氣缸蓋進排氣門密封帶高頻感應淬火工藝研究

2018-03-22 02:13:36趙瑞郭巨壽

金屬加工(熱加工) 2018年3期

■ 趙瑞，郭巨壽

1. 概述

由于新型發動機比功率越來越高，導致鋁合金缸體和缸蓋許多部位工作溫度超過200℃，這時其強度迅速下降，難以承受所受機械載荷。為此，歐美等工業發達國家首先將蠕墨鑄鐵用做氣缸蓋的重要材料。

緊湊的結構取消專門氣門座，但氣門座孔必須有一定的耐磨性。由于高功率密度的特殊要求，以及蠕墨鑄鐵感應淬火和鋼鐵感應熱處理的過程同普通熱處理一樣，是固態相變的過程，因此可選擇感應淬火或激光淬火。

早期采用激光淬火，經激光表面熔融處理后的組織，由共晶奧氏體和共晶滲碳體機械混合組成，為鐵碳相圖共晶轉變的產物。純萊氏體中含有的滲碳體較多，故性能與滲碳體相近，即極為硬脆。另外，激光淬火深度一般為0.1～0.8mm，掃描式淬火總有復加熱的部位，對于氣缸蓋座孔特殊部位，激光淬火較難控制，易出現局部燒化、裂紋、表面凹凸不平等缺陷。因此，針對上述產品圖樣的特殊要求，很有必要研究其高頻淬火工藝，解決目前激光淬火難以感應滿足要求的問題。

2. 研究目標及難點

（1）利用現有設備，通過設計與其匹配的專用感應器，達到迅速使零件進排氣密封帶局部加熱和冷卻，避免噴液冷卻，滿足淬硬層深度、硬度的技術要求。

（2）保證密封帶淬硬且不燒化、不裂的情況下，研究電參數對零件感應淬火深度的影響，確定最優的電參數指導生產。

（3）鑄鐵件感應加熱因導熱性較弱 , 加熱時間比鋼件為長，一般在幾秒以上，并應保溫一段時間使難溶的組織溶入奧氏體，若加熱速度快會導致過高的熱應力，易產生裂紋。

（4）由于零件的形狀較復雜，結構不對稱，所以制造仿形且能均勻加熱的感應器較難，淬火機床精度下降，感應器與零件的間隙不能精確定位。因此，實現批量生產且質量穩定，應對淬火機床進行改進。

3. 研究內容

基體材料蠕墨鑄鐵的蠕（球）化率85%，珠光體量50%～70%，抗拉強度≥445MPa，斷后伸長率＞2%，硬度＜249HBW。石墨形態及基體組織如圖1、圖2所示。

技術要求氣缸蓋進排氣門密封帶表面硬度47～55HRC，硬化層0.8～1.5mm。

根據缸蓋密封帶錐面角度及尺寸，設計專用感應器，其加熱工作部位角度和尺寸與缸蓋密封帶一致，保證加熱溫度及面積的均勻性。

采用高頻感應同時加熱淬火法工藝規范制訂基礎數據：

根據設備電流頻率、零件硬化層和表面積選定電流頻率為200～250kHz。根據淬火面積選擇同時加熱法。

高頻電參數的確定：現有感應加熱設備陽極空載電壓Ub＝12.5kV，陽極負載電壓Ua＝12kV，槽路電壓Uc＝10kV，陽極電流Iao＝10A，柵極電流Igo＝1.4A。

