titUltrazvuková kontrola odliatkov zo zliatin hliníka, resp. všeobecne odliatkov, nie je rozšírená do takej miery ako kontrola iných typov konštrukčných materiálov. Najväčší problém pri skúšaní ultrazvukom je v hrubozrnnej anizotropnej štruktúre zrna, na ktorej sa ultrazvukový lúč rozptyľuje, keďže materiál má rozdielne mechanicko-fyzikálne vlastnosti v každom smere.


Na problémovú kontrolu ultrazvukom vplýva aj fakt, že pri výrobe odliatkov často dochádza k vzniku objemových chýb, ktoré sú priestorovo členité a majú náhodnú orientáciu. Na výsledok ultrazvukovej skúšky má vplyv viac faktorov. Okrem samotného prístroja a použitej sondy sú to ešte akustická väzba, skúšaný povrch, skúšaný materiál, tvar skúšanej časti a pod. Niektoré odliatky je možné skúšať so sondami s frekvenciou 5 MHz, ale v niektorých prípadoch je nutné použiť sondy s frekvenciou 3,5 MHz, prípadne 2 MHz. Pri väčších rozmeroch skúšobných odliatkov je nutné použiť sondy s nižšou frekvenciou ako 2 MHz. Po tepelnom spracovaní sa útlm ultrazvuku často znižuje.

Útlm ultrazvuku
Keď prechádza ultrazvuková vlna prostredím, klesá jej akustický tlak a tým aj jej energia, čoho dôsledkom je narastajúca vzdialenosť od zdroja následkom rozširovania ultrazvukových vĺn do stále väčšieho prostredia. Príčinou tohto poklesu je útlm vznikajúci v dôsledku pohlcovania a rozptylu ultrazvuku. Pohlcovanie vzniká ako dôsledok vnútorného trenia kmitajúcich častíc, plastického tečenia, relaxačných a tepelných javov. Mechanická energia kmitajúcich častíc sa pritom mení na energiu tepelnú. So stúpajúcou frekvenciou sa zvyšujú aj straty pohlcovaním. Tie sú silne závislé na teplote. V prípade ideálnej rovinnej vlny, v ktorej nenastáva rozptyl do strán, by sa akustický tlak s narastajúcou vzdialenosťou od zdroja nemenil (bolo by to však iba v prípade ideálneho a homogénneho materiálu). V skutočnosti je pokles akustického tlaku so vzdialenosťou vždy väčší, ako to vyplýva zo samotného tvaru vlny.

Tento jav má dve základné príčiny:
• rozptyl vlnenia na mikroskopických rozhraniach (napr. zrnách štruktúry),
• absorbciu vlnenia (pohlcovanie energie vnútorným trením kmitajúcich častíc).
Rozptyl ultrazvukových vĺn vzniká v nehomogénnych a polykryštalických prostrediach, či už tuhých, alebo kvapalných. Pri dopade ultrazvuku na jednotlivé nehomogenity dochádza na ich rozhraní k odrazu, lomu a ohybu, pretože na každom rozhraní sa mení akustická impedancia. V tuhých látkach ide hlavne o skupiny drobných nehomogenít a necelistvostí ako sú vtrúseniny, grafitové útvary, póry alebo zrná štruktúry kovových a liatych materiálov. Tieto nehomogenity sú väčšinou náhodne orientované, a preto sa ultrazvuková vlna rozptyľuje do všetkých smerov.
Ohyb ultrazvukových vĺn závisí na veľkosti nehomogenít a na frekvencii, a preto sa aj rozptyl ultrazvuku mení podľa pomeru rozmerov nehomogenít a dĺžky vlny. Pri rozptyle sa ultrazvuková energia nemení na iný druh energie, ale sa stráca zo smerovaného ultrazvukového poľa. Štruktúra tuhých látok býva obyčajne nehomogénna. Celkový útlm ultrazvuku pri danej hrúbke sa vyjadruje súčiniteľom α a má jednotku dB.mm-1. Je daný súčtom jednotlivých strát:
α = αP + αR (1)
kde:
αP sú straty absorbciou materiálu [dB.mm-1],
αR sú straty rozptylom ultrazvukového vlnenia [dB.mm-1].
Oba útlmy sa vyskytujú pri všetkých druhoch ultrazvukových vĺn. Jednotka dB – decibel v ultrazvukovej defektoskopii je definovaná ako dvadsaťnásobok logaritmu pomeru akustických tlakov. Pretože výška echa na obrazovke defektoskopu je úmerná dopadajúcemu akustickému tlaku na menič sondy, veľkosti akustických tlakov môžeme nahradiť výškami ech na obrazovke.

