Juha Vesisenaho PALLOUTUMISASTEEN MÄÄRITYS GJS- VALURAUDASSA ULTRAÄÄNEN AVULLA

Juha Vesisenaho PALLOUTUMISASTEEN MÄÄRITYS GJS- VALURAUDASSA ULTRAÄÄNEN AVULLA Opinnäytetyö KESKI-POHJANMAAN AMMATTIKORKEAKOULU Kone- ja tuotantotekniikan koulutusohjelma Toukokuu 2008

KESKI-POHJANMAAN AMMATTIKORKEAKOULU Kone- ja tuotantotekniikan koulutusohjelma TIIVISTELMÄ Työn tekijä: Juha Vesisenaho Työn nimi: Palloutumisasteen määritys GJS-valuraudassa ultraäänen avulla Päivämäärä: 13.2.2008 Sivumäärä: 48 + 17 liitettä Työn ohjaaja: Insinööri (AMK) Rami Hämäläinen Työn valvoja: DI Mikko Aunio Componenta Pietarsaari Oy:n sulatto-osastolla haluttiin kehittää laadunvarmistusta siten, että otettaisiin käyttöön ultraäänitarkastusmenetelmä, jonka avulla voitaisiin valvoa pallografiittivaluraudan palloutumista tuotannon aikana. Tätä varten yritykseen oli hankittu USPC-2100 -ultraäänilaitteisto, jonka oli määrä nopeuttaa pallografiittivaluraudan valvontaa sekä parantaa sen luotettavuutta nykyiseen palloutumis- eli mikroskooppitutkimukseen verrattuna. Tavoitteena oli myös uuden tarkastusmenetelmän myötä vähentää magnesiumin kulutusta ja siten siitä aiheutuvia käyttökustannuksia. Työssä suoritettiin ultraäänilaitteiston käyttöönottoa varten tarvittava määrä kokeellisia tutkimuksia, joiden avulla osoitettiin korrelaation olemassaolo palloutumisasteen ja äänennopeuden välillä ferriitti/perliittisuhteen vaihdellessa. Näiden tutkimusten perusteella voitiin myös määrittää alustava äänennopeuden raja, joka vastasi 85 %:n palloutumista yrityksessä käytössä olevilla eri kupariekvivalenteilla. Työssä kartoitettiin myös näytteen tarvitsema jäähdytysaika muotissa, ennen kuin sille pystyttäisiin suorittamaan varsinainen äänennopeuden mittaus. Lisäksi selvitettiin, millainen mittausvirhe muodostuisi näytteen äänennopeuteen, mikäli veden lämpötila vaihtelisi itse tarkastuksen aikana. Tutkimustyössä käytettiin apuvälineinä USPC-2100 -ultraäänilaitteistoa, optista metallimikroskooppia, ARL MA -optista spektrometria ja Wolbert-kovuusmittalaitetta sekä Six Sigma -laatutyökalua. Uusi tarkastusmenetelmä tullaan mitä luultavimmin ottamaan käyttöön lähivuosien aikana. Avainsanat: ultraäänitarkastus, äänennopeus, pallografiittivalurauta, palloutumisaste

CENTRAL OSTROBOTHNIA UNIVERSITY ABSTRACT OF APPLIED SCIENCES Degree Programme in Mechanical and Production Engineering Author: Juha Vesisenaho Name on thesis: Determination of the Nodular Degree in GJS-cast iron with an Ultrasonic Equipment Date: 23 April 2008 Pages: 48 + 17 Appendices Instructor: Supervisor: Rami Hämäläinen Mikko Aunio The foundry department of Componenta Pietarsaari Oy wanted to develope the quality assurance by introducing an ultrasonic testing method, which could control the nodularity of nodular graphite cast iron during production. Therefore, the company had obtained an USPC-2100 ultrasonic equipment. The purpose of the equipment was to speed up the control of nodular graphite cast iron, and also to improve its reliability compared with the current nodular research or metallurgical microscope. The aim was also to decrease magnesium consuming, so it would have a positive influence on production costs. In the thesis, the required amount of experimental research for taking use of the ultrasonic equipment was accomplished. This research showed the correlation between the nodular degree and the speed of sound when the relation between ferrite and perlite varied. Based on this research, it was also possible to determine the preliminary limit of the speed of sound, which corresponded to the nodularity of 85 % for the different copper equivalent. In the thesis, also the need of a sample s cooling time in the casting mould before the velocity measuring was studied. Furthermore, a possible measuring error in the sample s speed of sound was cleared up, if the water temperature varied under the ultrasonic testing. The USPC-2100 -ultrasonic equipment, metallurgical microscope, optical spectrometer, Wolbert-hardness tester and Six Sigma -quality tool were used in the research. The new testing method will probably be introduced during the next few years. Key words: ultrasonic testing, speed of sound, nodular graphite cast iron, nodular degree

SISÄLTÖ 1 JOHDANTO 1 1.1 Työn lähtökohdat ja tavoitteet 1 1.2 Componenta Pietarsaari Oy 2 2 VALURAUDAT JA NIIDEN RAKENNEOSAT 3 2.1 Yleistä 3 2.2 Valkoinen valurauta 3 2.3 Harmaa valurauta 4 2.4 Adusoitu valurauta 4 2.5 Pallografiittivalurauta 4 2.6 Rakenneosat 5 2.6.1 Grafiitti 5 2.6.2 Ferriitti 6 2.6.3 Perliitti 6 2.6.4 Austeniitti 6 2.6.5 Sementiitti 7 2.6.6 Ledeburiitti 7 3 PALLOGRAFIITTIVALURAUDAN VALMISTUS JA VALVONTA 8 3.1 Yleistä 8 3.2 Sulan valmistus 8 3.3 Grafiitin pallouttaminen 9 3.4 Senkka 10 3.5 Ymppäys 11 3.6 Näytteenotto 12 3.6.1 Palloutumisnäyte 12 3.6.2 Analyysinäyte 13 3.6.3 Ultraääninäyte 13 3.7 Näytteiden analysointi 14 3.7.1 Palloutumistutkimus 14 3.7.2 Spektrotutkimus 14 3.8 Pysäytys ja erottelu 15 3.9 Valvonnan ongelmat 15 4 GJS-RAUDAN EPÄEDULLISIA GRAFIITTIMUOTOJA 17 4.1 Räjähtänyt grafiitti 17 4.2 Vermikulaarinen grafiitti 17 4.3 Chunky-grafiitti 17 4.4 Spiky-grafiitti 18 5 ULTRAÄÄNITARKASTUS 19 5.1 Ultraäänen perusteet 19 5.2 Ultraäänilaitteisto 19 5.3 Normaaliluotain 20 5.4 Luotaimen äänikeila 21 5.5 Luotaimen taajuus ja taajuusvaste 21 5.6 Äänen vaimeneminen 22

5.7 Upotustekniikka 22 5.8 Valujen tarkastaminen 23 6 KRAUTKRÄMER USPC-2100 24 6.1 Yleistä 24 6.2 Äänennopeuden mittaustekniikka 24 6.3 H5K-upotusluotain 26 6.4 Ultraäänilaitteiston kalibrointi 26 6.5 Mittauksessa huomioitavaa 27 6.6 Suorituskykytesti 27 7 MIKRORAKENTEEN VAIKUTUS ÄÄNENNOPEUDESSA 29 7.1 Yeistä 29 7.2 Grafiitin, määrä, muoto ja koko 29 7.3 Matriisin rakenne 29 8 TUTKIMUS 30 8.1 Tutkimuksen tarkennus 30 8.2 Luokiteltujen pallografiittivalurautaisten näytteiden tutkiminen 30 8.3 Pallografiittivaluraudan äänennopeuden varmistuskoe 32 8.4 Valuraudan jäähtymisnopeuden vaikutus äänennopeuteen 32 8.5 Valuraudan äänennopeuden riippuvuus veden lämpötilasta 33 8.6 Esipalloutuskäsittelykoeet 34 8.6.1 Palloutuskäsittelykoe 1 35 8.6.2 Palloutuskäsittelykoe 2 36 8.6.3 Palloutuskäsittelykoe 3 37 8.7 Äänennopeuden suhde palloutumiseen 38 9 YHTEENVETO 45 LÄHTEET 47 LIITTEET 1. Pallografiittivaluraudan valvonnan lohkokaavio 2. Kuvat ultraääninäytteestä, kokillista ja pitimestä 3. Mikrovalokuvat GJS-valuraudan epäedullisista grafiittimuodoista 4./1 4./6 Taulukko luokiteltujen näytteiden tutkimuksesta 5. Taulukko pallografiittivaluraudan äänennopeuden varmistuskokeesta 6/1. 6/2. Kuvio jäähtymisnopeuden vaikutuksesta näytteen äänennopeuteen 7. Taulukko palloutuskäsittelykokeesta 1 8. Taulukko palloutuskäsittelykokeesta 2 9. Mikrovalokuva karbideja sisältävästä näytteestä 10. Taulukko palloutuskäsittelykokeesta 3 11. Hajontakuviot kupariekvivalenttien vaikutuksesta hajontojen tasoihin 12. Kuviot äänennopeustulosten jakaumasta 13/1. 13/2. Hajontakuviot seosainepitoisuuksista kupariekvivalenteittain 14. Hajontakuviot kupariekvivalentin vaikutuksesta ferriitin määrään 15. Hajontakuviot kupariekvivalentin vaikutuksesta äänennopeuteen 16. Kuviot palloutumisprosenttien hajonnasta ja jakaumasta näytesarjassa

