铸件球化率测定仪的研制与应用

　　球(蠕)墨铸铁具有比灰铸铁强度高、伸长率好和耐热性能好等优点,近几年已在机械行业中得到广泛应用。球墨铸铁铸造质量的重要考核指标之一就是其球化率。测量球化率的方法主要有金相法、音频法和超声法。超声法测量球化率可采用超声测厚仪,但测量误差较大;在此根据超声的基本原理,用自行开发的仪器进行测量。

　　为确保产品质量,1998年笔者单位从法国进口了一台球化率测定仪,但由于进口仪器价格昂贵,东风汽车公司为了取代进口,在1999年开始研发该类仪器,并获得了成功。该仪器精度高、操作简单,可实现全过程自动控制。测试结果及生产应用表明,该项技术达国内先进水平(经湖北省科学技术情报研究所情报检索中心查新)。

　　1　基本原理

　　球墨铸铁是一种钢性材料,能传播超声波,包括纵波、横波和表面波,其中在无限大固体介质中纵波传播速度遵循^[1]

　　式中　V _l———超声纵波声速,m/s

　　V _t———超声横波声速,m/s

　　E———杨氏弹性模量,N/m ²

　　ρ———材料密度,kg/m ³

　　μ———泊松比

　　由式(1)可见,超声纵波传播速度主要与材料的杨氏弹性模量有关。球铁密度(ρ=6.9~7.3g/cm ³)泊松比的变化很小,因而对超声波声速影响不大。而球铁的弹性模量与其球化率有直接关系。因此在碳当量一定的情况下,声速取决于球墨的相对比例,即球铁球化率。当球铁的碳当量较高时,一旦不球化或球化不好,甚至成为灰铸铁,此时铸件的力学性能将大幅度下降,其弹性模量也随片状石墨数量的增加而降低,而其声速也大幅度降低,因此可用测定超声声速的方法,鉴别球铁零件的球化质量。该方法可同时测出试样厚度和声速。

　　2　仪器系统设计

　　采用发射和接收两个探头。两探头相对固定在水(油)中,保持一定距离a ₀。首先在没有试件的情况下测定水(油)中传播时间t ₀=a ₀/ V水,然后测量有标准试件时的传播时间t ₁以及试件的往复穿过时间Δt,根据这些数据计算出水(油)的声速V水,最后放入被测铸件进行测量,球化率仪中的计算机就可通过下式计算出未知被测零件的声速并进一步计算出零件的厚度,即

　　可根据选择显示声速值或厚度值,并将这两组数据及零件编号同时传输给个人计算机存档。

　　根据上述测量原理知,测量声速关键是测量时间值。如测量20mm厚的零件,球铁的典型声速是5 700m/s,Δt=3.51μs。要精确测量这样短的时间,则需要较高的计数值。该电路采用60MHz晶振频率,每周期两次计数,相当于120MHz时基。在这种频率下,Δt的计数值为842,Δt的计数值大小决定了测量的精度。由于入射超声波具有一定的散射,给Δt的计数造成误差,因此在软件上须先对采样数据进行预处理,剔除伪数据,然后再作数值计算。KQ2000-1型铸件球化率测定仪主机结构框图如图1所示。