rov1

kde:
A je úroveň dB,
P0, P sú amplitúdy porovnávacích akustických tlakov [Pa],
H0, H sú výšky porovnávaných ech na obrazovke UT prístroja [ %].
Celkový útlm v materiáli hrúbky d sa rovná súčinu prejdenej dráhy ultrazvuku a súčiniteľa útlmu α. Pri odrazovej metóde, kde vlna prechádza dvojnásobnú dráhu, sa celkový útlm vypočíta zo vzťahu:
u = 2.d.α (3)
Kde:
u je celkový útlm [dB],
d je hrúbka materiálu [mm],
α je súčiniteľ útlmu [dB.mm-1].
Útlm pohlcovaním priečnych vĺn býva pri tej istej vlnovej dĺžke nižší ako u vĺn pozdĺžnych, pretože nedochádza k adiabatickej zmene objemu materiálu ako u vĺn pozdĺžnych. Straty pri útlme pohlcovaním sú spôsobené vnútorným trením a elastickou hysterézou (na vyšších frekvenciách), a preto sú priamo úmerné frekvencii. Na vyšších frekvenciách je súčiniteľ útlmu väčšinou daný rozptylom. Všeobecne platí, že so stúpajúcou veľkosťou nehomogenít a anizotropiou kryštálov tvoriacich štruktúru sa zvyšujú aj straty rozptylom. Najväčší vplyv na tieto straty má vzťah medzi vlnovou dĺžkou λ a strednou veľkosťou nehomogenít D. Straty spôsobené rozptylom bývajú zvyčajne vyššie u priečnych vĺn než u vĺn pozdĺžnych. Preto aj celkový útlm priečnych vĺn býva pri tej istej vlnovej dĺžke väčší než u vĺn pozdĺžnych.

obr1
Obr. 1: Prechod ultrazvukového vlnenia cez anizotropný materiál – smer s malým útlmom (vľavo), smer s veľkým útlmom (vpravo)

 

Nižšiu frekvenciu je potrebné voliť pre skúšanie látok s hrubou štruktúrou alebo materiálov nehomogénnych ako je betón, keramika, horniny, drevo a šedá liatina. Aj plastické hmoty majú veľký útlm, preto prepúšťajú len nižšie frekvencie. Stredný útlm má jemnozrnná keramika, mosadz, bronz, niektoré horniny a niektoré druhy zliatin. Najnižší útlm možno očakávať pri jemnozrnných oceliach, hliníku a horčíku dodávaných v tvárnenom stave. Je veľký rozdiel medzi útlmom kovového materiálu so štruktúrou tvárnenou alebo liatou.
Materiály s liatou štruktúrou, ako sú rôzne druhy odliatkov, sa prejavujú veľkým zrnom, a preto ich útlm býva až o rád vyšší. Rozptyl na zrnách štruktúry materiálu je závislý od pomeru vlnovej dĺžky k strednej veľkosti zrna. Čím viac sa vlnová dĺžka blíži k rozmeru zŕn, tým je útlm väčší.

tab1
Tab. 1: Útlm ultrazvuku v niektorých prostrediach pri frekvencii 2 MHz a teplote 20 °C
Prostredie Útlm ultrazvukových vĺn [dB.mm-1] pozdĺžnych αL priečnych αT oceľ feritická

 

