T7空氣淬火在鋁合金氣缸蓋生產中的應用

上海交通大學 （200233） 王躍威

鑄造鋁合金由于密度小，易于鑄造成形的優點，被廣泛應用于各個行業。現在的乘用車發動機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發動機缸蓋的鑄造，材料牌號不盡一致，GB、ISO、EN等應用都比較普遍，但是還有一些整車工廠使用其內部牌號。目前量產應用最廣泛的是 AlSi7Cu3Mg，這種鋁合金不需要熱處理（只需要自然時效即可），成本低。

但是隨著環保法規要求越來越嚴格，汽車廠在設計整車時，輕量化是提高燃油效率最直接的方法，汽車發動機縮小尺寸是普遍趨勢，因此，現在很多主機廠都把排氣管或正時罩蓋集成在缸蓋上。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動機的效率，這就使缸蓋的服役條件越來越苛刻，缸蓋必須能承受汽油燃燒時高溫沖擊所產生的熱沖擊疲勞，所以需要有一種新的鋁合金來滿足性能要求。這種合金必須同時具有保持較高的組織穩定性和尺寸穩定性的能力，AlSi7Cu0.5Mg0.3就是在這種要求下所開發出來的。因為有耐熱疲勞性能的要求，這種合金需要做固溶處理和過時效處理，但是由于這種缸蓋的結構設計比較復雜，如果固溶處理是用傳統的水作為淬火冷卻介質，由于冷卻速度快，缸蓋會產生很大的內應力導致其變形甚至開裂，所以淬火冷卻介質要既能達到固溶處理的效果，又能降低缸蓋的內應力，空氣就是適合這種要求的介質，不會有過高的冷卻速度，但是普通的空冷，由于冷速過慢（簡易的風扇冷卻）不能起到固溶的作用，所以空氣淬火必須達到一定的冷卻速度，但是冷卻速度又不能過大，T7空氣淬火就可以滿足這種要求。

1.T7空氣淬火工藝

T7空氣淬火工藝是缸蓋先經過固溶處理（空氣淬火），然后進行過時效處理，來達到力學性能要求。

T7空氣淬火工藝曲線與傳統的水淬火的區別在于，空氣淬火階段的曲線平緩降低，如圖1所示，曲線1為水淬火曲線，曲線2為空氣淬火曲線。

圖1

要實現T7空氣淬火工藝，只需要將傳統的水淬火工位改成空氣淬火即可，但是要實現工藝所要求的曲線（淬火冷卻速度），空氣淬火室設計非常重要，既要滿足冷卻速度要求，又要達到批量生產的節拍。根據目前的資料，歐洲的主流設計是隧道式熱處理線，這種線易于設計，又可以滿足大批量生產的要求，缺點是占用空間大；國內還有回轉式T7空氣淬火線，優點是占地少，但產能受限。

因此，我們的項目選用隧道式熱處理線，熱處理線布局如圖2所示，淬火后的零件由轉運小車轉運到時效爐中。

圖2

2.T7空氣淬火溫度曲線測量

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

缸蓋經過熱處理后力學性能要達到以下要求：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程穩定，在熱處理線交付使用之前需要對整條熱處理線的爐溫進行測量，確認是否整個熱處理過程爐溫波動不超過工藝要求。

溫度曲線測量采用爐溫測量儀進行全程測量，同時測量時還要保證零件按照設計要求裝滿整個熱處理爐，這樣才能使測量結果可靠。

熱處理時缸蓋豎直放置在熱處理筐中，將每個筐中裝滿缸蓋，測量時在缸蓋的燃燒室上安裝熱電偶，并在熱處理筐中選3個位置來測試，如圖3所示，爐溫測量儀也同時放置在熱處理筐中（為了爐溫測量準確，熱電偶應用數量越多，布局越均勻，則爐溫測量越準確）。

圖3

第一次測量結果，測量曲線如圖4所示。

圖4

經過仔細分析各個階段的溫度波動，固溶爐內的部分區域超過了固溶處理工藝的上限溫度540℃，需要調整，固溶時間超過了工藝要求的5h，符合工藝要求，如圖5所示。

圖5

最重要的空氣淬火曲線符合設計要求，冷卻速度小于4℃/s，如圖6所示。

圖6

時效溫度大部分區域超過了溫度上限205℃，需要調整，時效時間超過了工藝要求的5h，符合工藝要求，如圖7所示。

根據溫度曲線的偏差，設備廠家調整了相關的設備參數，并進行了多次的溫度測量，目前所有的溫度曲線波動均勻，并且在工藝規范之內。

最近一次的溫度曲線測量結果如圖8所示，爐溫曲線波動平穩，基本達到了了設計要求。

圖7

圖8

固溶處理階段的溫度基本在中值左右波動，如圖9。

圖9

空氣淬火曲線平緩，冷卻速度小于4℃/s，并且與第一次測量結果比較變化不大，說明空氣淬火爐設計合理，運行穩定，如圖10所示。

時效階段的溫度波動也在公差范圍之內，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，需要在量產前進行微調。

圖10

圖11

選3件缸蓋，在缸蓋的本體燃燒室處取拉伸試樣，經力學性能測量，符合技術要求，結果見附表。

力學性能測量結果表

3.結語

經過爐溫曲線測量和分析，T7空氣淬火熱處理線已經達到設計要求，并且經過力學性能檢測，符合技術要求。

（20131109）