聲速儀快速檢測鑄件桿端體球化質量及內部缺陷的應用研究

羅應奎

（福建龍溪軸承（集團）股份有限公司，福建 漳州 363000）

1 產品質量要求及檢測現狀

（1）鑄件桿端體由QT450-10澆鑄而成，檢測厚度50～250mm，產品外形結構如圖1所示。球化級別要求1～3級合格，內部缺陷當量不能大于EN 12680.3-2003《球墨鑄鐵件的超聲波檢測》標準規定的可探測的最小平底孔直徑。

（2）球化質量的常規檢測方法是金相法。該方法需要嚴格的制樣——拋光——顯微觀察等過程，既費時又費力，而且屬破壞性檢測，不能滿足生產過程中對重要產品進行百分之百的檢測要求，檢測結果不能反映每件產品的真實狀態。

（3）鑄件桿端體的內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，射線檢測對環境有一定污染，對操作人員有一定傷害，檢測時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，可以實現對鑄件桿端體的球化質量及內部缺陷快速檢測，并且這兩個檢測項目可以在一次檢測過程中同時完成。

圖1 鑄件桿端體外形結構

2 基本原理

2.1 球化率檢測原理

超聲波是一種機械波, 它在無限大固體介質中的縱波聲速為：

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。

介質為球墨鑄鐵時，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，石墨存在形態的不同，彈性模量也不同，彈性模量會隨片狀石墨數量的變化而變化。鑄鐵球化率是反應石墨存在形態的綜合指標。球化率反應石墨存在形態的綜合指標，石墨形態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。而聲速也與彈性模量相關，因此聲速與球化率也存在一定關系。根據這一原理，參照JB/T 9219-1999《球墨鑄鐵 超聲聲速測定方法》做大量實驗，得知球墨鑄鐵球化率與超聲縱波聲速存在下述關系：球化級別為1～3級時，聲速為5500～5850m/s；球化級別為4～6級時，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量合格與否。

2.2 內部缺陷檢測原理

超聲檢測也可用于檢查球墨鑄鐵件的內部缺陷，其原理是：聲速儀探頭發出的脈沖波束(縱波)在鑄件內部傳播，當遇到內部缺陷時，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，通過分析顯示的數據，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、傳播時間t、工件厚度H存在以下關系：

用聲速儀檢測內部缺陷時，聲速儀測量的是聲波在工件中的傳播時間t，工件厚度H是檢測前根據工件的實際厚度輸入的一個已知量(檢測過程中不變)。當工件內部存在缺陷時，聲波遇到缺陷即發生反射，由于實際聲程H′變小，因此測得傳播時間t變小，又因為用于計算的H不變，所以測得的VL變大。因此，可以根據測得的聲速值得變化來判定工件是否存在內部缺陷。

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間為t=2H/VL，在缺陷處的傳播時間為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，根據上式計算可知VL′=2H/t′=10/9VL=6222m/s。由此可見，厚度微小的變化將導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部缺陷。

3 檢測設備及試塊

（1）儀器的選擇。選用Olympus 38DL PLUS聲速儀。該儀器在顯示速度讀數的同時還顯示A掃描波形，可以進行波形核查，有利于在測量聲速的同時檢查內部缺陷，有利于通過波形分析判定缺陷的類型及大小，使內部缺陷檢測更準確。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，超聲波傳播時衰減大，穿透性差，易發生散亂反射，產生林狀或草狀回波，因此宜選用頻率較小的探頭。

（3）試塊的選擇。內部缺陷檢測靈敏度對比試塊依據歐洲EN 12680.3-2003《球墨鑄鐵件的超聲波檢測》標準設計。根據鑄件桿端體的不同厚度，選擇不同孔徑的對比試塊來校準檢測系統靈敏度和探傷范圍等。試塊的材質和加工工藝與待測工件相同。

4 實例驗證

（1）在實驗驗證過程中，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，達到10811m/s，并且儀器上有兩個波形顯示，如圖2（B）所示。由第2.1節分析可知該工件的球化質量合格，由第2.2節計算可知在距離檢測面24.3mm處存在缺陷。將其剖開進行驗證，發現在工件中間部位有一縮孔，如圖2（C）所示。經測量，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 內部缺陷圖

（2）為了進一步驗證聲速與球化等級的關系，在平時檢測過程中，分別從聲速合格與不合格的工件上進行取樣，經打磨、拋光后拿到顯微鏡下觀察，表1是聲速與球化等級的對應關系。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關系

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。

5 結語

綜上所述，用聲速儀檢查鑄件桿端體的球化質量和內部缺陷是可靠的。該方法可以實現球化質量與內部缺陷在一次檢測過程中同時完成，檢測效率高、速度快, 具有明顯的經濟效益，生產實踐中可廣泛應用。