17/1. Kuvio 0,21- ja 0,31-kupariekvivalenttien suhteesta äänennopeuteen 17/2. Kuvio 0,31- ja 0,40-kupariekvivalenttien suhteesta äänennopeuteen 17/3. Kuvio 0,40- ja 0,51-kupariekvivalenttien suhteesta äänennopeuteen 17/4. Kuvio 0,60- ja 0,70-kupariekvivalenttien suhteesta äänennopeuteen 17/5. Kuvio 0,81- ja 1,03-kupariekvivalenttien suhteesta äänennopeuteen

1 1 JOHDANTO 1.1 Työn lähtökohdat ja tavoitteet Opinnäytetyö on tehty Componenta Pietarsaari Oy:lle. Componenta Pietarsaari Oy:n sulatolla suoritetaan pallografiittivaluraudan valmistusprosessin aikana sulaerän laadunvalvontaa palloutumistutkimuksen avulla osana laadunvarmistusta. Palloutumistutkimuksessa määritetään grafiitin palloutuminen sulasta valmistetun hieen eli mikronäytteen avulla tutkimalla näyte mikroskooppia ja siihen liitettyä analyysiohjelmaa käyttäen. Palloutumistutkimuksen alituisena ongelmana pidetään hitautta sekä tarkastajasta riippumatta luotettavaan lopputulokseen pääsemistä. Tämän vuoksi yrityksen laadunvarmistusta haluttaisiin kehittää ottamalla käyttöön palloutumistutkimusta luotettavampi ja nopeampi tarkastusmenetelmä. Palloutumistutkimuksen korvaajaksi on kaavailtu ultraäänitarkastukseen perustuvaa menetelmää, jossa valukappaleessa mitattua äänennopeutta käytettäisiin palloutumisasteen määrittämiseen. Tavoitteena olisi tämän menetelmän myötä myös pystyä vähentämään magnesiumin kulutusta nykyisestä sekä siirtää osa analyysitarkastajista muihin työtehtäviin. Ultraäänitarkastuksen huomattavana etuna nykyiseen menetelmään verrattuna tulisi olemaan se, että sitä voitaisiin hyödyntää ainetta rikkomatta. Opinnäytetyöni tarkoituksena oli selvittää pääasiassa kokeellisin tutkimuksin, voitaisiinko ultraäänen avulla määrittää grafiitin palloutuminen riittävän luotettavasti, sillä menetelmän käytölle ei ole olemassa standardia. Työn kannalta oleellisimpana asiana pidettiinkin sitä, että löydettäisiin korrelaatio palloutumisasteen ja äänennopeuden välillä ferriitti/perliittisuhteen vaihdellessa. Tutkimuksissa käytettiin Componenta Pietarsaari Oy:n hiljattain investoimaa Krautkrämer USPC-2100 -ultraäänilaitteistoa ja siihen liitettyä kahta H5K-mallista vedenpitävää normaaliluotainta. Lisäksi käytettiin optista metallimikroskooppia, optista spektrometria ARL MA ja Wolbert-kovuusmittalaitetta sekä Six Sigma -laatutyökalua.

2 1.2 Componenta Pietarsaari Oy Componenta Pietarsaari Oy kuuluu Componenta Oyj -konserniin, joka on kansainvälisesti toimiva metalliteollisuuden yritys. Componentan tuotantolaitokset sijaitsevat Suomessa, Ruotsissa, Hollannissa ja Turkissa. Konsernin liikevaihto vuonna 2006 oli 343 miljoonaa euroa, josta suurin osa tulee Pohjoismaista sekä Keski-Euroopasta. Konsernin henkilöstömäärä on noin 2200. (Componenta Pietarsaari Oy 2006a.) Componenta Pietarsaari Oy on perustettu vuonna 1898. Henkilöstön lukumäärä on noin 200. Componenta Pietarsaari Oy:n tärkeimmät asiakkaat ovat raskas ajoneuvoteollisuus, työkone- ja koneenrakennusteollisuus. Componentan tuotteet ovat asennusvalmiita valettuja, hammastettuja ja koneistettuja komponentteja. Niiden suunnittelu ja mallinnus tapahtuu 3D-CAD- ja CAM -ohjelmistojen avulla. Valaminen suoritetaan kahdella Disamatic 2130(iso-disa)- ja automaattisella 2013(pikku-disa) -pystykaavauskoneella, joissa käytetään pullakaavausmenetelmää. Tyypilliset valut ovat suomu- ja pallografiittivalurautalaaduista. Tuotteiden koot vaihtelevat 0,2 20 kg ja sarjasuuruudet 1000 1000 000 kpl/vuodessa. Tuotannon kapasiteetti on noin 20 000 tonnia vuodessa. (Componenta Pietarsaari Oy 2006a.) Componenta Pietarsaari Oy:n vieressä sijaitsee Componenta MEK Pietarsaari Oy, joka kuuluu Componenta konsernin konepajoihin. Yritys suorittaa valujen koneistusta sekä pintakäsittelyä. Valujen koneistukseen käytetään FMS-linjoja, pysty- ja vaakakaraisia työstökeskuksia sekä CNC-sorveja. (Teknologiateollisuus 2008.) Componenta on kiinnittänyt voimakkaasti huomiota laatuasioihin. Voimassaolevat sertifikaatit ovat ISO 9001, ISO/TS 16949 ja ISO 14001 (Valuatlas 2008).

3 2 VALURAUDAT JA NIIDEN RAKENNEOSAT 2.1 Yleistä Valuraudat ovat raudan ja hiilen seoksia, joissa on yli 2 % hiiltä. Tavallisesti hiilipitoisuus on 2,5 4 %. Lisäksi niissä on muita seosaineita tarkoituksellisesti lisättyinä tai epäpuhtauksina. Valurautojen yleinen seosaine on pii. Jos piipitoisuus on vähintään 2 %, voi hiilipitoisuus erikoistapauksissa olla huomattavastikin alle 2 %. Valuraudoissa hiili on sitoutuneena karbideihin tai se on hajautunut yksittäisiksi atomeiksi rauta-atomien väleihin. Normaalisti hiili esiintyy myös suhteellisen suurina grafiittierkaumina, joiden muoto ja jakautuma määräävät pitkälti valuraudan ominaisuudet. (Suomen Hitsausteknillinen Yhdistys r.y. 2004, 214; Ihalainen, Aaltonen, Aromäki & Sihvonen 2000, 67.) Valuraudat ovat ryhmitelty grafiittisiin valurautoihin (harmaa valurauta, pallografiittivalurauta, adusoitu valurauta) sekä karbidisiin valurautoihin (valkoiset valuraudat). Grafiittisissa valuraudoissa hiili on puhtaassa muodossa grafiittina eikä se ole sidottu rautaan. Erkaumien muoto voi olla suomuinen, pallomainen tai sulkamainen. (Suomen Hitsausteknillinen Yhdistys r.y. 2004, 214.) 2.2 Valkoinen valurauta Valkoinen valurauta on murtopinnaltaan valkoinen, ja se on valurautojen erikoistapaus, koska siinä ei esiinny lainkaan grafiittia vapaana. Jos valurauta jähmettyy ja jäähtyy riittävän nopeasti, syntyneessä mikrorakenteessa esiintyy ferriittikiteiden ohella runsaasti kovia ja hauraita karbideja. Valkoisen valuraudan hiili on sidottu sementiitin ja martensiitin välisijoihin. Valkoisella valuraudalla on vaikean työstettävyytensä takia suhteellisen vähän teknistä käyttöä. Sitä käytetään kuitenkin jonkin verran kulutusosina hiovan eli abrasiivisen kulutuksen alaisissa rakenteissa. (Ihalainen ym. 2000, 67; Suomen Hitsausteknillinen Yhdistys r.y. 2004, 214, 217.)

