铸铁设备无损检测技术进展

沈功田,李丽菲,王珊珊,香 勇

(1.中国特种设备检测研究院,北京 100013;2.北京航空航天大学,北京 100191;3.硕德(北京)科技有限公司,北京 100107)

铸铁,作为历史悠久的工业材料之一,在人类文明社会的进程期间发挥过巨大的作用,直至今日仍以其优良的铸造性能和经济性,保持着基础原材料的地位。近几十年来,随着钢、合金钢、轻合金材料(铝、镁)和其它新型工程材料的发展,受能源、劳动力价格和环境等综合因素的影响,以及制造工艺的竞争,在人们的印象中,铸铁一度被归入古老没落、逐渐走向衰微并失去应用潜力的材料。目前,在工业应用中,铸铁材料总量与钢铁材料相比所占的比例虽然很小,但是其依然能够长期应用于许多工业领域和人们的日常生活中,尤其是近几年随着蠕墨铸铁的发展,得到了更广泛的应用;究其根本,还是由于铸铁有着与钢铁材料不同的特性,在工程应用中具有其它材料无可替代的一些优越性能。

我国是铸造大国,自2000年,铸件年产量连续多年居世界第一,随着铸铁业的发展,我国铸铁业在世界上的地位与日俱增,但是与国外相比,技术水平还存在较大的差距,废品率、能耗等成本要素居高不下。提高铸铁质量和工艺,提高我国装备制造业竞争力,实现由铸造大国向铸造强国转变势在必行。而在致力于新技术、新工艺、新设备研究的同时,铸铁件的检测技术和设备的研究也面临着新的挑战,更精确、更方便、更智能成为检测技术和检测设备研究的主题[1]。

1 铸铁材料概述

1.1 铸铁材料的特征与分类

铸铁(Cast iron)是由Fe-C-Si构成的含碳量大于2.11%的三元合金,属于粗晶材料,晶体分布各向异性,具有优良的铸造性和切削加工性,还具有很高的耐磨性、减摩性、减震性和抗氧化性,它的熔点低于钢材、流动性较好、收缩率较低,常用来铸造薄壁和形状复杂的零件,并且价格比钢低得多。工业用铸铁含碳量一般为2%～4%,碳在铸铁中多以石墨形态存在[2],有时也以渗碳体(Fe-Fe3C)形态存在。除碳外,铸铁中还含有1%～3%的硅,以及锰、磷和硫等元素,合金铸铁则含有镍、铬、钼、铝、铜、硼和钒等元素。

工程结构用铸铁主要包括三类：①按铸铁的断口特征分,有灰口铸铁、白口铸铁和麻口铸铁。②按铸铁中石墨的存在形式或形态分,有灰铸铁、蠕墨铸铁、球墨铸铁和可锻铸铁。③按铸铁的化学成分分,有普通铸铁及合金铸铁[3]。不同类别的铸铁有着不同的特质,目前应用较为广泛的铸铁材料的特征为：①灰口铸铁的断面呈灰色,其中的碳主要以片状石墨形式存在,其具有良好的减震性、切削加工性能、耐磨性、较低的缺口敏感性和在水中良好的耐蚀性和耐急冷急热性能。其不足在于抗拉强度偏低、耐冲击性能差、韧性不足以及有显著的壁厚敏感性。②球墨铸铁由于石墨以球状存在于铸铁基体中,改善了对基体的割裂作用,使得其抗拉强度、屈服强度、塑性和冲击韧性大大提高,并具有耐磨、减震、工艺性能好和成本低等优点。③蠕墨铸铁的石墨呈蠕虫状,短而厚,端部圆滑,分布均匀。蠕墨铸铁的机械性能介于普通灰铸铁和球墨铸铁之间,其具有近似球墨铸铁的强度,与灰铸铁相比又有类似的防振、导热能力及铸造性能,而又比灰铸铁有更好的塑性和热疲劳性能。

1.2 铸铁材料的应用

铸铁有微观多孔性,没有明显变形及蠕变,而且还有着很好的耐蚀及耐磨性,在加工工艺上能够制造结构较复杂的构件,这些特性使它能够满足一些特殊的生产工艺。

灰口铸铁的铸造性能、切削性、耐磨性和吸震性都优于其它各类铸铁,且生产方便、成品率高、成本低,因此,在各类铸铁件总产量中占80%以上,如热水锅炉、造纸烘缸和城市燃气管道等承压设备,汽车、拖拉机、机床和通用机械的零部件、炒菜用的铁锅等各个方面。