Experimentálna časť
V experimentálnej časti sú uvedené výsledky skúmania vplyvu technologických parametrov odlievania na útlm ultrazvuku pre dva druhy zliatiny hliníka typu AlSi. Použila sa podeutektická zliatina s obsahom kremíka cca 7 % (AlSi7) a eutektická zliatina s obsahom kremíka cca 12 % (AlSi12). Eutektické zliatiny sa vyznačujú výbornou zabiehavosťou. Preto sa používajú na tvarovo komplikované odliatky, tenkostenné odliatky, v automobilovom a leteckom priemysle. Používajú sa najmä v tlakovom a kokilovom liatí. Zo zliatiny AlSi12 sa vyrábajú tenkostenné a zložité odliatky, ako sú kryty motorov, skrine rozvádzačov, komponenty čerpadiel a puzdrá meradiel. Táto zliatina sa používa hlavne tam, kde je požadovaná odolnosť voči korózii a na odliatky, ktoré sa majú zvárať.
Skúšobné vzorky sa odlievali priamou metódou liatia s kryštalizáciou pod tlakom a gravitačne.
Príprava na tavenie a aj samotné odlievanie sa vykonalo v laboratóriu zlievania na Katedre technologického inžinierstva Žilinskej univerzity v Žiline. Na vyvodenie tlaku sa použil manuálny hydraulický lis ASTA A-20005, ktorého maximálne prítlačné zaťaženie je 20 ton. Pri konštrukčnom návrhu kokily bolo potrebné prihliadať na rozmery použitého lisu, budúci tvar odliatku a jeho ľahké vyberanie, ako aj čo možno najjednoduchší spôsob výroby. Z týchto dôvodov bola navrhnutá kokila v tvare valca, kde dutina mala kužeľový tvar. Tavenie zliatiny prebiehalo v elektrickej odporovej peci T15 s regulátorom PID CAL 3200 v grafitovom tégliku ošetrenom ochranným žiaruvzdorným materiálom.
Po roztavení na príslušnú teplotu odlievania sa roztavená zliatina pomocou naberačky naliala do vopred vyhriatej kokily. Z oboch typov zliatiny sa jedna vzorka odliala gravitačne a pri ostatných nasledovalo po odliatí stlačenie pomocou piestu hydraulického lisu, až kým nebolo tuhnutie odliatku ukončené (približne 45 sekúnd). Jednotlivé technologické parametre pri odlievaní skúšobných vzoriek sú uvedené v tab. 2. Odliate skúšobné vzorky sú zobrazené na obr. 2.

tab2
Tab. 2: Technologické parametre odlievania skúšobných vzoriek Číslo vzorky Materiál Teplota odlievania [°C] (± 5 °C) Teplota kokily [°C] (± 5 °C) Tlak [MPa] 1

 

Následne sa všetky skúšobné vzorky trieskovo opracovali na rozmer Ø 30x43 mm. Dĺžka vzorky bola zvolená tak, aby bolo danú vzorku možné spoľahlivo prezvučať. Potom sa jednotlivé vzorky podrobili hodnoteniu útlmu ultrazvuku.

obr2
Obr. 2: Vyhotovené skúšobné vzorky odliatkov


Na skúšanie sa použil modulárny defektoskop OmniScan MX2 od firmy Olympus. Meralo sa z čela skúšobných vzoriek v troch miestach, pričom sa použili dve sondy s označením:
– C126 5 MHz/0.375''
– A550S-SM 3,5 MHz/0,375''.
Pri vzorke č. 1 a č. 2 (materiál AlSi7) sa nám nepodarilo zachytiť odrazené echo. Zachytili sme len slabé koncové echo s výrazným šumom (platné pre sondu 3,5 MHz aj 5 MHz), preto sa nedal stanoviť útlm. Ultrazvukový záznam z tohto merania je zobrazený na obr. 3. Vzorka č. 4 a č. 5 už bolo možné dobre prezvučať, pričom sme zachytili koncové a prvé odrazené echo, vďaka čomu sme mohli vyhodnotiť aj veľkosť útlmu. Príklad záznamu z merania na vzorke č. 3 je uvedený na obr. 4. V tab. 3 a tab. 4 sú uvedené výsledky z hodnotenia útlmu pre materiál AlSi7.

obr3
Obr. 3: Záznam z hodnotenia útlmu vzorky č. 1 (vľavo – sonda 3,5 MHz, vpravo – sonda 5 MHz)
obr4
Obr. 4: Záznam z hodnotenia útlmu vzorky č. 3 (vľavo – sonda 3,5 MHz, vpravo – sonda 5 MHz)
tab3
Tab. 3: Hodnoty útlmu ultrazvuku pre skúšobné vzorky z materiálu AlSi7 (frekvencia sondy 3,5 MHz)
tab4
Tab. 4: Hodnoty útlmu ultrazvuku pre skúšobné vzorky z materiálu AlSi7 (frekvencia sondy 5,0 MHz)