4 2.3 Harmaa valurauta Harmaa valurauta eli suomugrafiittirauta on maailman eniten valmistettu valumetalli. Sen rakenne on suomuista grafiittia, perliittiä ja ferriittiä. Harmaa valurauta jaetaan seostettuihin ja seostamattomiin rautoihin. Seostettu harmaa valurauta sisältää kromia, nikkeliä ja molybdeeniä. Seostamattomat harmaat valuraudat sisältävät pieninä pitoisuuksina piitä, mangaania, fosforia ja rikkiä. Harmaassa valuraudassa on 2,9 3,8 % hiiltä, joka esiintyy pääasiassa suomumaisina grafiittierkaumina. Harmaalla valuraudalla on suhteellisen korkea lujuus, mutta sitkeys on matala. Suurin osa valetuista osista tehdään seostamattomasta harmaasta valuraudasta. (Ihalainen ym. 2000, 67; Suomen Hitsausteknillinen Yhdistys r.y. 2004, 214 215.) 2.4 Adusoitu valurauta Adusoitu valurauta on haurasta valkoista valurautaa, joka muutetaan lämpökäsittelyllä sitkeäksi, lujaksi temperraudaksi. Hieman eri lämpökäsittelyillä saadaan joko valkoista tai mustaa temperrautaa, joiden faasirakenteessa on ferriittiä ja sulkamaista grafiittia. Mustan temperraudan mikrorakenne on samanlainen läpi koko poikkileikkauksen, kun taas valkoisen temperraudan pinnassa on ferriittinen hiilenkatokerros. Ominaisuuksiltaan adusoitu valurauta on pehmeää ja melko sitkeää. (Ihalainen ym. 2000, 71; Suomen Hitsausteknillinen Yhdistys r.y. 2004, 216.) 2.5 Pallografiittivalurauta Pallografiittivalurautaa saadaan, kun valurautaan lisätään pieniä määriä magnesiumia, noin 0,05 %. Grafiitti muodostuu silloin pallomaiseksi eikä suomumaiseksi kuten harmaalla valuraudalla. Hiilipitoisuus on korkea, 3,5 3,9 %. (Suomen Hitsausteknillinen Yhdistys r.y. 2004, 215.) Pallografiittivaluraudan lujuus- ja sitkeysominaisuudet ovat paremmat kuin harmaalla valuraudalla. Rakenteessa olevat pallomaiset grafiitit eivät toimi samalla tavoin murtumien lähtöpisteinä kuin suomumaiset grafiitit harmaassa valuraudassa. Sitkeys saadaan vieläkin

5 kohoamaan pehmeäksihehkutuksella. Pallografiittivaluraudalla on teräkseen verrattuna huomattavasti parempi valettavuus, lastuttavuus, vaimennuskyky, liukuominaisuudet ja kulumiskestävyys. Standardilaatujen vetomurtolujuus vaihtelee 350 900 MPa. Austemperoitujen pallografiittivalurautojen vetomurtolujuus vaihtelee 800 1400 MPa. Lujuuden kasvaessa muuttuu matriisin mikrorakenne ferriittisestä ferriittis-perliittiseen ja perliittiseen. Lujimpiin laatuihin voidaan päästä myös nuorruttamalla. Bainitoinnilla voidaan saavuttaa jopa 1600 MPa:n vetomurtolujuus. (Ihalainen ym. 2000, 68; Suomen Hitsausteknillinen Yhdistys r.y. 2004, 215 216; Valuraudat ja valuteräkset 2001, 105, 131.) Pallografiittivaluraudoissa grafiitin muodon on oltava standardin SFS-EN 1563 mukaan pääosin muotoa V ja VI (kuvio 1). (Meskanen, Niini & Orkas 2002). KUVIO 1. Pallografiittivalurautojen grafiittimuodot standardin SFS-EN 1563 mukaan (Meskanen ym. 2002.) 2.6 Rakenneosat 2.6.1 Grafiitti Grafiitti on keraameihin kuuluva mustanharmaa aine, joka on koostumukseltaan hiiltä. Harmaana jähmettyvien valurautojen mikrorakenteessa suurin osa hiilestä esiintyy grafiittina, jonka määrä, muoto ja jakauma vaikuttavat voimakkaasti valurautojen ominaisuuksiin. Grafiitin määrä rakenteessa on sitä suurempi, mitä enemmän valuraudassa on hiiltä. Grafiitin tiheys on vain noin neljäsosa raudan tiheydestä, eikä grafiitilla ole käytännössä lainkaan lujuutta. Grafitoivat alkuaineet pii, fosfori, alumiini, titaani, nikkeli ja kupari edis-

6 tävät grafiitin erkautumista ja karbidoivat alkuaineet mangaani, molybdeeni, kromi ja vanadiini ehkäisevät sitä. (Meskanen, Niini & Orkas 2002.) 2.6.2 Ferriitti Ferriitti on pehmeä ja sitkeä rakenneosa, jonka kovuus vaihtelee raekoon mukaan 60 90 HB. Normaaleissa käyttölämpötiloissa ferriitti on sitkeää ja hyvin muovautuvaa niin kuumana kuin kylmänäkin. Kylmämuokkauksella voidaan ferriitin lujuutta olennaisesti parantaa. Seostamalla ferriitti 4 %:n piilisäyksellä kasvaa ferriitin kovuus 80 HB:stä yli 200 HB:hen. Ferriitin erityispiirteenä voidaan pitää sen magneettisuutta. (Meskanen ym. 2002.) 2.6.3 Perliitti Perliitiksi kutsuttua rakennetta syntyy 0,8 %:n hiilipitoisuudella eutektoidisen reaktion kautta, kun austenniitti hajautuu alle 723 C:een lämpötilassa. Perliitti muodostuu vuorottaisista ferriitti- ja sementiittilamelleista. Valuraudoissa oleva pii siirtää perliittieutektoidin koostumusta pienempiin hiilipitoisuuksiin päin. Siten valuraudat, joissa kemiallisesti sidotun hiilen määrä on vain 0,5 0,7 %, ovat jo yleisesti täysin perliittisiä. Korkeimmissa lämpötiloissa syntyneen karkealamellisen perliitin kovuus on noin 200 HB. Alemmissa lämpötiloissa tai nopean jäähtymisen kautta syntyneen perliitin kovuus on noin 400 HB. Perliitissä on ferriitiä 7,5 kertaa enemmän kuin sementiittiä, ja siten se on ominaisuuksiltaan lähempänä ferriittiä. (Meskanen ym. 2002.) 2.6.4 Austeniitti Valuraudoilla austeniitti on stabiilia 723 C:n yläpuolella ja jäähtyessään alempiin lämpötiloihin se muuttuu ferriitiksi ja sementiitiksi tai grafiitiksi. Austeniitilla ei ole myötörajaa kuten ferriitillä, eikä se ole taipuvainen lohkomurtumaan. (Meskanen ym. 2002.)

7 2.6.5 Sementiitti Sementiitti on raudan ja hiilen yhdiste, rautakarbidi (Fe3C). Karbidi on haurasta ja erittäin kovaa, minkä vuoksi se ei ole valuraudoissa tavoiteltu rakenneosa. Sementiitti on kovuudeltaan noin 820 HB. Sementiitti on epästabiilia ja hajoaa yli 1300 C:n lämpötiloissa grafiitiksi ja austeniitiksi. (Meskanen ym. 2002). 2.6.6 Ledeburiitti Ledeburiitiksi kutsutaan eutektisen reaktion kautta syntynyttä rakennetta, eutektikumia, jossa on sementiittiä ja perliittiä. Sementiitin määrä on 1,5-kertainen perliittiin nähden. Ledeburiitin syntyä edistävät nopea jäähtyminen ja grafiitin erkautumisen estyminen esimerkiksi puutteellisella ymppäyksellä. Ledeburiitti on haurasta ja kovaa; sen kovuus on lähes 800 HB. (Meskanen ym. 2002). Valurautoihin voidaan lämpökäsittelyjen ja sopivan seostuksen avulla saada syntymään myös muita rakenteita, kuten bainiittia ja martensiittia (Meskanen ym. 2002).

