A TERMELÉSI FOLYAMAT MINÕSÉGKÉRDÉSEI, VIZSGÁLATOK 2.4 2.5 Kisméretű öntvények roncsolásmentes vizsgálata Tárgyszavak: ötvények; öntvényhibák; roncsolásmentes vizsgálat; radiológiai vizsgálat; minőség-ellenőrzés; rezonanciamódszer. A nagyméretű öntvények roncsolásmentes vizsgálatára alkalmas ultrahang-frekvenciás és radiológiai módszerek nem minden esetben használhatók hasonló eredményességgel kisméretű öntvények esetén is. Pedig a gépjárműipar igen nagy mennyiségben állít elő kisméretű vas-, színesfém és könnyűfém öntvényeket. Ezeknek az öntvényeknek a tömege általában 0,2 és 90 kg között van. Egyes tömeggyártásban előállított kis méretű öntvények mennyisége meghaladhatja az évi 2 milliót. Sok ilyen kis méretű öntvény a biztonság szempontjából szigorú követelmények kielégítését igénylő szerelvényekben (pl. függesztőrendszerek, kormánymű, fékek) kerül felhasználásra. A nagy tömegben gyártott öntvények gyártási költsége kényes kérdés. A megrendelők évről évre egyre kisebb árakat hajlandók fizetni. Az öntödének kell ilyenkor eldöntenie, vajon képes-e ilyen árak mellett gazdaságosan folytatni a gyártást. A megrendelő viszonylag könnyen talál új beszállítót. Végeredményben a gyártási költségeket minimumra kell csökkenteni, és minden felesleges többletköltséget ki kell küszöbölni. A gyártási költség egyik nem elhanyagolható tényezője a minőséget szavatoló minőség-ellenőrzés. Miután itt az egyik legjelentősebb költségtényező a munkabér, azok a roncsolásmentes vizsgálati módszerek a legelőnyösebbek, amelyek automatizálhatók. Viszont az automatizálás szempontjából problémát jelent a vizsgálandó darab alakjának bonyolultsága. Az öntvényeknél ez a kérdés gyakorlatilag mindig felmerül, mert ha a munkadarab alakja egyszerű, akkor esetleg gazdaságosabb a forgácsolással való előállítás, amikor viszont többnyire felesleges a roncsolásmentes vizsgálat.
A radiológiai vizsgálati módszer könnyen automatizálható, azonban lényegesen drágább, mint a többi eljárás. Ugyanakkor nehezen kimutathatóvá teszi azokat a folytonossági hiányokat, hibahelyeket, amelyek a nagyobb mértékű szelvényváltozások közelében vannak. Ugyanis a radiológiai kép keresztmetszet-változás által előidézett változása elnyomja a kisebb méretű hibák hatását. Egy-egy radiológiai anyagvizsgálat költsége a tömeggyártás feltételei között darabonként elérheti az egy dollárt. Amikor a kereskedelmi ár 5 50 dollár, ez jelentős mértékben hozzájárul a darabköltség növeléséhez. A kis öntvények gyártói számára olyan roncsolásmentes hibavizsgálati módszerre van szükség, amely biztonságosan ki tudja mutatni azokat a hibákat, amelyek az öntvény felhasználásának körülményei között igényelt szilárdsági tulajdonságokat döntő mértékben befolyásolják. Ennek megfelelően a következő hibatípusok vizsgálatára van szükség: durva porozitás (zsugorodási üregek, nagyméretű gázlunkerek, hólyagosság), finom porozitás (mikrozsugorodások tömeges előfordulása, vagy kisméretű diffúz gázbuborékok), zárványok, specifikációnak nem megfelelő gömbszemcsézettség (temperöntvények esetén), repedések (beleértve az anyagmozgatásból eredő repedéseket, de gyakoribbak a lehűlést kísérő zsugorodással kapcsolatos repedések), hidegfolyások, hibás rétegződések, oxidrétegek (könnyűfém öntvények esetében), az anyag hibás kémiai összetétele vagy szemcseszerkezete, helytelen (vagy elmaradt) hőkezelés, megszakított vagy túl rövid idejű öntés, öntvények keveredése. Hagyományos roncsolásmentes vizsgálatok az öntvényhibák kimutatására Durva porozitás A durva porozitás erősen leronthatja a biztonsági szempontból kényes alkatrészek szilárdságát, különösen a függesztőrendszerek és a kormánymű alkatrészei esetén. Ez a hiba az alkatrész csaknem bárme-
