CN105510392B - 一种基于微电阻的废旧发动机气门无损检测方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于微电阻的废旧发动机气门无损检测方法属于再制造无损检测技术领域。确定新旧气门阻值大样本分布区间。在测试旧气门电阻之前，清洗后对于表面损伤不明显的气门，磨除测试部位的氧化层，测气门电阻，分别建立新旧气门阻值大样本数据库。结合高温损伤过程气门阻值变化规律，对比新旧气门阻值大样本分布区间，确定旧气门损伤判定阻值阈值。若组织成分变化剧烈(如21‑4N气门)，则在确定疲劳损伤判别阈值的同时，还要确定高温损伤判定阈值。本发明操作简单、效率高、成本低、且能定量评价，同样适用于其它材料的废旧进排气门无损检测，以及发动机中推杆、气门弹簧等承受疲劳载荷或疲劳‑高温耦合作用的大批量、结构简单小零件的无损检测。
Description
技术领域：
本发明属于再制造无损检测技术领域。
背景技术:
再制造产业是以产品全寿命周期理论为指导，以实现废旧产品性能提升为目标，以优质、高效、节能、节材、环保为准则，在性能失效分析、寿命评估等分析的基础上，进行再制造工程设计，以先进技术和产业化生产为手段，进行修复、改造废旧产品的一系列技术措施或工程活动的总称。发展再制造产业不仅有利于形成“资源－产品－废旧产品－再制造产品”的循环经济模式，可以充分利用资源，保护生态环境，而且能形成新的经济增长点，为社会提供大量就业机会，是促进制造业与现代服务业发展的有效途径。
2005年，国务院在《关于加快发展循环经济的若干意见》中明确提出支持发展再制造，第一批循环经济试点将再制造作为重点领域。2009年1月实施的《循环经济促进法》将再制造纳入法制化轨道。2010年5月，国家发展和改革委员会等11部门联合发文宣布，我国将以汽车发动机、变速箱、发电机等零部件再制造为重点，把汽车零部件再制造试点范围扩大到传动轴、机油泵、水泵等部件；同时，推动工程机械、机床等再制造。在国家政策的大力支持下，绿色再制造产业必将迎来高速发展。汽车发动机的再制造作为再制造产业中起步最早的分支，随着我国汽车保有量的快速增长，未来发展前景广阔。
再制造的工艺流程主要分为拆解、清洗、检测、机加工、装配、测试等环节，在拆解和清洗环节中，工人通过对零部件目视检测，挑选出有明显宏观损伤的零件报废，对于宏观损伤不明显但可能存在微观损伤的零件，需要利用无损检测技术进行检测，因为经受疲劳载荷的发动机零件(如气门等)，即使微观损伤很小也可能会对其疲劳寿命造成严重影响，因此应用无损检测技术判定废旧零件是否具有再制造价值是再制造流程中至关重要的一环。
目前常用的无损检测技术有五种：如渗透检测PT、磁粉检测MT、超声检测UT、涡流检测ET和射线检测RT。渗透探伤法虽然可检测各种材料，显示直观、操作方便、检测费用低，但仅能检测出零件表面及近表面较为宏观的开口缺陷；磁粉探伤法虽然操作简单，探测速度快，成本低，对铁磁性材料表面及近表面缺陷探测灵敏度较高，但不适用于非导磁材料和零件内部缺陷的检测；超声波探伤设备简单，探伤效率高，但探测结果判定困难，操作人员需经专门培训，探测结果的正确评定受人为思想束缚的影响较大，且对于形状复杂、表面粗糙、内部存在粗晶组织与奥氏体焊缝的零件探伤较困难；涡流检测虽然可不需与被测物直接接触，但只能检测导电材料的表面和近表面缺陷；射线探伤法虽然可以直观观察缺陷图像，但灵敏度还不够高，且检测时间长、成本高昂。针对废旧气门这种数量较多的批量小零件来说，检测速度快，成本低是基本要求，通过对复强动力有限公司(再制造发动机试点企业)调研了解到，渗透PT和磁粉检测MT常被用于气门的表面损伤检测，但仅能检测出表面较为宏观的缺陷。近年来企业在尝试利用超声检测气门焊缝处的缺陷，但反馈的效果很不理想，主观性太大。此外气门不但承受疲劳作用，还承受高温气体的冲刷作用，因此在高温下其组织成分会发生退化，高温损伤如晶粒长大、合金组织析出等用超声是很难评估的。有没有既对疲劳等造成的微观缺陷敏感，又能对高温环境造成的组织和成分的改变反应灵敏的无损检测技术呢？
