球墨鑄鐵QT400-18的石墨球化率對超聲聲速的影響

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(1.南昌航空大學 無損檢測技術教育部重點實驗室,南昌 330063；2.超達閥門集團股份有限公司,溫州 325105)

球墨鑄鐵QT400-18的石墨球化率對超聲聲速的影響

占連揚1，劉柯1，楊友杰2，鄔冠華1

(1.南昌航空大學 無損檢測技術教育部重點實驗室,南昌 330063；2.超達閥門集團股份有限公司,溫州 325105)

利用超聲水浸C掃描檢測方法檢測球墨鑄鐵QT400-18鑄件試樣的聲速，測量了鑄件不同部位的硬度，并對該部位進行金相解剖，最后對金相照片進行圖像處理，得到試樣的石墨球化率。結果表明，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性。實際生產中可通過硬度測量法對球墨鑄鐵QT400-18的球化率進行抽檢，也可采用超聲聲速測量法對其進行100%快速檢驗。

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，進行孕育處理得到的碳以球狀石墨的形式形核生長，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良的力學性能和化學物理性能，還具有良好的耐熱性和耐腐蝕性，故其已經取代某些材料，被廣泛應用于工業各個領域[1]。

球磨鑄鐵中石墨的形態和分布對其性能有重要的影響，石墨球化率是評價球墨鑄鐵組織性能的重要指標。在將超聲檢測方法應用于球墨鑄鐵球化率的測量之前，解剖和金相檢驗是球墨鑄鐵組織評價中最常用的方法。技術人員可以對照標準圖片對金相檢驗結果進行定級，或者利用圖像處理方法對結果進行數字評定，這需要經過取樣、鑲嵌、磨制拋光等步驟，檢驗過程繁瑣，而且效率很低[2]。盡管還有多種方法能評價球墨鑄鐵的性能，如熱分析法、理學機械法等，但這些方法都只能對批量產品進行抽檢，無法達到對重要結構件進行100%檢測的要求[3]。

筆者研究了球墨鑄鐵QT400-18石墨球化率對超聲聲速的影響，驗證了該批次球墨鑄鐵QT400-18試樣球化率與超聲聲速的相關性，為實際生產中該球墨鑄鐵產品球化率的超聲測量方法提供參考依據。

1 球墨鑄鐵球化率計算方法

球墨鑄鐵中超聲縱波聲速cL的計算公式如式(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對彈性模量、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性能，對其聲速也有較大的影響。

試驗中對試樣的超聲聲速的測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間差。

首先，對金相檢驗結果使用數字評定方法(圖像處理方法)求出其石墨面積率，然后根據石墨面積率與約化系數對照表(見表1)找出約化系數和對應該約化系數的石墨粒數。

表1 石墨面積率與約化系數對照表

再由式(3)計算得到球化率R。

R=

2 試驗對象和過程

圖1 圓餅形工件外觀示意

試驗對象為若干圓餅形工件(見圖1)，材料牌號為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，常溫時沖擊韌性高，而且塑性較高。同時其脆性轉變溫度低，低溫韌性也較好，該材料常用作能承受高沖擊振動及扭轉等動、靜載荷的零件。工件規格(長×寬×高)為46 mm×19 mm×9.4 mm，工件的表面狀況為機加工表面，上下兩面磨平，將試樣上表面的環形區域平均分為5個相同大小的區域并編號。

采用超聲C掃描方法對整個工件進行掃查，采樣率為1.25×108s-1，采樣間隔為8 ns，時間閾值設定為表面波之前到二次底波之后，再將采集到的信號進行處理，生成C掃圖像(見圖2)。通過調整時間閾值的方法可以查看工件內部不同深度的回波幅值情況，最終結果顯示待測工件內部組織均勻，不存在縮松、縮孔、夾渣及其他的鑄造缺陷。在每個分區的中心截取大小為10×10像素的區域，相當于100個數據點，使用批處理軟件對截取的數據進行計算，得到100個數據點的聲速平均值作為該點的聲速。

圖2 工件的C掃圖像

對超聲C掃描之后的試樣進行硬度測量，在每個分區隨機采集5個點的洛氏硬度的平均值作為該點的硬度值。再對各個分區進行金相解剖、磨平拋光，在200倍顯微鏡下觀察球墨鑄鐵的形態及分布，每個位置拍攝4張金相照片，對照片進行二值化并使用圖像處理軟件進行數字評定(見圖3)，根據公式(3)計算得到相應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字評定

3 試驗結果

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據進行匯總，得到聲速與球化率、硬度與球化率的關系曲線(見圖4，5)。

圖4 聲速和球化率的關系曲線

圖5 硬度與球化率的關系曲線

使用SPSS軟件分析聲速與球化率、硬度與球化率的相關性，結果如表2，3所示。可得聲速與球化率在99.9%置信度上，相關系數可達到84.8%；而聲速與硬度在99.9%置信度上，相關系數為91.48%。

表2 聲速與球化率相關性分析結果

表3 硬度與球化率相關性分析結果

對聲速與球化率、聲速與硬度數據進行線性擬合(見圖6，7)，可得球化率與聲速的線性擬合方程為R=0.044cL-159.3，其確定系數為0.719；球化率與硬度的線性擬合方程為R=1.68HRB-61.83，其確定系數為0.836。

圖6 球化率與聲速線性擬合結果

圖7 硬度與聲速線性擬合結果

4 結語

在當前工藝下生產的QT400-18牌號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性。在排除內部缺陷的情況下，使用線性擬合方程R=0.044cL-159.3，再利用超聲方法計算得到球化率的數值。這樣既能通過硬度測量對該產品球化率進行抽檢，也可通過超聲聲速測量對其進行100%快速檢驗。

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

[2] 朱錢兵,張覃軼. 球墨鑄鐵中球化率和石墨大小的數字評定[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系統的設計與建立[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學,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(1994-),男，碩士研究生，主要從事無損檢測技術及儀器研究工作

鄔冠華，niat8@qq.com

10.11973/wsjc201711008

TG115.28

A

1000-6656(2017)11-0036-03