lyik pontján előfordulhat, azonban rendszerint néhány helyre korlátozódik. Ezeket a hibákat ultrahangos, vagy radiológiai módszerekkel gyakran ki lehet mutatni. Azonban sok bonyolult alakú öntvény esetében az automatizálás költséges, ugyanakkor nem mindig 100%-osan hatékony. Finom porozitás Finom porozitás nagyjából az öntvény teljes terjedelmében, bárhol előfordulhat. Ez a hiba túlságosan finom méreteloszlású ahhoz, hogy radiológiai módszerrel, vagy ultrahang-frekvenciás eljárással kimutatható legyen. A hiba következtében a szakítószilárdság 10%-kal vagy ennél is nagyobb mértékben csökkenhet, annak ellenére, hogy ezt a hibát roncsolásmentes módszerekkel nem lehetett kimutatni. Zárványok A zárványok a finom eloszlású, elszigetelttől a nagyméretűig bármilyenek lehetnek. Jelentős mértékben befolyásolhatják az alkatrész szerkezeti ellenálló képességét. Az öntvényben rendezetlenül vagy egy adott helyen koncentrálva, egyaránt előfordulhatnak. A zárványok kémiai összetételüktől függően egyes esetekben ultrahang-frekvenciás, vagy radiológiai módszerekkel kimutathatók, azonban bizonyos típusokat csaknem lehetetlen kimutatni. Gömbszemcsézettség A gömbszemcsézettség kényes problémát jelenthet a tempervasban. Általában az öntvény teljes terjedelmében jelentkezik, azonban bonyolult öntvények esetében helyileg változó méretű lehet. Rendszerint az ultrahang-frekvencia terjedési sebességének mérése alapján mutatják ki ezt a hibatípust. A gömbszemcsézettség mértéke az ultrahang-frekvenciás hullámnyaláb terjedési pályáján belül határozható meg. A nagy karbidkoncentráció megnöveli a terjedési sebességet. A karbidok jelenléte elnyomhatja a kismértékű gömbszemcsézettség hatását, amennyiben kizárólag az ultrahang-frekvenciás hullám terjedési sebességét mérjük. Repedések A repedés szerencsére nem gyakori, azonban a felületen (egyes esetekben pedig a felszín alatti rétegekben is) bárhol előfordulhat. A repedések jelentős mértékben befolyásolhatják az öntvények szilárdságát.
Súlyosabb esetekben katasztrofális törést idézhetnek elő olyankor, amikor a gépkocsit először bejáratják. Kevésbé súlyos esetekben akkor jöhet létre teljes törés, amikor az alkatrész terhelése erősen megnövekszik (például amikor a gépkocsi emelkedő kanyarba kezd, vagy vészhelyzeti fékezéskor). Ezeknek a repedéseknek a kimutatására gyakran használják a mágnesrészecskés, a festékbehatolásos és az ultrahang-frekvenciás módszereket. Azonban az öntvények bonyolult alakja esetében általában kézi eljárással lehet csak eredményes vizsgálatot végezni. A kézi módszer viszont a ritkán előforduló repedési jelenségeket esetleg nem tudja 100%-os biztonsággal kimutatni. Hidegfolyások Néha előfordul öntvényekben hidegfolyási hiba. Ez is jelentős mértékben rontja az öntvény szilárdsági tulajdonságait. A hatás intenzitása függ a hiba méretétől és helyzetétől, azonban következményei súlyosabbak lehetnek, mint a repedéseké. A hidegfolyások gyakran felület alatti rétegekben helyezkednek el. Ha jelentős mértékű a hidegfolyás, az öntvény felületéig terjedhet. A hidegfolyás vagy akkor alakul ki, amikor a fémolvadék kezd lehűlni, vagy amikor érintkezésbe kerül a kokilla falával. A túl lassú öntési sebesség is előidézheti. Gyakran szorosan összezáruló, sima határfelületek formájában jelentkezik, ami nagyon megnehezíti e hibák ultrahangfrekvenciás módszerrel való kimutatását. A radiológiai módszereket ritkán veszik igénybe, mert a sugárzás irányát pontosan a hidegfolyásra kell tájolni ahhoz, hogy a hibát ki lehessen mutatni. A jelenség kimutatására gyakran használják az ultrahangfrekvenciás módszert, azonban itt is érvényes az a megállapítás, hogy a detektálás biztonsága érdekében a hullám terjedési irányát optimális mértékben kell a hidegfolyás irányára tájolni. Oxid- vagy fóliarétegek Könnyűfém öntvényekben súlyos problémát jelentenek az oxidrétegek. Öntéskor kis mennyiségű fémolvadék a beömlőcsatornában megdermedhet, vagy a kokilla osztássíkjából a formaüregbe hullhat. Az ilyen réteg egészen vékony lehet. A következő darab öntésekor az előző darabból származó vékony fóliát a friss fémolvadék az öntőformába vagy kokillába sodorhatja. A már előzőleg lehűlt fólia felületén oxidréteg kép-
