羅應(yīng)奎

（福建龍溪軸承（集團(tuán)）股份有限公司，福建 漳州 363000）

1 產(chǎn)品質(zhì)量要求及檢測現(xiàn)狀

（1）鑄件桿端體由QT450-10澆鑄而成，檢測厚度50～250mm，產(chǎn)品外形結(jié)構(gòu)如圖1所示。球化級別要求1～3級合格，內(nèi)部缺陷當(dāng)量不能大于EN 12680.3-2003《球墨鑄鐵件的超聲波檢測》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的可探測的最小平底孔直徑。

（2）球化質(zhì)量的常規(guī)檢測方法是金相法。該方法需要嚴(yán)格的制樣——拋光——顯微觀察等過程，既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，而且屬破壞性檢測，不能滿足生產(chǎn)過程中對重要產(chǎn)品進(jìn)行百分之百的檢測要求，檢測結(jié)果不能反映每件產(chǎn)品的真實(shí)狀態(tài)。

（3）鑄件桿端體的內(nèi)部缺陷檢測最直觀的方法是X射線檢測。X射線檢測效果好，它能夠得到反映內(nèi)部缺陷種類、形狀、大小和分布情況的直觀圖像。但是，射線檢測對環(huán)境有一定污染，對操作人員有一定傷害，檢測時(shí)需要用鉛材料制作特定的工裝，檢測效率低，而且不適用于大厚度的工件。針對以上種種不足，需要尋找一種便捷的方法。用超聲聲速儀檢測，可以克服以上不足，可以實(shí)現(xiàn)對鑄件桿端體的球化質(zhì)量及內(nèi)部缺陷快速檢測，并且這兩個(gè)檢測項(xiàng)目可以在一次檢測過程中同時(shí)完成。

圖1 鑄件桿端體外形結(jié)構(gòu)

2 基本原理

2.1 球化率檢測原理

超聲波是一種機(jī)械波, 它在無限大固體介質(zhì)中的縱波聲速為：

式中：VL為超聲縱波速度；E為楊氏彈性模量；σ為泊松比；ρ為材料密度。

介質(zhì)為球墨鑄鐵時(shí)，其泊松比σ和密度ρ的變化很小，對超聲波聲速影響不大，因而影響超聲聲速的主要是鑄件的彈性模量E。鑄鐵是具有彈性的材料，石墨存在形態(tài)的不同，彈性模量也不同，彈性模量會(huì)隨片狀石墨數(shù)量的變化而變化。鑄鐵球化率是反應(yīng)石墨存在形態(tài)的綜合指標(biāo)。球化率反應(yīng)石墨存在形態(tài)的綜合指標(biāo)，石墨形態(tài)不同彈性模量也不同，由此可知，球墨鑄鐵的球化率與彈性模量相關(guān)。而聲速也與彈性模量相關(guān)，因此聲速與球化率也存在一定關(guān)系。根據(jù)這一原理，參照J(rèn)B/T 9219-1999《球墨鑄鐵 超聲聲速測定方法》做大量實(shí)驗(yàn)，得知球墨鑄鐵球化率與超聲縱波聲速存在下述關(guān)系：球化級別為1～3級時(shí)，聲速為5500～5850m/s；球化級別為4～6級時(shí)，聲速為5000～5500m/s。因此，通過測定工件超聲縱波速度的變化, 就可以快速鑒別出工件球化質(zhì)量合格與否。

2.2 內(nèi)部缺陷檢測原理

超聲檢測也可用于檢查球墨鑄鐵件的內(nèi)部缺陷，其原理是：聲速儀探頭發(fā)出的脈沖波束(縱波)在鑄件內(nèi)部傳播，當(dāng)遇到內(nèi)部缺陷時(shí)，將有部分（或全部）聲波被反射，反射回來的聲波被探頭接收并顯示，通過分析顯示的數(shù)據(jù)，就能判定工件是否存在缺陷。超聲縱波在材料中的傳播速度VL、傳播時(shí)間t、工件厚度H存在以下關(guān)系：

用聲速儀檢測內(nèi)部缺陷時(shí)，聲速儀測量的是聲波在工件中的傳播時(shí)間t，工件厚度H是檢測前根據(jù)工件的實(shí)際厚度輸入的一個(gè)已知量(檢測過程中不變)。當(dāng)工件內(nèi)部存在缺陷時(shí)，聲波遇到缺陷即發(fā)生反射，由于實(shí)際聲程H′變小，因此測得傳播時(shí)間t變小，又因?yàn)橛糜谟?jì)算的H不變，所以測得的VL變大。因此，可以根據(jù)測得的聲速值得變化來判定工件是否存在內(nèi)部缺陷。

