無損檢測技術在浮選機加工制造中的應用

郭延常，王 鵬

中鐵資源集團鹿鳴鉬礦、中鋁TOROMOCHO銅鉬礦、紫金集團和厄瓜多爾米拉多銅礦和南非Palabora礦業公司等大型礦山企業中北礦機電公司的320 m超大型浮選機的運用，標志著我國大型選礦設備在國際礦物加工領域達到了領先水平。近期，筆者公司的680 m浮選機的工業試制已經成功，中國大型浮選設備在世界選礦行業實現了從“追隨者”到“引領者”的巨大飛躍。浮選機的超大型化、自動化等發展的趨勢對浮選機的加工制造提出了更高的要求；同時對浮選機的安裝、運行的安全系數也提出了巨大考驗。無損檢測技術作為先進的檢測手段，可以有效地控制零部件的加工質量，科學可靠地把控安全性能，為浮選機設備的加工制造質量保駕護航。

1 無損檢測技術的基本原理

筆者公司在實際生產過程中通過對多種無損檢測技術的應用，實現了對加工制造前期原材料的檢測；對加工過程中的缺陷進行有效地監控。公司在浮選機的加工制造中主要運用了磁粉檢測、滲透檢驗、超聲波檢測三種無損檢測技術，以下對三種技術進行簡述。

（1）磁粉檢測（MT）

鐵磁性材料被磁化后，由于缺陷處存在不連續性，使工件表面和近表面的磁力線發生局部畸變而產生漏磁場[1]，吸附施加在工件表面的磁粉，在適當的光照條件下，顯現出缺陷位置和形狀，對這些磁粉的堆積加以觀察和解釋，就實現了磁粉檢測。

（2）滲透檢測（PT）

滲透探傷技術是將滲透液涂敷在工件表面，通過毛細管作用滲入表面缺陷中，然后清洗掉表面的滲透液，將缺陷中的滲透液保留下來，通過施加顯示劑進行顯象，滲透檢測操作簡單、費用低廉、缺陷顯示直觀，具有相當高的靈敏度，能發現寬度1μm以內的缺陷。但此方法只適用于表面開口缺陷，非開口性缺陷無法檢出[2]。

（3）超聲檢測（UT）

超聲波檢測技術是通過超聲波進入工件后的傳遞狀況來判斷是否存在缺陷，超聲波的傳遞方式和光的傳遞方式類似，當超聲波進入介質后也會產生反射、折射，遇到缺陷時，一部分聲波會產生反射，發射和接收器可對反射波進行分析，即可精確判斷出缺陷的位置與大小。該檢測手段對平面型缺陷[3]如未熔合、分層等具有極高的探傷靈敏度；如果采用脈沖法檢測時，有一個檢測面就可以進行檢測；缺陷厚度方向尺寸和缺陷深度測量優于其他探傷方法。缺點是不易檢查形狀復雜、粗糙、形狀不規則、非常小而薄的工件。

2 無損探傷技術在浮選機加工制造中的應用

2.1 浮選機軸承體中無損探傷的運用

浮選機主軸部件運轉的平穩性，直接影響到整臺設備的質量和使用性能，而構成主軸部件的核心部位就是軸承體[4]。在軸承體內部裝有主軸、軸承、各種油封、擋環、壓蓋等。就本公司的320 m浮選機的軸承體而言，組織材料為HT250，自身重達約4.3噸，鑄造工藝相對復雜，質量和體積比較大，鑄造過程中容易出現缺陷，影響工件的質量。大型的軸承體在澆注過程中需要大量的金屬液，在最后冷卻的位置由于體積收縮，金屬液補充不足，導致產生疏松，縮孔；另外金屬液中的各種摻雜和爐壁上的耐火材料會有脫落導致夾雜；熔融的金屬液在冷卻的過程中會有一部分殘留氣體無法逸出，形成氣孔；金屬冶煉的化學成分分布不均勻產生偏析，導致熱裂紋。大型浮選機中軸承體加工難度大成品合格率低，機加工困難、周期長等。如果出現內部缺陷造成出廢品，給公司造成很大的經濟損失，延誤寶貴的時間。為了檢出軸承體的鑄造缺陷，公司采取滲透檢測法與超聲波檢測法相結合的復合型檢測方法。

滲透檢測用來檢查軸承體表面上的各種開口缺陷，如表面裂紋、表面針孔等肉眼難以發現的缺陷。將具有高滲透能力滲透劑噴灑在軸承體的截面突變處和軸承位等受力位置，幾分鐘后滲透劑滲入到開口缺陷內，快速擦去表面滲透液層，再將易干的顯像劑噴灑到鑄件表面上，待將殘留在開口缺陷中的滲透劑吸出來后，顯示劑就被著色，從而可以反映出軸承體表面缺陷的形狀、大小和分布情況。