8 3 PALLOGRAFIITTIVALURAUDAN VALMISTUS JA VALVONTA 3.1 Yleistä Componenta Pietarsaari Oy:n valmistamista tuotteista 75 % valetaan GJS- eli pallografiittivaluraudasta, joiden vetomurtolujuus vaihtelee 350 700 MPa. (Componenta Pietarsaari Oy 2006a). Tuotteiden valmistus perustuu standardin SFS-EN 1563:1998 mukaisiin materiaalivaatimuksiin. (Valuraudat ja valuteräkset 2001, 104). Liitteenä olevassa lohkokaaviossa on kuvattu pääpiirteissään raudan valmistuksen ja valvonnan eri vaiheissa suoritettavat toimenpiteet (liitteet 1/1, 1/2 ja 1/3). 3.2 Sulan valmistus Componentalla käytetään sulan valmistuksessa raaka-aineena rautaromua, joka koostuu erilaisesta teräsromusta, silppu- ja kiertoromusta sekä matalan mangaani- ja rikkipitoisuuden omaavasta harkkoraudasta. Raudan sulatus tapahtuu BBC1-, BBC2- tai Junkersulatusuunissa (kuvio 2). Sulassa tilassa metallista poistetaan mahdolliset ei-toivotut aineet sekä lisätään mahdolliset seosaineet. Seosaineena ja analyysikorjauksiin käytetään muun muassa vähärikkistä hiiletysainetta ja ferropiitä. Sula jatkokäsitellään kahdessa SGJS 35- ja SGJS 18 -kuumanpitouunissa, joissa se pidetään normaalisti alle 1530 C:een lämpötilassa. Sulan valmistusta ohjataan jatkuvalla lämpötilan mittaamisella ja analyysiseurannalla. (Componenta Pietarsaari Oy.)

9 KUVIO 2. Sulatusprosessikaavio (Componenta Pietarsaari Oy.) 3.3 Grafiitin pallouttaminen Palloutuskäsittelyssä vaikutetaan valuraudan kiderakenteeseen niin, että grafiitti kiteytyy pallomaiseen muotoon. Tämä aikaansaadaan lisäämällä sulaan rautaan hieman ennen valamista palloutusainetta, joka sisältää magnesiumia. Seosaineena käytetään ferropiimagnesiumia, joka sisältää keskimäärin 5 % Mg, 45 % Si, 0,3 % Ca ja lisäksi Ce ja muita harvinaisia maametalleja yhteensä noin 0,3 %. Palloutumisen aikaansaamiseksi täytyy raudan rikkipitoisuuden olla hyvin pieni, eli sen tulee olla noin 0,010 0,020 %:n välillä. Myös palloutumista ehkäisevien aineiden pitoisuuden täytyy olla riittävän pieni. Palloutumista ehkäiseviä aineita hapen ja rikin lisäksi ovat primäärikarbideja muodostavat aineet, kuten Cr, Mo, V ja Mn. Myös ns. haitta-aineet Bi, Te, Sb, Pb, Se, As, Ti ja Al estävät pallojen muodostumista. Palloutumista edistäviä aineita puolestaan ovat kaupallisesti merkittävimmät Mg ja Ca sekä näiden lisäksi Ce, Sr ja Ba. (Meskanen, Niini & Orkas 2002.) Componentalla käytetään grafiitin pallouttamiseen ns. Tundish-kammiosenkkamenetelmää. Siinä senkan pohjalle asetetaan 5-prosenttinen FeSiMg-seos, jonka lisäysmäärä riip-

10 puu oleellisesti palloutettavasta sulan määrästä ja tuotteen hiiliekvivalenttitavoitteesta. Palloutusaineen määrää ohjataan niin, että magnesiumkäsittelyn jälkeen raudan jäännösmagnesiumin pitoisuus on valvontarajojen 0,030 0,060 %:n välillä. Lisäksi palloutusaineen päälle asetetaan tarvittava määrä kuparia, jonka tarkoituksena on edistää perliitin muodostumista. Kuparin tehtävänä on siis aikaansaada rakenteen kovuus yhdessä mangaanin kanssa. Myös kuparin määrää säädellään sulassa siten, että saavutetaan kunkin tuotteen kupariekvivalenttitavoite, joka lasketaan kaavalla Cue = Cu + Mn/2. Kuparin ja magnes-iumin päälle lisätään tarvittaessa peittoainetta, joka koostuu puhtaasta peltilaatasta. Sen tarkoituksena on hidastaa magnesiumia nousemasta senkan pinnalle liian nopeasti, jotta magnesium ehtisi liukenemaan senkan pohjalla mahdollisimman pitkään. Ennen pallouttamista lisätään senkassa olevaan erilliseen lokeroon vielä tarvittava määrä ymppäysainetta, tavallisesti 0,2 % sulan kokonaismäärästä. Ymppäysaineen avulla saadaan tehostettua magnesiumkäsittelyn vaikutusta merkittävästi. (Componenta Pietarsaari Oy.) Pallouttamista varten sula kaadetaan kuumanapitouunista (lämpötila n. 1500 C) senkkaan siten, että se ei suoraan osu palloutusaineeseen. Senkassa magnesium ja sula reagoivat keskenään synnyttäen voimakkaan valoilmiön, joka on seurausta magnesiumin palamisesta. Reaktiossa magnesium poistaa ensin rikkiä ja toimii vasta sitten grafiitin pallouttajana. Reaktion loputtua sulalle tehdään kuonaus, jossa poistetaan epäpuhtaudet senkan pinnalta kuonansidonta-aineen avulla. (Componenta Pietarsaari Oy.) 3.4 Senkka Componentalla käytössä oleva senkka on Tundish Cover -tyyppinen koneellisesti kallistettava senkka, jonka alaosa on väliseinällä jaettu kahteen lokeroon (kuvio 3). Senkka on suljettu tulenkestävällä materiaalilla vuoratulla kannella, jonka pohjassa on kaksi reikää. Toisen reiän kautta pudotetaan palloutusaine senkkaan ja toisen reiän kautta kaadetaan sula. Senkka tyhjennetään sulan täyttöaukon kautta. (Componenta Pietarsaari Oy 2006b.)

11 KUVIO 3. Palloutuskäsittelysenkka (Componenta Pietarsaari Oy 2006b.) 3.5 Ymppäys Ymppäyksessä valuraudan rae- tai solukokoa pienennetään. Valurautasulaan lisätään kiteytymisytimiä eli se ympätään eutektisten solujen lisäämiseksi, jolloin ne samalla pienenevät. Näin pienenee valkoiseksi jähmettymisen vaara eli toisin sanoen karbidien muodostuminen rakenteeseen estyy. Ymppäyksellä varmistetaan myös hiilen kiteytyminen austeniitista grafiitiksi ja minimoidaan seinämäherkkyyttä. Ymppäyksellä on myös tarkoitus sekä varmistaa grafiittisuus että saada aikaan runsas, tasainen ja hienorakenteinen grafiittijakauma. Ymppäysaineena käytetään yleensä 75-prosenttista FeSi:tä, jonka raekoko vaihtelee valamiseen käytettävän rautamäärän mukaan 0,2 3 mm. Pelkistävillä aineilla, kuten Al, Ca, Ba, Zr ja Ce, parannetaan edelleen ymppäystehoa. (Ihalainen, Aaltonen, Aromäki & Sihvonen 2000, 76; Meskanen, Niini & Orkas 2002.) Ymppäys tehdään tavallisesti kahdessa erässä, koska sen teho vaimenee nopeasti. Perusymppäys suoritetaan samanaikaisesti kaadettaessa sulaa senkasta valualtaaseen, jolloin ymppäysaine virtaa senkasta valusuihkuun ja rakeet sekoittuvat raudan pinnan alle. Valamisen aikana käytetään lisäksi elvytysymppäystä eli muottiymppäystä, jossa ymppäysainetta lisätään valusuihkun mukana muotin sisään. Elvytysymppäys on toteutettu käyttämällä automaattista annostelijaa, jonka avulla ymppäysaine saadaan syötettyä tasaisena virtana valusuihkuun. (Componenta Pietarsaari Oy.)