以某一聲速VL=5600m/s、厚度H=100mm的工件為例，假定在中間部位50mm（H′=1/2H）處有一缺陷，那么聲波在沒有缺陷處的傳播時(shí)間為t=2H/VL，在缺陷處的傳播時(shí)間為t′=2H′/VL=H/VL，儀器上顯示的聲速VL′=2H/t′=2VL=11200m/s；再假如在90mm（H′=9/10H）處有一缺陷，根據(jù)上式計(jì)算可知VL′=2H/t′=10/9VL=6222m/s。由此可見，厚度微小的變化將導(dǎo)致測得的聲速變化很大，用分辨力1m/s的聲速儀可以很容易檢測出鑄件的是否存在內(nèi)部缺陷。

3 檢測設(shè)備及試塊

（1）儀器的選擇。選用Olympus 38DL PLUS聲速儀。該儀器在顯示速度讀數(shù)的同時(shí)還顯示A掃描波形，可以進(jìn)行波形核查，有利于在測量聲速的同時(shí)檢查內(nèi)部缺陷，有利于通過波形分析判定缺陷的類型及大小，使內(nèi)部缺陷檢測更準(zhǔn)確。38DL PLUS儀器可以使用各種型號的單晶和雙晶探頭，可以測量厚度在0.08～635mm范圍內(nèi)的材料。

（2）探頭的選擇。選用頻率2.25MHz，晶片直徑φ13mm的M106探頭。鑄鐵件晶粒粗大，組織不均勻，不致密，超聲波傳播時(shí)衰減大，穿透性差，易發(fā)生散亂反射，產(chǎn)生林狀或草狀回波，因此宜選用頻率較小的探頭。

（3）試塊的選擇。內(nèi)部缺陷檢測靈敏度對比試塊依據(jù)歐洲EN 12680.3-2003《球墨鑄鐵件的超聲波檢測》標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。根據(jù)鑄件桿端體的不同厚度，選擇不同孔徑的對比試塊來校準(zhǔn)檢測系統(tǒng)靈敏度和探傷范圍等。試塊的材質(zhì)和加工工藝與待測工件相同。

4 實(shí)例驗(yàn)證

（1）在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過程中，有一厚度46mm工件，在掃查過程中正常部位的聲速顯示是5680m/s，如圖2（A）所示；在另一部位聲速突然劇增，達(dá)到10811m/s，并且儀器上有兩個(gè)波形顯示，如圖2（B）所示。由第2.1節(jié)分析可知該工件的球化質(zhì)量合格，由第2.2節(jié)計(jì)算可知在距離檢測面24.3mm處存在缺陷。將其剖開進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)在工件中間部位有一縮孔，如圖2（C）所示。經(jīng)測量，縮孔距離檢測面約24～25mm。從工件上取一試塊在顯微鏡下觀察球化率，球化率合格。

圖2 內(nèi)部缺陷圖

（2）為了進(jìn)一步驗(yàn)證聲速與球化等級的關(guān)系，在平時(shí)檢測過程中，分別從聲速合格與不合格的工件上進(jìn)行取樣，經(jīng)打磨、拋光后拿到顯微鏡下觀察，表1是聲速與球化等級的對應(yīng)關(guān)系。圖3是2號、3號、4號的金相圖。

表1 聲速與球化等級的對應(yīng)關(guān)系

圖3 2號、3號、4號金相圖

由表1可以看出，聲速隨著球化級別1～6級逐級降低的，3級與4級聲速的差異點(diǎn)約為5500m/s，因此，只要保證測得的聲速值大于5500m/s就能保證球化級別在1～3級合格范圍內(nèi)。

5 結(jié)語

綜上所述，用聲速儀檢查鑄件桿端體的球化質(zhì)量和內(nèi)部缺陷是可靠的。該方法可以實(shí)現(xiàn)球化質(zhì)量與內(nèi)部缺陷在一次檢測過程中同時(shí)完成，檢測效率高、速度快, 具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益，生產(chǎn)實(shí)踐中可廣泛應(yīng)用。