由于新型發(fā)動機比功率越來越高，導致鋁合金缸體和缸蓋許多部位工作溫度超過200℃，這時其強度迅速下降，難以承受所受機械載荷。為此，歐美等西方發(fā)達國家首先將蠕墨鑄鐵用做氣缸蓋的重要材料。

       蠕墨鑄鐵有球墨鑄鐵和灰鑄鐵的綜合性能， 力學性能介于灰鑄鐵與球墨鑄鐵之間，具有良好的致密性、耐熱性和耐磨性，其鑄造性能比球墨鑄鐵好，與灰鑄鐵接近，其強度和球墨鑄鐵接近，和灰鑄鐵類似的防震導熱能力和鑄造能力，但比灰鑄鐵有更好的塑性和耐疲勞性能。

        緊湊的結構取消專門氣門座,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，以及蠕墨鑄鐵感應淬火和鋼鐵感應熱處理的過程同普通熱處理一樣，是固態(tài)相變的過程，因此可選擇感應淬火或激光表面淬火。

       早期采用激光表面淬火，經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械混合組成，為鐵碳相圖共晶轉變的產物。 純萊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，掃描式淬火總有復加熱的部位，對于氣缸蓋座孔特殊部位激光淬火較難控制，就會出現(xiàn)局部燒化、裂紋、表面凹凸不平等缺陷。因此,針對上述產品圖樣的特殊要求，很有必要研究其高頻淬火工藝，解決目前激光淬火難以滿足要求的問題。

         2. 研究目標及難點

        （1）利用現(xiàn)有設備，通過設計與其匹配的專用感應器，達到迅速使零件進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、硬度的技術要求。

         （2）保證密封帶淬硬，不燒化、不裂的情況下，研究電參數(shù)對零件感應淬火深度的影響，確定最優(yōu)的電參數(shù)以指導生產。

        （3）鑄鐵件感應加熱因導熱性較弱 , 加熱時間比鋼件為長，一般在幾秒以上，并應保溫一段時間使難溶的組織溶入奧氏體，加熱速度快會導致過高的熱應力，易產生裂紋。

        （4）由于零件的形狀較復雜，結構不對稱，因此制造仿形且能均勻加熱的感應器較難，淬火機床精度下降，感應器與零件的間隙不能精確定位。因此，實現(xiàn)批量生產且質量穩(wěn)定，應做淬火機床改進。

        3. 研究內容

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

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

        圖1 石墨形態(tài)（蠕狀+少量球狀） 100×  

        圖2 基體組織（珠光體+鐵素體+石墨）500×

        根據(jù)缸蓋密封帶錐面角度及尺寸，設計專用感應器，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。

        采用高頻同時加熱淬火法工藝規(guī)范制定基礎數(shù)據(jù)

根據(jù)設備電流頻率、零件硬化層和表面積選定電流頻率為200～250kHz。

根據(jù)淬火面積選擇同時加熱法。

        高頻電流參數(shù)的確定：現(xiàn)有感應加熱設備陽極空載電壓 Ub＝12.5kV，陽極負載電壓Ua＝12kV，槽路電壓Uc＝10kV，陽極電流Iao＝10A，柵極電流Igo＝1.4。

       利用以上電參數(shù)核對高頻輸出功率：

       P輸＝1/2γnUcIao＝1/2×1.7×1×10×10

                ＝85（KW）

       式中 γ——陽極電流利用系數(shù)，一般取1.7；

               N——振蕩管個數(shù)，取n ＝1。

        核算結果表明，采用以上電參數(shù)設備，其輸出功率大于要求功率,說明所選比功率合適,故最終決定使用HT-100AB型高頻設備。

        確定加熱時間t：加熱時間可由有關資料查取并進行工藝試驗，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，因此無法進行自回火，故采用箱式爐回火，回火溫度為180℃保溫2h。

