往復式大功率內燃機進、排氣門技術條件起草單位

作者：王忠誠、肖學林

單位：濟南沃德汽車零部件有限公司

來源：《金屬加工（熱加工）》雜志

內燃機氣門進行錐面淬火的目的是滿足其耐磨性，通常規(guī)定其錐面硬度在48HRC以上，某型號的內燃機氣門材質為整體馬氏體耐熱鋼（X45Cr9Si3），采用六工位高頻淬火機床進行氣門的錐面淬火，該產品的技術要求為：錐面硬度550~700HV30，硬化層深度≥2.8mm，晶粒度細于8級，淬火實景如圖1所示。在某天操作者發(fā)現有300余支氣門錐面淬火后開裂，具體形狀如圖2、圖3所示，可以看出該裂紋在氣門的底窩與圓弧長度均較長。此淬火介質采用濃度為10~15%的淬火液進行桶內噴射冷卻，淬火介質溫度為26℃，檢查高頻淬火工藝參數正常。

1．原因分析

氣門錐面淬火后產生淬火裂紋，該類缺陷是致命也是絕不允許的，一旦出現將造成十分嚴重的后果，即造成發(fā)動機的早期失效，甚至會發(fā)生重大人身傷亡事故，故氣門制造商在DFMEA與PFMEA設計中均要重點考慮，并采取必要的預防措施。本文對出現的此批淬火裂紋的產品進行如下幾個方面的分析，目的是找到其產生的原因并采取預防措施。

（1）檢查氣門的化學成分

對該產品的盤部采用光譜分析，檢測結果見表1，其化學成分符合要求。

表1 氣門的化學成分（質量分數）（%）

（2）外觀與金相分析

為了分析其裂紋的特征，首先進行外部宏觀部分的觀察與分析，圖2、圖3是同一支氣門底面與圓弧的裂紋形式，從圖中可看出，淬火裂紋是從底窩向錐面與圓弧擴展的（通裂），在氣門錐面或錐面與圓弧位置出現裂紋，這通常是批量的裂紋，其裂紋位置在淬火冷卻區(qū)域，這是此處截面差別較大的部位，裂紋形狀基本一致。另外，從氣門（端面有底窩）錐面淬火后的裂紋形式（采用淬火冷卻介質冷卻）可以看出，淬火深度進入了盤部底窩內，造成此處應力集中而開裂。圖4、圖5為其盤部底面與圓弧的裂紋形態(tài)，其形狀是頭粗尾細，淬火表面裂口寬，越向心部延伸越細小，裂紋內部無氧化脫碳，為淬火裂紋，檢查晶粒度在6級，不符合細于8級的工藝要求（見圖6），出現局部過熱的傾向。

從裂紋件金相圖片分析，裂紋不是淬火過燒裂紋和淬火前裂紋，是淬火后造成裂紋，經淬火冷卻后裂紋擴展。對開裂的與不開裂的兩支氣門進行淬硬層深度檢查，具體如圖7、圖8所示。從圖中可知，正常的氣門淬火硬化層深度為4～5mm，錐面硬度為620～680HV30。非錐面開裂的氣門淬火硬化層深度7mm（裂紋位于淬火過渡區(qū)附近）為，硬度635～647HV30?？梢钥闯龆叩牟町愒谟谟不瘜由疃鹊牟煌?。工藝規(guī)定硬化層深度是大于2.8mm，沒有上限要求。

該淬火裂紋的產品硬化層深度比正常產品深2mm，另外檢查發(fā)現開裂的氣門盤厚比正常的盤厚厚0.3mm。

（3）氣門外部形狀

一同淬火的兩種氣門的盤部外圓是一樣的，唯一區(qū)別為發(fā)生淬火開裂的氣門低窩直徑大，具體如圖9所示，二者的具體尺寸比較見表2。可以看出二者在于當硬化層深度大于5mm后，則淬火區(qū)進入氣門盤部厚薄交界處（底窩大的氣門）。

表2 兩種錐面淬火氣門外部尺寸比較

（4）淬火感應器與氣門錐面的間隙

因氣門錐面淬火采用桿端定位，氣門總長不變，盤部厚勢必造成氣門錐面與感應器的距離近，在加熱過程中，加熱深度較深，進入截面厚薄處，淬火后造成此處局部過熱，淬火應力過大而開裂。圖10為淬火過程中的氣門與夾持的夾具。

經過落實現場實際檢查與判斷，同時檢查6個夾具的跳動情況，發(fā)現其中一個夾具（彈簧卡頭）跳動大，在設備運行中，造成錐面淬火加熱溫度不均勻，造成硬化層過深，進入產品底窩內，（底窩本來就是應力集中區(qū)）在冷卻過程中因應力過大而造成氣門錐面開裂。

2．措施

根據以上幾個方面的分析，在氣門錐面淬火過程中，要嚴格落實表3要求，則可有效避免此類裂紋的產生，這是在生產過程中經驗所得。另外，對于有底窩的該類氣門要考慮硬化層深度有一個合理的范圍，決不允許硬化層深度進入盤部底窩內，可通過首件進行驗證，并確定最佳的硬化層深度。

表3 氣門錐面或圓弧淬火開裂的原因分析與預防措施

3．結語

（1）根據以上的分析可知，該批氣門錐面淬火產生裂紋的原因在于，局部淬火溫度高出現過熱，淬火深度進入了盤部低窩內，此處為截面壁厚差距最大處，淬火后產生較大的應力集中而開裂。

（2）因淬火開裂氣門盤厚比正常的厚0.30mm，故感應器與氣門錐面距離較近，淬火深度深是產生的淬火開裂的原因之一。

（3）因夾持氣門桿部的彈簧卡頭跳動大（一個工位），也是造成局部過熱、淬火深度深而產生此次淬火開裂的原因之一。

（4）產生此批產品錐面淬火開裂的原因是多種因素造成的，是各種因素綜合作用的結果。

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