12 3.6 Näytteenotto Pallografiittivaluraudan laadunvalvonta perustuu sulaton osalta järjestelmälliseen näytteenottoon sekä lämpötilan seurantaan. Näytteenotossa valetaan sulaeräkohtaisesti palloutumis- ja analyysinäyte, jotka otetaan sulasta kaavauksen yhteydessä. Palloutumisnäytteen avulla seurataan magnesiumkäsittelyn onnistumista eli toisin sanoen grafiitin palloutumista. Analyysinäytteen tehtävänä on ohjata sulan valmistusta ja varmentaa tuotteen kemiallinen koostumus. (Componenta Pietarsaari Oy 2006b.) Lisäksi testikäyttöön on otettu ultraäänitarkastusta varten tarkoitettu ultraääninäyte, jonka avulla tullaan mahdollisesti valvomaan jatkossa grafiitin palloutumista. 3.6.1 Palloutumisnäyte Palloutumisnäyte otetaan sulasta rautakauhan avulla ja valetaan hiekasta valmistettuun kokilliin eli muottiin. Tämä tapahtuu silloin, kun sulaerän viimeistä muottia valetaan eli hieman ennen valuajan päättymistä, koska palloutuminen on tuolloin huonoimmillaan. Tavallisesti valamiseen käytettävissä oleva aika palloutuskäsittelyn jälkeen on valulinjan mukaan noin 16 17 minuuttia sulaerää kohden. Valetun näytteen annetaan jähmettyä muotissa riittävän pitkään, jotta rakenne ehtisi muodostua kunnolla ja kappale pysyisi ehjänä. Yleensä näytteenoton jälkeen kyseisellä sulaerällä ei enää valeta ja tämän merkiksi viimeinen muotti merkataan. (Componenta Pietarsaari Oy 2006b.) Palloutumisnäytteen ollessa riittävän jähmettynyt muotti sen ympäriltä puretaan ja siitä valmistetaan hie metallin sisäisen rakenteen analysoimiseksi. Valmistuksessa leikataan irti pienehkö pala valetusta murikasta ja sen pinta hiotaan paperilla. Näyte kiillotetaan timanttihiomapaperilla peilikirkkaaksi ja tarvittaessa usein vielä etsataan eli syövytetään. Tällä tavoin saadaan näkyviin monia tärkeitä rakennepiirteitä, kuten esimerkiksi matriisin ferriitti/perliittisuhde. Näytteen liiallista hiomista sekä kiillottamista vältetään, sillä se voi aiheuttaa grafiitin irtoamisen kuopasta. Tämä näkyy mikroskooppitutkimuksessa ylisuurena pallona. Myös puutteellisella valmistelulla saadaan grafiittipallot tulemaan heikosti näkyviin. (Componenta Pietarsaari Oy 2006b.)

13 3.6.2 Analyysinäyte Analyysinäyte valetaan kuparikokilliin, koska hiilen analysointia varten on raudan jäähdyttävä valkoisena. Näytteenotto suoritetaan samanaikaisesti kun sulaerän toista muottia valetaan eli heti magnesiumkäsittelyn jälkeen. Näytettä otettaessa varmistetaan se, ettei ymppäyssuihku osu kauhaan, koska muuten analyysin tulos vääristyy. Valettu näyte jäähdytetään vedellä ja siitä irrotetaan laatta, jonka pinta hiotaan tasaiseksi. Näytettä analysoitaessa sen pinnan tulee myös olla puhdas rasvasta ja pölystä. (Componenta Pietarsaari Oy 2006b.) 3.6.3 Ultraääninäyte Yrityksessä oli siis tarkoituksena se, että vastaisuudessa grafiitin palloutumista pystyttäisiin valvomaan ultraääninäytteen avulla nykyisen palloutumisnäytteen sijasta. Tätä silmällä pitäen ultraääninäyte valetaan muottiin samanaikaisesti palloutumisnäyteen kanssa. Näytteen annetaan jähmettyä muotissa riittävän kauan mikrorakenteen muodostumista varten. Jos näyte jäähdytetään veteen liian kuumana, tulee siihen karbideja (se karkenee), jolloin mitattava äänennopeus vääristyy. Näytteelle tarvitsee tehdä ennen tarkastusta toimenpiteenä ainoastaan puhdistus irtohiekasta. Ultraääninäytteen tarkastusta käsitellään tarkemmin luvussa 7. Ultraääninäytteestä ja sen kokillista löytyy kuva liitteestä 2. Ultraääninäyte oli suunniteltu konstruktioltaan suorakaiteen muotoiseksi, ja särmän pituus oli noin 20 mm. Näytteen muoto oli valittu sellaiseksi, että se edustaisi mahdollisimman hyvin tuotannosta valmistuvan kappaleen keskimääräistä paksuutta. Näyte ei voi olla liian ohut eikä toisaalta liian paksu, koska kappaleen muodolla on vaikutusta jähmettymiseen ja sitä kautta myös grafiitin kiteytymiseen. Tutkittavassa näytteessä pinnan tulee myös olla mieluiten sellainen, että tarkastettava kohta on tasainen, eikä esimerkiksi kaareva, koska kohteen muoto vaikuttaa merkittävästi äänisäteen muotoon. Ääni voi joko hajautua tai fokusoitua pinnan kaarevuuden mukaan. Lisäksi lähikentän pituus ja avautumiskulma muuttuvat. Myös suuntakulma voi muuttua äänen ylittäessä kaarevan rajapinnan. (Härkölä & Toivonen 1998, 54.)

14 3.7 Näytteiden analysointi 3.7.1 Palloutumistutkimus Nykyisin yrityksessä käytetään palloutumistutkimusta tarkastusmenetelmänä määritettäessä sulasta valmistetun hieen avulla palloutumisaste eli hyvien grafiittipallojen suhde huonoihin. Hie tutkitaan käyttäen apuna optista metallimikroskooppia ja siihen liitettyä Nodules-ohjelmaa. Mikronäyte asetetaan mikroskoopin linssille, josta heijastuu 100-kertainen kuva mikroskoopin okulaariin ja tietokoneen näytölle. Näyte tutkitaan silmämääräisesti koko poikkipinta-alaltaan ja siitä etsitään huonoin kohta, joka luokitellaan käyttäen ohjeena Chemetallin kaavioita ( Casting Quality Control, Metallgesellschaftin kaavio ja Casting inspection: Spherodial graphite cast-iron sekä pallojen lukumääräkuvaus 25 300 palloa/cm2 ). Chemetallin kaavioissa grafiitin palloutumista esittävät kuvat on luokiteltu palloutumisprosentin, pallojen lukumäärän sekä koon mukaan, joten ne auttavat arvioitaessa palloutumaa. Tavallisesti luokittelu tehdään vertaamalla kaavioiden kuvia mikroskoopin kuvaan. Tämän vertailun perusteella kaavioiden kuvista valitaan sopivin vaihtoehto, joka parhaiten kuvastaa mikroskoopin näkymää. Näin valitun kuvan avulla voidaan arvioida palloutumisastetta. (Componenta Pietarsaari Oy.) Mikronäyte analysoidaan tarkemmin myös analyysiohjelman avulla ja siitä kuvataan samalla mm 2 :n otos, joka tallentuu valimon tiedonkeruujärjestelmään. Ohjelman analysoimat arvot ovat kuitenkin viitteellisiä numeroarvoja, joten tämä otetaan huomioon lopullista päätöstä tehtäessä. Palloutumisprosentin tulee olla tarkastettavassa kohdassa vähintään 85 %, jotta palloutumisnäyte voidaan hyväksyä. Asiakkaan vaatimusten mukaan tuotteelle riittäisi 80 %:n palloutuminen, joten 5 %:n varmuuskerrointa käytetään laadunvarmistamiseksi. (Componenta Pietarsaari Oy.) 3.7.2 Spektrotutkimus Spektrotutkimuksessa valvotaan analyysinäytteeseen perustuen magnesiumkäsittelyn jälkeistä sulan koostumusta, jonka tulee olla tuotteelle asetetun vaatimuksen mukainen. Näytteen analysointi suoritetaan optisella spektrometrilla ARL MA, jonka toiminta perustuu

