超声波探伤在铁基粉末冶金零件生产中的应用.pdf

第 1 9 卷第 6期 2 0 0 9年 1 2月 粉末 冶金 工业 P oW DER M ETAI LURGY I NDUS TRY Vo1 ．1 9 No． 6 De c ．2 00 9 超声波探伤在铁基粉末冶金零件生产 中的应用 贾 兰 东睦新材料集 团股份 有限公司 ， 宁波3 1 5 1 9 1 摘 要 以铁基 粉 未 冶金 零件 作 为研 究对 象 ， 首 先通过 超 声 波探 伤 将零 件按 断 裂 的严重 程度 分 为 4组 ， 然后 对零 件上 超 声 波质疑 处 采 用金相 、 扫 描 电镜 、 断 口宏观 形 貌 、 压溃 力值 等检 测 方法 证 实超 声波探 伤 结果 的 可靠 性 。 关 键词 铁 基粉 末 冶金 零件 、 超 声 波探 伤 、 缺 陷波 波 高 AM 、 烧 结颈 、 方差 分析 中图分 类 号 TF 1 2 4 文献 标 识码 A - 文章 编 号 1 0 0 6 6 5 4 3 2 0 0 9 0 6 0 0 3 3 0 5 AP PLI C ATI ON OF ULTRAS 0NI C I NS PECTI ON TO FERROUS P／ M PARTS JI A La n NB TM Ne w Ma t e r i a l s Gr o u p Co ．，Lt d ．， Ni n g b o 3 1 5 1 9 1， Ch i n a Ab s t r a c t Fe r r o u s P ／ M p a r t s o f ma s s p r o d u c t i o n a t NB TM we r e s t u d i e d ．Th e p a r t s we r e d i v i d e d i nt o 4 gr ou ps a c c or d i ng t o s e v e r i t y of f r ac t u r e d e t e r mi ne d by u l t r a s o ni c i ns p e c t i o n ． Th e n t h e d e f e c t s o f P／ M p a r t s we r e i n s p e c t e d b y me t a l l o s c o p y ，s c a n n i n g e l e c t r o n mi c r o s c o py，f r a c t og r a ph y，a nd t e s t on c o l l a ps e s t r e ngt h ．To v e r i f y t he r e l i s b i l i t y o f ul t r a s on i c i n s p e c t i o n r e s ul t s ． Ke y wo r d s f e r r o u s P ／ M p a r t s ； u l t r a s o n i c i n s p e c t i o n； h e i g h t o f d e f e c t wa v e ；s i n t e r i n g n e c k；a na l y s i s of v a r i a nc e 近年 来 随着 粉末 冶金 材料 和 工艺 技术 的不 断发 展 ， 粉末 冶金 零 件 在 汽 车 上 应用 得 越 来 越 广 泛 。然 而零件中的裂纹是非常致命的缺陷。在生产过程 中 如何 发现 、 诊 断这 一缺 陷 ， 在很 大 程度 上 限制 了铁 基 粉末 冶金 零件 的应 用 。 无损 探 伤技术 在 粉末 冶金 汽 车零 件裂 纹 检测 中 的应 用 ， 对 于 扩大 粉 末 冶 金 零 件 的 应 用 领 域 有 着 非 常重要 的意义 。 超声 波探 伤作 为一 种无 损 探 伤技术 ， 在铸 造 、 焊 接等 领域 的应 用 已经 较为 成熟 。 由于 粉末 冶金 材 料 的多孔特性， 超声波探伤技术在粉末冶金零件批量 生产 过程 的应 用一 直 处于 实验 阶 段 。 目前 我们 已经 将 超声 波探 伤 技术 成功 地应 用 于批 量生 产 的粉 末冶 金 零件 的裂 纹 检测 中 。 1 超声波探伤技术应 用 1 ． 1试 验设 备 1 超声 波探 伤仪 Kr a u t Kr a me r US N 5 2 I 2 探 头 V1 2 9 单 晶直探 3 压溃 力 S ANS C MT 5 1 O 5万 能试 验机 4 金 相显 微 镜 1 ． 