近年来基于微电阻的研究开始出现，研究范围很广，包括金属韧性损伤、高温时效损伤、机械疲劳损伤和蠕变损伤各方面，研究结果表明微电阻对金属零件微观组织和成分的变化具有敏感性和精确性，零件损伤过程产生的微裂纹、微孔洞、位错、滑移等微观缺陷及成分的变化都会有宏观上的微电阻反应。目前针对标准试样研究得出的微电阻参量与不同损伤过程特征参量的映射关系及推倒出的众多经验公式还难以用于生产实际，若能在证明电阻法可行性的基础上，将其操作流程简化，那么电阻法将有望应用于发动机再制造企业急需的废旧气门等大批量小型再制造毛坯的无损检测。
发明内容:
1)电阻测试方法
电阻测试采用四线法(可排除接触电阻和接线电阻对测量结果的影响)的直流微电阻测量仪TH2512，分别将测量仪的四条测试线接于气门的杆部顶端和盘部底端，每次测量测试点位置相同。如图1所示。
2)确定加速高温损伤过程气门的电阻变化规律与组织成分演变的关系
通常排气门的工况温度为700℃-900℃，为了进行气门的高温加速损伤试验，将试验温度定为850℃。将至少3根电阻基本相同(设为R0)的新气门放入电阻炉中进行高温损伤，试验周期为12h，即每12h小时停炉冷却到室温。然后用砂纸打磨除去待测电阻部位氧化膜，应用TH2512智能直流微电阻测量仪测试不同高温损伤时间的气门电阻。同等损伤条件下的待测电阻气门至少有两个，以防止氧化膜未被除净等测量误差的引入，保证所测气门微电阻的真实性和精确性。进而得到高温损伤过程气门电阻变化规律及阻值变化区间[RT0,RT1]。由于高温损伤过程中合金元素的析出晶格畸变减小以及晶界合金元素的析出对晶界的钉扎作用减弱造成的晶粒长大等通常会引起电阻的降低，因此通常RT0<R0，电阻变化△RT0＝RT0-R0。此外固溶体的电性能还取决于固溶体组元的化学相互作用(能带、电子云分布)等复杂因素，RT1与R0的关系需要看具体材料的高温试验，电阻变化△RT1＝RT1-R0。从不同高温损伤时间气门的盘-杆过渡区切取试样用SEM和XRD观察高温损伤过程气门晶粒长大情况和新相析出情况，确定气门高温损伤过程中阻值变化与微观组织成分的对应关系。若组织成分变化剧烈(如21-4N气门)，则在确定疲劳损伤判别阈值的同时，还要确定高温损伤判定阈值。
3)确定新旧气门阻值大样本分布区间
在测试旧气门电阻之前，要对其进行彻底地除油清洗，目测排除气门盘锥面有腐蚀凹坑的旧气门，然后用磁粉检测MT快速排除表面有疲劳裂纹的气门，最后对于没有表面裂纹的气门，用砂纸磨除测试部位的氧化层，用四线法设备测试气门电阻，分别建立新旧气门阻值大样本数据库，新旧气门数量均不少于150个。未经高温损伤的新气门阻值分布区间为[Ra,Rb]，旧气门的阻值分布区间为[Rc,Rd]，新气门阻值区间[Ra,Rb]相对集中，包含于相对分散的旧气门的阻值区间[Rc,Rd]中，其中由于前述高温损伤作用，造成Rc<Ra，而由于疲劳引起的微观损伤对电子的散射作用，引起Rd>Rb。
4)确定旧气门损伤判定阻值阈值
