球墨鑄鐵QT400-18的石墨球化率對(duì)超聲聲速的影響

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(1.南昌航空大學(xué) 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南昌 330063；2.超達(dá)閥門(mén)集團(tuán)股份有限公司,溫州 325105)

球墨鑄鐵QT400-18的石墨球化率對(duì)超聲聲速的影響

占連揚(yáng)1，劉柯1，楊友杰2，鄔冠華1

(1.南昌航空大學(xué) 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南昌 330063；2.超達(dá)閥門(mén)集團(tuán)股份有限公司,溫州 325105)

利用超聲水浸C掃描檢測(cè)方法檢測(cè)球墨鑄鐵QT400-18鑄件試樣的聲速，測(cè)量了鑄件不同部位的硬度，并對(duì)該部位進(jìn)行金相解剖，最后對(duì)金相照片進(jìn)行圖像處理，得到試樣的石墨球化率。結(jié)果表明，該鑄件的聲速與球化率、硬度與球化率之間皆有較好的相關(guān)性。實(shí)際生產(chǎn)中可通過(guò)硬度測(cè)量法對(duì)球墨鑄鐵QT400-18的球化率進(jìn)行抽檢，也可采用超聲聲速測(cè)量法對(duì)其進(jìn)行100%快速檢驗(yàn)。

球墨鑄鐵；球化率；超聲聲速；金相

球墨鑄鐵是一種在鐵液中加入一定量的球化劑，進(jìn)行孕育處理得到的碳以球狀石墨的形式形核生長(zhǎng)，并在凝固后的組織中得到球狀石墨的鑄鐵。與灰鑄鐵相比，球磨鑄鐵不僅具有優(yōu)良的力學(xué)性能和化學(xué)物理性能，還具有良好的耐熱性和耐腐蝕性，故其已經(jīng)取代某些材料，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)各個(gè)領(lǐng)域[1]。

球磨鑄鐵中石墨的形態(tài)和分布對(duì)其性能有重要的影響，石墨球化率是評(píng)價(jià)球墨鑄鐵組織性能的重要指標(biāo)。在將超聲檢測(cè)方法應(yīng)用于球墨鑄鐵球化率的測(cè)量之前，解剖和金相檢驗(yàn)是球墨鑄鐵組織評(píng)價(jià)中最常用的方法。技術(shù)人員可以對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)圖片對(duì)金相檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行定級(jí)，或者利用圖像處理方法對(duì)結(jié)果進(jìn)行數(shù)字評(píng)定，這需要經(jīng)過(guò)取樣、鑲嵌、磨制拋光等步驟，檢驗(yàn)過(guò)程繁瑣，而且效率很低[2]。盡管還有多種方法能評(píng)價(jià)球墨鑄鐵的性能，如熱分析法、理學(xué)機(jī)械法等，但這些方法都只能對(duì)批量產(chǎn)品進(jìn)行抽檢，無(wú)法達(dá)到對(duì)重要結(jié)構(gòu)件進(jìn)行100%檢測(cè)的要求[3]。

筆者研究了球墨鑄鐵QT400-18石墨球化率對(duì)超聲聲速的影響，驗(yàn)證了該批次球墨鑄鐵QT400-18試樣球化率與超聲聲速的相關(guān)性，為實(shí)際生產(chǎn)中該球墨鑄鐵產(chǎn)品球化率的超聲測(cè)量方法提供參考依據(jù)。

1 球墨鑄鐵球化率計(jì)算方法

球墨鑄鐵中超聲縱波聲速cL的計(jì)算公式如式(1)所示。

式中：cL為球墨鑄鐵的縱波聲速；E為球墨鑄鐵的彈性模量；μ為球墨鑄鐵的泊松比；ρ為球墨鑄鐵的密度。

而球墨鑄鐵中游離石墨的分布和形態(tài)對(duì)彈性模量、泊松比和密度皆有影響，故球墨鑄鐵的球化率不僅決定了其力學(xué)性能，對(duì)其聲速也有較大的影響。

試驗(yàn)中對(duì)試樣的超聲聲速的測(cè)量使用的是基于脈沖反射法的超聲水浸C掃描法，其縱波的聲速計(jì)算方法如式(2)所示。

式中：h為試樣的厚度；Δt為一次底波與二次底波的時(shí)間差。

首先，對(duì)金相檢驗(yàn)結(jié)果使用數(shù)字評(píng)定方法(圖像處理方法)求出其石墨面積率，然后根據(jù)石墨面積率與約化系數(shù)對(duì)照表(見(jiàn)表1)找出約化系數(shù)和對(duì)應(yīng)該約化系數(shù)的石墨粒數(shù)。

表1 石墨面積率與約化系數(shù)對(duì)照表

再由式(3)計(jì)算得到球化率R。

R=

2 試驗(yàn)對(duì)象和過(guò)程

圖1 圓餅形工件外觀示意

試驗(yàn)對(duì)象為若干圓餅形工件(見(jiàn)圖1)，材料牌號(hào)為QT400-18，其屬于鐵素體型球墨鑄鐵，具有良好的焊接性和切削性，常溫時(shí)沖擊韌性高，而且塑性較高。同時(shí)其脆性轉(zhuǎn)變溫度低，低溫韌性也較好，該材料常用作能承受高沖擊振動(dòng)及扭轉(zhuǎn)等動(dòng)、靜載荷的零件。工件規(guī)格(長(zhǎng)×寬×高)為46 mm×19 mm×9.4 mm，工件的表面狀況為機(jī)加工表面，上下兩面磨平，將試樣上表面的環(huán)形區(qū)域平均分為5個(gè)相同大小的區(qū)域并編號(hào)。