2 零 件裂 纹部 位及 超声 波探 伤 方法 如 图 1 、 图 2所 示 的零件 的结 构 ， 零 件 的 台 阶是 通过 自动成形方法压制 出来 的， 由于模具使用一段 时间后表面粗糙度变大以及模具配合 问题等原因 ， 使 得在 批量 成 形 时可能 会 在 台阶根 部 模 具 配合处 产 生裂 纹 而不 易被 检查 出来 。 收稿 日期 2 0 0 9 0 5 2 2 作者简介 贾兰 1 9 6 7 一 ， 女 汉 ， 天津市人 ， 工程师 ， 主要从事粉末冶金零件分析工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 4 粉末冶金工业 第 1 9卷 采 用超声 波探 伤 技术 对 该 部位 裂 纹 的检 测 如 图 2 ， 可 以直接对 发生 在该 部位 的裂纹进行 判断 。 图 1 拟进行超声 波探伤零件示意图 1 ． 3选 定样 件及测 试分组对 比说 明 超声波探伤基本原理是反射定理 ， 即超声波在 两 种不 同介 质 的交界 面会发 生反射 ， 反射 回来 的能 1 不良品波形 3 不良 波形 图 2 超声波探伤演示 量 的大小是 通过 反射波 波高来 量度 的 。 反射波波高 如图 3所示为超声波探伤仪 的显 示屏 ， 将屏幕高度定义为 1 0 0 单位 ， 反射波波高是以 反射波 高度 相对 于显 示 屏 高度 的百 分 比来 量 度 ， 以 AM 表 示 。 2 不 良品波形 图 3 四种典型的超声波探伤波形图 通 常将被 测样 件 底 面 产生 的反 射 波称 为底 波 ， 在底面与测试面之间若 有裂纹 ， 断裂面处也会产生 一 个 回波 ， 被 称之 为缺 陷波 ， 正 常情况 下应该 只在 底 4 合格 品波形 面产生反射波， 出现缺陷波时说明测试面与底面之 间存在缺陷 。超声波探伤仪增益过大时 ， 会在 底波前面产生一些干扰波， 这些 干扰波很容易同缺 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 贾 兰 超声波探伤在铁 基粉末 冶金零 件生产中的应用 35 陷波相混淆 ， 但它们通 常不会很高 ， 为了方便操作 ， 一 般将 底 波 以外 的波 统 归 为缺 陷波 ， 通 过 大量 实 验 证 明缺陷 波 波 高小 于 3 O 的零 件 各 项 性 能 与 正 常 零件 没有 差别 ， 金 相检 验也 不 能发 现裂 纹 ， 所 以认 为 这种情况下零件无缺陷， 1 2 6 为超声波探伤仪可显 示 的最高波峰值 ， 高于 1 2 6 的波峰 高度 仪器全部 显示 为 1 2 6 ， 将 这样 的样件 归 为 一 组 ； 缺 陷 波波 高 在 3 0 ～1 2 6 时被认 为 断裂 程度 稍 弱 。 如 图 1所 示 在 产 品 上 选 4个 点 ， 第 一 个 角 T AB 1 上 两点 1号 、 2号 ， 第 二 个角 T AB 2 上 两 点 3号 、 4号 为 拟测 试 的部 位 ； 将样 件探 测 部位 的缺 陷 波波 高检 测结 果按 下 列 方式 分为 四类 表 1 A A 组样 品的 TA B 1上 1号 、 2号 两 点 即 整个表面 缺陷波波高皆为 1 2 6 oA 被认为断裂程度 最为 严重 的一 种情 况 ， TAB 2合 格 B B组 样 品 的 T AB 1第 1号 点 缺 陷 波 波 高 为 1 2 6 ， 2号 点 缺 陷 波 波 高 3 O ～ 1 2 6 被 认 为 断裂程度稍弱于 A组样 品的 T AB 1 ， TAB 2合格 C C组 样 品 的 TAB 1 上 l号 点 缺 陷 波 波 高 3 O ～ 1 2 6 ， 2号 点 超 声 波 探 伤 合 格 被 认 为 断 裂 程度 弱于 B组样 品 的 TAB 1 ， T AB 2合格 D 两 TAB超声 波 探伤 皆判定 合格 表 1 样件分 组探测部位 的缺 陷波波高 ％ 1 ． 4样 件 超声 波 波形 图选 及说 明 在 图 3中所 示 的 4种波 形 图 中 ， 1 3种 波 形 为 不 良品超 声 波 波形 图 ， 不 良程 度 依 次 减 弱 ， 第 4种 为合 格 品超 声波 波形 图 。 1 。 5对 比验证 试 验 1 ． 5 ． 1 压 溃力 试 验验证 图 4所 示 为压 溃力 试验 的装 夹 方式 。 