结合高温损伤过程气门阻值变化规律，对比新旧气门阻值大样本分布区间，确定旧气门损伤判定阻值阈值。对于高温损伤过程中组织成分基本保持不变的高温稳定性好的气门(6Cr21气门)，阻值低于新气门阻值区间下限Ra的旧气门均视为无疲劳损伤的可再制造毛坯，若所检旧气门阻值高于新气门大样本阻值的上线Rb+△RT1，则判定为微观疲劳损伤失效件，旧气门阻值高出Rb+△RT1越多，损伤越大，Rb+△RT1即为高温损伤过程中组织成分基本稳定的旧气门疲劳损伤评估阈值。由于发动机再制造企业统计的气门断裂失效的概率最大为1％，因此为了保证再制造气门的服役安全性和经济性，失效零件检出率应介于3％～8％之间，若检出率小于3％，则降低损伤判别阈值Rb+△RT1，直到检出率介于3％～8％之间。对于高温损伤过程中组织成分发生巨大变化的气门(21-4N气门)，低于新气门阻值下限Ra的气门由高温损伤引起，高于新气门大样本阻值上限Rb疲劳损伤占主导，因此高温稳定性较差的21-4N气门高温损伤判别阈值为Ra，疲劳损伤判别阈值为Rb。相对于高温稳定性较好的气门，高温稳定性较差的21-4N气门更容易受到高温损伤和疲劳损伤相互耦合的影响，阻值介于[Ra,Rb]的旧气门中会有损伤件漏检的情况发生。因此将失效零件检出率提高到介于5％～10％之间，若检出率小于5％，则从阻值介于[Ra,Rb]的旧气门中剔除阻值靠近损伤判别阈值的气门，直到检出率达到5％～10％。
该方法同样适用于其它材料的废旧进排气门无损检测，以及发动机中推杆、气门弹簧等承受疲劳载荷或疲劳-高温耦合作用的大批量、结构简单小零件的无损检测。
附图说明:
图1气门电阻测试示意图
(其中1为气门，2为测试线，3为直流微电阻测量仪)
图2 21-4N和6Cr21两种排气门在高温损伤过程电阻变化规律
图3不同高温损伤程度21-4N气门宏观形貌及金相组织(a)21-4N新气门(b)高温损伤252h(c)高温损伤444h
图4不同高温损伤程度6Cr21气门的金相组织(a)6Cr21新气门(b)高温损伤252h(c)高温损伤444h
图5高温损伤过程21-4N气门成分变化规律
图6高温损伤过程6Cr21气门成分变化规律
图7 6Cr21新气门阻值大样本
图8 6Cr21旧气门阻值大样本
具体实施方式:
旧气门阻值变化是高周疲劳产生的内部微观缺陷和高温时效引起的微观组织成分变化等多因素耦合的结果，为了判定高温损伤对气门电阻的影响程度，我们首先对气门高温损伤过程微电阻变化规律进行研究，在此基础上，才能更好的通过阻值的变化评估旧气门由疲劳载荷造成的损伤程度。
1确定加速高温损伤过程气门的电阻变化规律与组织成分演变的关系
1)试样及试验方法
选用6根21-4N和3根6Cr21奥氏体耐热钢排气门作为高温损伤试验对象，分别编号为1#-6#、7#-9#。将电阻炉温度定为850℃，每个电阻测试试验周期为12h，即每12h小时停炉冷却到室温，然后用砂纸打磨除去待测电阻部位氧化膜，应用TH2512智能直流微电阻测量仪测试不同高温损伤时间的气门电阻。同等损伤条件下的待测电阻气门至少有两个，以防止氧化膜未被除净等测量误差的引入。
2)高温损伤过程微电阻变化规律及原因分析
如图2所示，21-4N和6Cr21两种奥氏体耐热钢排气门的微电阻值随着高温损伤时间的增长都有先下降后上升，最终趋于平稳的变化规律。有研究表明，合金元素溶入形成固溶体时，合金导电性能将降低，电阻增大。合金元素的溶入使基体晶格发生畸变，对电子散射几率增加。因此高温损伤过程中合金元素的析出晶格畸变减小理论上会使材料电阻降低。但晶格畸变不是影响基体电阻率的惟一因素，固溶体的电性能尚取决于固溶体组元的化学相互作用(能带、电子云分布等)，21-4N耐热钢气门的初始微电阻值约为1.10mΩ，它的时间-电阻曲线相比6Cr21在高温损伤开始阶段多出长100h的微电阻相对平稳阶段Ⅰ。这一阶段，晶界处不连续脱熔，大量析出γ+M23C6(图5)并向晶内生长，层状组织增大了对电子的散射几率，有促使气门电阻升高的作用；于此同时，晶粒长大、晶界减少，对电子散射作用降低，两者对电阻变化的影响相互抵消，因此这一阶段阻值相对稳定。高温损伤100h后21-4N耐热钢气门的电阻开始下降(阶段Ⅱ)，持续约100h，到200h时的达到最低阻值为1.06mΩ。该阶段γ+M23C6层状组织生成速率放缓，直到饱和(图5)，而此时由于晶界合金元素被逐渐转化为晶内碳化物，晶界合金元素对晶界的钉扎作用不断减小，晶界加快移动，大晶粒吞噬小晶粒，晶粒迅速长大，它对电阻降低作用大于γ+M23C6析出对电阻的增大作用，综合因素导致电阻的下降。
