42CrMo鋼閥橋U形槽底高頻感應淬火變形分析

■ 張曉云， 軍朝

閥橋是柴油機驅動機構中用一個作用力驅動兩個或多個氣門的零件。在將凸輪的旋轉運動轉換為氣門或噴油泵的往復運動過程中，長期與氣門頂桿相接觸，受往復小沖擊及磨損，不僅要求具有一定的綜合力學性能，而且應具有一定的耐磨性。我公司在柴油機裝配和拆檢過程中，多次發現該零件因U形槽處變形導致早期失效，從而造成驅動機構頻繁拆裝和密閉不嚴，因此對閥橋正確進行熱處理是延長此類零件使用壽命的關鍵。本文對此零件U形槽底高頻感應淬火前后進行了各種試驗和變形分析。

1. 試驗材料與方法

閥體所采用材料為42CrMo鋼，其槽口形狀為U形，尺寸規格及外形如圖1所示，槽寬及槽深分別為18.5mm和8.5mm。技術要求為：淬火硬度為≥55HRC，淬硬層深度≥1.6mm，槽口尺寸為18.5+0.1+0mm。

為提高閥體的硬度及耐磨性，我公司采用了42CrMo材料制造，其化學成分分別為wC=0.41%、wCr=1.05%、wMo=0.18%、wP=0.015%、wS=0.005%，余量為Fe。

閥體的加工工序為：鍛造→調質→機械加工→高頻感應淬火→機械加工。

高頻感應淬火設備型號為GGC-80-2A，采用數顯洛氏硬度機TIMER5330檢測淬火、回火硬度，用MEF4A金相顯微鏡觀察試樣的顯微組織。

2. 高頻感應淬火及變形統計

高頻感應淬火設備GGC-80-2A能夠在短時間內將零件表面加熱至Ac3以上淬火溫度，而且幾乎無保溫時間，短時高效。在實際處理過程中，因該零件淬火區域為槽底平面，較一般圓柱外圓面感應加熱效果有所降低，致使加熱時間較長。同時，閥體槽底面厚薄不均，故感應器與槽底間加熱距離稍遠。具體處理過程如表1所示。

閥體槽底感應加熱淬火后，硬度為56～57HRC，淬硬層深度3.5mm左右，槽口尺寸為18.70～18.72mm，變形量為0.16～0.17mm，超差工藝尺寸上限0.1～0.12mm。

3. 分析與討論

圖1 閥橋及槽口示意

表1 高頻感應淬火處理參數及變形數據

感應淬火時，多數表現為熱應力畸變，為了控制畸變量，應減少熱量向心部傳遞。在本試驗中，為減少應力影響，擬采取低溫退火、前期預壓縮變形和縮短加熱距離等三種方式進行。

從表2可看出，通過160℃、180℃和200℃×5h的低溫退火處理，機械加工應力得到部分釋放，淬火后槽口變形量為0.12～0.14mm，改善不明顯，變形無規律。

從表3可看出，通過1MPa、2MPa和3MPa預壓縮變形，槽口分別收縮0.04mm、0.06mm和0.11mm，淬火后槽口變形量為0.12～0.15mm，改善不明顯，變形無規律。

從表4可看出，在相同電參數及加熱參數下，將感應器與槽底加熱距離由5.5mm縮短至1.5mm，槽口變形明顯降低，淬火后槽口變形量為0.03～0.08mm。在試驗過程中，發現當感應器與槽底距離縮短至1.5mm時，操作存在一定難度，故不建議采用。因此，當加熱距離為2～2.5mm時，變形量降低為0.03mm。

從圖2可看出，加熱距離為2mm時，槽底面與兩側組織過渡較為平緩，有效降低了該處產生變形的可能性。從圖3可看出，當加熱距離為5.5mm和2mm時，淬火后組織均為淬火馬氏體組織，無明顯差異。

4. 結語

（1）對42CrMo鋼閥橋U形槽底進行高頻感應淬火，硬度和淬火層深均能滿足技術要求，18.5mm寬的槽底變形可控制在0.05mm內。

（2）采取對閥橋低溫退火和預壓縮變形的方式可一定程度降低變形量，但改善不明顯，且變形無規律。

（3）適當縮短感應器與槽底間加熱距離，盡量減少對槽底兩側的感應，可有效防止閥橋U形槽底高頻感應淬火的變形。

圖2 加熱距離對淬硬層深度影響

圖3 加熱距離對淬硬層組織影響

表2 低溫退火槽口變形數據

表3 預壓縮變形槽口變形數據