每 组 样 品各 选 取 若 干 件 ， 以随 机 的顺 序 测 定 压 溃 力值 ， 通 过 压 溃 力 值 对 比 分 析 各 组 样 品 的 差 异 。 压 溃力 值 为纵 坐标 ， 样 品 的随机 测试 序 号为 横坐 标 ， 测得的各组样品压溃力值对 比情况如图 5所示。 由图 5可看 出从 A组 一 D组 ， 超 声 波质 疑 的角 压 溃力 值 TAB 1 一细 虚 线 与 超 声 波判 定 合 格 的角 图 4 压 溃 力 试 验 装 夹 方 式 压溃 力值 TAB 2 一实线 沿 纵 坐标 方 向总体 差 异 越 来 越 小 ， 可 粗 略 得 出 A 组 一 D 组 样 品 TAB 1与 TAB 2的压 溃力 差 值越来 越 小 。 A 组压 溃力 分 布 Z 理 鲻 目 Z 坦 终 Z i 鹫 R 鲻 1 J Z 迎 ． R 鲻 f 测 试序 号 B组压溃力分布 测试序号 C组 溃力分和 测试序号 D组压溃力分布 T AB 1 一细实线 超声波质疑 的角 ； T AB 2 一虚线 超声波判 定合格 的角 图 5压 溃力值对比情况 1 ． 5 ． 2 断 口宏观分析验证 图 6所 示为 各组 样件 断 口宏 观照 片 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 6 粉末冶金工业 第 1 9卷 超声 波 探 伤判 定合 格 的角呈 现 的 断 口细腻 、 色 泽 均匀 如图 6中 D 一 1 ， D 一 2 。 超声波探伤质疑的角断 口呈现有灰 白色斑痕 ， 且严重的有明显分层现象， A 组第 一个 角 A一 1 断 口分层 现象 最为 明显 ， B 一 1 组 次之 ， A、 B两组 断 口的 灰 白色 斑痕 面 积 也 较 大 ， C 一 1已几乎 看 不 出 分 层迹 象 ， 灰 白色斑 痕 面积也 明显 减小 。 图 6宏观断 口情况对比 1 ． 5 ． 3金相 分析 图 7所示 为超声 波探 伤质 疑部位 通过金 相分 析 发 现裂纹 。从 图 中可 以看 出 明显存 在 裂 纹 ， 说 明超 声 波探测 结果有 效 。 图 7 超 声 波 探伤 质 疑 部 位 发 现 裂 纹 1 ． 5 ． 4扫描 电镜 分 析 图 8所示 为 S E M 照 片 ， “ 灰 白色 区域 1 ” A、 B 两组样 品第 一个 角 断 口有 明 显 分层 的部 位 断 口呈 现 出铁 粉颗 粒 的原 始形 貌 ， 说 明该 处 在烧 结 前 就 已 经存在 裂纹 ， 烧结 颈没 有生 成过 ， 相对应 的压 溃力很 低 ； “ 灰 白色 区域 2 ” C组样 品第 一个 角 断 口的灰 白 区域 断 口虽 然可 观 察 到韧 窝 ， 但 数 量 较 少 ， 说 明此 处烧结颈不 良， 相对应压溃力也略有降低 ； “ 断 口深 色区域 ” 各 组 样 品 的 第 二 个 角 以及 D组 样 品 的第 一 个角 有众 多数 量 的 韧 涡 ， 此处 为 烧 结 颈 断裂 处 ， 是 在做压 溃实 验时压 断 的 ， 相对 应 的压溃力 最 高 。 1 ． 6数 据方差 分析 1 通 过 单 因 子 方差 分 析 检 验 同组 样 品 两 个角 压溃力 差异 的显 著性情 况如 表 2所示 。 断 灰白 域 l 断 f 1 灰 白p 域 2 断 『 ] 深色 域 图 8断 口形 貌 表 2方 差 分 析 数 据 汇 总 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 贾 兰 超声波探伤在铁基粉末冶金零件生产 中的应用 37 分析 结果 表 明 A、 B两组 两个 角 相 比较 的 P一 0 ． 0 0 0 ， C组 P一0 ． 0 i 0皆小 于 0 ． 0 5 ， 说 明 三 组 样 品 的两 个角 压 溃力 大小 有 明 显差 异 ， A 组 差 异 最 大 ， C 组差 异最 小 ， D组 P一0 ． 3 0 6 0 ． 0 5 ， 说 明 D 组 样 品 的两个 角 压溃 力大 小 没有 显 著 差 异 ， 可 认 为 9 5 9 ／ 6 的 置信区间内两个角压溃力相等； 2 四组样 品第 一个 角压 溃 力 数 据 方 差 分 析 P 一0 ． 