球墨铸铁铸件的球化率检测方法研究

金桂芹，董金芝，赵士明，阎 涛

（1.黄冈师范学院机电工程学院，湖北 黄冈438000；2.天津凯普特动力传输机械有限公司，天津300451）

球墨铸铁铸件的球化率检测方法研究

金桂芹1，董金芝2，赵士明2，阎 涛1

（1.黄冈师范学院机电工程学院，湖北 黄冈438000；2.天津凯普特动力传输机械有限公司，天津300451）

介绍了球墨铸铁件球化率的不同测量方法及其利弊。重点分析了一种新型测量方法，利用超声波声速仪中声速随铸铁中的游离石墨形状、数量、大小和金属基体的变化而变化，通过对不同基体，不同球化率，不同牌号的球墨铸铁进行了超声波声速试验。最后得出球墨铸铁件的球化率与声速成正比，其球化率越高，声速值越大，反之，声速值越小。声速仪检测球化率可以做到更准确、更简单、更直观，为方便快捷地完成铸件本体的检验任务打下了坚实的基础。

声速；球化率；球墨铸铁件

球墨铸铁是指铁液经过球化剂处理而不是经过热处理，使石墨大部分或全部呈球状，有时少量为团状等形态石墨的铸铁。球墨铸铁具有较高的强度、韧性和耐磨性能，在机械零件制造方面得到了越来越广的应用，同时也对球墨铸铁的质量提出了更高的要求，尤其金相组织常常作为检验球铁质量的重要依据[1]。

以石墨为例，在金相检验中，通常所见到的是几种形态的石墨共存。在这种情况下，评定石墨的球化质量须用球化率来解决。所谓球化率，是指在规定的视场内，所有石墨球化程度的综合指标。它反映该视场内所有石墨接近球状的程度。国家标准根据石墨形态及其分布和球化率，将球墨铸铁石墨球化分为1-6级。球墨铸铁的力学性能在很大程度上决定于球化率。一般来说，在其他条件相同的情况下，球化率愈高，力学性能也高。目前测量球化率的方法主要有以下两种：（1）金相法测定球化率（最常用）。该方法的优点是直观准确，缺点是其为破坏性方法，成本高，效率低，不可能对每个铸件进行金相检查，抽检中有可能导致不合格品进入，尤其大型铸件没法检测。（2）敲击法或断口观察法。敲击法和断口观察法直观、效率高、成本低，但它的局限性在于只有经验非常丰富的技术工人才能够做到，且只能定性的估计，所以准确率低，人为因素影响很大，使得其在企业推广具有局限性。

由于铸件在浇注过程中易受外界因素的影响，比如浇注温度、空气湿度、浇注速度以及铸件形状等因素，即使同一包铁水浇注的铸件，球化率也不同。为快速准确测量铸件球化率可采用超声波声速仪（VX），利用超声波中的声速随铸铁中的游离石墨形状、数量、大小和金属基体的变化而变化，快速测量球化率。

1 超声波测量球化率的原理

超声波的传播速度与介质的性质（弹性模量，密度，泊松比）有关，也就是说不同的物质有各自固定的传播速度。超声波是一种机械波，在固体介质中的纵波声速按如下公式[2]计算：

式中：CL为纵波声速（m/s）；E为杨氏弹性模量（Pa）；ρ为介质密度（kg/m3）；σ为介质泊松比（无量纲）。

由于球墨铸铁的密度和泊松比，因其很小，对超声波速度影响不大，所以，影响超声波声速的主要因素为杨氏弹性模量。当大量非球状石墨出现时，减少了原子间结合，球墨铸铁的弹性模量降低，声速值减小，反之，声速值增大。因此可通过测定超声波声速的方法，鉴别球墨铸铁零件的球化质量，而球化率是反映球化质量的重要指标。

2 超声波球化率检测方法

超声波测量球铁的球化率，将探头接触铸件，通过测量不同厚度的被测物体，仪器就会测出不同声速值，以分析材料内部组织疏密程度。预先将球墨铸铁不同球化率百分比（通过金相法）试样做出表格，分别测量其不同的声速值，对铸件进行批量检查。测量装置如图1所示。