15 ultravioletin säteilyn hajautumiseen prismassa spektriksi. Spektrometrilla seurataan tärkeimpien seosaineiden, kuten magnesiumin, mangaanin, kuparin, hiilen ja piin pitoisuuksia. Lisäksi valvotaan palloutumista ehkäisevien aineiden ja haitta-aineiden enimmäismääriä. Jos jonkin aineen pitoisuudet eivät ole sille sallituissa rajoissa, suoritetaan aina tarvittavat korjaustoimenpiteet ennen seuraavan sulaerän valmistusta. (Componenta Pietarsaari Oy 2006b; Meskanen, Niini & Orkas 2002.) 3.8 Pysäytys ja erottelu Tuotteiden valaminen pysäytetään sekä jo valetut kappaleet erotellaan valulinjalta, mikäli palloutumis- tai spektrotutkimuksen tulokset poikkeavat asetetuista rajoista. Toimenpide tehdään myös siinä tapauksessa, jos muottiymppäys on epäkunnossa tai jompikumpi näytteistä puuttuu. Erottelussa poistetaan kaikki kyseisen käsittelyerän tuotteet kaavauslinjalta ja niille tehdään samalla myös tarkastus. Virheellisiksi todetut kappaleet romutetaan sekä palautetaan uudelleen sulatettaviksi. (Componenta Pietarsaari Oy.) 3.9 Valvonnan ongelmat Pallografiittivaluraudan valvontaan liittyvät ongelmat johtuvat palloutumistutkimuksesta, joka on tarkastusmenetelmänä varsin hidas lähinnä näytteen valmistukseen kuluvan ajan vuoksi. Tavallisesti oikeaoppisen mikronäytteen valmistukseen menisi aikaa noin 10 minuuttia. Tuotanto-olosuhteissa on kuitenkin kiireen takia vähemmän aikaa, joten näytteen valmistuksessa joudutaan usein hieman oikomaan eli nopeuttamaan näytteen valmistuksen eri vaiheita. Tästä voi olla pahimmillaan seurauksena se, että näyte tulkitaan väärin esimerkiksi puutteellisesta hionnasta johtuvan pinnan naarmuisuuden tai epätasaisuuden takia. Myös huolellisesti valmisteltu näyte saatetaan epähuomiossa tulkita virheellisesti, koska mikroskoopilla pystytään tarkastelemaan vain pientä aluetta kerrallaan. Tällöin näytteen jokin alue voi jäädä osittain tai jopa kokonaan tarkastamatta. Menetelmän yhtenä ongelmana pidetään lisäksi sitä, että näytteiden palloutumistulokset voivat poiketa toisistaan eri tarkastajien analysoimina. Näitä eroja syntyy lähinnä siitä, että tutkimuksen aikana näytettä joudutaan tarkastelemaan myös visuaalisesti. Tällöin pallou-

16 tumistutkimuksen lopputulos riippuu hyvin paljon tarkastajasta ja hänen tulkinnoistaan. Tavallista on se, että tulosten vaihtelu on suurta tutkittaessa palloutumista mikroskoopin avulla. Ongelmia tiedetään tulevan myös siitä, jos luotetaan liikaa analyysiohjelman määrittelemiin tuloksiin. Ohjelma voi nimittäin rajata hyviksi sellaisiakin grafiittipalloja, jotka todellisuudessa olisivat virheellisiä. Tähän vaikuttavat esimerkiksi ohjelman asetukset, mikroskoopin tarkennus sekä laitteiston kalibrointi. Palloutumistutkimuksen ongelmana on myös se, että grafiitin pallouttamisessa kulutetaan tätä nykyä varsin runsaasti kallista magnesiumia. Tämä johtuu siitä, että magnesiumin runsaalla käytöllä pyritään jatkuvasti varmistamaan riittävä palloutuminen. Jos ultraäänitarkastuslaitteisto saataisiin käyttöön, pystyttäisiin magnesiumin kulutusta varmasti jonkin verran vähentämään, jolloin voitaisiin säästää vuositasolla huomattavasti kustannuksissa.

17 4 GJS-RAUDAN EPÄEDULLISIA GRAFIITTIMUOTOJA 4.1 Räjähtänyt grafiitti Räjähtänyt grafiitti näyttää nimensä mukaisesti siltä kuin grafiittipallot olisivat räjähtäneet. Yleisin syy räjähtäneen grafiitin syntyyn on liiallinen maametallien käyttö tai sen esiintyminen sulassa. Liiallinen maametallien käyttö voi johtaa räjähtäneen grafiitiin esiintymiseen, etenkin jos käytetään erittäin puhtaita sulatuksen raaka-aineita, joissa on vähän epäpuhtaus- ja haitta-aineita. Räjähtänyttä grafiittia ilmenee tyypillisimmin paksuissa seinämissä, jotka ovat saaneet jäähtyä hitaasti, tai sulassa, jossa on ollut erittäin korkea hiiliekvivalentti. (Eljaala 2007, 34 35.) Kuva räjähtäneestä grafiitista löytyy liitteestä 3. 4.2 Vermikulaarinen grafiitti Vermikulaarisen eli tylppägrafiitin muodostumisen yleisin syy on palloutuskäsittelyn epäonnistuminen. Jos palloutusaineen määrä on laskettu väärin, sulassa on liikaa magnesiumia kuluttavia aineita, esimerkiksi rikkiä, ne lisäävät riskiä vermikulaarisen grafiitin muodostumiseen. Lisäksi liian korkea lämpötila ja pitkä valuaika voivat pahentaa ongelmaa. Myös hiiliekvivalentti ja jäähtymisnopeus ovat merkittäviä tekijöitä vermikulaarisen grafiitin muodostumiselle. Lähellä eutektista koostumasta olevien rautojen magnesiumpitoisuuden jäädessä käsittelyn jälkeen tasolle 0,01 0,02 % tulee grafiittirakenteesta lähes täysin vermikulaarinen. Tosin nopeasti jäähtyvien kohtien palloutumisaste voi säilyä silti yli 20 %:n vielä 0,01 %:n magnesiumpitoisuudella. Mikäli sulassa esiintyy titaania, voi vermikulaarista grafiittia esiintyä, vaikka jäännösmagnesiumpitoisuus olisi yli 0,03 %. (Eljaala 2007, 35.) Kuva vermikulaarisen grafiitin mikrorakenteesta löytyy liitteestä 3. 4.3 Chunky-grafiitti Chunky-grafiitti on usein havaittavissa jo pelkästään paljaalla silmällä sahatun kappaleen poikkileikkauksesta. Alueet, joilla kyseistä grafiittia esiintyy, näyttävät tummemmilta kuin ne, joilla on normaali grafiittirakenne. Varsin tavallisesti chunky-grafiitin joukossa on

18 myös aivan normaalisti muodostuneita palloja. Yleensä chunky-grafiitti on ongelmana paksuseinämäisissä kappaleissa. Tavallisimmin sitä tavataan seinämien keskialueilla ja syöttöjen alla. Chunky-grafiitin muodostumismekanismia ei täysin tunneta, tai ainakaan siitä ei ole selvää yksimielisyyttä. Yhtenä esimerkkinä voidaan mainita liian korkea hiiliekvivalentti- ja piipitoisuus. (Eljaala 2006, 36 37.) Kuva chunky-grafiitin mikrorakenteesta löytyy liitteestä 3. 4.4 Spiky-grafiitti Spiky-grafiitti ei ehkä ole niin yleinen grafiittimuoto kuin esimerkiksi chunky-grafiitti. Sen muodostumismekanismia ei täysin tunneta, mutta haitallisen lyijyn esiintymisellä sulassa on vaikutusta. Spiky-grafiittia tavataan useimmiten konvertterirautojen yhteydessä. Yksinkertaisin tapa estää sitä on käyttää riittävästi ymppäysainetta neutralisoimaan haitallisten aineiden vaikutuksia. (Eljaala 2007, 34.) Kuva spiky-grafiitin mikrorakenteesta löytyy liitteestä 3. Tässä työssä edellä esitettyjen haitallisten grafiittimuotojen vaikutusta äänennopeuteen ei voitu tutkia kokeellisesti, koska tuotanto-olosuhteissa niiden valmistaminen olisi ollut poikkeuksellisen hankalaa tuotannon puhtaiden prosessiparametrien vuoksi.