超聲波檢測作為一種應用比較廣泛的無損檢測手段，在公司的實際運用中不受工件存放位置的約束，高效可靠攜帶簡便；且具有極大的穿透能力，對于軸承體這種大型的工件非常適用。超聲檢測用于檢查軸承體內部較深的缺陷，當選擇合適的靈敏度時，用排除法、比較法、辨別疏松、縮孔等缺陷就會非常容易；此外在實際的檢測中發現對深處的氣孔、裂紋等缺陷的檢測也極其靈敏。

2.2 浮選機傳動軸中無損探傷的運用

傳動軸作為浮選機中傳遞扭矩、連接軸承與葉輪的重要部件，在整個浮選機部件的正常運轉中發揮著至關重要的作用。公司小型浮選機中傳動軸是由45鋼實心軸與45鋼空心無縫管焊接后機加工而成，圖1我公司某型號浮選機主軸的焊接示意圖。

在實際加工中，環形焊縫“1”處容易出現夾雜、層間未熔合、未焊透、裂紋等缺陷[5]。加強孔“2”處由于焊接手法與深度較大導致氣體保護不足，會出現未熔合、密集型氣孔等缺陷；另外，傳動軸軸承位需進行磨削加工，磨削時零件表面的溫度可能高達820℃～840℃或更高，產生微裂紋后，以及磨粒刮出的微裂紋，后續的循環應力將為裂紋擴展開來形成宏觀裂紋。不論哪種缺陷都會對浮選機傳動軸產生一定程度的危害，輕則降低主軸的力學性能和使用壽命；重則產生脆斷，帶來不可挽回的災難性后果。公司在對這類焊接傳動軸的檢測方法主要就是采用超聲波探傷法[6]與磁粉探傷法結合的復合型檢測。在焊接完成48 h以后對焊縫及周圍母材進行打磨，對焊縫進行超聲波檢測，保證在焊接區域內部沒有夾雜、層間未熔合、未焊透、裂紋等缺陷的前提下方可轉入機加工車間進行機加工；待最后一道工序磨削加工完成后，進一步使用磁粉檢測對傳動軸軸承位和焊接區域進行復檢，保證傳動軸無焊接缺陷和磨削裂紋。磁粉檢測是用來檢測表面及近表面的缺陷，先將反差增強劑噴在傳動軸表面，待其干燥后使用手持式探傷儀進行磁化，同時施磁懸液并觀察。磁化設備使鑄件表面以及近表面缺陷處產生漏磁場，當噴上懸浮液時，磁懸液中的鐵粉就會被吸附在漏磁場的位置，從而顯示出缺陷的存在。當缺陷的方向越接近于與磁力線垂直時于缺陷的顯示就會越明顯，對于平行于磁力線的長條型缺陷則顯示不出來操作時使用90°交叉法，以保證能夠檢查出未知方向的缺陷。

圖1 焊接示意圖

除此之外，公司生產的大型浮選機的傳動軸是由上下部軸螺栓連接構成。上部軸的組織成分是ZG34CrNiMo，在其法蘭過渡的位置產生截面突變，存在應力集中。如在此位置存在超出標準允許范圍的缺陷可能會產生斷裂，發生危險。ZG34CrNiMo在鑄造的過程中容易產生疏松、晶粒粗大等問題。以下是對上部軸殘次品進行破壞性試驗后的金相分析：斷裂處具有明顯的脆性斷口，斷口齊平，無塑性變形現象，有明顯的金屬光澤，并具有脆性斷裂的宏觀形貌。用超聲波探傷法對斷軸進行檢測，依據疏松缺陷波參差不齊、有一定寬度、反射波比其他缺陷波弱的特征，判斷出存在疏松缺陷[7]。對斷裂部分進行取樣，用3%的硝酸酒精進行了腐蝕，采用×50倍、和×100倍金相顯微鏡觀察，見圖2、圖3。從金相照片上看基體應為塊鐵素體及極少量珠光體，晶粒甚是粗大，屬鑄造狀態的組織結構，有明顯的鑄造疏松，鑄造疏松呈黑色孔洞狀，在其周圍珠光體含量較高，灰色顆粒狀為夾雜物，并存在嚴重的偏析現象[8]。由此可見無損檢測在分析事故原因方面也能發揮一定的作用。

圖2 ×50倍彩色金相照片

圖3 ×100倍黑色金相照片

3 結語

綜上所述，無損檢測技術在合理操作的情況下具有良好的可靠性，能夠有效減少事故的發生；無損檢測技術在浮選機加工制造中的應用可以在不破壞工件的基礎上使檢測效率得到提高，具有明顯的經濟效益。滲透檢測、磁粉檢測和超聲檢測三者有機結合起來對于檢測浮選機重要零部件的表面以及內部的缺陷判定提供了科學的理論基礎，為我國大型復選設備更好地開拓國際市場與研發水平的進步發揮著積極的作用。