鑄鐵件石墨組織超聲波檢測技術的淺論與應用

高偉杰，劉 敏，張連杰，姜愛龍，房 奪

（濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061）

近年來，高效率、低排放已成為發動機發展的主旋律。新一代發動機比功率越來越大、重量越來越輕的設計要求，推動了缸體、缸蓋等關鍵零件性能的不斷提升。傳統的灰鑄鐵和鋁合金已無法滿足更高性能發動機的需求，開發應用高強度合金灰鑄鐵、蠕墨鑄鐵和球墨鑄鐵材質，并將其批量應用于發動機缸體、缸蓋中，成為支撐發動機制造企業新一代發動機開發的重要基礎。

高強度灰鑄鐵、蠕墨鑄鐵、球墨鑄鐵的抗拉強度性能依次升高，三種材料的性能差別主要取決于石墨形態的不同。常規檢測石墨形態的手段為金相分析法，金相分析法檢測結果直觀，但效率低，且為破壞性抽樣檢測。尋找一種快速、便捷、經濟的石墨組織檢測手段，克服傳統鑄造生產中通常采用的金相檢驗方法的諸多弊端，具有顯著的工程應用意義。本文以超聲波測速測厚儀的原理為基礎，研究超聲波在不同鑄鐵材料中的傳播速度規律，實現了對不同鑄鐵材料石墨形態的測定。

1 超聲波檢測鑄鐵組織原理

1.1 基本原理

超聲波在不同介質中的傳播速度不同，即使在相同的介質中傳播，其傳播速度也會受到介質本身物理性能的影響，聲速大小主要是與材料的楊氏彈性模量E、密度ρ 和泊松比σ 有關[1]。不同材料由于其E、ρ、σ 不同，超聲波的傳播速度也不同。在鑄鐵材料中，密度和泊松比的變化很小（灰鐵：ρ 為6.95～7.35 g/cm3；σ 為0.23～0.27；蠕鐵：ρ 為7.25～7.35 g/cm3，σ 為0.26～0.27；球鐵：ρ 為6.9～7.5 g/cm3，σ 為0.25～0.29），所以對超聲波聲速影響很小，因此，影響超聲波聲速的主要因素為材料的彈性模量E[2，3].

鑄鐵材料的彈性模量E 與石墨形態、尺寸及其分布存在一定關系。石墨含量與彈性模量E0的關系如圖1 所示。從灰鑄鐵到蠕墨鑄鐵再到球墨鑄鐵，試樣的金相顯微組織中石墨形態從片層狀逐漸向團狀、球狀過渡，隨著大量的團簇狀、球狀石墨的出現，主要有以下兩方面的影響：1）在同一石墨狀態下，鑄件的彈性模量E 隨石墨含量增加而降低，而且蠕蟲狀石墨和球狀石墨的彈性模量比灰鑄鐵高；2）在相同石墨含量的條件下，由于蠕蟲狀石墨的表面積大于球狀石墨的表面積，且球墨鑄鐵中球狀石墨的存在使金屬原子之間的結合更為緊密，因而導致彈性模量的增大，說明鑄鐵的彈性模量與蠕化率呈負相關[4，5]。

圖1 石墨含量與彈性模量E0 的關系

由于高強度灰鑄鐵、蠕墨鑄鐵和球墨鑄鐵中石墨形態不同，超聲波在其中的傳播速度必然不同。因此，利用超聲波聲速檢測鑄鐵中石墨的組織形態理論上是可行的。

1.2 超聲橫波和超聲縱波

1.2.1 超聲橫波

橫波是指質點的振動方向與波的傳播方向相互垂直的振動波，是由于待測試件受到剪切應力的作用導致剪切變形而產生的。在三種物態（固體、液體和氣體）中只有固體能產生剪切變形，因此橫波只能在固體中產生并在固體中傳播。若待測試件為各向同性的均勻固體，且其尺寸遠遠長于超聲波的波長，則橫波的聲速可表示為[6]：

式中：CL—橫波聲速，m/s；E—介質彈性模量，GPa；ρ—介質密度，g/cm3；σ—介質泊松比。

1.2.2 超聲縱波

縱波是指質點的振動方向與波的傳播方向相互平行的波，在縱波傳播過程中，沿著波的前進方向出現疏密相間的部分，是由待測材料受拉伸或者壓縮導致變形而產生的。因此縱波只能在可被拉伸或壓縮的彈性介質中傳播，一般固體、液體和氣體均可進行拉伸或壓縮，所以三者都可以傳遞縱波。縱波的聲速可表示為[6]：

式中：CS—縱波聲速，m/s.