19 5 ULTRAÄÄNITARKASTUS 5.1 Ultraäänen perusteet Ultraääneksi kutsutaan sellaista ääntä, jonka taajuus on välillä 20 khz...n. 10 THz. Ihmisen kuuloalue kattaa teoriassa taajuudet 20 Hz...20 000 Hz. Ultraäänen alaraja johtuu ihmisen kuuloalueen ylärajasta. Ultraääni on mekaanista aaltoliikettä, joka etenee kiinteissä aineissa pitkittäisenä tai poikittaisena aaltona. Ultraääntä synnytetään, lähetetään ja vastaanotetaan normaalisti pietsosähköiseen ja sen käänteisilmiöön perustuvilla luotaimilla. Ultraäänitekniikassa käytetään yleensä taajuuksia 0,5...15 MHz, metallien tarkastuksissa useimmiten 2...5 MHz. Taajuuden muuttuessa muuttuu samalla värähtelyn aallonpituus. (Peltonen, Perkkiö & Vierinen 2002, 158 159; Härkölä & Toivonen 1998, 6.) v f missä λ = aallonpituus v = äänennopeus f = taajuus (Härkölä & Toivonen 1998, 6). 5.2 Ultraäänilaitteisto Ultraäänitarkastuslaitteiston tärkeimmät perusosat ovat ultraäänilähde, luotain, sopiva kytkentäaine sekä tarkastettava kappale. Luotaimet voivat lähettää ääntä pintaan nähden kohtisuorassa (normaaliluotaimet) tai eri kulmissa (kulmaluotaimet). Kytkentäaine (vesi, liisteri, geeli, tms.) on välttämätöntä, jotta ääni siirtyisi luotaimesta kohteeseen ja takaisin. (Suomen Hitsausteknillinen Yhdistys r.y. 2004, 42.) Ultraäänilaitteiston avulla voidaan selvittää materiaalin äänennopeus mittaamalla materiaalissa edenneen pulssin kulkuaika. Ajan mittaus alkaa sähköisestä lähtöpussista eli erittäin

20 lyhyestä muuntimeen tulevasta sähköisestä latauksesta, joka muuttuu äänipulssiksi. Virheettömässä kohteessa ääni kulkee suoraan ja heijastuu kohteen pohjasta takaisin luotaimeen. Jos käytetään kahta luotainta, ääni kulkee lähettimestä vastakkaisella puolella olevaan vastaanottimeen. Luotaimessa ääni muuttuu jälleen takaisin sähköiseksi pulssiksi, johon ajan mittaus päättyy. (Berke 1999, 9.) 5.3 Normaaliluotain Ääntä kohtisuoraan pintaan nähden lähettävää ja vastaanottavaa luotainta kutsutaan normaaliluotaimeksi (kuvio 4). Normaaliluotain on ultraäänitarkastuksen perusluotain, jota käytetään yksinkertaisista materiaalin tarkastuksista ja paksuusmittauksista aina uusimpiin komposiittimateriaalien tarkastuksiin. Useimmat normaaliluotaimet lähettävät pitkittäisaaltoa (paineaaltoa). Ne tunnistetaan siitä, että ne etenevät kaikissa materiaaleissa tihentymien ja harventumien välityksellä. Normaaliluotaimia on olemassa suuri määrä erikokoisina ja -taajuisina, 0,5 25 MHz. Tavallisesti luotaimissa on ainoastaan yksi kide, joka sekä lähettää että vastaanottaa signaalin. Laaja valikoima mahdollistaa luotaimen ominaisuuksien sovittamisen kaikkiin tarkastustehtäviin. (Härkölä & Toivonen 1998, 28; Berke 1999, 14.) Muista luotaimista mainittakoon kaksoisnormaaliluotain, kulmaluotain, poikittaisaaltokulmaluotain ja pitkittäisaaltokulmaluotain sekä erikoisluotaimista ryömintäaaltoluotain, aaltomuodonmuutosluotain ja kärkikaikuluotain. (Härkölä & Toivonen 1998, 2, 33 34.) Tässä työssä käytettiin pelkästään normaaliluotainta, jonka avulla voidaan hyvin mitata kappaleen äänennopeutta vedessä. KUVIO 4. Normaaliluotaimen rakennekuva (leikkaus) (Berke 1999, 5.)

21 5.4 Luotaimen äänikeila Jokaisella luotaimella on oma vaikutusalue, eli ääniaallot peittävät vain tietyn alueen tarkastuskohteesta. Tätä aluetta kutsutaan äänikeilaksi (kuvio 5), ja sen koko ja muoto riippuvat luotaimesta ja tarkastettavasta materiaalista. Luotaimesta lähtevän äänikeilan muotoon vaikuttavat päätekijät ovat äänen aallonpituus (taajuus) ja värähtelijän koko. Eri osista värähtelijää lähtevä ääni interferoi eli summautuu, mistä aiheutuu äänipaineen vaihteluita. Luotaimen äänikeila voidaan jakaa kahteen eri alueeseen, lähikenttään ja kaukokenttään. Lähikentän pituus (N) ja avautumiskulma (a) riippuvat muuntimen halkaisijasta, taajuudesta ja materiaalin äänennopeudesta. Äänikeilan keskilinjaa kutsutaan äänikeilan akseliksi. (Härkölä & Toivonen 1998, 34; Berke 1999, 5 6.) N = lähikentän pituus a = avautumiskulma KUVIO 5. Luotaimen äänikeila (Berke 1999, 6.) 5.5 Luotaimen taajuus ja taajuusvaste Jokaisella luotaimella on nimellistaajuus, joka tarkoittaa taajuutta, jota luotain lähettää ja vastaanottaa parhaiten. Nimellistaajuus määräytyy värähtelijän paksuuden mukaan. Luotaimen kykyä toimia muilla taajuuksilla kuvaa sen taajuusvaste. Kapea taajuusvaste rajaa taajuudet lähelle nimellistaajuutta, ja luotain, jolla taajuusvaste on leveä, toimii hyvin muillakin taajuuksilla. Taajuusvasteeseen vaikuttaa eniten luotaimen vaimennus, joka on kääntäen verrannollinen taajuuskaistaan. Mitä vaimennetumpi on luotain, sitä leveämpi on taajuusvaste. Pulssinpituuksilla 2 5 aallonpituutta nimitetään luotainta (paljon) vaimennetuksi luotaimeksi. (Härkölä & Toivonen 1998, 38.)

22 Sopivan taajuusvasteen (vaimenemisen) valinta on aina kompromissi. Laaja taajuusalue takaa paremman tunkeutuvuuden, jos esimerkiksi raekoko vaihtelee. (Härkölä & Toivonen 1998, 39.) 5.6 Äänen vaimeneminen Äänen vaimenemiseen vaikuttaa kolme eri tekijää: etäisyys (geometria), äänienergian imeytyminen materiaaliin (absorptio) sekä materiaalissa olevat pienet epäjatkuvuudet, jotka hajottavat ja heijastavat ääntä (sironta). Valuraudoissa sirontaa aiheuttavat materiaalissa olevat kiderajat, kuten esimerkiksi ferriitti, grafiitti, huokoset, sulkeumat jne. (Härkölä & Toivonen 1998, 22 23.) 5.7 Upotustekniikka Upotustekniikassa tarkastettava kappale on upotettuna nesteeseen, tavallisesti veteen. Luotaimen lähettämä ääniaalto kulkee ensin vesikerroksen läpi ennen kuin se siirtyy tutkittavaan kappaleeseen. Upotustekniikalla on kaksi erikoispiirrettä. Ensinnäkin vedessä etenee ainoastaan pitkittäisaalto, joten luotaimina käytetään vedenpitäviä normaaliluotaimia. Toiseksi veden ja metallin akustiset impedanssit eroavat huomattavasti, minkä vuoksi heijastuskerroin rajapinnassa on suuri. Kappaleen etupinnasta saadaan voimakas kaiku, jota kutsutaan vesikaiuksi tai etupintakaiuksi. Lähtöpulssin ja vesikaiun väliä kutsutaan yleisesti vesimatkaksi. Huomioitavaa on se, että vesikaiun sijainti kuvaruudulla ei vastaa todellista etäisyyttä, koska veden äänennopeus on huomattavasti pienempi kuin tarkastettavan materiaalin äänennopeus. (Härkölä & Toivonen 1998, 50.) Vesimatkan tulee olla sama sekä säädettäessä että tarkastettaessa. Veden vaimennus on suuri, joten pienikin muutos vesimatkassa vaikuttaa laitteiston tarkastusherkkyyteen. Vesimatka kannattaa valita mielellään niin pitkäksi, että lähialue jää veteen ja kappale tarkastetaan kaukoalueella. (Härkölä & Toivonen 1998, 50.)

