氣缸蓋進(jìn)排氣門密封帶高頻感應(yīng)淬火工藝研究

■ 趙瑞，郭巨壽

1. 概述

由于新型發(fā)動(dòng)機(jī)比功率越來(lái)越高，導(dǎo)致鋁合金缸體和缸蓋許多部位工作溫度超過(guò)200℃，這時(shí)其強(qiáng)度迅速下降，難以承受所受機(jī)械載荷。為此，歐美等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家首先將蠕墨鑄鐵用做氣缸蓋的重要材料。

緊湊的結(jié)構(gòu)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(yīng)淬火和鋼鐵感應(yīng)熱處理的過(guò)程同普通熱處理一樣，是固態(tài)相變的過(guò)程，因此可選擇感應(yīng)淬火或激光淬火。

早期采用激光淬火，經(jīng)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(jī)械混合組成，為鐵碳相圖共晶轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物。 純?nèi)R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(fù)加熱的部位，對(duì)于氣缸蓋座孔特殊部位，激光淬火較難控制，易出現(xiàn)局部燒化、裂紋、表面凹凸不平等缺陷。因此，針對(duì)上述產(chǎn)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(yīng)滿足要求的問(wèn)題。

2. 研究目標(biāo)及難點(diǎn)

（1）利用現(xiàn)有設(shè)備，通過(guò)設(shè)計(jì)與其匹配的專用感應(yīng)器，達(dá)到迅速使零件進(jìn)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(shù)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(shù)對(duì)零件感應(yīng)淬火深度的影響，確定最優(yōu)的電參數(shù)指導(dǎo)生產(chǎn)。

（3）鑄鐵件感應(yīng)加熱因?qū)嵝暂^弱 , 加熱時(shí)間比鋼件為長(zhǎng)，一般在幾秒以上，并應(yīng)保溫一段時(shí)間使難溶的組織溶入奧氏體，若加熱速度快會(huì)導(dǎo)致過(guò)高的熱應(yīng)力，易產(chǎn)生裂紋。

（4）由于零件的形狀較復(fù)雜，結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，所以制造仿形且能均勻加熱的感應(yīng)器較難，淬火機(jī)床精度下降，感應(yīng)器與零件的間隙不能精確定位。因此，實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)且質(zhì)量穩(wěn)定，應(yīng)對(duì)淬火機(jī)床進(jìn)行改進(jìn)。

3. 研究?jī)?nèi)容

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

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

根據(jù)缸蓋密封帶錐面角度及尺寸，設(shè)計(jì)專用感應(yīng)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(yīng)同時(shí)加熱淬火法工藝規(guī)范制訂基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：

根據(jù)設(shè)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(jù)淬火面積選擇同時(shí)加熱法。

高頻電參數(shù)的確定：現(xiàn)有感應(yīng)加熱設(shè)備陽(yáng)極空載電壓Ub＝12.5kV，陽(yáng)極負(fù)載電壓Ua＝12kV，槽路電壓Uc＝10kV，陽(yáng)極電流Iao＝10A，柵極電流Igo＝1.4A。

利用以上電參數(shù)核對(duì)高頻輸出功率：

式中γ——陽(yáng)極電流利用系數(shù)，一般取1.7；

n——振蕩管個(gè)數(shù)，取n＝1。

核算結(jié)果表明，采用以上電參數(shù)設(shè)備，其輸出功率大于要求功率，說(shuō)明所選比功率合適，故最終決定使用GP100型高頻感應(yīng)加熱設(shè)備。

確定加熱時(shí)間t：加熱時(shí)間可由相關(guān)資料查取并進(jìn)行工藝試驗(yàn)，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(wú)法進(jìn)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(yàn)方案。

方案1：加導(dǎo)磁體感應(yīng)器，工件旋轉(zhuǎn)法。

方案2：不加導(dǎo)磁體感應(yīng)器，工件旋轉(zhuǎn)法。

方案3：不加導(dǎo)磁體感應(yīng)器，工件不旋轉(zhuǎn)，感應(yīng)器本身匯合處電流密度小的部分對(duì)準(zhǔn)壁薄處（方案1、2出現(xiàn)過(guò)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(yīng)器的有效圈上裝導(dǎo)磁體，其具有良好的磁導(dǎo)率，當(dāng)高頻電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，磁力線將主要從導(dǎo)磁體中通過(guò)，確保加熱區(qū)域磁通密度最大，因而自感電勢(shì)也最大。理論上加裝導(dǎo)磁體的感應(yīng)器加熱速度更快，但設(shè)計(jì)制造出的感應(yīng)器，在實(shí)際試驗(yàn)中由于加熱速度快，溫度不好控制，零件極易產(chǎn)生裂紋。

方案2保證加熱區(qū)域達(dá)到理想的加熱速度、溫度、深度。圖3為設(shè)計(jì)的淬火感應(yīng)器的實(shí)物（不加導(dǎo)磁體）。

方案1、方案2試驗(yàn)后，盡管采用旋轉(zhuǎn)法加熱解決了感應(yīng)器本身匯合處電流密度小、加熱不均勻的問(wèn)題，但是由于零件的加熱帶厚度有差別，壁薄處存在局部過(guò)熱現(xiàn)象。為了解決這一問(wèn)題制訂了方案3。經(jīng)試驗(yàn)，方案3效果較好，以下均為方案3試驗(yàn)結(jié)果。

