Kiểm tra không phá hủy vật đúc được thực hiện như thế nào?

Quá trình đúc kim loại

Một trong những quy trình sản xuất được biết đến sớm nhất, đúc kim loại là một quy trình gia công kim loại phổ biến trong các ngành công nghiệp trong nhiều thế kỷ qua. Các ngành công nghiệp dầu khí và hạt nhân đã đúc thép và các vật liệu khác cho các bộ phận như ống dẫn, cút hoặc các chi tiết khác.

Quá trình đúc được thực hiện bằng cách đổ kim loại nóng chảy vào khuôn và để nó đông đặc lại và có được hình dạng hình học mong muốn. Kỹ thuật này giúp dễ dàng hơn trong việc thiết kế và chế tạo các cấu kiện hình học phức tạp với giá thành thấp. Do đó, chúng ta thường có thể thấy kim loại đúc được sử dụng trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta, chẳng hạn như khối động cơ trên ô tô, bánh xe lửa hoặc cột đèn giao thông.

Tuy nhiên, những linh kiện này trước khi được đưa vào sử dụng đều phải trải qua quá trình kiểm tra chất lượng. Với vật đúc, việc kiểm tra này càng cần thiết vì kim loại nóng chảy có thể để lại các lỗ rỗng hoặc khoảng trống trong vật đúc trong quá trình đông đặc. Khi tiếp xúc với ứng suất cao, các lỗ hổng này có nhiều khả năng phát triển thành các vết nứt nghiêm trọng hơn. Thử nghiệm không phá hủy (NDT) có thể dễ dàng xác định các khuyết tật đúc kim loại này mà không làm hỏng linh kiện. Việc đánh giá chất lượng và an toàn thông qua NDT là rất quan trọng để đảm bảo rằng bộ phận này có thể an toàn khi sử dụng.

Các loại khuyết tật đúc kim loại

Như với bất kỳ quá trình sản xuất nào khác, có khả năng xảy ra các khuyết tật trong quá trình đúc kim loại. Thông thường, nhiệt luyện kim loại hoặc luyện kim có thể đóng một vai trò trong việc phát sinh các khuyết tật đúc kim loại. Những khuyết tật này có thể tồn tại trong kim loại ở nhiều dạng, chẳng hạn như:

• Rỗng xốp: Khi kim loại bị hóa lỏng, nó sẽ hòa tan một lượng lớn khí bên trong. Khi đổ kim loại nóng chảy vào khuân, những bọt khí này bị giữ lại. Trong quá trình đông đặc, các bọt khí bị mắc kẹt tạo ra các lỗ rỗng xốp trong kim loại.
• Lẫn tạp chất: là một dạng khuyết tật phổ biến khác trong kim loại đúc. Các tạp chất hoặc nhiễm bẩn có trong kim loại nóng chảy hoặc khuôn có thể ảnh hưởng đến độ dẻo hoặc độ bền của vật liệu đúc. Các chất ngoại lai tập trung vào một chỗ trong quá trình đông đặc có thể gây các tác hại nghiêm trọng hơn, dẫn đến nứt vỡ.
• Nứt: Có thể quan sát thấy các vết nứt khi kim loại đúc đã đông đặc. Có thể có nhiều lý do khiến các vết nứt hình thành, bao gồm lỗi thiết kế khuôn, co ngót, làm mát không đều, rỗng xốp quá nhiều và ứng suất nhiệt.
• Co ngót: Co ngót là một mối quan tâm lớn đối với các ngành công nghiệp trong quá trình đúc kim loại. Sự giãn nở và co lại là những lý do hàng đầu gây ra hiện tượng co ngót. Các khuyết tật co ngót kín xảy ra khi kim loại được đổ bắt đầu đông đặc, và các tâm ngưng tụ hình thành bên trong kim loại đông đặc. Chúng có thể khó phát hiện bằng mắt thường. Các khuyết tật co ngót hở tiếp xúc với không khí và có thể dễ dàng phát hiện do sự hiện diện của chúng ở trên bề mặt kim loại. Khuyết tật dạng “ống” bắt đầu ở bề mặt và phát triển sâu vào bên trong vật đúc, trong khi khuyết tật “bề mặt có lỗ” nằm rải rác trên bề mặt dưới dạng các hốc rỗng.

Mức độ nghiêm trọng của các khuyết tật này đòi hỏi một phương pháp kiểm tra thích hợp có thể xác định được các khuyết tật vĩ mô và vi mô có trong kim loại đúc. NDT là một giải pháp hiệu quả để xác định các khuyết tật đúc kim loại này nhằm đảm bảo an toàn và hiệu quả của chi tiết kim loại đúc.

