金桂芹，董金芝，趙士明，閻 濤

（1.黃岡師范學(xué)院機電工程學(xué)院，湖北 黃岡438000；2.天津凱普特動力傳輸機械有限公司，天津300451）

球墨鑄鐵鑄件的球化率檢測方法研究

金桂芹1，董金芝2，趙士明2，閻 濤1

（1.黃岡師范學(xué)院機電工程學(xué)院，湖北 黃岡438000；2.天津凱普特動力傳輸機械有限公司，天津300451）

介紹了球墨鑄鐵件球化率的不同測量方法及其利弊。重點分析了一種新型測量方法，利用超聲波聲速儀中聲速隨鑄鐵中的游離石墨形狀、數(shù)量、大小和金屬基體的變化而變化，通過對不同基體，不同球化率，不同牌號的球墨鑄鐵進行了超聲波聲速試驗。最后得出球墨鑄鐵件的球化率與聲速成正比，其球化率越高，聲速值越大，反之，聲速值越小。聲速儀檢測球化率可以做到更準(zhǔn)確、更簡單、更直觀，為方便快捷地完成鑄件本體的檢驗任務(wù)打下了堅實的基礎(chǔ)。

聲速；球化率；球墨鑄鐵件

球墨鑄鐵是指鐵液經(jīng)過球化劑處理而不是經(jīng)過熱處理，使石墨大部分或全部呈球狀，有時少量為團狀等形態(tài)石墨的鑄鐵。球墨鑄鐵具有較高的強度、韌性和耐磨性能，在機械零件制造方面得到了越來越廣的應(yīng)用，同時也對球墨鑄鐵的質(zhì)量提出了更高的要求，尤其金相組織常常作為檢驗球鐵質(zhì)量的重要依據(jù)[1]。

以石墨為例，在金相檢驗中，通常所見到的是幾種形態(tài)的石墨共存。在這種情況下，評定石墨的球化質(zhì)量須用球化率來解決。所謂球化率，是指在規(guī)定的視場內(nèi)，所有石墨球化程度的綜合指標(biāo)。它反映該視場內(nèi)所有石墨接近球狀的程度。國家標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)石墨形態(tài)及其分布和球化率，將球墨鑄鐵石墨球化分為1-6級。球墨鑄鐵的力學(xué)性能在很大程度上決定于球化率。一般來說，在其他條件相同的情況下，球化率愈高，力學(xué)性能也高。目前測量球化率的方法主要有以下兩種：（1）金相法測定球化率（最常用）。該方法的優(yōu)點是直觀準(zhǔn)確，缺點是其為破壞性方法，成本高，效率低，不可能對每個鑄件進行金相檢查，抽檢中有可能導(dǎo)致不合格品進入，尤其大型鑄件沒法檢測。（2）敲擊法或斷口觀察法。敲擊法和斷口觀察法直觀、效率高、成本低，但它的局限性在于只有經(jīng)驗非常豐富的技術(shù)工人才能夠做到，且只能定性的估計，所以準(zhǔn)確率低，人為因素影響很大，使得其在企業(yè)推廣具有局限性。

由于鑄件在澆注過程中易受外界因素的影響，比如澆注溫度、空氣濕度、澆注速度以及鑄件形狀等因素，即使同一包鐵水澆注的鑄件，球化率也不同。為快速準(zhǔn)確測量鑄件球化率可采用超聲波聲速儀（VX），利用超聲波中的聲速隨鑄鐵中的游離石墨形狀、數(shù)量、大小和金屬基體的變化而變化，快速測量球化率。

1 超聲波測量球化率的原理

超聲波的傳播速度與介質(zhì)的性質(zhì)（彈性模量，密度，泊松比）有關(guān)，也就是說不同的物質(zhì)有各自固定的傳播速度。超聲波是一種機械波，在固體介質(zhì)中的縱波聲速按如下公式[2]計算：

式中：CL為縱波聲速（m/s）；E為楊氏彈性模量（Pa）；ρ為介質(zhì)密度（kg/m3）；σ為介質(zhì)泊松比（無量綱）。

由于球墨鑄鐵的密度和泊松比，因其很小，對超聲波速度影響不大，所以，影響超聲波聲速的主要因素為楊氏彈性模量。當(dāng)大量非球狀石墨出現(xiàn)時，減少了原子間結(jié)合，球墨鑄鐵的彈性模量降低，聲速值減小，反之，聲速值增大。因此可通過測定超聲波聲速的方法，鑒別球墨鑄鐵零件的球化質(zhì)量，而球化率是反映球化質(zhì)量的重要指標(biāo)。

2 超聲波球化率檢測方法

超聲波測量球鐵的球化率，將探頭接觸鑄件，通過測量不同厚度的被測物體，儀器就會測出不同聲速值，以分析材料內(nèi)部組織疏密程度。預(yù)先將球墨鑄鐵不同球化率百分比（通過金相法）試樣做出表格，分別測量其不同的聲速值，對鑄件進行批量檢查。測量裝置如圖1所示。