ződött, amely akkor sem olvad meg, amikor az alsó felületi réteg újra felolvad. Az oxidréteg gyakran idéz elő öntéskor hidegfolyási hibát. Ennek az oxidrétegnek vagy fóliának a felülete (viszonylag) nagy és az új öntvényben bármilyen helyzetet elfoglalhat. Méretétől és tájolásától függően, rendkívül komoly mértékben leronthatja az új alkatrész szilárdságát. Szabálytalan tájoltsága és helyzete miatt ezt a hibatípust csaknem lehetetlen (gazdaságosan) kimutatni radiológiai módszerrel. Ultrahang-frekvenciás eljárással is igen nehezen detektálható. Az anyag hibás kémiai összetétele vagy szemcseszerkezete Az anyag hibás összetétele vagy szemcseszerkezete jelentős mértékben befolyásolja az öntvény használati tulajdonságait. Az alkatrészt esetleg eredetileg arra szánták, hogy edzhető legyen, és így felülete kopásálló legyen. Viszont a helytelen anyagmegválasztás következtében edzés után a felület nem lesz elég kemény. Az is előfordulhat, hogy az utólagos megmunkálás, vagy hőkezelés következtében a darab szövetszerkezete teljesen elfogadhatatlan. Ennek következtében a darab szilárdsága jelentősen leromlik. A kész munkadarabon általában az örvényáramos módszerrel ellenőrizhető ez az állapot. A kémiai színképelemzés is alkalmazható az öntvény ellenőrzésére. Ezek a körülmények nem igényelnek minden darabra kiterjedő ellenőrzést, hacsak a megfelelő minőségű darabok közé nem keveredett nagyszámú hibás öntvény. Helytelen vagy elmaradt hőkezelés A hőkezelési hibák megállapítása folyamat-ellenőrzéssel történhet, azonban még a legjobb üzemekben is fordulhatnak elő tévedések. Az elmaradt, vagy helytelen hőkezelés jelentős mértékben fogja befolyásolni az alkatrész élettartamát. Általában örvényáramos módszerrel (rendszerint a darabot körülvevő tekercs segítségével) mutatják ki ezt az állapotot. Megszakított öntés Néha előfordulhat megszakított öntés okozta, hidegfolyáshoz hasonló hiba. Kimutatása is hasonlóan történik.
Öntvények keveredése Előfordulhat, hogy az előző sorozatból néhány darab belekeveredik az új sorozatba. Más rendelő számára, más előírások szerint, vagy kismértékben eltérő méretben legyártott darabokról lehet szó. Ezt csak akkor lehet észlelni, amikor az alkatrészt a gépkocsiba szerelik, vagy amikor utólagos megmunkálásra kerül sor. Ezt a körülményt általában vizuális vagy optikai módszerekkel lehet kimutatni, azonban esetleg erre különleges berendezést kell felhasználni. A hagyományos roncsolásmentes vizsgálati módszerek korlátai A hagyományos roncsolásmentes vizsgálati módszerek alkalmazása esetében amennyiben 100%-ban megfelelő minőségű alkatrészeket kívánunk leszállítani a megrendelőnek több különböző módszert kell alkalmaznunk. Ezek az eljárások minden valószínűség szerint az elfogadható mérték fölé emelik a gyártási költségeket. Egyes esetekben az ellenőrzési költségek meghaladhatják a gyártási költségeket. Ezen túlmenően csaknem lehetetlen minden darab 100%-os hibamentességének szavatolása. Legtöbb gyártó a folyamatok ellenőrzésében bízik, és reméli, hogy termékein nincsenek olyan anyaghibák, amelyek az alkatrész szerkezeti szilárdságát károsan befolyásolják. Létezik azonban már olyan viszonylag új roncsolásmentes anyagvizsgálati eljárás, amely valamennyi, előbbiekben említett hibalehetőséget egyetlen ellenőrző vizsgálattal ki tudja mutatni. Ez a módszer ugyanakkor a darab teljes térfogatára kiterjed. Ezért minden lehetséges helyen, bármilyen irányítottság esetén kimutatja azokat a hibákat, amelyek károsan befolyásolhatják az alkatrész szilárdságát. Ez a módszer lényegében rezonanciavizsgálat. Rezonanciavizsgálat A rezonanciavizsgálat már nagyon régóta rendelkezésre áll. Valószínűleg a (vizuális ellenőrzéstől eltekintve) legrégibb roncsolásmentes vizsgálati módszer. A hagyományos rezonanciavizsgálatnak azonban van egy hátránya. Ugyanis az egyes darabok és az egyes sorozatok közötti eltérések annyira befolyásolják az eredményt, hogy csak a súlyos problémák, a nagy hibák kimutatására van lehetőség.