Kiểm tra NDT vật liệu đúc kim loại

Việc sản xuất các vật đúc chất lượng cao luôn là sự kết hợp giữa thiết kế, kiến ​​thức kỹ thuật và kinh nghiệm của người thợ đúc trong việc xử lý và quản lý từng công đoạn trong quá trình đúc. Những cải tiến trong quy trình đúc như đúc áp lực, sử dụng phần mềm mô phỏng đúc và mô hình 3D đã giúp giảm thiểu các khuyết tật trong quá trình đúc bằng cách cải thiện cả thiết kế sản phẩm và hệ thống gating. Tuy nhiên, xử lý kim loại nóng chảy luôn gắn liền với việc không bao giờ có thể chắc chắn rằng vật đúc không có khuyết tật. Trong trường hợp tính toàn vẹn của quá trình đúc là quan trọng hàng đầu, nhiều kỹ thuật NDT khác nhau có thể được sử dụng để đảm bảo rằng mỗi chi tiết đúc đều đạt thông số kỹ thuật.

Hiệu suất của các bộ phận kim loại có thể bị ảnh hưởng rõ rệt bởi sự hiện diện của cả khuyết tật bên trong và trên bề mặt, và các khuyết tật này có thể không dễ dàng nhận thấy khi kiểm tra bằng mắt thường. Kiểm tra không phá hủy (NDT) bao gồm nhiều phương pháp kiểm tra khác nhau được sử dụng để xác định tính toàn vẹn của vật đúc mà không gây ra thiệt hại vật lý cho nó. Điều này khác với các phương pháp kiểm tra phá hủy làm cho chi tiết đúc trở nên không sử dụng được sau khi kiểm tra.

Năm phương pháp NDT thường được sử dụng trong ngành công nghiệp đúc kim loại: kiểmtra hạt từ tính, kiểm tra thẩm thẩm thấu chất lỏng, kiểm tra siêu âm, kiểm tra chụp ảnh phóng xạ và kiểm tra dòng điện xoáy.

Kiểm tra trực quan (VT)

Có thể nhận ra nhiều loại khuyết tật bề mặt trong quá trình đúc, chẳng hạn như lỗ cát, co ngót bề mặt, lỗ thổi, v.v. bằng cách kiểm tra cẩn thận bằng mắt thường (VT) hoặc sử dụng các công cụ hỗ trợ như thiết bị nội soi (RVI) khi kiểm tra các lỗ nhỏ và sâu, vì vậy đây thường là phương pháp được sử dụng đầu tiên.

Kiểm tra thẩm thấu lỏng (PT)

Chất thẩm thấu khả kiến và thẩm thấu huỳnh quang có thể lơ lửng trong dầu và được phủ lên bề mặt của vật đúc hoàn thiện. Các vết nứt và lỗ hổng hở trên bề mặt có thể nhìn thấy ngay lập tức khi áp dụng chất hiện hoặc sử dụng đèn ánh sáng đen.

Kiểm tra bằng bức xạ (RT)

Kiểm tra chụp ảnh phóng xạ cực kỳ hiệu quả trong việc xác định các lỗ rỗ khí, vết nứt hoặc tạp chất bên trong. Thành phần đúc tiếp xúc với bức xạ và hình ảnh được tạo ra trên phim chụp X quang hoặc tấm cảm biến phóng xạ kỹ thuật số cho biết những thay đổi về mật trong độ đúc. Ngoài việc xác định các khuyết tật, hình ảnh từ chụp ảnh phóng xạ có thể được lưu giữ làm hồ sơ vĩnh viễn về kết quả kiểm tra.

Phương pháp kiểm tra này sử dụng bức xạ ion hóa để xuyên qua khu vực mặt cắt ngang của vật đúc và “phơi sáng” trên phim chụp ảnh phóng xạ. Khái niệm này tương tự như cách chụp X-quang xương được thực hiện tại bệnh viện. Bởi vì phương pháp kiểm tra này kiểm tra diện tích mặt cắt ngang của vật đúc, nó cũng được gọi là phương pháp kiểm tra thể tích.

Kiểm tra hạt từ tính (MT)

Kiểm tra hạt từ tính đặc biệt hữu ích trong việc xác định vị trí của các bất liên tục bề mặt trong kim loại đen. Đôi khi nó cũng có thể chỉ ra các khuyết tật dưới bề mặt nếu lực từ hóa đủ mạnh để tạo ra trường rò rỉ trên bề mặt. Nếu mạt sắt mịn tiếp xúc với chi tiết, chúng sẽ có vị trí tập trung ở ranh giới của trường rò rỉ. Sử dụng luồng không khí thổi nhẹ các mạt thừa đi, để lại các hạt còn lại bám quanh vị trí khuyết tật. Các hạt có thể được áp dụng trong khi dòng điện từ hóa đang chạy (phương pháp liên tục) hoặc sau khi dòng điện tắt (phương pháp từ dư).

