离心复合铸造轧辊过渡层超声波特征分析

赵立新 王敬华 赵文辉 白云龙

(天津重型装备工程研究有限公司，天津300457)

高铬镍无限冷硬离心复合铸造轧辊工作层硬度高、耐磨性好，芯部球墨铸铁强韧性较好，在热连轧机上得到了广泛应用。通过离心浇注工作层、静止浇注芯部制造出离心复合轧辊，二者的冶金熔合质量即过渡层质量决定了轧辊的使用性能，轧辊结合不良或结合层内存在夹杂、气孔等缺陷是导致轧辊工作层产生剥落等事故的主要原因。在轧辊生产过程中，利用超声检测技术对复合轧辊工作层厚度及结合层质量进行检测显得尤为重要。目前采用超声波定性、定量判定轧辊工作层厚度及结合层缺陷存在较大难度。为了解轧辊过渡层内缺陷波及界面超声波回波特征，联合采用金相组织检测与超声波检测技术，对高铬镍无限冷硬轧辊用无损检测试块结合层质量和实际外层厚度进行检测，确定过渡层回波特征与金相组织的对应关系，为轧辊测厚及过渡层内缺陷定性、定量判定提供依据。

1 超声检测原理

离心复合轧辊生产中使用最广泛的无损检测方法包括：超声检测，涡流检测，渗透检测等[1]。超声检测适用于轧辊内部缺陷分析。涡流检测主要用于对轧辊表面及近表面质量的判定。渗透检测适用于轧辊表面开放式缺陷的检测。目前轧辊制造厂均采用超声检测离心复合铸造轧辊工作层厚度及过渡层质量。

超声检测技术(UT)是基于声波反射原理[2]。在均匀的介质中，超声波会沿着一定的方向，以固定的速度传播，但当传播介质内存在非均匀的界面时，超声波就会发生反射、折射和绕射现象。超声检测的最小缺陷当量为λ/2。界面反射回波的强弱主要取决于两种非均匀介质的声阻抗大小，阻抗差值越大，其界面反射回波越强。

轧辊结合层处的缺陷主要包括过渡层结合不良、过渡层内存在气孔、非金属夹杂、裂纹等缺陷，对这些缺陷进行超声波定性、定量判定很大程度上依赖无损检测人员的经验和对特定产品工艺、成分的充分理解。下面介绍一些常见缺陷的回波特征：(1)裂纹性缺陷。由于裂纹与基体的声阻抗差值较大，超声波回波较高，起波速度快，有特定的延伸长度，当探头越过缺陷时，回波迅速消失。(2)非金属夹杂缺陷。回波特点多为单个回波信号，起波速度不快，回波占宽较大等。(3)气孔缺陷。回波特点为波形较稳定，呈单缝形，有点状夹杂的特征[3]。

2 人工对比试块制作

选用辊身尺寸为∅1 000 mm×3 000 mm的离心复合铸造轧辊，轧辊工作层材料为无限冷硬高镍铬，芯部材料为球墨铸铁。在辊身上制取80 mm×80 mm×100 mm的无损检测标准试块，试块在高度方向上包含轧辊工作层、过渡层和芯部。在试块底部钻取∅3 mm、∅5 mm缺陷孔，试块尺寸及缺陷孔位置及尺寸如图1所示。探测面至平底孔之间为轧辊工作层，平底孔所在部位为芯部材质。

3 过渡层金相及缺陷波特征分析

3.1 过渡层金相组织分析

无损检测试块过渡层微观组织如图2所示。从图2可以看出，工作层的实际厚度约为51 mm，过渡区宽度约为2 mm。芯部组织包括铁素体、珠光体、少量碳化物和球状石墨。工作层组织包括碳化物、马氏体和片层状石墨。过渡层内接近工作层部分碳化物体积较大，数量较多，而接近芯部球墨铸铁部分碳化物数量明显减少，可以将这两部分分为熔融区和半熔区，过渡层内未发现结合不良及夹杂缺陷。

3.2 超声检测波形特征

选用国产的HS511型数字式超声检测仪，采用2 MHz直探头，探头直径为∅24 mm，耦合剂采用机油，按照GB/T1504—2008标准进行检测。

未钻孔的试块超声检测波形特征如图3a所示。初始缺陷灵敏度增量设为64.2dB，过渡层处的界面回波出现了双联回波，高波对应的高度为20%满屏高，波宽较宽，高波对应的外层厚度为51.1 mm，低波对应的外层厚度为45.5 mm。采用金相法测量的实际外层厚度为51 mm，根据过渡层处回波较高的波确定试块外层厚度与实际外层厚度接近。

图1 高镍铬无限冷硬轧辊用超声检测标准试块简图Figure 1 Diagram of ultrasonic standard block for high Ni-Cr infinite chilled roller

图2 高镍铬无限冷硬离心复合轧辊过渡层微观组织(×100)Figure 2 The microstructure of transition layer for high Ni-Crinfinite chilled centrifugal composite roller (×100)

(a)底部未钻孔波形 (b)∅3 mm平底孔处波形 (c)∅5 mm平底孔处波形

图3 高镍铬无限冷硬轧辊试块超声检测波形
Figure 3 Ultrasonic testing wave form of high Ni-Cr infinite chilled roller test block

∅3 mm和∅5 mm人工缺陷孔处的超声检测波形特征如图3b和图3c所示。初始缺陷灵敏度增量设为60.2dB。∅3 mm缺陷孔处的波形出现了双联回波，高波高度为54%满屏高，波宽不大，高波处对应的厚度为51.8 mm，熔融区界面回波与∅3 mm缺陷孔处的回波重合，其回波高度比未钻孔的高。∅5 mm人工缺陷孔处的波形也出现了双联回波，高波高度为100%满屏高，波宽较宽，高波处对应的厚度为52.8 mm，熔融区界面回波与∅5 mm缺陷孔处的回波重合。由此可见，过渡层内存在结合不良或夹杂缺陷，会导致过渡层反射回波较高。

4 结论

(1)高镍铬无限冷硬轧辊无损检测试块过渡层主要包括半熔区和熔融区，界面回波形式为双联回波。

(2)根据双联回波的第2个高回波确定的工作层厚度与试块的实际工作层厚度接近。

(3)轧辊结合层处出现的面积型缺陷尺寸越大，结合层处的超声波反射回波越高。

[1] 刘绍昌，回桢玉，刘娜，等. 离心铸造复合轧辊超声波无损检测缺陷判定与质量改进措施[J]. 现代铸铁，2007，3: 71-76.

[2] 全国锅炉压力容器无损检测人员资格考核委员会编写. 超声波无损检测[M]. 北京: 劳动人事出版社，1989 ，7(1): 11-17.

[3] 刘建军. 超声波无损检测轧辊内部缺陷的波形特征[J]. 无损检测，2010，32(3): 232-234.