往复式大功率内燃机进、排气门技术条件

作者：王忠诚、肖学林

单位：济南沃德汽车零部件有限公司

来源：《金属加工（热加工）》杂志

内燃机气门进行锥面淬火的目的是满足其耐磨性，通常规定其锥面硬度在48HRC以上，某型号的内燃机气门材质为整体马氏体耐热钢（X45Cr9Si3），采用六工位高频淬火机床进行气门的锥面淬火，该产品的技术要求为：锥面硬度550~700HV30，硬化层深度≥2.8mm，晶粒度细于8级，淬火实景如图1所示。在某天操作者发现有300余支气门锥面淬火后开裂，具体形状如图2、图3所示，可以看出该裂纹在气门的底窝与圆弧长度均较长。此淬火介质采用浓度为10~15%的淬火液进行桶内喷射冷却，淬火介质温度为26℃，检查高频淬火工艺参数正常。

1．原因分析

气门锥面淬火后产生淬火裂纹，该类缺陷是致命也是绝不允许的，一旦出现将造成十分严重的后果，即造成发动机的早期失效，甚至会发生重大人身伤亡事故，故气门制造商在DFMEA与PFMEA设计中均要重点考虑，并采取必要的预防措施。本文对出现的此批淬火裂纹的产品进行如下几个方面的分析，目的是找到其产生的原因并采取预防措施。

（1）检查气门的化学成分

对该产品的盘部采用光谱分析，检测结果见表1，其化学成分符合要求。

表1 气门的化学成分（质量分数）（%）

（2）外观与金相分析

为了分析其裂纹的特征，首先进行外部宏观部分的观察与分析，图2、图3是同一支气门底面与圆弧的裂纹形式，从图中可看出，淬火裂纹是从底窝向锥面与圆弧扩展的（通裂），在气门锥面或锥面与圆弧位置出现裂纹，这通常是批量的裂纹，其裂纹位置在淬火冷却区域，这是此处截面差别较大的部位，裂纹形状基本一致。另外，从气门（端面有底窝）锥面淬火后的裂纹形式（采用淬火冷却介质冷却）可以看出，淬火深度进入了盘部底窝内，造成此处应力集中而开裂。图4、图5为其盘部底面与圆弧的裂纹形态，其形状是头粗尾细，淬火表面裂口宽，越向心部延伸越细小，裂纹内部无氧化脱碳，为淬火裂纹，检查晶粒度在6级，不符合细于8级的工艺要求（见图6），出现局部过热的倾向。

从裂纹件金相图片分析，裂纹不是淬火过烧裂纹和淬火前裂纹，是淬火后造成裂纹，经淬火冷却后裂纹扩展。对开裂的与不开裂的两支气门进行淬硬层深度检查，具体如图7、图8所示。从图中可知，正常的气门淬火硬化层深度为4～5mm，锥面硬度为620～680HV30。非锥面开裂的气门淬火硬化层深度7mm（裂纹位于淬火过渡区附近）为，硬度635～647HV30。可以看出二者的差异在于硬化层深度的不同。工艺规定硬化层深度是大于2.8mm，没有上限要求。

该淬火裂纹的产品硬化层深度比正常产品深2mm，另外检查发现开裂的气门盘厚比正常的盘厚厚0.3mm。

（3）气门外部形状

一同淬火的两种气门的盘部外圆是一样的，唯一区别为发生淬火开裂的气门低窝直径大，具体如图9所示，二者的具体尺寸比较见表2。可以看出二者在于当硬化层深度大于5mm后，则淬火区进入气门盘部厚薄交界处（底窝大的气门）。

表2 两种锥面淬火气门外部尺寸比较

（4）淬火感应器与气门锥面的间隙

因气门锥面淬火采用杆端定位，气门总长不变，盘部厚势必造成气门锥面与感应器的距离近，在加热过程中，加热深度较深，进入截面厚薄处，淬火后造成此处局部过热，淬火应力过大而开裂。图10为淬火过程中的气门与夹持的夹具。

经过落实现场实际检查与判断，同时检查6个夹具的跳动情况，发现其中一个夹具（弹簧卡头）跳动大，在设备运行中，造成锥面淬火加热温度不均匀，造成硬化层过深，进入产品底窝内，（底窝本来就是应力集中区）在冷却过程中因应力过大而造成气门锥面开裂。

2．措施

根据以上几个方面的分析，在气门锥面淬火过程中，要严格落实表3要求，则可有效避免此类裂纹的产生，这是在生产过程中经验所得。另外，对于有底窝的该类气门要考虑硬化层深度有一个合理的范围，决不允许硬化层深度进入盘部底窝内，可通过首件进行验证，并确定最佳的硬化层深度。

表3 气门锥面或圆弧淬火开裂的原因分析与预防措施

3．结语

（1）根据以上的分析可知，该批气门锥面淬火产生裂纹的原因在于，局部淬火温度高出现过热，淬火深度进入了盘部低窝内，此处为截面壁厚差距最大处，淬火后产生较大的应力集中而开裂。

（2）因淬火开裂气门盘厚比正常的厚0.30mm，故感应器与气门锥面距离较近，淬火深度深是产生的淬火开裂的原因之一。

（3）因夹持气门杆部的弹簧卡头跳动大（一个工位），也是造成局部过热、淬火深度深而产生此次淬火开裂的原因之一。

（4）产生此批产品锥面淬火开裂的原因是多种因素造成的，是各种因素综合作用的结果。

欢迎参加由金属加工杂志社主办的

第九届先进节能热处理技术与装备研讨会

点击报名

↓↓

关于我们