圖1 超聲波聲速儀

3 測量數(shù)據(jù)及分析

超聲波聲速儀主要應(yīng)用于球墨鑄鐵產(chǎn)品，為了能夠系統(tǒng)地分析球墨鑄鐵的球化率和超聲波聲速的關(guān)系，通過對不同基體，不同球化率，不同牌號的球墨鑄鐵進行了超聲波聲速試驗，并做了相應(yīng)的試塊（與鑄件本體厚度一致，見圖2），每個試樣取5個點測量平均。球墨鑄鐵球化級別與聲速關(guān)系試驗分析如下。

圖2 試樣形狀

3.1 同一牌號不同厚度聲速的變化情況

球鐵450-10的同一產(chǎn)品不同厚度聲速值的變化如表1所示。

表1 球鐵450-10的同一產(chǎn)品不同厚度聲速值的變化

通過實驗發(fā)現(xiàn)，在不同的球墨鑄件中隨著產(chǎn)品的厚度的不同，聲速值也在發(fā)生相應(yīng)的變化。在日常的檢驗中發(fā)現(xiàn)，對鑄件本體金相檢驗或分析，不同的部位，金相顯微組織的差別很大。大多數(shù)鑄件各部位壁厚往往是不同的，壁厚較薄的部位石墨形態(tài)好于零件厚大部位，即壁厚較厚的部位球化效果往往要比壁厚較薄的部位稍差，同時凝固順序不同也造成各部位的球化率、石墨大小和基體組織存在一定的差異。相對而言，最先凝固的部位球化效果要比最后凝固的部位好[3]。所以在做產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)聲速試塊時，標(biāo)準(zhǔn)試塊的厚度要與產(chǎn)品測量部位的厚度相近，并選有代表性的平面為超聲波檢測的理想部位。在此基礎(chǔ)上，對同一件產(chǎn)品不同厚度聲速進行了比對，發(fā)現(xiàn)聲速在不同厚度的鑄件中，隨著鑄件壁厚的減小，傳遞的速度呈上升的趨勢。

3.2 不同鑄件牌號而球化級別相同其聲速值的變化情況

鑄件牌號QT450-10不同球化級別聲速的變化情況如表2所示。

表2 鑄件牌號QT450-10不同球化級別聲速的變化情況

鑄件牌號QT600-3不同球化級別時聲速的變化情況表3所示。

表3 鑄件牌號QT600-3不同球化級別時聲速的變化情況

通過以上兩種產(chǎn)品的試驗，可以看出，在球化等級相同的情況下，不同牌號的產(chǎn)品的聲速值是不同的。超聲波在球墨鑄鐵件中的傳播速度與球鐵本身的球化程度有一定的線性關(guān)系，即球化程度越好，超聲波傳播速度越快，反之則低。因此通過測量球墨鑄鐵的超聲波傳播速度就可以檢測其球化率。

4 結(jié)論

通過一年多的試驗工作取得了大量的數(shù)據(jù)，制作了可供使用的標(biāo)樣，并得出結(jié)論：

（1）球墨鑄鐵件的球化率與聲速成正比，其球化率越高，聲速值越大，即聲速傳播得越遠(yuǎn)；相反，球化率越低，聲波受不規(guī)則石墨的阻擋，聲速值越小，即聲波傳遞的距離越近。

用聲速儀測量球化率與傳統(tǒng)的金相測量方法一致，是可行的。

（2）球墨鑄鐵件使用聲速測球化率可以做到更準(zhǔn)確、更簡單、更快捷、更直觀，為方便快捷地完成鑄件本體的檢驗任務(wù)打下了堅實的基礎(chǔ)。

[1]樊自田．鑄造質(zhì)量控制技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009．

[2]李家偉．金屬材料及熱處理[M]．上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2002.

[3]崔忠圻．金屬學(xué)及熱處理[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007．

[4]中國機械工業(yè)聯(lián)合會.GB∕T9441-2009球墨鑄鐵金相檢驗[S]．北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

Study on Determination Method of Spheroidization Rate of Ductile Iron Casting

JIN Gui-qin1，DONG Jin-zhi2，ZHAO Shi-ming2，YAN Tao1
（1.College of Electrical and Mechanical Engineering，Huanggang Normal College，Huanggang Hubei 438000，China；2.Tianjin Kay Power Transmission Machinery Co.，Ltd.，Tianjin 300451，China）

This paper introduces the different measurement methods of spheroidization rate of nodular cast iron and their advantages and disadvantages.In this paper，a new type of measuring method was introduced，using the shape of free graphite in the cast iron，the quantity，size and the change of the metal matrix，through the different matrix，different ball rate，different brand of ductile iron for the ultrasonic speed test，and made the corresponding standard test block.Finally，it is concluded that the spheroidization rate of ductile iron castings is proportional to the sound speed，the higher the spheroidization rate，the greater the sound velocity，and the smaller the sound velocity value.The measurement of the ball rate can be more accurate，simple，more intuitive，and lay a solid foundation for the rapid completion of the inspection task of the casting body.

sound speed；ball rate；ductile cast iron

TG55

A

1672-545X（2017）10-0173-03

2017-07-07

金桂芹（1969-），女，河北青縣人，本科，工程師、講師，主要從事金相檢測以及機械教學(xué)工作。