Kiểm tra hạt từ tính thực hiện bốn theo bước sau:

• Từ hóa vật đúc cần kiểm tra.
• Áp dụng các hạt sắt mịn trong khi vật đúc được từ hóa.
• Kiểm tra bề mặt vật đúc xem có từ trường rò rỉ không để xác định khuyết tật.
• Làm sạch vật đúc và khử từ.

Thử nghiệm hạt từ tính có ưu điểm là nhanh chóng và đơn giản về nguyên tắc và ứng dụng. Nó có độ nhạy cao với việc phát hiện các vết nứt nông gần bề mặt nông. Phương pháp này đôi khi có thể hoạt động qua các lớp tạp chất và lớp phủ mỏng.

Thử nghiệm hạt từ tính có giới hạn là chỉ áp dụng được cho vật liệu có từ tính và hạn chế trong việc phát hiện các bất liên tục dưới bề mặt (1-2mm).

Kiểm tra siêu âm vật đúc (UT)

Kiểm tra siêu âm là một phương pháp phức tạp và có chi phí cao hơn do yêu cầu kỹ năng của kỹ thuật viên để giải đoán kết quả kiểm tra. Quá trình này được sử dụng để xác định các khuyết tật bên trong bằng cách truyền năng lượng âm tần số cao (Siêu âm) vào vật đúc. Năng lượng âm tần số cao truyền qua vật đúc cho đến khi nó chạm vào bề mặt đối diện, mặt phân cách hoặc khuyết tật. Mặt giao diện hoặc khuyết tật phản ánh các phần năng lượng được thu trong vật liệu và hiển thị để thực hiện phân tích. Các thay đổi về mức năng lượng theo thời gian có thể cho biết vị trí và kích thước của khuyết tật bên trong, cũng như độ dày và mật độ hạt của gang dẻo.

Kiểm tra siêu âm có thể phát hiện bất liên tục bề mặt và dưới bề mặt trong cả vật liệu kim loại đen và kim loại màu. Nó cũng có thể được sử dụng để đo độ dày của vật đúc. Vì kiểm tra siêu âm cho phép khảo sát diện tích mặt cắt ngang của vật đúc, nên nó được coi là một phương pháp kiểm tra thể tích.

Tham khảo: Kiểm tra siêu âm vật đúc

Kiểm tra dòng điện xoáy (ET)

Kiểm tra dòng điện xoáy được sử dụng để phát hiện các vết nứt và khuyết tật nhỏ gần bề mặt và bất liên tục trong quá trình đúc do thay đổi vật liệu gây ra. Đây là phương pháp yêu cầu thiết bị kiểm tra và đào tạo tương tự như Kiểm tra siêu âm và chỉ giới hạn ở các kim loại dẫn điện.

Lưu ý 1: Kiểm tra siêu âm về cơ bản sẽ không phát hiện ra bất liên tục bề mặt dưới bề mặt vật đúc.

Lưu ý 2 : Nếu kim loại không có tính từ thẩm thì MT được thay thế bằng kiểm tra Dòng điện xoáy hoặc PT.

Xác định thành phần hóa học (XRF)

Các đặc tính của hợp kim được xác định có mức độ phục khá nhiều vào thành phần hóa học của hợp kim, với các nguyên tố hợp kim làm lượng thấp nhưng lại có ảnh hưởng đáng kể. Điều này đã dẫn đến việc xác định mác hợp kim đúc (PMI) trong các tiêu chuẩn ASTM , Hiệp hội kỹ sư ô tô (SAE) và Thông số kỹ thuật hợp kim AMS.

Các thông số kỹ thuật hợp kim cung cấp thành phần hóa học phổ biến cho nhiều loại hợp kim khác nhau. Tùy thuộc vào độ nhạy của các đặc tính của một hợp kim nhất định đối với các biến đổi về thành phần hóa học, phân tích hóa học của hợp kim có thể được yêu cầu với các thông số kỹ thuật nhất định. Phân tích hóa học thường được thực hiện trên một mẫu kim loại nóng chảy được đổ vào một khuôn đặc biệt và sau đó được đánh giá bằng phương pháp quang phổ hoặc phân tích huỳnh quang tia X.

