■ 周小偉

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1. 問題的提出

在對一批有明顯混爐批號（材料為85Cr18Mo2V，成分檢查發(fā)現(xiàn)這兩種氣門材料含碳量、含硅量都有較大差異，可根據(jù)盤錐面與盤端面淬火后產(chǎn)生的明顯顏色差異分成兩組）的氣門進(jìn)行小頭帽形淬火時(shí)（見圖1、圖2）的取樣（也即加熱時(shí)間和電壓等參數(shù)摸索），發(fā)現(xiàn)下面現(xiàn)象：用較低的電壓或較短的加熱時(shí)間，一組（稱A組）氣門小頭端面中心硬度（要求52HRC以上）偏低，不合格。另一組（稱B組）合格，只是硬度過渡區(qū)較厚；用較高的電壓或較長的加熱時(shí)間，A組合格，但B組氣門小頭的心部硬度偏高，不合格。

如兩組氣門用不同的參數(shù)（A組加熱時(shí)間較長或功率較高，B組加熱時(shí)間較短或功率較低）來淬火是可以的，但要分選，較麻煩。找不到合適的參數(shù)能兼顧到兩種材料達(dá)到同一要求，要么A組小頭端面中心硬度偏低，要么B組氣門小頭淬火部分的心部硬度偏高。

2. 工藝與應(yīng)用設(shè)備觀察結(jié)果

淬火工藝為感應(yīng)加熱空冷的沖擊淬火，加熱時(shí)間0.5s左右，使用導(dǎo)磁體。電源為MOSFET逆變電源，頻率200kHz。感應(yīng)器如圖3所示（導(dǎo)磁體未裝）。

通過對直流電壓表、電流表和頻率表等的觀察，證明電源無異常。通過觀察、檢查淬火機(jī)床部分和冷卻系統(tǒng)，也無異常。

進(jìn)一步的觀察發(fā)現(xiàn)，淬A組合格時(shí)需要的表面溫度比淬B組合格時(shí)的表面溫度要高。

3. 產(chǎn)生原因

圖2 氣門小頭帽形淬火

圖3 氣門小頭帽形淬火感應(yīng)器1

感應(yīng)加熱深度和功率取決于感應(yīng)器中電流的大小、頻率，以及工件導(dǎo)磁性、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和感應(yīng)器的周圍的磁場分布。感應(yīng)器周圍的磁場分布特征會導(dǎo)致工件表面各處加熱功率有差異，從而可能導(dǎo)致各處加熱溫度差異，從而引起淬硬層深度及硬度有差異。圖3中藍(lán)色五星位置處間隙較小時(shí)，鄰近效應(yīng)將比較明顯，影響感應(yīng)器在此處的電流和磁場分布。感應(yīng)器中電流遠(yuǎn)離工件分布，使氣門小頭桿端面中心的加熱功率相對較小，溫度較低，硬度也就相對較低。當(dāng)然，即使消除了鄰近效應(yīng)的影響，桿端面中心溫度常常也較低，主要原因是小頭端面邊沿由于尖角效應(yīng)溫度會比中心較高一些。由于熱量會自動從溫度高處向低處傳導(dǎo)，因此為了使桿端面中心溫度上升到足夠高，消除桿端面中心硬度低的現(xiàn)象，就必須使整體表面溫度高一些或高溫時(shí)間維持較長一些。這樣，由于熱傳導(dǎo)，加上氣門桿部直徑相對于表面淬硬層深度要求較小，工件心部溫度就會高到使冷卻時(shí)材料心部組織發(fā)生變化，造成心部硬度過高。從以上分析可見，由于小頭桿端受熱不勻，兩種材料差異過大（與B組相比，A組導(dǎo)熱性較差或需要較高的淬火溫度），A組氣門需要比B組氣門高的溫度或加熱時(shí)間較長一些才能滿足桿端端面中心硬度要求。而此時(shí)B組氣門會由于表面溫度相對過高，表面熱量向心部傳導(dǎo)過多致使心部溫度過高，造成心部硬度過高。此外，加熱的后段，導(dǎo)磁體的溫度可能升高到居里點(diǎn)，加熱深度也會增加，進(jìn)一步導(dǎo)致了心部溫度和硬度升高。這樣，兩種材料用同樣的參數(shù)淬火時(shí)，心部硬度與桿端中間硬度難以兼顧。

4. 用同樣參數(shù)淬A、B材料的辦法

方法的關(guān)鍵是用較低的淬火溫度的前提下提高A組材料氣門端部中心硬度。能否縮小氣門小頭端面與感應(yīng)器的間隙來提高端面中心硬度呢？理論和試驗(yàn)證明是可以的。但是，小頭端面邊沿時(shí)常過熱甚至燒壞，因此這樣做整體是不行的，顧此失彼。可行的辦法如下：

（1）修改感應(yīng)器 先在圖3中感應(yīng)器正對桿端面中心的位置，采取感應(yīng)器正對氣門桿端面的中心局部突出措施（見圖4箭頭所指），來改善感應(yīng)器中電流和感應(yīng)器附近的磁場分布，從而解決桿端端面中心加熱功率小的問題。但是，由于箭頭所指突出部位的對面沒有凹陷，感應(yīng)器中流到突出部位的電流很小，其作用很有限，在這種鄰近效應(yīng)較大的感應(yīng)器中尤其有限。為此可采用圖5所示形狀的感應(yīng)器。但是這種感應(yīng)器一方面手工制造其形狀不易做到一致且易變形，也不便加裝導(dǎo)磁體，使用起來不便，另一方面是這種感應(yīng)器內(nèi)部通水面積較小，易過熱變形。如裝有導(dǎo)磁體，過熱還會造成導(dǎo)磁體失磁，從而使加熱深度變深、心部溫度升高。因此，還是應(yīng)加大圖3中藍(lán)色五星位置的間隙，減小鄰近效應(yīng)，甚至在圖4箭頭所示位置外側(cè)（左）加裝導(dǎo)磁體。這樣就可根據(jù)需要很靈活地修改導(dǎo)磁體的尺寸，適當(dāng)?shù)販p小中心位置磁路磁阻。這樣改善感應(yīng)器的周圍的磁場分布，避免桿端面中心加熱功率低，從而避免了因加熱時(shí)間短造成的中心溫度低、進(jìn)而造成桿端面中心硬度低的現(xiàn)象。

圖4 氣門小頭帽形淬火感應(yīng)器2

圖5 氣門小頭帽形淬火感應(yīng)器3

（2）采用水基淬火冷卻介質(zhì)淬火工藝 此類氣門淬火最終淬硬組織為馬氏體。奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變是以極大的冷卻速度在極大的過冷度下發(fā)生的?？绽鋾r(shí)的冷卻速度與馬氏體轉(zhuǎn)變的臨界速度較接近，比較難以控制硬度。用水基淬火冷卻介質(zhì)淬火時(shí)，工件冷卻速度比空冷時(shí)的速度快很多，需要的淬火溫度可稍低。水基淬火冷卻介質(zhì)淬火時(shí)，表面熱量向心部傳導(dǎo)的時(shí)間縮短。因此心部溫度上升較少，過渡區(qū)也較薄。在本例中只要控制好加熱功率和時(shí)間就不會發(fā)生端面中心硬度低或心部硬度過高的現(xiàn)象。

需說明的是，把上述兩項(xiàng)措施結(jié)合起來效果更好。

最終采用鄰近效應(yīng)極小的感應(yīng)器并配合水基淬火冷卻介質(zhì)來淬火，很好地解決了氣門帽形端面和心部硬度不兼容的問題。