趙立新 王敬華 趙文輝 白云龍

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

高鉻鎳無限冷硬離心復(fù)合鑄造軋輥工作層硬度高、耐磨性好，芯部球墨鑄鐵強(qiáng)韌性較好，在熱連軋機(jī)上得到了廣泛應(yīng)用。通過離心澆注工作層、靜止?jié)沧⑿静恐圃斐鲭x心復(fù)合軋輥，二者的冶金熔合質(zhì)量即過渡層質(zhì)量決定了軋輥的使用性能，軋輥結(jié)合不良或結(jié)合層內(nèi)存在夾雜、氣孔等缺陷是導(dǎo)致軋輥工作層產(chǎn)生剝落等事故的主要原因。在軋輥生產(chǎn)過程中，利用超聲檢測技術(shù)對復(fù)合軋輥工作層厚度及結(jié)合層質(zhì)量進(jìn)行檢測顯得尤為重要。目前采用超聲波定性、定量判定軋輥工作層厚度及結(jié)合層缺陷存在較大難度。為了解軋輥過渡層內(nèi)缺陷波及界面超聲波回波特征，聯(lián)合采用金相組織檢測與超聲波檢測技術(shù)，對高鉻鎳無限冷硬軋輥用無損檢測試塊結(jié)合層質(zhì)量和實際外層厚度進(jìn)行檢測，確定過渡層回波特征與金相組織的對應(yīng)關(guān)系，為軋輥測厚及過渡層內(nèi)缺陷定性、定量判定提供依據(jù)。

1 超聲檢測原理

離心復(fù)合軋輥生產(chǎn)中使用最廣泛的無損檢測方法包括：超聲檢測，渦流檢測，滲透檢測等[1]。超聲檢測適用于軋輥內(nèi)部缺陷分析。渦流檢測主要用于對軋輥表面及近表面質(zhì)量的判定。滲透檢測適用于軋輥表面開放式缺陷的檢測。目前軋輥制造廠均采用超聲檢測離心復(fù)合鑄造軋輥工作層厚度及過渡層質(zhì)量。

超聲檢測技術(shù)(UT)是基于聲波反射原理[2]。在均勻的介質(zhì)中，超聲波會沿著一定的方向，以固定的速度傳播，但當(dāng)傳播介質(zhì)內(nèi)存在非均勻的界面時，超聲波就會發(fā)生反射、折射和繞射現(xiàn)象。超聲檢測的最小缺陷當(dāng)量為λ/2。界面反射回波的強(qiáng)弱主要取決于兩種非均勻介質(zhì)的聲阻抗大小，阻抗差值越大，其界面反射回波越強(qiáng)。

軋輥結(jié)合層處的缺陷主要包括過渡層結(jié)合不良、過渡層內(nèi)存在氣孔、非金屬夾雜、裂紋等缺陷，對這些缺陷進(jìn)行超聲波定性、定量判定很大程度上依賴無損檢測人員的經(jīng)驗和對特定產(chǎn)品工藝、成分的充分理解。下面介紹一些常見缺陷的回波特征：(1)裂紋性缺陷。由于裂紋與基體的聲阻抗差值較大，超聲波回波較高，起波速度快，有特定的延伸長度，當(dāng)探頭越過缺陷時，回波迅速消失。(2)非金屬夾雜缺陷。回波特點多為單個回波信號，起波速度不快，回波占寬較大等。(3)氣孔缺陷?；夭ㄌ攸c為波形較穩(wěn)定，呈單縫形，有點狀夾雜的特征[3]。

2 人工對比試塊制作

選用輥身尺寸為?1 000 mm×3 000 mm的離心復(fù)合鑄造軋輥，軋輥工作層材料為無限冷硬高鎳鉻，芯部材料為球墨鑄鐵。在輥身上制取80 mm×80 mm×100 mm的無損檢測標(biāo)準(zhǔn)試塊，試塊在高度方向上包含軋輥工作層、過渡層和芯部。在試塊底部鉆取?3 mm、?5 mm缺陷孔，試塊尺寸及缺陷孔位置及尺寸如圖1所示。探測面至平底孔之間為軋輥工作層，平底孔所在部位為芯部材質(zhì)。