球墨铸铁具有较高的强度和塑性,尤其是屈强比(σ0.2/σb)优于锻钢,用途广泛,如汽车和拖拉机的底盘零件、传动齿轮、轴瓦、飞轮和链轮,阀门的阀体和阀盖,机油泵的齿轮,柴油机和汽油机的曲轴、缸体和缸套等。

蠕墨铸铁是20世纪70年代发展起来的一种新型高强度铸铁,近年来在欧美国家汽车行业呈快速发展势态,主要是由于汽车发动机气缸工作温度越来越高,而采用蠕墨铸铁代替铝合金是较好的解决办法。目前,蠕墨铸铁主要应用于一些经受热循环载荷和要求组织致密、结构复杂、强度高的铸件,如汽缸盖、汽缸套、钢锭模,内燃机的小型、薄壁铸件,蝶阀、铸造用混砂机辗轮以及造纸机轧辊等[4]。

由此可见,铸铁已经应用于关系国计民生的重要行业,在汽车、通用机械、石化、钢铁、造船、造纸和城市公用事业等方面发挥重要作用,对铸铁的产品质量和在用铸铁设备的安全性能提出了更高要求,因此,如何在无损条件下快速精确检测铸铁产品的质量和安全性能等已成为目前急需解决的技术难题。

2 铸铁材料无损检测技术现状

铸铁材料的固有特征加上铸造工艺的特殊性使得铸铁件中难免存在缺陷,常见的缺陷有气孔、夹砂、夹渣、冷隔、缩孔、疏松和裂纹等[5]。由于铸铁材料晶粒粗大、组织不均匀且晶粒分布的各向异性,与钢相比,铸铁材料的无损检测技术和方法有许多不同之处,而且存在更多的困难,在许多方面还存在很大差距。

2.1 传统的无损检测方法

对铸铁件进行无损检测最传统的方法是目视检测和敲击检测,这种方法目前还得到普遍的使用,目视检测可以发现表面宏观缺陷,敲击检测可以发现铸铁件内部存在较大的裂纹。

2.2 表面缺陷的常规无损检测方法

铸件表面经过清沙、修整、打磨光滑和表面清洁后,还可能存在各种缺陷,有时还需进行表面或近表面缺陷的检测。目前铸铁件表面检测较成熟的方法包括渗透检测、磁粉检测和涡流检测方法[6]。

2.2.1 渗透检测

渗透检测用来检查铸铁件表面上的各种开口缺陷,如表面裂纹、表面针孔等肉眼难以发现的缺陷。通常使用着色检测法,这种方法可以给出缺陷的形状、大小和分布情况,其灵敏度随工件表面粗糙度的增加而降低,经磨床磨光表面的渗透检测灵敏度很高,甚至可显示出晶间裂纹。

2.2.2 磁粉检测

磁粉检测方法可发现铸铁件表面或近表面缺陷的位置、类型和大小,检测灵敏度高,可以发现极细小的裂纹及其它缺陷,而且检测成本低,速度快,可检出的缺陷埋藏深度与工件状况、缺陷情况及检测工艺条件有关,一般为1～2 mm;工件的形状和尺寸对检测有影响,有时因其难以均匀磁化而无法实施检测。

2.2.3 涡流检测

在交变磁场中铸铁件表面产生的涡流与其电导率和磁导率有关,因此,采用涡流检测方法可以直接检测材料的特性,进行材质分选;涡流检测方法还适用于检查铸铁件表面和近表面的缺陷,其所发现的缺陷(如裂纹)一般都垂直于涡流方向。该方法可以用非接触方式进行评价,无需复杂的信号处理,可实现快速评价,但是不能直观显示缺陷的大小和形状,一般只能确定出缺陷在表面的位置和深度,且易受到表面集肤效应(主要取决于表面粗糙度)的影响,同时,它对工件表面上小的开口缺陷的检出灵敏度不如渗透检测。