高温损伤200h电阻开始上升持续约150h(阶段Ⅲ)，该阶段电阻的上升可能是由于晶内合金碳化物(图3-b)的逐渐增多引起的。到高温损伤350h后的阶段Ⅳ，合金元素的析出和晶粒的增长都达到极限，晶内合金碳化物也达到饱和状态，基体组织成分接近平衡状态，气门电阻趋于稳定，阻值约1.13mΩ，比气门初始电阻增加约0.03mΩ。21-4N气门高温损伤过程的电阻变化区间为[1.06mΩ，1.13mΩ]。
6Cr21气门在高温损伤过程中电阻变化规律与21-4N相比有很大不同，其电阻在高温损伤初期就迅速下降，约在高温加速损伤作用25h时达到最低阻值约1.37mΩ，比初始电阻1.45mΩ低约0.08mΩ。随后阻值在约25h内迅速反弹回初始阻值附近，高温损伤444小时后阻值小幅降低约0.0125mΩ。6Cr21气门高温损伤过程的电阻变化区间为[1.37mΩ，1.4375mΩ]。
3)宏微观组织及成分分析
a)宏观形貌及金相组织分析
观察21-4N和6Cr21两种排气门不同高温损伤程度的宏观形貌，并截取盘-杆过渡区部位材料，制样用王水进行腐蚀，利用SEM观察金相组织(图3、图4)。21-4N新气门的晶粒均匀，晶界清晰(图3-a)。高温损伤252h时，晶粒内有大量的黑色斑点，这是由晶界合金元素被大量转化为晶内碳化物造成的，由于晶界合金元素对晶界的钉扎作用减小，晶界的快速移动使得大晶粒吞噬小晶粒，晶粒可见明显长大；此时气门氧化皮已严重疏松、起皮，其完整性遭到严重破坏(图3-b)，抗氧化能力基本消失。21-4N气门在高温作用444小时后，合金元素大量从气门表面析出，材料严重老化，晶界已完全模糊；此时气门氧化皮已基本完全脱落，气门表面出现密集的腐蚀凹坑(图3-c)。虽然6Cr21新气门晶粒比21-4N新气门的大(图4-a)，但在850℃高温下252h(图4-b)和444h(图4-c)后的金相组织与新气门相比，晶粒却未见明显长大。这是由于6Cr21不含Ni而添加了Nb、V和提高了C、N含量以形成MC型碳化物，其熔点高、稳定性好，在高温下有效阻碍了晶界的滑移。相比21-4N，6Cr21在850℃的试验中抗氧化性优势非常明显，高温损伤252h和444h后，表面氧化皮依然致密完整。相比21-4N，高温下6Cr21材料排气门的阻值变化规律、微观组织相对更稳定，因此6Cr21具有更好的高温稳定性和抗氧化性。
b)XRD测试结果分析
21-4N气门高温损伤60h时基体中已有大量γ+M23C6析出，156h后气门各组分的含量已基本保持不变(图5)，说明此时晶内析出的γ+M23C6基本达到饱和。6Cr21新气门XRD结果未见M23C6，仅有微量高熔点NbN残留，这是由于6Cr21气门在固溶处理时温度较高碳氮化物溶解比较充分。在850℃高温下348h和444h后的XRD检测结果表明6Cr21气门在高温损伤过程中性能稳定无新相生成(图6)。
2确定6Cr21新旧气门阻值大样本分布区间
下面以高温稳定性较好的6Cr21气门为例，确定6Cr21新旧气门阻值大样本分布区间。在测试旧气门电阻之前，要对其进行彻底地除油清洗，首先目测排除气门盘锥面有腐蚀凹坑的旧气门，然后用磁粉检测快速排除表面有明显疲劳裂纹的气门，对于表面损伤不明显的气门，用细砂纸磨除测试部位的氧化层，用四线法电阻测量仪TH2512测气门电阻，分别建立新旧气门阻值大样本数据库，新气门测试数量为150个，旧气门测试数量为240个。