3 過渡層金相及缺陷波特征分析

3.1 過渡層金相組織分析

無損檢測試塊過渡層微觀組織如圖2所示。從圖2可以看出，工作層的實際厚度約為51 mm，過渡區(qū)寬度約為2 mm。芯部組織包括鐵素體、珠光體、少量碳化物和球狀石墨。工作層組織包括碳化物、馬氏體和片層狀石墨。過渡層內(nèi)接近工作層部分碳化物體積較大，數(shù)量較多，而接近芯部球墨鑄鐵部分碳化物數(shù)量明顯減少，可以將這兩部分分為熔融區(qū)和半熔區(qū)，過渡層內(nèi)未發(fā)現(xiàn)結(jié)合不良及夾雜缺陷。

3.2 超聲檢測波形特征

選用國產(chǎn)的HS511型數(shù)字式超聲檢測儀，采用2 MHz直探頭，探頭直徑為?24 mm，耦合劑采用機(jī)油，按照GB/T1504—2008標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測。

未鉆孔的試塊超聲檢測波形特征如圖3a所示。初始缺陷靈敏度增量設(shè)為64.2dB，過渡層處的界面回波出現(xiàn)了雙聯(lián)回波，高波對應(yīng)的高度為20%滿屏高，波寬較寬，高波對應(yīng)的外層厚度為51.1 mm，低波對應(yīng)的外層厚度為45.5 mm。采用金相法測量的實際外層厚度為51 mm，根據(jù)過渡層處回波較高的波確定試塊外層厚度與實際外層厚度接近。

圖1 高鎳鉻無限冷硬軋輥用超聲檢測標(biāo)準(zhǔn)試塊簡圖Figure 1 Diagram of ultrasonic standard block for high Ni-Cr infinite chilled roller

圖2 高鎳鉻無限冷硬離心復(fù)合軋輥過渡層微觀組織(×100)Figure 2 The microstructure of transition layer for high Ni-Crinfinite chilled centrifugal composite roller (×100)

(a)底部未鉆孔波形 (b)?3 mm平底孔處波形 (c)?5 mm平底孔處波形

圖3 高鎳鉻無限冷硬軋輥試塊超聲檢測波形
Figure 3 Ultrasonic testing wave form of high Ni-Cr infinite chilled roller test block

?3 mm和?5 mm人工缺陷孔處的超聲檢測波形特征如圖3b和圖3c所示。初始缺陷靈敏度增量設(shè)為60.2dB。?3 mm缺陷孔處的波形出現(xiàn)了雙聯(lián)回波，高波高度為54%滿屏高，波寬不大，高波處對應(yīng)的厚度為51.8 mm，熔融區(qū)界面回波與?3 mm缺陷孔處的回波重合，其回波高度比未鉆孔的高。?5 mm人工缺陷孔處的波形也出現(xiàn)了雙聯(lián)回波，高波高度為100%滿屏高，波寬較寬，高波處對應(yīng)的厚度為52.8 mm，熔融區(qū)界面回波與?5 mm缺陷孔處的回波重合。由此可見，過渡層內(nèi)存在結(jié)合不良或夾雜缺陷，會導(dǎo)致過渡層反射回波較高。

4 結(jié)論

(1)高鎳鉻無限冷硬軋輥無損檢測試塊過渡層主要包括半熔區(qū)和熔融區(qū)，界面回波形式為雙聯(lián)回波。

(2)根據(jù)雙聯(lián)回波的第2個高回波確定的工作層厚度與試塊的實際工作層厚度接近。

(3)軋輥結(jié)合層處出現(xiàn)的面積型缺陷尺寸越大，結(jié)合層處的超聲波反射回波越高。

[1] 劉紹昌，回楨玉，劉娜，等. 離心鑄造復(fù)合軋輥超聲波無損檢測缺陷判定與質(zhì)量改進(jìn)措施[J]. 現(xiàn)代鑄鐵，2007，3: 71-76.

[2] 全國鍋爐壓力容器無損檢測人員資格考核委員會編寫. 超聲波無損檢測[M]. 北京: 勞動人事出版社，1989 ，7(1): 11-17.

[3] 劉建軍. 超聲波無損檢測軋輥內(nèi)部缺陷的波形特征[J]. 無損檢測，2010，32(3): 232-234.