發動機排氣閥溫度場試驗方法和結果

劉谷艷

摘要：通過試驗得到45Cr9Si3材料回火溫度和硬度對應曲線，通過排氣閥溫度場試驗，可以確定排氣閥在實際工作中的最高溫度以及排氣閥各部分工作溫度分布情況。為制造排氣閥選用正確材料和排氣閥的研發、設計提供數據參考。

Abstract： In this study， 45Cr9Si3 valve steel samples were first quenched and then tempered at different temperatures. Hardness of the heat-treated samples was investigated so that the relationship between tempering temperature and hardness was obtained. The results will provide reference data for the heat treatment of 45Cr9Si3 valves during manufacturing and the temperature-field experiments of engine valves.

關鍵詞：45Cr9Si3;溫度場;排氣閥

0? 引言

氣閥是發動機里比較重要的零件，所以在汽車發動機設計時，為了準確測量氣閥工作溫度，需要進行氣閥溫度場試驗，就是通過氣閥溫度場實驗來確保氣閥選材和設計能達到性能要求[1]。排氣閥溫度場實驗需要有種材料回火硬度與溫度對應標準表才能進行。要求制作排氣閥材料的硬度能比較靈敏隨溫度的變化而變化，通過比較選擇45Cr9Si3材料是排氣閥溫度場實驗的主要用材，繪制出一個45Cr9Si3氣閥鋼淬火、回火溫度與硬度對應表，也是汽車發動機研究者的需要，為排氣閥選用材料與制訂正確的熱處理工藝提供依據。

1? 實驗方法與步驟

1.1 準備

選取45Cr9Si3圓鋼材料制作需要測量氣閥工作溫度的排氣閥8件，選取同爐號同桿徑的45Cr9Si3圓鋼材料，用切斷車刀割成30毫米長的圓柱形試樣件48件，45Cr9Si3圓鋼材料熱處理狀態為退火態。

1.2 淬火

根據氣閥用鋼的國家標準，確定45Cr9Si3氣閥鋼的淬火溫度為1040℃[2];

根據圓鋼直徑確定了淬火保溫時間：24分鐘;

排氣閥8件和48件圓柱形試樣件48件同爐淬火處理，并保證排氣閥和圓柱形試樣淬火硬度一致，要求洛氏硬度在57HRC以上;

冷卻方式：油冷，油溫（30～80℃）;

淬火設備：甲醇和氮氣氣氛保護的連續式網帶加熱爐。

1.3 臺架試驗

經過加工的排氣閥進行裝機實驗，運轉2小時后測試各位置的硬度變化，氣閥最高溫度通常出現在最大扭矩或額定功率時，臺架試驗的參數必須知道，包括發動機機型、轉速、扭矩、功率。臺架試驗基本程序：

①將淬火后加工成品的45Cr9Si3排氣閥裝機，閥座與導管同心度應符合要求，保證氣閥落座正確，氣閥座接觸與受熱均勻、無彎曲應力[3]， 完成上述準備工作后開機實驗。

②首先進行10min低負荷轉速暖機。

③在給定負荷下，以額定速度運行2小時（最大扭矩）。

④2小時后重新低負荷轉速運轉，5min后停機。

⑤取下測溫排氣閥，后續測量排氣閥硬度和工作溫度。

1.4 回火

將切斷車刀割成30毫米長的圓柱形試樣件分批進行不同溫度回火處理，從低溫到高溫間隔20℃，回火溫度設計在400～860℃，每20℃做一組試驗，每組2件試樣，共24組實驗;

回火時間都是2小時;

冷卻方式：風冷;

設備：小式箱式爐。

1.5 回火樣件的檢測

樣件要求：將回火的圓柱形樣件用工裝固定，在平磨機床進行磨削，直至磨平、磨光，磨光面不得有氧化;

檢測設備：洛氏硬度計HR-150;

樣本：圓柱形樣件端面上檢測硬度，測試硬度點位置如圖1所示，每件采集3個數據，每組6個數據。

1.6 回火溫度—硬度曲線關系

45Cr9Si3材料排氣閥和圓柱形試樣淬火，回火的晶粒度和金相組織符合要求[2-4]。

記錄各個樣件的硬度數據，求其平均值，結果見表1。

將表1回火“加熱溫度”和對應的硬度“平均值”進行折線圖表示，再擬合成曲線，結果見圖2。

從“回火溫度—硬度”曲線可知：①45Cr9Si3材料沒有二次硬化現象，隨著回火溫度的提高，硬度呈降低趨勢，表明其抗回火溫度對材料的影響是顯著的。通常排氣閥的工作溫度在600～800℃，要求氣閥的硬度范圍在27～40HRC才滿足需要;②45Cr9Si3氣閥鋼在高于500℃的環境里，硬度會急劇降低;③發動機的排氣溫度一般在600～800℃，結合45Cr9Si3氣閥鋼硬度較大變化溫度區間可以看出，45Cr9Si3氣閥鋼適合作為發動機排氣閥溫度場實驗用材。

1.7 排氣閥硬度的檢測方法和分析結果

將測溫排氣閥從發動機拆下后，將所有測溫的排氣閥采用線切割機床沿軸向剖開，切成厚度為4.5毫米的薄片，兩邊用平面磨床各磨去0.25毫米，以消除線切割造成的熱影響和表面形態對硬度的影響。測量測溫排氣閥硬度的測試間距為2毫米，測試點距離氣閥外輪廊線2毫米，硬度測試點分布如圖3所示。

根據測試排氣閥的位置和硬度，查找圖2“回火溫度—硬度”曲線，可獲得排氣閥的溫度分布。根據測定的溫度場試驗排氣閥硬度，結合45Cr9Si3材料的圖2回火溫度—硬度分布曲線獲得溫度場試驗數據，確定排氣閥在實際工作中的最高工作溫度和溫度分布情況，可出具測溫排氣閥試驗報告，將報告提交客戶。結合材料本身的機械性能，判定排氣閥材料選用是否合適或排氣閥方案是否可靠等。

2? 結語

①通過試驗，得出了45Cr9Si3氣閥鋼調質回火溫度與硬度對應曲線。這個曲線對45Cr9Si3氣閥鋼熱處理參數設計和發動機排氣閥溫度場實驗有參考借鑒價值。②通過排氣閥溫度場試驗數據，確定排氣閥在實際工作中的最高溫度以及排氣閥各部分工作溫度分布的情況，以檢驗排氣閥制造選用材料的正確性和為排氣閥的研發、設計提供參考。

參考文獻：

[1]沈玉芳，趙硯.發動機氣門溫度場的實驗測量[J].企業科技與發展，2015（17）：13-15.

[2]GB/T 12773-2008，中國國家標準化管理委員會發布.內燃機氣閥用鋼及合金棒材[S].

[3]鄭進，張子成，等.汽車發動機構造與維修[M].北京：化學工業出版社，2010：17-19.

[4]QC/T469-2002，國家經濟貿易委員會發布.汽車發動機氣門技術條件[S].