23 5.8 Valujen tarkastaminen Valumateriaalit ja niiden ominaisuudet vaihtelevat huomattavasti, mikä vaikuttaa myös niiden tarkastettavuuteen. Suurin ongelma on valujen raekoko, joka saattaa olla jopa useita millimetrejä. Raerajoilta heijastuvat ääniaallot aiheuttavat voimakasta kohinaa, joten käytettävät taajuudet ovat suhteellisen matalia. Käytännössä taajuus valitaan raekoon mukaan niin, että mitä isompi raekoko on, sitä alhaisempi on taajuus. (Härkölä & Toivonen 1998, 97, 40). Pallografiittivaluraudan tarkastuksissa käytetään karhean pinnan vuoksi 0,5 5 MHz:n taajuuksia. (SFS-EN 12680-3-standardi 2003, 10). Valuraudoilla tarkastettavuus vaihtelee huomattavasti myös valutyypin ja -tavan mukaan. Valurautojen äänennopeus ja vaimennus saattavat vaihdella huomattavasti eri valutyyppien ja jopa saman kappaleen eri osien välillä. Esimerkkinä voidaan mainita paperikoneen tela, joka on valettu pystyssä. Valu on huomattavasti tiheampää alaosassa kuin yläosassa, mikä aiheuttaa muutoksen äänennopeudessa. (Härkölä & Toivonen 1998, 97 98.) Voimakkaasti vaimennetut luotaimet ovat parantaneet valujen tarkastettavuutta huomattavasti. Normaaliluotaimilla suositellaan käytettäväksi muovista suojakalvoa, koska se parantaa merkittävästi kytkentää etenkin karheilla pinnoilla. (Härkölä & Toivonen 1998, 98.)

24 6 KRAUTKRÄMER USPC-2100 6.1 Yleistä Krautkrämerin USPC-2100 on tietokonepohjainen ultraäänilaitteisto, johon kuuluu ultraäänilaitekortti ja äänennopeusmittausohjelma. Ohjelman avulla voidaan automaattisesti mitata kappaleen äänennopeutta sekä paksuutta. Ohjelma sisältää myös toiminnon, joka laskee mitatuista kappaleista äänen maksimi-, minimi- ja keskinopeuden. Ultraäänilaitteistolla voidaan lähettää ja vastaanottaa 1 15 MHz taajuudella sekä muuttaa vahvistusta 0,1 db:n välein aina 110 db:iin asti. Lisäksi laitteen lukutavaksi voidaan valita joko kaiun reuna (flank), huippu (peak) tai nollataso (zero). Ohjelman mittaustarkkuus äänennopeudelle on 0,01 m/s ja kappaleen paksuudelle 0,003 mm. (Krautkrämer 1997.) 6.2 Äänennopeuden mittaustekniikka Ultraäänitarkastus tapahtuu vesialtaassa ns. upotustekniikan avulla, jossa kaksi normaaliluotainta on kiinnitetty vastakkain jäykkään alustaan siten, että niiden pinnat ovat kohtisuorassa toisiaan vastaan. Äänennopeuden mittausta varten ultraääninäyte asetetaan laitteen jigiin eli pitimeen, jolloin se on luotainten välissä (liite 2). Ultraäänilaitteisto on säädetty valmiiksi lähettämään ääntä 1 MHz:n taajuudella, jota voidaan tarvittaessa muuttaa. Ääniaalto kulkee ensin vesikerroksen läpi, ennen kuin se siirtyy tutkittavaan näytteeseen ja siitä edelleen vastaanottimeen. Luotaimeen liitetyn tietokoneen kuvapinnalla nähdään yhtä aikaa molempien kaikupulssien kuvat. Kuvapinnalla voidaan nähdä samanaikaisesti myös ylimääräisiä kaikuja. Ne voivat johtua esimerkiksi näytteessä olevista vioista. Äänen etenemisnopeuden selvittämiseksi laitteen tarvitsee mitata kolme erillistä kulkuaikaa (kuvio 6), joiden avulla se laskee äänennopeuden käyttäen siihen seuraavassa esitettyjä yhtälöitä.

25 KUVIO 6. Äänennopeusmittauksen periaate Äänenopeus lasketaan kolmen yhtälön avulla seuraavasti: V w A T 1 ( A V V c w s) 2s T 3 s Vc T Derivoitu muoto: 2 V c 2A Vw( T T 3 3 2T2 ) (Krautkrämer 1997.) V w = veden äänennopeus V c = kappaleen äänennopeus A = luotaimien etäisyys s = kappaleen paksuus T 1 = läpikulkuaika veden läpi ilman kappaletta T 2 = läpikulkuaika veden ja kappaleen läpi T 3 = läpikulkuaika veden ja kolmesti kappaleen läpi

26 Tietokoneen kuvaruudulla on myös kaksi erivärisistä vaakaviivoista koostuvaa porttia, jotka ilmaisevat kaikujen asemaa (kuvio 7). Porttien tehtävänä on siis antaa laitteelle tieto siitä, että kyseessä olevien kaikujen välistä etäisyyttä mitataan. Mitattaessa vahvistusta säädetään siten, että viivojen yli tulee vähintään kaksi piikkiä. Jos vahvistus on joko liian pieni tai vastaavasti liian suuri, se aiheuttaa epätarkkuutta mittauksessa. Mittaus on automaattinen, joten äänennopeus voidaan lukea suoraan tietokoneen kuvaruudulta. 6.3 H5K-upotusluotain Ultraäänilaitteistoon oli liitetty kaksi H5K-mallista vedenpitävää, voimakkaasti vaimennettua upotusluotainta, joissa värähtelijä on suojattu muovikalvolla. Luotaimen halkaisija on 13 mm, pituus 60 mm ja nimellistaajuus 5 MHz sekä värähtelijän halkaisija 10 mm. Lähikentän pituus sillä on 80 mm teräksessä. 6.4 Ultraäänilaitteiston kalibrointi Ultraäänilaitteiston kalibrointi tapahtuu pallografiittivalurautaisen mitoiltaan tunnetun kappaleen avulla. Tässä työssä käytettiin kalibrointikappaletta, joka oli koneistettu vastakkaisilta pinnoiltaan 17,2 mm:n paksuuteen. Mitta-alueen säätämiseksi tarvitaan vähintään kaksi kaikua, joiden avulla porttien sijainnit säädetään oikeiksi kuvapinnalla. Vaakaviivasta muodostuva IF-portti (etupinta) tulee asettaa mittaamaan kappaleesta saatavaa etupintakaikua. A-portti (takaseinä) puolestaan sijoitetaan siitä eteenpäin lineaarisesti mittaamaan takaseinäkaikua (kuvio 7). Ultraäänilaite mittaa automaattisesti kalibrointikappaleen halkaisijan verraten sitä sille annettuun alkuperäiseen mittaan. Ultraäänilaite on säädetty oikein, kun portit ovat oikeilla paikoillaan sekä kalibrointikappaleesta mitattu halkaisija on lähellä alkuperäistä arvoa. (Krautkrämer 1997.)

27 KUVIO 7. Porttien ja kaikujen sijainti kuvapinnalla (Krautkrämer 1997.) 6.5 Mittauksessa huomioitavaa Mittauksen aikana tulee ottaa huomioon etenkin se, että näyte on sovitettu tukevasti pitimeen, sillä huonosti sijoillaan oleva näyte voi aiheuttaa häiriön mittauksessa, epäluotettavan tuloksen tai mittaus voi estyä kokonaan. Tarkastettavuuteen vaikuttaa oleellisesti myös telineen konstruktio, jonka tulee olla mielellään sellainen, että näyte voidaan sujuvasti asettaa siihen ilman ongelmia. Tärkeää on myös huolehtia veden puhtaudesta sekä sen riittävästä määrästä altaassa parhaan mahdollisen kytkennän varmistamiseksi. Veden lämpötilan vaihtelut on myös pyrittävä minimoimaan, koska lämpötilan erot voivat aiheuttaa merkittävän muutoksen myös näytteen äänennopeudessa. Näiden lisäksi on kiinnitettävä huomiota luotainten keskinäiseen etäisyyteen toisistaan ja tarkastettavasta näytteestä. Jos luotaimet on kiinnitetty liian etäälle tai ne eivät ole kohtisuorassa näytteeseen nähden, äänikeilan muoto muuttuu vaikuttaen siten myös äänen vaimentumiseen ja mittaustulokseen. 6.6 Suorituskykytesti Kuvioissa 8 ja 9 oleviin kuvaajiin on koottu USPC-2100 -ultraäänilaitteistoa koskevan suorituskykytestin tulokset. Tämän testin lähtökohtana on ollut vertailla kolmen henkilön (A, B ja C) avulla, miten yksittäisen tarkastajan toiminta tulisi vaikuttamaan tarkastuksen aikana äänennopeuden mittaustulokseen. Tässä testissä henkilöt ovat tarkastaneet satunnaisesti vaihtelevan äänennopeuden kymmenestä eri näytteestä. Näiden tulosten perusteella laadituista kuvaajista on nähtävissä, ettei yksittäisellä tarkastajalla ole juuri merkittävää