利用以上電參數核對高頻輸出功率：

式中γ——陽極電流利用系數，一般取1.7；

n——振蕩管個數，取n＝1。

核算結果表明，采用以上電參數設備，其輸出功率大于要求功率，說明所選比功率合適，故最終決定使用GP100型高頻感應加熱設備。

確定加熱時間t：加熱時間可由相關資料查取并進行工藝試驗，最后確定為12～18s，因加熱面積小、工件大、蓄熱量大，故用自冷的方法。

由于該工件為局部薄壁，積蓄熱量較少，因此無法進行自回火，故采用箱式爐回火，回火溫度為180℃，保溫2h。

采用下列三種試驗方案。

方案1：加導磁體感應器，工件旋轉法。

方案2：不加導磁體感應器，工件旋轉法。

方案3：不加導磁體感應器，工件不旋轉，感應器本身匯合處電流密度小的部分對準壁薄處（方案1、2出現過熱處）。

方案1由于缸蓋體積大、密封帶加熱面積較小，因此在感應器的有效圈上裝導磁體，其具有良好的磁導率，當高頻電流通過導體時，磁力線將主要從導磁體中通過，確保加熱區域磁通密度最大，因而自感電勢也最大。理論上加裝導磁體的感應器加熱速度更快，但設計制造出的感應器，在實際試驗中由于加熱速度快，溫度不好控制，零件極易產生裂紋。

方案2保證加熱區域達到理想的加熱速度、溫度、深度。圖3為設計的淬火感應器的實物（不加導磁體）。

方案1、方案2試驗后，盡管采用旋轉法加熱解決了感應器本身匯合處電流密度小、加熱不均勻的問題，但是由于零件的加熱帶厚度有差別，壁薄處存在局部過熱現象。為了解決這一問題制訂了方案3。經試驗，方案3效果較好，以下均為方案3試驗結果。

圖1 石墨形態（蠕蟲狀+少量球狀）100×

圖3 感應淬火器實物

圖5 氣缸蓋淬火順序

4. 研究檢驗結果

圖4為氣缸蓋高頻感應淬火前零件實物, 4個氣門座孔選取不同的參數感應淬火，編號及形狀如圖5所示，電參數如表1所示。

5. 檢驗結果

檢驗結果統計情況如表2所示，解剖1#座圈按圖6所示1～4部位取樣進行組織及淬硬層深度檢驗，表面淬火組織均為馬氏體+殘留奧氏體，各個位置的表層淬火組織和淬硬層深度如圖7～圖10所示。

6. 結果分析

圖2 基體組織（珠光體+鐵素體+石墨）500×

圖4 試驗用某型號氣缸蓋

圖6 氣缸蓋單孔解剖部位

蠕墨鑄鐵缸蓋氣門座感應淬火能形成高的壓應力狀態的馬氏體硬化層，感應淬火為自淬火，不用任何外界冷卻介質，可產生極高的耐磨性，變形小，為了組織穩定、均勻，精密件可增加低溫回火處理。

精確穩定的高頻電源輸出是氣門座感應淬火質量重復性好的可靠保證，感應淬火感應器開口處的合理設計與制作，根據座圈的壁厚設計仿形高頻感應器，是保證氣門座圈圓周感應淬火層均勻性的必要條件。

感應淬火保證氣門座圈與感應器間隙是關鍵。通過對設定不同參數進行氣缸蓋氣門座淬火的金相解剖分析得出，采用適當的高頻電參數配合相應的加熱時間，都能獲得合格的缸蓋氣門座。因為氣門座經感應淬火的組織中有片（球）狀石墨、針狀馬氏體和少量的殘留奧氏體，其與氣門構成的一對摩擦副，具有極高的耐磨性，在發動機整機壽命期不發生過量磨損。

通過試驗，采用型號為GP100高頻淬火設備，確定各電參數分別為：直流電壓8.5～10kV，陽極電流4～4.6A，柵極電流1.4～1.6A，間隙5～7mm，時間12～18s。

由于現有高頻淬火設備只能手工操作，零件感應淬火部位結構不對稱，薄厚不均，受熱不均，導致鑄鐵導熱性差，加熱速度快，易產生應力集中，零件在高頻感應淬火階段如控制不當極易產生燒傷和裂紋。加熱溫度不宜太高，溫度過高時殘留奧氏體量較多，影響疲勞性能。因此，在氣門座孔部位高頻感應淬火時，溫度低一些能淬硬是最好效果，但是要想達到這樣的效果，只能調整零件材料的合金元素含量及珠光體含量。合金元素及珠光體含量多一些，淬火時較低的溫度就能淬硬，硬度也能提高。