 

Pri skúšaní odliatkov so zliatiny AlSi12 sa pri všetkých vzorkách (č. 5, 6 a 7) podarilo zachytiť koncové a prvé odrazené echo, vďaka čomu sa dal stanoviť útlm. Príklad záznamu z merania na vzorke č. 5 je uvedený na obr. 5. V tab. 5 a tab. 6 sú zároveň uvedené výsledky z hodnotenia útlmu pre materiál AlSi12.

obr5
Obr. 5: Záznam z hodnotenia útlmu vzorky č. 5 (vľavo – sonda 3,5 MHz, vpravo – sonda 5 MHz)
tab5
Tab. 5: Hodnoty útlmu ultrazvuku pre skúšobné vzorky z materiálu AlSi12 (frekvencia sondy 3,5 MHz)
tab6
Tab. 6: Hodnoty útlmu ultrazvuku pre skúšobné vzorky z materiálu AlSi12 (frekvencia sondy 5,0 MHz)

 

Za predpokladu, že hodnota útlmu bude závisieť aj od štruktúry zliatiny, bola vyhotovená metalografia skúšobných vzoriek, pričom bola hodnotená plocha vedená osou skúšobnej vzorky. Na obr. 6 a obr. 7 sú zdokumentované snímky mikroštruktúry skúšobných vzoriek.

obr6
Obr. 6: Snímka mikroštruktúry skúšobnej vzorky č. 1 (vľavo) a skúšobnej vzorky č. 3 (vpravo), zliatina AlSi7, leptané 0,5 % vodný roztok HF pri izbovej teplote
obr7
Obr. 7: Snímka mikroštruktúry skúšobnej vzorky č. 5 (vľavo) a skúšobnej vzorky č. 6 (vpravo), zliatina AlSi12, leptané 0,5 % vodný roztok HF pri izbovej teplote

 

Záver
Koeficient útlmu pri kontrole odliatkov výrazne vplýva na použiteľnosť ultrazvukovej techniky na hodnotenie vnútorných chýb. Liate materiály v porovnaní s tvárnenými zliatinami majú väčší útlm vzhľadom na charakter vnútornej štruktúry. V článku boli prezentované výsledky hodnotenia útlmu pre dva varianty zliatiny hliníka na báze AlSi. Materiál bol odlievaný pri rôznych technologických parametroch, keď sa menil predovšetkým tlak a teplota kokily. Variantne k tomu boli vzorky odlievané aj gravitačne. Vplyv týchto parametrov by mal ovplyvňovať výslednú štruktúru odliatku, čím by sa prejavil tento účinok na ultrazvukový útlm. Na obr. 8 sú v grafe znázornené priemerné hodnoty útlmu pre všetky analyzované vzorky, pri ktorých sa dal stanoviť koeficient útlmu.

obr8
Obr. 8: Hodnoty analyzovaného koeficientu útlmu pre všetky analyzované skúšobné vzorky

 

