семи) образцов для использования в качестве объекта исследования.

5.1 Все образцы цилиндрической формы. Диаметр каждого образца 36 мм, высота от 10 до 150 мм. Шероховатость поверхностей ввода и донной RZ, не более 6,3 мкм. Внешний вид образцов приведен на рисунке 4.

Рисунок 4 Внешний вид комплекта СОУЗ, используемых для исследований

 5.2 Перечень образцов СОУЗ и их параметры представлены в таблице 3.

Таблица 3 - Перечень образцов СОУЗ и их параметры 

6. При выполнении исследований применялись следующие средства УЗ контроля.

6.1 Ультразвуковой толщиномер UT-4DL производства компании ООО «УЛЬТРАТЕХ». Заводской номер № 17002607.

6.2 Ультразвуковой преобразователь П112-2,5-12/2-Б-01, П112-2,5-12/2-Б-02 модели 2,5Б12/2 производства компании ООО «ИСКАТЕЛЬ». Серийный номер № 3552012.

6.3 Контактная смазка: гель для УЗК МИАСС, вазелиновое масло.

7. Подготовка УЗ средств контроля, выполнение настроек, калибровок.

На рисунке 5 и 6 показаны средства УЗ контроля и комплект СОУЗ в процессе проведения измерений скорости УЗК и толщины СОУЗ.

Рисунок 5 Средства УЗ контроля и комплект СОУЗ в процессе проведения измерений скорости

Рисунок 6 Средства УЗ контроля и комплект СОУЗ в процессе проведения измерений толщины

7.1 Перед проведением исследований была выполнена настройка и калибровка ультразвукового толщиномера UT-4DL, которая выполнялись в строгом соответствии со следующими документами

• «Толщиномер ультразвуковой UT-4DL. Краткое руководство по началу работы» АИКА.412231.002РЭ; 
• «Толщиномер ультразвуковой UT-4DL. Руководство по эксплуатации» АИКА.412231.001РЭ.

7.2 При проведении исследований были использованы базовая и дополнительная настройки ЭАТ толщиномера с целью оптимизации влияния структурных помех и шумов, вносимых зернистостью чугуна. Значение настраиваемых параметров приведены в таблице 4.

Таблица 4 – Настройки ЭАТ при использовании преобразователя модели 2,5Б12/2

7.3 После выполнения Р0-теста и высокоточной калибровки (1Point) на тонком образце толщиной 5,00 мм из стали 40Х13, задержка в призмах ультразвукового преобразователя П112-2,5- 12/2-Б модели 2,5Б12/2 составляла 3075 нс.

7.4 При проведении исследований были использованы следующие режимы измерений: Интервал Т, Скорость V, Толщина НМ. В процессе измерений в режиме Скорость V ввод толщин образцов комплекта СОУЗ производился в процессе измерения.

8. Проведение испытаний, выполнение измерений.

8.1 Испытания проводились при нормальных условиях.

8.2 Типичный вид эхосигналов в образцах показан на рисунках 7-12.

Рисунок 7 Вид эхосигнала в образце № 02-18 СЧ15 Н10	Рисунок 8 Вид эхосигнала в образце № 02-18 СЧ15 Н40
Рисунок 9 Вид эхосигнала в образце № 02-18 СЧ15 Н80	Рисунок 10 Вид эхосигнала в образце № 02-18 СЧ15 Н100
Рисунок 11 Значительные помехи в виде «травы» до 9,5 мкс. Настройка ЭАТ ошибочная	Рисунок 12 Минимизированный уровень помех до 9,5 мкс. Правильная настройка ЭАТ

 8.3 Вид экранов толщиномера в процессе выполнения измерений показан на рисунках 13-18.

Рисунок 13 Вид экрана при измерении времени прохождения в образце № 02-18 СЧ15 Н20	Рисунок 14 Вид экрана при измерении времени прохождения в образце № 02-18 СЧ15 Н80
Рисунок 15 Вид экрана при измерении скорости УЗК в образце № 02-18 СЧ15 Н20	Рисунок 16 Вид экрана при измерении скорости УЗК в образце № 02-18 СЧ15 Н80
Рисунок 17 Вид экрана при измерении толщины образца № 02-18 СЧ15 Н20	Рисунок 18 Вид экрана при измерении толщины образца № 02-18 СЧ15 Н80

9. Результаты исследований 

9.1 Измерения мерительным инструментом действительных линейных размеров образцов комплекта СОУЗ в направлении прозвучивания. Результаты измерений представлены в таблице 5.

Таблица 5 – Действительные размеры образцов комплекта СОУЗ в направлении прозвучивания

9.2 Измерения в режиме Интервал Т времени прохождения УЗК в образцах комплекта СОУЗ в направлении прозвучивания. Результаты измерений представлены в таблице 6.

Таблица 6 - Время прохождения УЗК в образцах комплекта СОУЗ в направлении прозвучивания

 9.3 Измерения в режиме Скорость V скорости продольных УЗК в образцах комплекта СОУЗ в направлении прозвучивания. Результаты измерений представлены в таблице 7.

 Таблица 7 - Скорость продольных УЗК в образцах комплекта СОУЗ в направлении прозвучивания.

 Примечание. Значительный разброс измеренных значений скорости продольных УЗК объясняется неоднородностью структуры, крупными зернами и различной толщиной образцов (см. выше). 