A közelmúltban egy amerikai vállalat olyan eljárást szabadalmaztatott, amely lehetővé teszi ezeknek a változásoknak az ellensúlyozását. A módszer esetében egyetlen műveletben, a termelésnek megfelelő átlagos sebességgel ellenőrzik az öntvényeket (továbbá a kovácsolt, forgácsolt, porkohászati és kerámiai alkatrészeket). Ennek megfelelően ideálisan alkalmas a gyártás 100%-os ellenőrzésére. Alapelvek A rezonanciavizsgálatot eredetileg úgy végezték, hogy megkopogtatták az alkatrészt, meghallgatták annak csengését, majd visszaemlékezve arra, milyen hangot adott a jó és a rossz alkatrész, szubjektíven végezték az értékelést. Akkoriban az eljárás módot nyújtott az anyagtulajdonságok közelítő értékelésére. Az elmúlt negyedszázadban a rezonanciavizsgálatnak már bonyolultabb változatát is alkalmazták. Az eljárás fejlesztésének eredményeként már kisebb folytonossági hiányok kimutatására is lehetőség nyílt. Ekkor már mikrofonnal, vagy gyorsulásmérővel érzékelték a hangot, majd a hang spektrumát gyors Fourier transzformációval meghatározták. Az eljárásnak ebben a formában az az előnye, hogy az ellenőrzésnél nem érvényesül a szubjektivitás, és lehetővé válik egyszerre több rezonancia elemzése. Az érzékenység azonban arra korlátozódott, hogy értékelni lehessen a különbséget az elfogadható és a nem elfogadható alkatrészek között. A rezonanciát két tényező befolyásolja: a méretek és az anyag tulajdonságai. A méretek hatását egyértelműen lehet érzékeltetni, ha megfigyeljük különböző méretű harangok hangját. A nagyobb harangok alacsonyabb frekvenciákon rezonálnak, mint a kisebbek. Az anyag tulajdonságainak hatását úgy lehet érzékeltetni, ha különböző anyagokból két azonos méretű harangot állítunk elő. Lényegesen eltérő frekvencián fognak megszólalni. Az alkatrész anyagi tulajdonságaival (vagy merevségével) összefüggő rezonanciát viszont számos tényező befolyásolja. Ilyenek többek között a hőmérséklet, a gömbszemcsézettség (öntöttvas esetében), a rugalmasság és minden, az anyagon belül létező anyaghiba. Minden alkatrész esetében a rugalmassági tulajdonságok a hőmérséklet függvényében változnak, ami ugyanakkor módosítja az alkatrész rezonanciáját. A normális termelési hőmérsékleteken a vasötvözetek esetében a rezonancia mintegy 0,015%-kal változik K (vagy C) fokonként. A hatás alumínium munkadarabok esetén csaknem kétszeres.
