T7空氣淬火在鋁合金氣缸蓋生產(chǎn)中的應(yīng)用

上海交通大學(xué) （200233） 王躍威

鑄造鋁合金由于密度小，易于鑄造成形的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)?，F(xiàn)在的乘用車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋全部是用鋁合金鑄造的。

目前有多種鋁合金用于乘用車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋的鑄造，材料牌號(hào)不盡一致，GB、ISO、EN等應(yīng)用都比較普遍，但是還有一些整車(chē)工廠(chǎng)使用其內(nèi)部牌號(hào)。目前量產(chǎn)應(yīng)用最廣泛的是 AlSi7Cu3Mg，這種鋁合金不需要熱處理（只需要自然時(shí)效即可），成本低。

但是隨著環(huán)保法規(guī)要求越來(lái)越嚴(yán)格，汽車(chē)廠(chǎng)在設(shè)計(jì)整車(chē)時(shí)，輕量化是提高燃油效率最直接的方法，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)縮小尺寸是普遍趨勢(shì)，因此，現(xiàn)在很多主機(jī)廠(chǎng)都把排氣管或正時(shí)罩蓋集成在缸蓋上。這樣做既可以減小缸蓋尺寸，又可以采用增壓的方式提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，這就使缸蓋的服役條件越來(lái)越苛刻，缸蓋必須能承受汽油燃燒時(shí)高溫沖擊所產(chǎn)生的熱沖擊疲勞，所以需要有一種新的鋁合金來(lái)滿(mǎn)足性能要求。這種合金必須同時(shí)具有保持較高的組織穩(wěn)定性和尺寸穩(wěn)定性的能力，AlSi7Cu0.5Mg0.3就是在這種要求下所開(kāi)發(fā)出來(lái)的。因?yàn)橛心蜔崞谛阅艿囊螅@種合金需要做固溶處理和過(guò)時(shí)效處理，但是由于這種缸蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，如果固溶處理是用傳統(tǒng)的水作為淬火冷卻介質(zhì)，由于冷卻速度快，缸蓋會(huì)產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力導(dǎo)致其變形甚至開(kāi)裂，所以淬火冷卻介質(zhì)要既能達(dá)到固溶處理的效果，又能降低缸蓋的內(nèi)應(yīng)力，空氣就是適合這種要求的介質(zhì)，不會(huì)有過(guò)高的冷卻速度，但是普通的空冷，由于冷速過(guò)慢（簡(jiǎn)易的風(fēng)扇冷卻）不能起到固溶的作用，所以空氣淬火必須達(dá)到一定的冷卻速度，但是冷卻速度又不能過(guò)大，T7空氣淬火就可以滿(mǎn)足這種要求。

1.T7空氣淬火工藝

T7空氣淬火工藝是缸蓋先經(jīng)過(guò)固溶處理（空氣淬火），然后進(jìn)行過(guò)時(shí)效處理，來(lái)達(dá)到力學(xué)性能要求。

T7空氣淬火工藝曲線(xiàn)與傳統(tǒng)的水淬火的區(qū)別在于，空氣淬火階段的曲線(xiàn)平緩降低，如圖1所示，曲線(xiàn)1為水淬火曲線(xiàn)，曲線(xiàn)2為空氣淬火曲線(xiàn)。

圖1

要實(shí)現(xiàn)T7空氣淬火工藝，只需要將傳統(tǒng)的水淬火工位改成空氣淬火即可，但是要實(shí)現(xiàn)工藝所要求的曲線(xiàn)（淬火冷卻速度），空氣淬火室設(shè)計(jì)非常重要，既要滿(mǎn)足冷卻速度要求，又要達(dá)到批量生產(chǎn)的節(jié)拍。根據(jù)目前的資料，歐洲的主流設(shè)計(jì)是隧道式熱處理線(xiàn)，這種線(xiàn)易于設(shè)計(jì)，又可以滿(mǎn)足大批量生產(chǎn)的要求，缺點(diǎn)是占用空間大；國(guó)內(nèi)還有回轉(zhuǎn)式T7空氣淬火線(xiàn)，優(yōu)點(diǎn)是占地少，但產(chǎn)能受限。

因此，我們的項(xiàng)目選用隧道式熱處理線(xiàn)，熱處理線(xiàn)布局如圖2所示，淬火后的零件由轉(zhuǎn)運(yùn)小車(chē)轉(zhuǎn)運(yùn)到時(shí)效爐中。