圖1 石墨形態(tài)（蠕蟲(chóng)狀+少量球狀）100×

圖3 感應(yīng)淬火器實(shí)物

圖5 氣缸蓋淬火順序

4. 研究檢驗(yàn)結(jié)果

圖4為氣缸蓋高頻感應(yīng)淬火前零件實(shí)物, 4個(gè)氣門座孔選取不同的參數(shù)感應(yīng)淬火，編號(hào)及形狀如圖5所示，電參數(shù)如表1所示。

5. 檢驗(yàn)結(jié)果

檢驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)情況如表2所示，解剖1#座圈按圖6所示1～4部位取樣進(jìn)行組織及淬硬層深度檢驗(yàn)，表面淬火組織均為馬氏體+殘留奧氏體，各個(gè)位置的表層淬火組織和淬硬層深度如圖7～圖10所示。

6. 結(jié)果分析

圖2 基體組織（珠光體+鐵素體+石墨）500×

圖4 試驗(yàn)用某型號(hào)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(yīng)淬火能形成高的壓應(yīng)力狀態(tài)的馬氏體硬化層，感應(yīng)淬火為自淬火，不用任何外界冷卻介質(zhì)，可產(chǎn)生極高的耐磨性，變形小，為了組織穩(wěn)定、均勻，精密件可增加低溫回火處理。

精確穩(wěn)定的高頻電源輸出是氣門座感應(yīng)淬火質(zhì)量重復(fù)性好的可靠保證，感應(yīng)淬火感應(yīng)器開(kāi)口處的合理設(shè)計(jì)與制作，根據(jù)座圈的壁厚設(shè)計(jì)仿形高頻感應(yīng)器，是保證氣門座圈圓周感應(yīng)淬火層均勻性的必要條件。

感應(yīng)淬火保證氣門座圈與感應(yīng)器間隙是關(guān)鍵。通過(guò)對(duì)設(shè)定不同參數(shù)進(jìn)行氣缸蓋氣門座淬火的金相解剖分析得出，采用適當(dāng)?shù)母哳l電參數(shù)配合相應(yīng)的加熱時(shí)間，都能獲得合格的缸蓋氣門座。因?yàn)闅忾T座經(jīng)感應(yīng)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(gòu)成的一對(duì)摩擦副，具有極高的耐磨性，在發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)壽命期不發(fā)生過(guò)量磨損。

通過(guò)試驗(yàn)，采用型號(hào)為GP100高頻淬火設(shè)備，確定各電參數(shù)分別為：直流電壓8.5～10kV，陽(yáng)極電流4～4.6A，柵極電流1.4～1.6A，間隙5～7mm，時(shí)間12～18s。

由于現(xiàn)有高頻淬火設(shè)備只能手工操作，零件感應(yīng)淬火部位結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，薄厚不均，受熱不均，導(dǎo)致鑄鐵導(dǎo)熱性差，加熱速度快，易產(chǎn)生應(yīng)力集中， 零件在高頻感應(yīng)淬火階段如控制不當(dāng)極易產(chǎn)生燒傷和裂紋。加熱溫度不宜太高，溫度過(guò)高時(shí)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(yīng)淬火時(shí)，溫度低一些能淬硬是最好效果，但是要想達(dá)到這樣的效果，只能調(diào)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(shí)較低的溫度就能淬硬，硬度也能提高。

圖7 位置1處

圖8 位置2處

圖9 位置3處

圖10 位置4處

表1 感應(yīng)淬火電參數(shù)

表2 試驗(yàn)結(jié)果

7. 結(jié)語(yǔ)

（1）蠕墨鑄鐵氣缸蓋進(jìn)排氣門密封帶采用高頻感應(yīng)淬火方法可行，淬火深度、硬度能滿足圖樣技術(shù)要求。

（2）該結(jié)構(gòu)的氣缸蓋高頻感應(yīng)淬火與激光淬火等同，同樣不需其他淬火冷卻介質(zhì)，自身冷卻即可淬硬，零件變形小，避免了激光淬火容易產(chǎn)生裂紋而造成報(bào)廢的風(fēng)險(xiǎn)。

（3）鑄鐵件感應(yīng)加熱因?qū)嵝暂^弱，一次加熱易產(chǎn)生裂紋，所以感應(yīng)淬火前應(yīng)首先進(jìn)行低溫預(yù)熱，然后進(jìn)行淬火，即可避免淬火裂紋。

（4）當(dāng)零件的形狀固定，設(shè)計(jì)能均勻加熱的仿形感應(yīng)器，采用比較精密的淬火機(jī)床，并準(zhǔn)確定位感應(yīng)器，可實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)且質(zhì)量穩(wěn)定。

（5）氣缸蓋用材料為蠕墨鑄鐵，產(chǎn)品長(zhǎng)時(shí)間在470℃左右工作，為了保證在此溫度下工作不降硬度，建議采用能夠淬硬的且在500℃左右工作溫度使用具有一定耐磨性能的耐熱合金鑄鐵。

[1] 李炯輝，等.金屬材料金相圖譜[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[2] 葉衛(wèi)平，等. 實(shí)用鋼鐵材料金相檢驗(yàn)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.