铁铸件无损检测技术指南：方法选择与应用实践

铁铸件作为基础工业材料，其内部质量直接决定了最终产品的安全与性能。从灰铸铁、可锻铸铁到球墨铸铁与蠕墨铸铁，不同的石墨形态和基体组织赋予了它们迥异的力学特性，同时也带来了各自独特的缺陷类型与检测挑战。本文将系统梳理各类铁铸件的无损检测（NDT）策略，旨在为研发工程师与品控经理提供一份实用的技术参考。

1. 灰铸铁件的质量控制

灰铸铁，以其珠光体和铁素体基体中分布的片状石墨为特征，因其优良的铸造性能和减振性而应用广泛。然而，较高的浇注温度和工艺特性也使其容易产生多种铸造缺陷。

1.1 典型铸造缺陷及其检测

• 内部缺陷：气体与夹杂物

  • 截留气体（气孔）：其来源多样，可能源于熔炼过程中的残留气体，也可能是在浇注或与型芯、模型材料交互中产生。对于这类内部体积型缺陷，射线照相法（RT）是首选的检测手段，能够提供直观、可靠的图像。当缺陷尺寸较大时，超声波检测（UT）和涡流检测（ET）也能有效发现。
  • 夹杂物：指熔渣、耐火材料或型砂等外来固体物质被裹挟在铸件内部。内部夹杂物的检测逻辑与气孔类似，射线照相法依然是最可靠的工具，超声波法也可作为辅助。对于出露于表面的夹杂物，目视检测（VT）即可识别。
  • 组织缺陷（收缩）：与金属凝固收缩相关的缺陷，形态包括集中的缩孔、弥散的海绵状疏松区，乃至表面的凹坑。这些内部不连续缺陷同样优选射线照相法进行评估。涡流或超声波法也能在一定程度上检出，而硬度变化和显微疏松则需借助布氏硬度测试等方法来评定。

• 断裂与表面缺陷

  • 金属壁断开：热撕裂、冷隔和铸造裂纹等，通常与铸件结构设计或生产节拍有关。这类开口性缺陷，采用目视、液体渗透（PT）或磁粉检测（MT）等表面方法即可有效发现。
  • 表面瑕疵：如粘砂、鼠尾、胀砂等，主要影响铸件的表面质量和尺寸精度，一般通过目视检测进行把控。

1.2 石墨形态对检测的影响

灰铸铁中的片状石墨不仅决定了其力学性能，也对无损检测过程产生直接影响。石墨片的尺寸（粗度）通常用1-8级进行评定（如ASTM A247标准，对应长度从1.25 mm到0.01 mm）。

图1 在含有不同百分比的片状游离石墨铸铁中纵波声速随石墨尺寸的变化关系注：坐标右侧表示铸铁中声速与钢中声速之比。

如图1所示，石墨的尺寸和含量显著影响超声波在材料中的传播速度。大量的片状石墨会割裂金属基体的连续性，降低材料的磁性能。在进行磁粉检测时，这些片状石墨如同微小的缺陷，会产生泄漏磁场，当石墨富集时，甚至可能形成干扰判断的假指示。

2. 可锻铸铁件的无损评估

可锻铸铁中的石墨呈团絮状，其常见的缺陷是气孔和针眼。

对于内部气孔，可采用5 MHz频率的双晶探头进行超声波检测，操作时需确保有机玻璃楔块与工件表面良好耦合。而针眼是一种微小的表面收缩缺陷，肉眼难以察觉。但在荧光磁粉检测下，它们会显示为一群短而不连续的磁痕，其长度通常在1.6 mm以下，深度不超过75 μm。

超声波技术在可锻铸铁的质量控制中扮演着更深层的角色。超声波声速和衰减的变化与团絮状石墨的含量直接相关，这使得利用常规的脉冲回波超声仪进行材料分级成为可能。当石墨的团絮化程度降低（即非球状石墨增多）时，声散射效应增强，导致声衰减上升；反之，未团絮化区域的纵波声速则会更快，这主要是由弹性模量的变化引起的。因此，在基体组织已知且一致的前提下，超声波测量可作为一种快速、有效的工具，用以评估石墨形态，间接指示其强度性能。