圖2

2.T7空氣淬火溫度曲線(xiàn)測(cè)量

缸蓋T7空氣淬火的具體工藝要求是在530～540℃保溫5h進(jìn)行固溶處理，空氣淬火冷卻速度小于4℃/s， 然后在195～205℃保溫5h進(jìn)行時(shí)效處理。

缸蓋經(jīng)過(guò)熱處理后力學(xué)性能要達(dá)到以下要求：Rm≥240MPa， Rp0.2≥190MPa，A≥4%， 硬度（火力面）≥85HBW，拉伸試棒在缸蓋本體燃燒室處取樣。

為了使熱處理工藝過(guò)程穩(wěn)定，在熱處理線(xiàn)交付使用之前需要對(duì)整條熱處理線(xiàn)的爐溫進(jìn)行測(cè)量，確認(rèn)是否整個(gè)熱處理過(guò)程爐溫波動(dòng)不超過(guò)工藝要求。

溫度曲線(xiàn)測(cè)量采用爐溫測(cè)量?jī)x進(jìn)行全程測(cè)量，同時(shí)測(cè)量時(shí)還要保證零件按照設(shè)計(jì)要求裝滿(mǎn)整個(gè)熱處理爐，這樣才能使測(cè)量結(jié)果可靠。

熱處理時(shí)缸蓋豎直放置在熱處理筐中，將每個(gè)筐中裝滿(mǎn)缸蓋，測(cè)量時(shí)在缸蓋的燃燒室上安裝熱電偶，并在熱處理筐中選3個(gè)位置來(lái)測(cè)試，如圖3所示，爐溫測(cè)量?jī)x也同時(shí)放置在熱處理筐中（為了爐溫測(cè)量準(zhǔn)確，熱電偶應(yīng)用數(shù)量越多，布局越均勻，則爐溫測(cè)量越準(zhǔn)確）。

圖3

第一次測(cè)量結(jié)果，測(cè)量曲線(xiàn)如圖4所示。

圖4

經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析各個(gè)階段的溫度波動(dòng)，固溶爐內(nèi)的部分區(qū)域超過(guò)了固溶處理工藝的上限溫度540℃，需要調(diào)整，固溶時(shí)間超過(guò)了工藝要求的5h，符合工藝要求，如圖5所示。

圖5

最重要的空氣淬火曲線(xiàn)符合設(shè)計(jì)要求，冷卻速度小于4℃/s，如圖6所示。

圖6

時(shí)效溫度大部分區(qū)域超過(guò)了溫度上限205℃，需要調(diào)整，時(shí)效時(shí)間超過(guò)了工藝要求的5h，符合工藝要求，如圖7所示。

根據(jù)溫度曲線(xiàn)的偏差，設(shè)備廠(chǎng)家調(diào)整了相關(guān)的設(shè)備參數(shù)，并進(jìn)行了多次的溫度測(cè)量，目前所有的溫度曲線(xiàn)波動(dòng)均勻，并且在工藝規(guī)范之內(nèi)。

最近一次的溫度曲線(xiàn)測(cè)量結(jié)果如圖8所示，爐溫曲線(xiàn)波動(dòng)平穩(wěn)，基本達(dá)到了了設(shè)計(jì)要求。

圖7

圖8

固溶處理階段的溫度基本在中值左右波動(dòng)，如圖9。

圖9

空氣淬火曲線(xiàn)平緩，冷卻速度小于4℃/s，并且與第一次測(cè)量結(jié)果比較變化不大，說(shuō)明空氣淬火爐設(shè)計(jì)合理，運(yùn)行穩(wěn)定，如圖10所示。

時(shí)效階段的溫度波動(dòng)也在公差范圍之內(nèi)，但是前期局部溫度靠近上限，后期局部溫度靠近下限，如圖11所示，需要在量產(chǎn)前進(jìn)行微調(diào)。

圖10

圖11

選3件缸蓋，在缸蓋的本體燃燒室處取拉伸試樣，經(jīng)力學(xué)性能測(cè)量，符合技術(shù)要求，結(jié)果見(jiàn)附表。

力學(xué)性能測(cè)量結(jié)果表

3.結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)爐溫曲線(xiàn)測(cè)量和分析，T7空氣淬火熱處理線(xiàn)已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，并且經(jīng)過(guò)力學(xué)性能檢測(cè)，符合技術(shù)要求。

（20131109）