2.2 内部缺陷的常规无损检测方法

铸铁件的内部缺陷主要为气孔、夹砂、夹渣、冷隔、缩孔、疏松和裂纹等,目前对铸铁件进行内部缺陷检测较成熟的方法主要为射线检测和超声检测方法。

2.2.1 射线检测

铸铁的射线检测,一般用X射线或γ射线作为射线源[7],射线照相所获得的缺陷图像直观,可显现出缺陷的形状、大小、数量、平面位置及分布范围[8],但不能给出缺陷的自身高度,需要采取特殊措施和计算才能粗略确定。同时,铸铁内部共晶膨胀、收缩性等固有特性使得射线检测往往很难一次获得满意的结果,并且,铸铁内部结构的不均匀和灰度上的差别,易导致检测效率和检测精度的降低。随着技术的发展和对产品质量要求的提高,目前普通的射线检测在速度和成本方面逐渐不能适应生产的需要。

计算机层析照相方法(CT)是最近发展起来的检测精度很高的射线检测方法,而且可以给出缺陷的三维成像,但由于设备比较昂贵,使用成本高,目前尚未普及,但这种新技术代表了高清晰度射线检测技术发展的方向。此外,使用近似点源的微焦点X射线系统也可以消除较大焦点设备产生的模糊边缘,使图像轮廓更清晰。

2.2.2 超声检测

超声检测主要分为两大方面,一是根据超声波在铸铁中传播的某些特征参数(如衰减特征、纵波声速等)来快速粗略判定铸铁的铸造质量;另一方面,则是检测铸铁件中较大的体积型缺陷和裂纹。在质量鉴别方面,目前的主要应用有：

(1)由于球墨铸铁和灰铸铁中石墨结构、组织形态、大小和分布情况不同,两者对超声波衰减程度不一,当碳饱和度一定时,球墨铸铁的球化率越高,超声纵波声速越大。因此,通过快速测定超声波的声速,可在铸铁件生产线上实现球化率的在线自动化检测,为保证产品质量提供重要依据。同时,基于相同的原理,超声波声速也可用于蠕墨铸铁件蠕化率的测量[10-11]。用这种方法替代金相法,可大大提高检测的效率,降低检测成本。

(2)超声波纵波声速与灰铸铁的共晶度在一定条件下存在线性关系,因此,当铸造条件和铸铁件的形状不变时,可利用超声波声速测量法替代化学分析,以快速确定灰铸铁件的碳饱和程度。

铸铁件缺陷的超声检测的优势表现为检测灵敏度高,可以探测较细小的裂纹;具有大的穿透能力,可以探测厚截面铸件。其局限性在于：对轮廓尺寸复杂和指向性不好的断开性缺陷的反射波形解释困难;对某些内部结构,例如晶粒大小、组织结构、多孔性、夹杂含量或细小的分散析出物等同样妨碍波形解释;另外,检测时需要参考试块[13]。

两种内部缺陷检测方法相比较而言,射线检测的效果较好,可得到反映内部缺陷种类、形状、大小和分布情况的直观图像,但厚度受到限制,而且成本较高。对于大厚度的大型铸件,超声检测则更加有效,可以较精确地测出内部缺陷的位置、当量大小和分布情况。从安全、效率、成本几方面综合考虑对比,显然,超声检测具有更大的优势。基于当前超声手动扫查是凭检测人员经验判定的现状,实现超声波的自动化检测,通过计算机控制超声波检测系统的运动部分,提高检测精度、可靠性,将人工经验转化为专家系统,由计算机自动判别缺陷类型、位置和大小,改善检测人员的工作量,提高劳动效率,是铸铁检测技术的发展方向。

2.3 铸件无损检测新技术的发展

随着铸铁检测技术的发展,弥补超声探测方法的不足成了当前研究的热点。目前,国内外可行的技术有方波检测技术、激光超声技术、低频相控阵检测技术、球化率超声声速法和声振法,以及超声导波检测技术等。

方波检测技术是脉冲发生器通过调整脉冲宽度和电压,进行最佳的测试匹配,适用于难以穿透的铸铁测试[14]。

激光超声技术是采用大功率的激光器和有更强集光能力的干涉仪,提高声波能量,利用激光超声在时间与空间上的高分辨率,实现快速和远距离非接触超声波检测,可应用于管道等表面粗糙的铸件检测[15-16]。

低频相控阵检测技术是选取低频窄带激励信号,产生单一模式的Lamb波,利用超声相控阵技术,对回波图像的分辨率和可识别度进行提高,可以实现对铸件结构不同类型损伤的快速定位检测[17]。