图1 超声波声速仪

3 测量数据及分析

超声波声速仪主要应用于球墨铸铁产品，为了能够系统地分析球墨铸铁的球化率和超声波声速的关系，通过对不同基体，不同球化率，不同牌号的球墨铸铁进行了超声波声速试验，并做了相应的试块（与铸件本体厚度一致，见图2），每个试样取5个点测量平均。球墨铸铁球化级别与声速关系试验分析如下。

图2 试样形状

3.1 同一牌号不同厚度声速的变化情况

球铁450-10的同一产品不同厚度声速值的变化如表1所示。

表1 球铁450-10的同一产品不同厚度声速值的变化

通过实验发现，在不同的球墨铸件中随着产品的厚度的不同，声速值也在发生相应的变化。在日常的检验中发现，对铸件本体金相检验或分析，不同的部位，金相显微组织的差别很大。大多数铸件各部位壁厚往往是不同的，壁厚较薄的部位石墨形态好于零件厚大部位，即壁厚较厚的部位球化效果往往要比壁厚较薄的部位稍差，同时凝固顺序不同也造成各部位的球化率、石墨大小和基体组织存在一定的差异。相对而言，最先凝固的部位球化效果要比最后凝固的部位好[3]。所以在做产品的标准声速试块时，标准试块的厚度要与产品测量部位的厚度相近，并选有代表性的平面为超声波检测的理想部位。在此基础上，对同一件产品不同厚度声速进行了比对，发现声速在不同厚度的铸件中，随着铸件壁厚的减小，传递的速度呈上升的趋势。

3.2 不同铸件牌号而球化级别相同其声速值的变化情况

铸件牌号QT450-10不同球化级别声速的变化情况如表2所示。

表2 铸件牌号QT450-10不同球化级别声速的变化情况

铸件牌号QT600-3不同球化级别时声速的变化情况表3所示。

表3 铸件牌号QT600-3不同球化级别时声速的变化情况

通过以上两种产品的试验，可以看出，在球化等级相同的情况下，不同牌号的产品的声速值是不同的。超声波在球墨铸铁件中的传播速度与球铁本身的球化程度有一定的线性关系，即球化程度越好，超声波传播速度越快，反之则低。因此通过测量球墨铸铁的超声波传播速度就可以检测其球化率。

4 结论

通过一年多的试验工作取得了大量的数据，制作了可供使用的标样，并得出结论：

（1）球墨铸铁件的球化率与声速成正比，其球化率越高，声速值越大，即声速传播得越远；相反，球化率越低，声波受不规则石墨的阻挡，声速值越小，即声波传递的距离越近。

用声速仪测量球化率与传统的金相测量方法一致，是可行的。

（2）球墨铸铁件使用声速测球化率可以做到更准确、更简单、更快捷、更直观，为方便快捷地完成铸件本体的检验任务打下了坚实的基础。

[1]樊自田．铸造质量控制技术[M].北京：机械工业出版社，2009．

[2]李家伟．金属材料及热处理[M]．上海：上海科学技术出版社，2002.

[3]崔忠圻．金属学及热处理[M].北京：机械工业出版社，2007．

[4]中国机械工业联合会.GB∕T9441-2009球墨铸铁金相检验[S]．北京：中国标准出版社，2009.

Study on Determination Method of Spheroidization Rate of Ductile Iron Casting

JIN Gui-qin1，DONG Jin-zhi2，ZHAO Shi-ming2，YAN Tao1
（1.College of Electrical and Mechanical Engineering，Huanggang Normal College，Huanggang Hubei 438000，China；2.Tianjin Kay Power Transmission Machinery Co.，Ltd.，Tianjin 300451，China）

This paper introduces the different measurement methods of spheroidization rate of nodular cast iron and their advantages and disadvantages.In this paper，a new type of measuring method was introduced，using the shape of free graphite in the cast iron，the quantity，size and the change of the metal matrix，through the different matrix，different ball rate，different brand of ductile iron for the ultrasonic speed test，and made the corresponding standard test block.Finally，it is concluded that the spheroidization rate of ductile iron castings is proportional to the sound speed，the higher the spheroidization rate，the greater the sound velocity，and the smaller the sound velocity value.The measurement of the ball rate can be more accurate，simple，more intuitive，and lay a solid foundation for the rapid completion of the inspection task of the casting body.

sound speed；ball rate；ductile cast iron

TG55

A

1672-545X（2017）10-0173-03

2017-07-07

金桂芹（1969-），女，河北青县人，本科，工程师、讲师，主要从事金相检测以及机械教学工作。