Z výsledkov vyplýva že väčší útlm bol dosiahnutý pri materiáli AlSi7 liatom pod tlakom pri najvyššej zvolenej teplote kokily cca 250 °C. Pri poklese teploty kokily na 200 °C došlo aj k poklesu útlmu (vzorka č. 3 a č. 4). Je možné predpokladať, že zmena rýchlosti v ochladzovaní predstavuje zmenu v štruktúre, čo sa prejaví aj na zmene akustického útlmu pri použití ultrazvukovej techniky. Pri zliatine typu AlSi12 sa zmena útlmu prejavila predovšetkým zmenou tlaku pri odlievaní. So zvyšovaním tlaku klesala hodnota útlmu, resp. bol rozdiel medzi odlievaním gravitačným a odlievaním pod tlakom (vzorka č. 5 a č. 6). So zvýšením teploty kokily aj pri tomto type zliatiny došlo opäť k nárastu hodnoty útlmu (vzorka č. 6 a č. 7). Vo všeobecnosti by mal zvýšený tlak zjemňovať veľkosť zrna, naopak, pomalšie chladnutie (zvyšovanie teploty kokily) má tendenciu zvyšovať náchylnosť na rast zrna. Výsledky poukazujú aj na fakt, že podeutektická zliatina typu AlSi vykazuje väčší útlm ako rovnaký typ zliatiny eutektického zloženia. Všetky tieto vyslovené závery poukazujú na významný vplyv spôsobu odlievania a chemického zloženia zliatiny hliníka na báze AlSi na použitie ultrazvuku pri skúšaní. Pri použití ultrazvukovej techniky pre hodnotenie vnútorných chýb odliatkov z tohto typu materiálu je nutné uvažovať s týmito zákonitosťami na dosiahnutie vyhovujúcich výsledkov. V ďalších etapách výskumu z prezentovanej oblasti bude cieľom vhodne štrukturálne popísať jednotlivé skúšobné vzorky. Teda hľadať závislosť veľkosti útlmu ultrazvuku od jednotlivých parametrov mikroštruktúry zliatiny typu AlSi. Pri hodnotení podľa normy STN 42 0491 sa analyzujú dendrity α fázy (obsah, skutočná veľkosť a jemnosť). Taktiež sa hodnotia útvary β fázy (tvar, rozloženie a veľkosť). Výsledky môžu poukázať na význam týchto vplyvov na použitie ultrazvukovej techniky pri kontrole odliatkov z hliníkových zliatin na báze AlSi.

TEXT/FOTO: Ing. Michal BOHÁČIK a kol., Strojnícka fakulta, Žilinská univerzita

Ďalší spoluautori: doc. Ing. Miloš MIČIAN, PhD., Ing. Radoslav KOŇÁR, PhD., prof. Ing. Augustín SLÁDEK, PhD.

Odborný príspevok recenzoval: Ing. M. SAHUL, PhD.; STU Bratislava, MtF Trnava; doc. Ing. Michal HATALA, PhD.; TU Košice; FVT so sídlom v Prešove

Literatúra:
[1] Yeong-Jern Chen: (2019). Relationship between Ultrasonic Characteristics and Relative Porosity in Al and Al-XSi Alloys In.: Materials Transactions, Vol. 50, No. 9, The Japan Institute of Metals (2009) pp. 2308 – 2313
[2] Koňár, R., Boháčik, M., Mičian, M.: (2016). Defect Identification in Butt Weld Joint by Ultrasonic Method Phased Array and X-Ray Technique. In.: Manufacturing Technology, Volume 16 (5), 2016, pp. 955 – 961. ISSN 1213-2489.
[3] Pastirčák, R. (2014). Effect of Low Pressure Application during Solidification on Microstructure of AlSi Alloys. In.: Manufacturing Technology, Volume 14 (3), 2014, pp. 397 – 402. ISSN 1213-2489.
[4] KOPEC, B. et al. (2008) Nondestructive Testing of Materials and Structures, p. 573, CERM, s. r. o.: Brno, 2008, ISBN 978-80-7204-591-4.
[5] Náprstková, N., Červinka, R., Kusmierczak, S., Cais, J.: (2015). Modifications AlSi9CuMnNi Alloy by Antimony and Heat Treatment and Their Influence on the Resulting Structure. In.: Manufacturing Technology, Volume 15 (4), 2015, pp. 634 – 638. ISSN 1213-2489.
[6] Mohyla, P., Tomčík, P., Beneš, L., Hlavatý, I.: (2011). Effect of Post-Welding Heat Treatment on Secondary Hardening of Welded Joints of Cr - Mo - V Steel. Metal Science and Heat Treatment, Vol. 53, No: 7-8, 2011, pp. 374 – 378, ISSN 0026-0673.
[7] Kuchariková, L., Tillová, E., Belan, J., Závodská, D., Švecová, I.: (2016). The Porosity Evaluation with Using Image Analyser Software in Aluminium Cast Alloys. In.: Manufacturing Technology, Volume 16 (5), 2016, pp. 989 – 994. ISSN 1213-2489.
[8] Koňár, R., Mičian, M., Hlavatý, I.: (2014). Defect detection in pipelines during operation using magnetic flux leakage and phased array ultrasonic method. In.: Manufacturing Technology, Volume 14 (3), pp. 337 – 341. ISSN 1213-2489.