1.2.3 超聲波在固體中的傳播

由超聲波橫波聲速（見式（1））和縱波聲速式（見式（2）），得縱波聲速與橫波聲速之比，見式（3）.由式（3）可知，在同一材料中，縱波傳播速度比橫波快，且當金屬的泊松比σ 遠小于1 時，縱波速度約是橫波的兩倍[6]。

由上述分析可以得出超聲波聲速隨蠕化率的升高而降低。因此，通過測定超聲波聲速的變化，就可以很快鑒別出鑄鐵中石墨的形態以及蠕化率的高低。

1.3 超聲波測速測厚儀的原理

超聲波測速測厚儀的脈沖發生器以一個窄電脈沖激勵專用高阻尼壓電換能器，此脈沖為始脈沖，一部分由始脈沖激勵產生的超聲信號在材料界面反射，這個信號稱為始波。其余部分透入材料，并從平行對面反射回來，這一返回信號稱為背面回波。始波與背面回波之間的時間間隔代表了超聲信號穿過被測件的聲程時間。如測得聲程時間，則可由式（4）確定被測件厚度，反之，測厚時聲速是確定的，如測得工件厚度和聲程時間也可求出被測工件中的聲速[7]。

式中：tn— 兩個回波時間差，s；d—待測材料厚度，m；v—超聲波在待測材料中傳播速度，m/s.

2 超聲波檢測的基本方法

超聲波檢測按照超聲波回波接收方式分類，可以分為透射法和脈沖反射法；按照檢測探頭與待測件接觸方式可分為直接接觸法和液浸法。

2.1 透射法

透射法通常使用兩個探頭分別放置在待測試件的兩平行面，一個探頭用于發射聲波，另一個探頭用于接收聲波，若已知試樣厚度，可通過接收與發射時間差測出超聲波在鑄鐵件中傳播速度。為實現探頭與試件的耦合，一般采用液浸法將探頭和試件同時浸沒在耦合液中，耦合液多用水或油。該方法的優點如下：由于探頭不與試件直接接觸，因而試件表面粗糙度對檢測結果的影響小；探頭與試件間的耦合穩定；測試的數據穩定性較好。由于要將整個試件浸沒在水中，故此法不適用于形狀復雜，尤其是有多層結構零件的檢測[8]。

圖2 透射法原理示意圖

2.2 反射法

脈沖反射法的超聲波發射探頭與接收探頭集成于一體，如圖3a）所示，探頭發射的超聲波經由耦合劑入射到試件中，當超聲波接觸到試樣底部時，遇到界面會發生反射，反射超聲波由探頭接收，由此可得到聲波入射、返回的時間差，測量待測試件的厚度，由式（5）即可計算得到超聲波聲速。該方法優點在于設備輕便、操作簡單，適用于大型或復雜零件本體的聲速測試，但是在測量時需要對試件檢測位置進行合理選取[8]。

圖3 脈沖反射法原理示意圖

式中：t1、t2—探頭接收回波所用時間，s；d—待測材料厚度，m；c—超聲波在待測材料中傳播速度，m/s.

如果超聲波的能量較大時，超聲波在被測物體探測面和底面之間往復傳播很多次，反射原理如圖3 所示。圖3b）中T 為波源信號，B1、B2、B3 分別是第一次、第二次、第三次回波信號，可以利用兩個底面回波之間的時間求得探頭接收回波時間差，進而求得待測試件的厚度。

3 超聲波檢測應用

3.1 超聲波頻率和探頭尺寸的選擇

發動機鑄鐵件存在晶粒粗大、形狀復雜、表面粗糙等問題，這些問題給超聲波檢測帶來很多困擾，而超聲波探頭參數的選擇則直接影響檢測效果，探頭頻率、晶片尺寸是影響檢測效果最為重要的參數。

超聲波的探頭頻率越高，其波長越小，則檢測靈敏度越大，但隨著頻率的增大，超聲波在鑄鐵件中的傳播過程中衰減也越來越快，這將大幅降低超聲波的穿透能力，對檢測試件厚度造成限制，只能檢測較薄試件。探頭晶片尺寸主要影響近場區及波束指向性，不同探頭晶片尺寸對超聲波聲速影響略有不同。可通過測量不同頻率超聲波和探頭晶片尺寸大小對回波增益的影響確定合適的超聲波頻率和尺寸范圍[9]。

鑄鐵材料由于晶粒相對粗大，為滿足一定厚度的穿透能力，應選擇頻率較低的鑄鐵專用探頭。根據測試鑄件的厚度，一般選擇0.5 MHz～2.5 MHz 的探頭，探頭尺寸需根據鑄件可檢測位置的尺寸進行選擇，在可檢測位置尺寸范圍內，一般選擇某一品牌中尺寸相對大的來保障檢測準確度。