Tiêu chuẩn kiểm tra không phá hủy vật đúc

Một số cơ quan khác nhau có thể ban hành các tiêu chuẩn kiểm tra vật đúc, tùy thuộc vào ngành công nghiệp, ứng dụng sử dụng và loại hợp kim. Hợp kim thép đúc có thể khác với hợp kim rèn và các kim loại khác nhau sẽ ảnh hưởng đến tính chất bên trong của vật liệu. Sau khi xác định loại hợp kim cần kiểm tra, bạn có thể tham khảo tiêu chuẩn từ một trong các tổ chức sau để biết các tiêu chuẩn và phương pháp tiếp cận được khuyến nghị:

• ISO
• BS EN
• ASTM
• Hiệp hội Kiểm tra Không phá hủy Hoa Kỳ (ASNT)
• Hiệp hội kỹ sư cơ khí Hoa Kỳ (ASME)
• Viện Dầu khí Hoa Kỳ (API)

Các công ty có kinh nghiệm sản xuất thép đúc có thể đã có sẵn các quy trình và phương pháp thử nghiệm và các yêu cầu về khả năng chấp nhận. Thông thường, các quy trình nội bộ này dựa trên các tiêu chuẩn do một hoặc nhiều tổ chức trên công bố. Các tiêu chuẩn quá nghiêm ngặt có thể gây chi phí lớn trong sản xuất, nhưng những tiêu chuẩn quá khoan dung có thể gây ra các sự cố và có thể dẫn đến thiệt hại kinh tế đáng kể. Nếu các tiêu chuẩn nội bộ khác với hướng dẫn của chuyên gia thì các tiêu chuẩn này cần phải dựa trên việc thu thập và phân tích dữ liệu nghiêm ngặt.

Để tìm các tiêu chuẩn liên quan, trước tiên hãy tham khảo các sổ tay chất lượng nội bộ của công ty hoặc các chuyên gia NDT cấp III. Nếu không có hướng dẫn nội bộ, hãy nghiên cứu các tiêu chuẩn liên quan đến ứng dụng cụ thể trong một ngành công nghiệp cụ thể.

Một số tiêu chuẩn liên quan đến kiểm tra vật đúc:

• ASTM E114 Standard Practice for Ultrasonic Pulse-Echo Straight-Beam Contact Testing
• ASTM E587-15 Standard Practice For Ultrasonic Angle-Beam Contact Testing
• ASTM E 1001 Standard Practice for Detection and Evaluation of Discontinuities by the Immersed Pulse-Echo Ultrasonic Method Using Longitudinal Waves
• BS EN 1559-1:2011 Founding – Technical conditions of delivery – Part 1: General
• BS EN 1559-2:2014 Founding – Technical conditions of delivery – Part 2: Additional requirements for steel castings
• BS EN 1559-3:2011 Founding – Technical conditions of delivery – Part 3: Additional requirements for iron castings
• BS EN 1559-4:2015 Founding – Technical conditions of delivery – Part 4: Additional requirements for aluminium alloy castings
• BS EN 1559-5:1998 Founding – Technical conditions of delivery – Part 5: Additional requirements for magnesium alloy castings
• BS EN 1559-6:1999 Founding – Technical conditions of delivery – Part 6: Additional requirements for zinc alloy castings
• BS EN 1369:2012 Founding – Magnetic particle testing
• ISO 4986:2010 Steel castings – Magnetic particle inspection
• BS EN 1371-1:2011 Founding – Liquid penetrant testing – Part 1: Sand, gravity die and low pressure die castings
• BS EN 1371-2:2015 Founding – Liquid penetrant inspection – Part 2: Investment castings
• ISO 4987:2010 Steel castings – Liquid penetrant inspection
• BS EN 12681:2003 Founding – Radiographic examination
• ISO 4993:2015 Steel and iron castings – Radiographic inspection
• BS EN 12680-1:2003 Founding – Ultrasonic examination – Part 1: Steel castings for general purposes
• ISO 4992-1:2006 Steel castings – Ultrasonic examination – Part 1: Steel castings for general purposes
• BS EN 12680-2:2003 Founding – Ultrasonic examination – Part 2: Steel castings for highly stressed components
• ISO 4992-2:2006 Steel castings – Ultrasonic examination – Part 2: Steel castings for highly stressed components
• BS EN 12680-3:2011 Founding – Ultrasonic testing – Part 3: Spheroidal graphite cast iron castings
• BS EN 1370:2011 Founding – Examination of surface condition
• ISO 11971:2008 Steel and iron castings – Visual examination of surface quality
• ISO 19959:2005 Visual examination of the surface condition of investment castings – Steel, nickel alloys and cobalt alloys

Kết luận về kiểm tra không phá hủy vật đúc

Lựa chọn các thử nghiệm không phá hủy là rất rộng rãi nhưng việc lựa chọn phương pháp thích hợp nhất cho bất kỳ ứng dụng cụ thể nào sẽ phụ thuộc vào hình dạng chi tiết, số lượng, loại hợp kim và đặc điểm kỹ thuật của vật đúc. VISCO có kinh nghiệm trong tư vấn phương pháp kiểm tra phù hợp nhất cho từng vật đúc và làm việc chặt chẽ với khách hàng trong các giai đoạn sản xuất để đảm bảo đưa ra phương án tối ưu với chi phí tiết kiệm nhất khi kiểm tra vật đúc.