采用超聲C掃描方法對(duì)整個(gè)工件進(jìn)行掃查，采樣率為1.25×108s-1，采樣間隔為8 ns，時(shí)間閾值設(shè)定為表面波之前到二次底波之后，再將采集到的信號(hào)進(jìn)行處理，生成C掃圖像(見(jiàn)圖2)。通過(guò)調(diào)整時(shí)間閾值的方法可以查看工件內(nèi)部不同深度的回波幅值情況，最終結(jié)果顯示待測(cè)工件內(nèi)部組織均勻，不存在縮松、縮孔、夾渣及其他的鑄造缺陷。在每個(gè)分區(qū)的中心截取大小為10×10像素的區(qū)域，相當(dāng)于100個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，使用批處理軟件對(duì)截取的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到100個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的聲速平均值作為該點(diǎn)的聲速。

圖2 工件的C掃圖像

對(duì)超聲C掃描之后的試樣進(jìn)行硬度測(cè)量，在每個(gè)分區(qū)隨機(jī)采集5個(gè)點(diǎn)的洛氏硬度的平均值作為該點(diǎn)的硬度值。再對(duì)各個(gè)分區(qū)進(jìn)行金相解剖、磨平拋光，在200倍顯微鏡下觀察球墨鑄鐵的形態(tài)及分布，每個(gè)位置拍攝4張金相照片，對(duì)照片進(jìn)行二值化并使用圖像處理軟件進(jìn)行數(shù)字評(píng)定(見(jiàn)圖3)，根據(jù)公式(3)計(jì)算得到相應(yīng)位置的球化率和石墨面積比，將4張金相照片球化率的平均值作為該位置的球化率。

圖3 不同球化率的金相照片及其數(shù)字評(píng)定

3 試驗(yàn)結(jié)果

將超聲C掃得到的聲速、硬度，以及金相解剖得到的球化率以及石墨面積比的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，得到聲速與球化率、硬度與球化率的關(guān)系曲線(xiàn)(見(jiàn)圖4，5)。

圖4 聲速和球化率的關(guān)系曲線(xiàn)

圖5 硬度與球化率的關(guān)系曲線(xiàn)

使用SPSS軟件分析聲速與球化率、硬度與球化率的相關(guān)性，結(jié)果如表2，3所示?？傻寐曀倥c球化率在99.9%置信度上，相關(guān)系數(shù)可達(dá)到84.8%；而聲速與硬度在99.9%置信度上，相關(guān)系數(shù)為91.48%。

表2 聲速與球化率相關(guān)性分析結(jié)果

表3 硬度與球化率相關(guān)性分析結(jié)果

對(duì)聲速與球化率、聲速與硬度數(shù)據(jù)進(jìn)行線(xiàn)性擬合(見(jiàn)圖6，7)，可得球化率與聲速的線(xiàn)性擬合方程為R=0.044cL-159.3，其確定系數(shù)為0.719；球化率與硬度的線(xiàn)性擬合方程為R=1.68HRB-61.83，其確定系數(shù)為0.836。

圖6 球化率與聲速線(xiàn)性擬合結(jié)果

圖7 硬度與聲速線(xiàn)性擬合結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

在當(dāng)前工藝下生產(chǎn)的QT400-18牌號(hào)的球墨鑄鐵工件的球化率與超聲聲速、硬度皆有較好的相關(guān)性。在排除內(nèi)部缺陷的情況下，使用線(xiàn)性擬合方程R=0.044cL-159.3，再利用超聲方法計(jì)算得到球化率的數(shù)值。這樣既能通過(guò)硬度測(cè)量對(duì)該產(chǎn)品球化率進(jìn)行抽檢，也可通過(guò)超聲聲速測(cè)量對(duì)其進(jìn)行100%快速檢驗(yàn)。

[1] 雷富軍. 球墨鑄鐵球化及其孕育處理研究進(jìn)展[J]. 熱加工工藝,2008,37(13):125-127，131.

[2] 朱錢(qián)兵,張覃軼. 球墨鑄鐵中球化率和石墨大小的數(shù)字評(píng)定[J]. 金屬加工(熱加工),2014(17):89-91.

[3] 張磊. 球鐵球化率超聲波檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與建立[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué),2014.

EffectofSpheroidizationRateofGraphiteontheUltrasonicVelocityofDuctileCastIronQT400-18

ZHAN Lianyang1, LIU Ke1, YANG Youjie2, WU Guanhua1

(1.Key Laboratory of Nondestructive Testing of Minsitry of Education, Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063, China; 2.Chaoda Valve Group Co., Ltd., Wenzhou 325105, China)

The spheroidization rate affects the properties of ductile cast iron. In this paper, ultrasonic C scanning was used to measure the velocity of ductile cast iron QT400-18 sample, and the rigidity of different parts of the sample was recorded and followed by metallographic testing for these specific positions. Afterwards, the metallographic photos were evaluated to get the spheroidization rate of graphite. The results show that the sound speed and spheroidization rate，rigidity and spheroidization rate of the casting have a good correlation. In actual production, the spheroidization rate of the product can be checked by rigidity measurement on spot, and 100% rapid tests can be carried out by ultrasonic sound velocity measurement method.

ductile cast iron; spheroidization rate; ultrasonic velocity; metallographic

2017-06-25

占連揚(yáng)(1994-),男，碩士研究生，主要從事無(wú)損檢測(cè)技術(shù)及儀器研究工作

鄔冠華，niat8@qq.com

10.11973/wsjc201711008

TG115.28

A

1000-6656(2017)11-0036-03