球墨铸铁可由“球化率”来判断铸铁的韧性质量,球化率高,铸铁的韧性高,质量好。在一定条件下,球化率与超声波纵波声速之间存在良好的线性对应关系。超声波声速法就是采用透射方式测出超声发射脉冲与接收脉冲之间的声时值,求出在该温度下被检部位内的超声横波声速,换算为对应的纵波声速,再利用红外测温探头检测铸件温度,使超声纵波声速经温度修正后计算出室温下铸件的球化率[18]。

声振检测法(又称为声敲击法),其基本思想是：结构模态性质是结构物理参数的函数,一旦构件出现损伤,模态参数(如固有频率、应变模态和模态阻尼等)就会发生相应变化,从而通过结构动力学特性变化来识别结构损伤。声振检测法依赖于全局振动特性的测试,主要集中在低频范围内。该方法目前主要用于球墨铸铁球化率的检测。其优点是检验速度快、精度高;测量值代表整体铸件的平均值;能进行逐件的自动检测且适合于大多数的复杂铸件。对较小的工件,由于敲击时声能小、衰减快,无法对频率进行精确测量,使得这种方法的应用受到限制。同时,铸铁件内部存在多种波的传播,频率与材料弹性模量之间的对应关系受到工件形状、尺寸、所选频率的模态和阶数的影响,因此,声振法对激励方法和放置方式有严格的要求,选择、识别合适的频率和制定实用的评判准则是该技术的关键与难点。

超声导波技术的工作原理是探头发出一束超声能量脉冲,使此脉冲充斥整个圆周方向和整个铸件,并向远处传播。当声束遇到铸件内、外壁腐蚀或缺陷引起的金属缺损时,由于铸件横截面发生了改变,在缺陷处会有反射波返回,通过仪器分析由同一探头阵列检出的反射信号即可探知铸件的内外部缺陷位置、大小和腐蚀情况[19]。目前,超声导波技术主要在长输管道中应用。

另外,声发射检测和声-超声检测是近年快速发展的检测技术,前者在材料特征、容器管道、航天设备等方面已成功应用,而后者在复合材料、木材的损伤检测颇显功效,因此,能否将这两种技术应用于铸铁构件的检测,已受到相关研究人员越来越多的关注。

我国的无损检测新技术在铸铁检测方面的应用尚处于起步阶段,一些单位开始了这方面的研究工作,相信在不久的将来,我国在铸铁检测方面的技术会日趋丰富和成熟。

3 铸铁无损检测设备现状

对于铸铁材料来说,渗透检测、磁粉检测和射线检测的设备与器材没有特殊的要求,现有市面上销售的设备与器材均可满足检测要求。由于对铸铁材料采用表面涡流检测几乎没有需求,因此也没见到对铸铁材料进行涡流检测的研究报道和专门用于铸铁材料表面缺陷涡流检测的仪器。

由于铸铁材料晶粒粗大、微观组织结构不均匀,导致超声波传播的衰减大,而且各向异性,因此对于铸铁材料的超声波检测,需要开发专门的设备,目前进行商业销售的主要代表产品如下：

(1)GE Krautkramer公司制造的USN60系列超声波检测仪(图1)。该仪器使用尖脉冲,采用方波技术,对应低频应用,通过调整脉冲宽度和电压,进行匹配,特别适用于铸铁和复合材料等难以穿透的材料的检测。其脉冲宽度可以以10 ns步进,最大调至1 000 ns,电压50～450 V,满足了广泛的应用需求。

图1 GE USN60超声波检测仪

(2)GE Krautkramer公司制造的 KV-100球化率检测系统(图2)。该系统目前是国际上应用广泛的球墨铸铁检测设备,可实现快速的超声声速检测,以确定部件的球化率。手动将被测件放进夹具,然后进行系统自动测试,该测试槽使用了基于计算机的超声仪Krautkramer USPC-2100,能适应恶劣的工业生产环境。

图2 GE KV 100球化率检测系统

(3)美国DAKOTA公司制造的VX铸铁球率仪(图3)。该仪器是一种手持式超声检测仪,通过声束穿过铸铁的速度变化来分析试件球化率,并根据预先设定的铸铁球化率百分比来检测缺陷。

图3 美国DAKOTA公司的VX铸铁球率仪

(4)美国的INNERSPEC公司研制的基于电磁超声(EMAT)的检测系统(图4)。该系统可以对在线铸管等高温、有涂层或氧化皮的无法直接接触的工件进行测厚和缺陷检测,已有实际应用。