然而，需要明确的是，超声波对基体相的变化并不敏感。当面对不同基体组织的可锻铸铁时，单纯依赖超声波测量可能无法准确反映力学性能的全貌，此时必须结合硬度检测等其他方法进行综合评判。

3. 球墨铸铁件的综合检测

球墨铸铁通过在铁水中添加球化元素，使石墨以细小的球状形态存在，从而获得了优异的强度和韧性。其无损检测不仅关注宏观完整性，更深入到对关键微观组织的确认。

3.1 坚实性与完整性检测

• 表面与近表面缺陷：对于开口的裂纹和撕裂，着色渗透（PT）和磁粉检测（MT）是标准方法，其中荧光磁粉法因其高灵敏度而被广泛采用。
• 内部缺陷与整体评估：
  • 声学方法：对于大批量生产的小型铸件，声共振法是一种极为高效且经济的选择。通过测量铸件的固有振动频率及其衰减率（阻尼特性），可以快速筛查出存在裂纹或内部缺陷的个体，实现100%的在线自动检测。
  • 超声波法：用于检测内部不连续缺陷。反射法可能会因缺陷散射而导致底波信号丢失，而透射法则表现为信号强度的显著减弱。在检测近表面缺陷或薄壁铸件时，采用斜探头能获得更好的信噪比。探头耦合与结果判读的准确性，高度依赖于检测人员的经验和技巧。
  • 射线照相法：X射线或γ射线同样适用于球墨铸铁的内部质量检测。但由于球状石墨的存在，其图像判读难度相较于钢件更高，尤其是在厚大断面（如厚度达500 mm）的铸件中，通常需要借助图像增强技术来提高缺陷的辨识度。

3.2 石墨组织的确认

评估球化率是球墨铸铁质量控制的核心。由于材料的弹性模量和强度随着石墨形态从片状向球状转变而显著提升，而超声波声速及共振频率又与弹性模量直接相关，这便建立了无损检测与材料性能之间的桥梁。

• 超声波与声共振法：在基体组织保持不变的情况下，测量超声波声速或共振频率，可以非常有效地评估球化率、抗拉强度等关键性能指标，这弥补了传统金相法评估球化率时存在的主观性。图2和图3清晰地展示了超声波声速与球墨铸铁强度及球化率之间的良好对应关系。

图2 超声波速度与球墨铸铁强度的关系

图3 铸态和热处理过的球墨铸铁中球化率的百分数与纵波声速的关系

• 涡流法：当球墨铸铁的基体组织（如珠光体-铁素体比例）发生变化时，超声波读数可能无法反映力学性能的真实改变。此时，涡流检测展现出其独特优势。由于珠光体与铁素体在磁导率和电导率上存在差异，基体组织的变化会引起涡流线圈阻抗的改变。实验表明，在石墨形态相似的条件下，使用50 kHz的涡流探头可以有效评估球墨铸铁的硬度和拉伸性能，且不受热处理状态和原始成分的影响。

准确评估球墨铸铁的综合性能，往往需要多种NDT技术的协同，并结合金相与力学测试进行验证。这正是专业检测实验室的核心价值所在。 精工博研测试技术（河南）有限公司（原郑州三磨所国家磨料磨具质量检验检测中心），央企，国字头检测机构，专业的权威第三方检测机构，专业检测铸件无损检测与金相分析，可靠准确。欢迎沟通交流，电话19939716636

4. 蠕墨铸铁件的无损检测

蠕墨铸铁的石墨形态介于片状与球状之间，主要呈蠕虫状。其在缩孔、缩松、夹杂、裂纹等完整性缺陷的无损检测方面，可完全参照球墨铸铁的方法进行。

其质量控制的特殊之处在于对“蠕化率”的评估。目前主要有两种无损检测路径：

1. 声振法：对于结构固定的蠕墨铸铁件，其固有频率与蠕化率存在稳定的对应关系。通过前期试验，可以标定出合格蠕化率范围所对应的固有频率区间，用于批量生产的快速筛选。
2. 声速法：利用超声波声速与石墨形态及抗拉强度的关联性，通过测量声速来间接评定蠕化率是否达标。