图7、图8分别为新旧6Cr21材料排气门的阻值大样本分布。新排气门阻值大部分集中在[1.43mΩ,1.477mΩ](图7)；旧气门阻值相对分散，阻值分布区间为[1.357mΩ,1.50mΩ]，大部分集中在[1.41mΩ,1.45mΩ]，其中有约1.25％的旧气门阻值升高较多，超过1.48mΩ(图8)。
3确定旧气门损伤判定阻值阈值
前述6Cr21气门在加速高温损伤过程中组织和成分基本保持不变，阻值的相对变化区间为[-0.08mΩ,-0.0125mΩ]，对于阻值区间为[1.43mΩ,1.477mΩ]的新气门，在经高温损伤后，阻值区间大约为[1.35mΩ,1.4645mΩ]，该区间与测得的旧气门的阻值区间[1.357mΩ,1.50mΩ]非常接近。该批6Cr21气门损伤气门电阻法判定阈值设为1.4645mΩ(即为Rb+△RT1)，因此，对于阻值高于1.4645mΩ的旧气门理论上均存在疲劳损伤，且阻值越高疲劳损伤程度就越大。该阈值下的缺陷旧气门检出率约为3.75％，高于复强动力有限公司统计的6Cr21气门断裂失效的最大概率1％，具有较高的安全系数。
基于电阻法评估废旧气门损伤操作简单、效率高、成本低、且能定量评价，因此可为发动机再制造企业提供一种较为经济、可靠的再制造气门毛坯无损检测方法。该方法可以扩展到检测其他经受疲劳载荷或疲劳-高温耦合作用的大批量小型再制造毛坯，如废旧推杆和气门弹簧等。
Claims (3)
1.一种基于微电阻的废旧发动机气门无损检测方法，其特征在于：
1)电阻测试：电阻测试采用四线法，分别将测量仪的四条测试线接于气门的杆部顶端和盘部底端，每次测量测试点位置相同；
2)确定加速高温损伤过程气门的电阻变化规律及组织成分演变的关系：
将试验温度定为气门工作上限温度850℃；将至少3根电阻阻值为R0的新气门放入电阻炉中进行高温损伤，每12h小时停炉冷却到室温，然后用砂纸打磨除去待测电阻部位氧化膜，并测试其电阻；
最后得到高温损伤过程气门电阻变化规律及阻值变化区间[RT0,RT1]，△RT1＝RT1-R0；具体为从不同高温损伤时间气门的盘-杆过渡区切取试样用SEM和XRD观察高温损伤过程气门晶粒长大情况和新相析出情况，确定气门高温损伤过程中阻值变化与微观组织成分的对应关系；
3)确定新旧气门阻值大样本分布区间；在测试旧气门电阻之前，要对其进行彻底地除油清洗，目测排除气门盘锥面有腐蚀凹坑的旧气门，然后用磁粉检测MT快速排除表面有疲劳裂纹的气门，最后对于没有表面裂纹的气门，用砂纸磨除测试部位的氧化层，测试其电阻，分别建立新旧气门阻值大样本数据库，新旧气门数量均不少于150个；未经高温损伤的新气门阻值分布区间为[Ra,Rb]，旧气门的阻值分布区间为[Rc,Rd]；
4)确定旧气门损伤判别阈值；对于6Cr21气门，阻值低于新气门阻值区间下限Ra的旧气门为没有疲劳损伤的可再制造毛坯，若所检旧气门阻值高于新气门大样本阻值的上限Rb+△RT1，则判定为疲劳损伤失效件，旧气门阻值高出Rb+△RT1越多，损伤越大，Rb+△RT1即为6Cr21旧气门损伤判别阈值；
对于21-4N气门，低于新气门阻值下限Ra的视为高温损伤引起，损伤判别阈值为Ra，高于新气门大样本阻值上限Rb视为疲劳损伤占主导，损伤判别阈值为Rb。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
对于6Cr21气门，失效零件检出率如果小于3％，则降低损伤判别阈值，直到检出率介于3％～8％之间。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
对于21-4N气门，若失效零件检出率小于5％，则从阻值介于[Ra,Rb]的旧气门中剔除阻值靠近损伤判别阈值的气门，直到检出率达到5％～10％。
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