9.3.1 Среднее значение скорости продольных УЗК в образцах комплекта СОУЗ в направлении прозвучивания: Сср = 4691 м/с. Это значение близко к характерным значениям скорости УЗК в СЧ с такими: формой графитовых включений, степенью эвтектичности, зерном и др. [5, с.600].

 9.4 Определение эквивалентной ультразвуковой толщины образцов комплекта СОУЗ.

 9.4.1 Эквивалентная ультразвуковая толщина каждого образца определяется по формуле

Н_i экв = Сср * T_i соуз,
где Ccр – среднее значение скорости ультразвуковых волн по комплекту образцов м/с;
T_i соуз – время прохождения волн в данном образце, с.

 9.4.2 Абсолютная погрешность эквивалентной толщины вычисляется по формуле

∆Н_i экв = Сср * ∆T_i соуз,
где ∆T_i соуз – абсолютная погрешность времени прохождения ультразвуковых волн в образце.
Эквивалентная ультразвуковая толщина образцов комплекта СОУЗ приведена в таблице 8.

Таблица 8 - Эквивалентная ультразвуковая толщина образцов комплекта СОУЗ.

 Примечание. Значительные отклонения значений эквивалентной толщины от измеренных значений (см. таблицу 5) также объясняется неоднородностью структуры, крупными зернами и различной толщиной образцов.

9.5 Измерения в режиме Толщина НМ размеров образцов комплекта СОУЗ в направлении прозвучивания. Результаты измерений представлены в таблице 9.

Таблица 9 – Измеренные размеры образцов комплекта СОУЗ в направлении прозвучивания

Примечание. Отклонение измеренных ультразвуковым толщиномером UT-4DL значений толщины образцов СОУЗ от значений эквивалентной толщины (см. таблицу 8) не превышает предела допускаемой основной абсолютной погрешности измерения толщины для данной модели толщиномера, приведенной в описании типа.

Рекомендации

Проведенные исследования позволили разработать перечень рекомендаций, для того чтобы избежать значительного влияния различных факторов на точность измерения скорости УЗК.

В качестве рекомендаций на практике можно предложить

• проводить настройку приборов на СО из чугуна с известной композицией, для каждого конкретного случая измерения составлять карту скорости УЗК в зависимости от композиции сплава, его однородности, процентного соотношения форм графита и др.; 
• использовать искатели с длиной волны, превышающей размер зерен в отливке, например, по результатам исследований, приведенных в [5, с.599], рекомендованы искатели, работающие на частотах: 0,5 МГц; 1,25 МГц; 2,5 МГц; 4,0 МГц; 
• значения скорости УЗК всегда проверять на СО из материала ОК
• измерять скорость УЗК в двух местах, доступных для механического измерения толщины и наиболее сильно различающихся по толщине, а в других участках применять линейную интерполяцию [5, с.602].

Выводы

1) На специально изготовленных образцах комплекта СОУЗ (толщины от 10,0 мм до 150,0 мм) из чугуна СЧ15 ГОСТ 1412-85 была продемонстрирована способность ультразвукового толщиномера UT-4DL быстро и точно измерять скорость продольных УЗК, время прохождения УЗК, толщину эхо-импульсным методом при одностороннем доступе к ОК.

2) Проведенные испытания позволили

• точно определить типы наиболее эффективных РС ПЭП для измерений на разных видах чугуна; 
• уточнить настройки толщиномера при измерениях эхо-импульсным методом (для РС ПЭП 2,5Б12/2) на образцах комплекта СОУЗ
• разработать методику контроля физико-механических свойств СЧ, основывающуюся на наличии у предприятия образцов из комплекта СОУЗ
• проверить метрологические характеристики (диапазон, погрешность) толщиномера при измерениях на СЧ
• оценить влияние структуры СЧ на точность измерений скорости УЗК, а также разработать комплекс рекомендаций по уменьшению этого влияния.

3) Результаты испытаний практически подтвердили, что ультразвуковой толщиномер UT-4DL с успехом может применяться при определении физико-механических свойств любых видов чугуна для их идентификации из-за нестандартной формы графита и разбраковки посредством измерения скорости продольных УЗК.

Литература

1) Металловедение и термическая обработка стали: Справ. изд. В 3-х т./Под ред. Бернштейна М. Л., Рохштадта А. Г.- 4-е изд., перераб. и доп. Т.1. Методы испытаний и исследования. В 2-х кн. Кн.1. – М.: Металлургия, 1991, 304 с.

2) Металлография. Учебник для вузов. Лившиц Б. Г.– М.: Металлургия, 1990. 236 с.

3) Методы акустического контроля металлов / Н. П. Алешин, В. Е. Белый, А. Х. Вопилкин и др.: Под ред. Н. П. Алешина. – М.: Машиностроение, 1989. – 456 с., ил. 

4) Неразрушающий контроль. В 5 кн. Кн. 2. Акустические методы контроля: Практ. Пособие / И. Н. Ермолов, Н. П. Алешин, А. И. Потапов; Под ред. В. В. Сухорукова. – М.: Высш. шк., 1991. 283 с.: ил.

5) Ультразвуковой контроль материалов: Справ. изд. Й. Крауткремер, Г. Крауткремер; Пер. с нем. – М.: Металлургия, 1991. 752 с.