3.2 超聲波檢測方法的選擇

3.2.1 發動機缸蓋類鑄件檢測方法的確定

超聲波在鑄件上的檢測位置必須是連續性結構，內部不允許有空腔，且測試部位必須兩側平行。缸蓋類鑄件檢測位置為缸蓋上螺栓搭子處，該位置為貫通整個缸蓋的兩個側面，為連續性結構，且兩個面相互平行，符合超聲波檢測的要求。考慮超聲波穿透厚度的影響，實際生產過程中，厚度小于＜80 mm 時，一般選擇透射法進行檢測；厚度≥80 mm時，一般選擇反射法進行檢測。

3.2.2 發動機缸體類鑄件檢測方法的確定

缸體類鑄件形狀尺寸大，截面尺寸不均勻，會帶來鑄鐵組織均勻性不一致的問題。傳統金相檢測一般選擇壁厚尺寸最大的瓦口部位，此位置厚度適中（一般在20 mm～80 mm 之間），兩面平行，易于超聲波回波反射及接收，檢測結果準確度高，且安裝檢測方便，非常適合選擇透射法進行聲速檢測。而對于需要兩側精確定位的透射法檢測方式，由于缸體類鑄件瓦口部位本身沒有明顯相互對稱的結構，透射法的應用便捷性將大大降低。

3.3 試驗驗證情況

3.3.1 試驗方法

在超聲波測速測厚儀檢測發動機缸體、缸蓋聲速試驗中，為確保試驗結果準確可靠，需對待測工件表面進行處理并在工件及探頭結合面使用耦合劑，測試過程中按如下步驟進行：

1）選擇適宜進行超聲波聲速測量的平面，該位置需滿足兩面平行，且兩平面間無鏤空結構；

2）除去工件表面和超聲波探頭表面灰塵及雜物；

3）測量待測工件的厚度；

4）使壓頭與工件緊密接觸，輕輕前后移動探頭，消除探頭與工件間的空氣，并盡量使探頭與工件間的耦合劑最薄；

5）測定鑄件檢測位置的超聲波聲速；

6）對待測工件取樣觀察其金相組織。

3.3.2 試驗結果

1）不同材料超聲波聲速試驗

在試驗過程中使用超聲波測速測厚儀對不同材料鑄件聲速進行測試，測試操作方法嚴格按照3.1 中的試驗方法進行。主要對試制的標準壁厚灰鑄鐵、蠕墨鑄鐵以及球墨鑄鐵材質試塊進行聲速試驗，不同材料測試位置點厚度及超聲波聲速測試結果見表1.

表1 不同材料測試試塊厚度及超聲波聲速

表1 數據表明，不同材料鑄件對應不同的聲速，灰鑄鐵鑄件的聲速最低，球墨鑄鐵鑄件的聲速最高，而蠕墨鑄鐵鑄件的聲速介于灰鑄鐵和球墨鑄鐵之間。因此使用超聲波聲速法根據鑄件聲速大小可以判斷鑄件材質種類。該結論也可用于對不確定材料種類的競品鑄件進行材質判斷。

2）超聲波聲速與蠕化率關系

根據上述超聲波檢測原理分析可知超聲波聲速與石墨形態有一定關系，通過測定超聲波聲速的變化可以鑒別出鑄鐵中石墨的形態以及蠕化率的高低。為此，對不同蠕化率的試樣進行超聲波聲速測試，并對聲速測試部位取樣使用金相法檢測其蠕化率。超聲波聲速及金相法檢測蠕化率對照結果如表2 所示，將表2 中聲速及金相法觀察蠕化率關系如圖4 所示。

表2 蠕鐵試樣蠕化率測試結果

圖4 蠕鐵試樣蠕化率測試結果

3）球墨鑄鐵超聲波檢測

應用超聲波聲速法可檢測球墨鑄鐵鑄件的球化質量，超聲波在鑄鐵中的傳播速度隨球化率的提高而加快，由此可以判斷球化率。國外某公司對球墨鑄鐵鑄件要求超聲波聲速不低于5 550 m/s.

4 結論

1）不同材料鑄件由于石墨形態差異對應不同的聲速區間，使用超聲波聲速法可以用于判斷鑄件的材料種類；

2）蠕墨鑄鐵的蠕化率與超聲波聲速存在對應關系，超聲波聲速隨蠕化率的升高而降低。應用超聲波聲速法代替金相法在生產中測蠕墨鑄鐵蠕化率是可行的，測試結果可靠；

3）對于球墨鑄鐵鑄件，使用超聲波聲速法可檢測鑄件的球化質量。