图4 美国INNERSPEC公司的电磁超声系统

目前,国内在铸铁专用超声检测仪器系统的开发刚刚起步,与上述国外仪器系统相比还存在很大的差距。

4 检测标准

4.1 国内标准

我国铸造检测领域相关的国家标准和行业标准主要由TC56和TC54负责,目前颁布的标准主要是铸钢产品的标准,一些通用的磁粉和渗透检测标准适用于铸铁设备的表面检测,国内还没有适用于铸铁设备的射线检测和涡流检测的标准。在超声检测方面,专门制定了如下六个球墨铸铁的检测标准：

(1)JB/T 9219—1999 球墨铸铁超声声速测定方法

(2)JB/T 5439—1991 压缩机球墨铸铁零件的超声波探伤

(3)JB/T 10554.1—2006 无损检测 轴类球墨铸铁超声检测 第1部分：总则

(4)JB/T 10554.2—2006 无损检测 轴类球墨铸铁超声检测 第2部分：球墨铸铁曲轴的检测

(5)DL/T 718—2000 火力发电厂铸造三通、弯头超声波探伤方法

(6)TB 1606—1985 球墨铸铁曲轴超声波探伤

4.2 国外标准

在ISO标准体系中,尚未颁布专门的铸铁件的无损检测标准,只在各种铸铁分类标准中提到了铸铁材料理化性能的验收指标。

在欧盟标准体系中,与此相关的标准由CEN/TC 190铸造委员会负责制订。现行标准有如下6个,包括目视检测、渗透检测、磁粉检测、射线检测和超声检测方法：

(1)EN 1369：1996 Founding-Magnetic Particle Inspection

(2)EN 1370：1997 EN1370-1997 Founding-Surface Roughness Inspection by Visual Tactile Comparators

(3)EN 1371-1：1997 Founding-Liquid Penetrant Inspection-Part 1：Sand,Gravity Die and Low Pressure Die Castings

(4)EN 1371-2：1998 Founding-Liquid Penetrant Inspection-Part 2：Investment Castings

(5)EN 12681：2003 Founding-Radiographic Examination

(6)EN 12680-3：2003 Founding-Ultrasonic Examination-Part 3：Spheroidal Graphite Cast I-ron Castings

美国标准体系中铸造检测方面的标准由ASTME07无损检测委员会负责制订。现行标准有如下7个,包括磁粉检测、射线检测、CT检测和声发射检测方法：

(1)ASTM E125-63(2008)Standard Reference Photographs for Magnetic Particle Indications on Ferrous Castings

(2)ASTM E802-95(2005)Standard Reference Radiographs for Gray Iron Castings Up to 4 1/2 in.(114 mm)in Thickness

(3)ASTM E1814-96(2007)Standard Practice for Computed Tomographic(CT)Examination of Castings

(4)ASTM E1030-05 Standard Test Method for Radiographic Examination of Metallic Castings

(5)ASTM E2598-07 Standard Practice for Acoustic Emission Examination of Cast Iron Yankee and Steam Heated Paper Dryers

(6)ASTM E1734-09 Standard Practice for Radioscopic Examination of Castings

(7)ASTM E689-10 Standard Reference Radiographs for Ductile Iron Castings

5 结语

(1)铸铁部件目前在锅炉、压力容器、压力管道、汽车、拖拉机、机床和通用机械中仍得到大量使用。为了提高它们的安全性能和检测效率,对无损检测技术提出了新的需求。

(2)在无损检测标准方面,欧盟的检测标准比较齐全,美国的检测标准在射线检测和声发射检测方面处于领先地位,我国尚缺乏通用和专用的目视检测、磁粉检测、渗透检测、射线检测和声发射检测标准,需要尽快组织制订。

(3)在铸铁超声检测仪器设备方面,欧盟和美国已有成熟的商品仪器系统销售,但这些仪器主要适用于球墨铸铁球化率的快速测量和铸造缺陷的检测;对内部可能产生的裂纹性质的缺陷,尚无较成熟的检测方法和标准;我国在铸铁超声检测仪器的研制方面尚处于起步阶段,需要加快进度。

(4)国内外目前尚缺乏成熟的在用铸铁设备裂纹的快速检测方法和技术,声振检测技术、声-超声检测技术和超声导波技术有解决这一技术难题的潜力,但需要深入进行研究。

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