A folytonossági hiányok is csökkentik a munkadarab merevségét. Egy pregnáns folytonossági hiány a munkadarab rezonanciáit 0,1 1%- kal változtatja meg. Az igen nagy folytonossági hiányok által előidézett változtató hatás elérheti a 10%-ot. Vasötvözetek esetében a folyáshatár változása korrelációban van a rezonanciafrekvencia változásaival (1. ábra). folyáshatár, 10 3 font/négyzethüvelyk (1 font/négyzethüvelyk = 0,0703 kg/cm 2 = 0,068 atm) 80 60 40 20 Kovacs eredő, összevont Emerson 10,5 11 11,5 12 12,5 13 13,5 rezonanciafrekvencia, khz 1. ábra A folyáshatár és a rezonanciafrekvencia közötti korreláció Az 1. ábra két kutató vizsgálatának adatait hasonlítja össze. Bár eredményeik nem teljesen azonosak, azonban ezekből arra lehet következtetni, hogy a folyáshatár mintegy 5%-os megváltozása a rezonanciafrekvencia mintegy 1%-os változásának felel meg. Ebből következik, hogy amennyiben egy munkadarab esetében a folyáshatár változása nem lehet nagyobb 5%-nál, akkor biztosítani kell, hogy a rezonanciafrekvencia változása az egyes darabok, vagy az egyes sorozatok között ne haladja meg a 0,5%-ot. A gyártástechnológiától függően az egyes darabok, vagy az egyes sorozatok között a frekvencia változása általában 1 5%. Nyilvánvaló te-
hát, hogy az ellenőrző vizsgálat használható mértékű érzékenységének elérése érdekében ezt a változást kompenzálni kell. A gyakorlatban is bizonyítható, hogy a rezonanciafrekvenciának a különböző gyártási sorozatok közötti változása sokkal nagyobb, mint a munkadarabokon belül előforduló folytonossági hiányok (hibák) hatása a frekvenciára. Tehát az elfogadható vizsgálati érzékenység elérése érdekében ki kell egyenlíteni az egyes munkadarabok vagy az egyes gyártási sorozatok közötti, továbbá a hőmérséklet által előidézett változások hatását. Kidolgozták ennek a kompenzálási módszernek a gyakorlat számára megfelelő változatát. A vizsgálatok azt mutatták, hogy ebben az esetben a megfelelő minőségű munkadarabokon mért rezonanciafrekvenciák általában egymáshoz közeli értékek. A folytonossági hiánnyal készült (hibás) munkadarabok esetében az eredmények ezen a tartományon kívül esnek. Az összefüggéseket matematikailag kifejezve, szemléletesen végezhető el a jó és a rossz minőségű munkadarabok szétválasztása. A megfelelő minőségű munkadarabok rezonanciafrekvencia-mérési eredményei matematikailag ellipszissel leírható határvonalon belül vannak, míg a hibás munkadaraboké ezen a zárt görbén kívül esnek. Az ilyen eredmények eléréséhez a különböző zavaró tényezők által a rezonanciafrekvenciára gyakorolt hatásokat megfelelő számítógépes program alapján ki kell szűrni. Ez természetesen többdimenziós struktúra értékelését jelenti. A tömeggyártás feltételei között általában öt-hét rezonanciaértéket kell figyelembe venni. A vizsgálati idő általában 3 5 s. Tehát az eljárás alkalmas arra, hogy a tömeggyártásban 100%-os ( minden darabos ) minőség-ellenőrzést végezzenek vele. Az eljárást teljesen automatizálva, a gyakorlatban évente 250 000 2,5 millió munkadarab rendszeres ellenőrzése hajtható végre. A rezonanciavizsgálat költsége csupán töredéke annak, amibe a szokványos minőség-ellenőrzési eljárások kerülnek. Ugyanakkor egyetlen mérés eredménye alapján ki lehet mutatni valamennyi figyelembe veendő hibaforrást. Egyébként a hőmérséklet hatását kiegyenlítő algoritmust is kidolgozták, amivel pontosan lehet kompenzálni a munkadarabok hőmérsékletváltozását.
Következtetések Az ismertetett, rezonanciafrekvencián alapuló eljárással rendkívül megbízhatóan lehet szavatolni a gépkocsigyártó iparban felhasználásra kerülő kisebb méretű öntvények megfelelő minőségét. A termelés ellenőrzése 100%-os lehet. Tekintettel a módszer automatizálási lehetőségére, jelentős költségmegtakarítás érhető el. Összeállította: Dr. Barna Györgyné Hands, G.; Nath, R. H.: Nondestructive testing of small castings. = Materials Evaluation, 62. k. 2. sz. 2004. p. 111 115. Stuart, K.; Blair, M.: Limitations in the detection of casting discontinuities using ultrasonics and radiography. = Materials Evaluation, 61. k. 5. sz. 2003. p. 478 483.