0 0 0 ， 说 明 四组 样 品 的第 一 个 角压 溃力 大小 有 显 著 差异 ， 再 由箱 线 图 图 9 可 以看 出 A 组 样 品 第 一 个 角压 溃 力 明显 小 于 B组 样 品第 一 个 角 压 溃 力 ， B 组 样 品第一 个 角 压 溃 力 又 明显 小 于 C组 样 品第 一 个 角压 溃力 ， c组 样 品第 一 个 角 压 溃力 仅 略 小 于 D 组样 品第一 个角 压 溃 力 ， 这 与超 声 波探 伤 判 定 的 断 裂 程度 由坏 变好 的趋 势 也是 完 全 吻合 的 ； 图 9箱 线 图 3 由以上分 析 可 以得 出超 声 波 波 形 图与 被 测 样件 的 断裂程 度 有 着 密 切 的联 系 ， 那 么 断 裂 程 度 的 量化 反 映值 压溃 力值 与 超 声波 探伤 探测 到 的缺 陷 波波 高 AM 之 间 存 在着 怎样 的相 关 性 呢 以 C 组样 品 的第一 个 角为研 究 对 象 ， 做 如 下分 析 ①相 关 分 析 P一 0 ． 5 1 4 0 ． 0 5 ， 相 关 系 数 一 o ． 1 1 6 ， 说 明压 溃力 与 缺 陷波 波高无 线 性相 关关 系 ； ②散 点 图分 析 压 溃 力 值 k N 与 缺 陷 波 波 高 AM 9 ／ 6 的散 点 图呈 现 出 弥 散 状 况 ， 看 不 出 两 者 有 什么 明显 相关 关 系 见 图 i 0 。 Z 图 1 0 散 点 图 2 结束语 超 声波 探伤 作 为一 种检 测方 法运 用 于粉末 冶金 零件 的裂 纹 探测 具 有 非 常 长 好 的 可靠 性 ， 但 由于其 主要 测量 值 缺 陷波波 高 AM 与压 溃力值 大 小并 没 有 明显 的相 关关 系 可 循 ， 所 以它 不 能 作 为 一种 完 全 定 量 分析 方 法 ， 但 超 声 波 的质 疑 面 的 大 小 以及 波 形 却 与 压溃 力值 有 明显 的关 联 质疑 面积 越 大 ， 裂 纹 的面积 就 越大 ， 相应 的压 溃 力 值 就越 小 相 同质疑 面积 情 况下 ， 分 为 以下几种 情 况 1 底 波 1 2 6 ， 缺 陷 波 一1 2 6 如 波 形 图 选 1 所 示 ， 这 种 情 况 断 裂 最 为 严 重 ， 相 应 的压 溃 力 值 很 低 ； 2 底 波 一1 2 6 ， 缺 陷 波 一1 2 6 如 波 形 图 选 2所 示 ， 这 种 情 况 断 裂 程 度 也 较 严 重 ， 比第 一 种 情 况 略轻 ， 相 应压 溃力 值 也相应 较 高 ； 3 底 波 一1 2 6 ， 缺陷 波 为 3 0 ～ 1 2 6 如 波 形 图选 3所 示 ， 这类 零 件 断裂 程 度 最 轻 如 C组 零 件 ， 压 溃力 值较 高 ， 与 正常零 件 相差 不大 。 用 以上 规则 进 行 超 声 波探 测 ， 一 年多 的时 问 里 我们 探测 了各种 型 号 零 件 共 计 2 0 0多 万件 ， 绝 大 多 数 生产批 次 是没 有 问 题 的 ， 整 个 批 次 几 千 件零 件 完 全合 格 ， 但也 有个 别 生 产 批 次 超 声 波 探 伤 判定 不 良 品率 最 高者 可 达 4 0 ～ 5 0 ， 总 不 良品 率 为 0 ． 3 ％ 左右 ， 总 不 良品数 五 、 六 千 件 ， 经 超 声 波 探 伤 检验 过 发往 客户 处 的 零 件 无 一 件 因 零 件 自身 问 题 发 生 断 裂 ， 这一 点也 证 实超 声 波 探 伤 技 术 在 探 测 粉末 冶 金 零件 的 裂纹 方 面具有 非 常看好 的可靠 性 。 参 考文 献 [ 1 ] 超声 波探 伤编写组编写 ．超声 波探伤[ M] ． 北京 电力 工 业 出 版 社 出 版 ，l 9 8 0 ． [ 2 ] 美 国无损 检测学会编 ．美 国无损 检测手册 [ M] ． 上海 世 界 图 书 出 版 社 出版 ， 1 9 9 6 ． E 3 ] 唐 晓珍 主编 ．六 西格玛 核心 教程 黑 带读 本 [ M] ． 北 京 中 国标准 出版社 出版 ， 2 0 0 6 ． [ 4 ] 马林 ， 何桢主编 ． 六西格 玛管理[ M]．北京 中国人 民 大学 出版 社 ， 2 0 0 8 ． [ 5 ] 马 逢 时 ， 周 啤 ， 刘 传 冰 编 著 ．六 西 格 玛 管理 统计 指 南一MI NI T AB使用指导[ M] ．北京 中国人 民大学 出版 社 ， 2 0 0 7 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m