        采用下列三種方案試驗研究。

        方案1：加導磁體感應器，工件旋轉法。

        方案2：不加導磁體感應器，工件旋轉法。

        方案3：不加導磁體感應器，工件不旋轉，感應器本身匯合處電流密度小的部分對準壁薄處（方案1、方案2出現(xiàn)過熱處）。

        方案1由于缸蓋體積大、密封帶加熱面積較小，因此在感應器的有效圈上裝導磁體，其具有良好的磁導率，當高頻電流通過導體時，磁力線將主要從導磁體中通過，確保加熱區(qū)域磁通密度最大，因而自感電勢也最大。理論上加裝導磁體的感應器加熱速度更快，但設計制造出的感應器，在實際試驗中由于加熱速度快，溫度不好控制，零件極易產生裂紋。

        方案2保證加熱區(qū)域達到理想的加熱速度、溫度、深度。圖3為設計的淬火感應器的實物（不加導磁體）。

        方案1、方案2試驗后，盡管采用旋轉法加熱解決了感應器本身回合處電流密度小、加熱不均的問題，但是由于零件的加熱帶厚度有差別，有一壁薄處存在局部過熱現(xiàn)象。為了解決這一問題制定了方案3。經試驗，方案3效果較好，以下均為方案3試驗結果。

           圖3 感應淬火器實物

        4. 研究檢驗結果

        圖4為氣缸蓋高頻淬火前零件實物, 4個氣門座孔選取不同的參數(shù)感應淬火，編號及形狀如圖5所示，電參數(shù)見表1。

 圖4  試驗用某型號氣缸蓋 

        圖5 氣缸蓋淬火順序            

        5．檢驗結果

        檢驗結果統(tǒng)計情況見表2, 解剖1 ♯座圈按圖6所示1～4部位取樣進行組織及淬硬層深度檢驗,表面淬火組織均為馬氏體+殘留奧氏體，各個位置的表層淬火組織和淬硬層深度如圖7～圖10所示。

         圖6 氣缸蓋單孔解剖部位

        圖7  位置1處

        圖8  位置2處

            圖9 位置3處

          圖10  位置4處

        6．結果分析

        蠕墨鑄鐵缸蓋氣門座感應淬火能形成高的壓應力狀態(tài)的馬氏體硬化層，感應淬火為自淬火不用任何外界冷卻介質，產生極高的耐磨性，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淬火質量重復性好可靠保證，感應淬火感應器的開口處的合理設計與制作，根據(jù)座圈的壁厚設計仿形高頻感應器，是保證氣門座圈圓周感應淬火層均勻性的必要條件。

        感應淬火保證氣門座圈與感應器間隙是關鍵。通過對設定不同參數(shù)進行氣缸蓋氣門座淬火的金相解剖分析得出，采用適當?shù)母哳l參數(shù)配合相應的加熱時間，都能獲得合格的缸蓋氣門座。因為氣門座經感應淬火的組織中有片（球）狀石墨針狀馬氏體和少量的殘留奧氏體，其與氣門構成的一對摩擦副，具有極高的耐磨性。在發(fā)動機整機壽命期不發(fā)生過量磨損。

        通過試驗，采用型號為HT100高頻淬火設備，確定各電參數(shù)分別為：直流電壓8.5～10kV，陽極電流4～4.6A，柵極電流1.4～1.6A，間隙5～7mm，時間12～18s。

        由于現(xiàn)有高頻淬火設備只能手工操作，零件感應淬火部位結構不對稱，薄厚不均，受熱不均，導致鑄鐵導熱性差，加熱速度快，易產生應力集中， 零件在高頻淬火階段如控制不當極易產生燒傷和裂紋。且加熱溫度不宜太高，溫度過高時殘余奧氏體量較多，影響疲勞性能。因此，在氣門座孔部位高頻感應淬火時，溫度低一些能淬硬是最好效果，但是要想達到這樣的效果，只能調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，淬火時較低的溫度就能淬硬，硬度也能提高。

        7．結語

         （1）蠕墨鑄鐵的氣缸蓋進排氣門密封帶采用高頻淬火方法可行，淬火深度、硬度能滿足圖樣技術要求。

（2）該結構的氣缸蓋高頻淬火與激光淬火等同，同樣不需其他淬火冷卻介質，自身冷卻即可淬硬，零件變形小，避免了激光淬火容易產生裂紋而造成報廢的風險。

        （3）鑄鐵件感應加熱因導熱性較弱,一次加熱易產生裂紋,所以感應淬火前應首先進行低溫預熱,然后進行淬火,即可避免淬火裂紋。

       （4）當零件的形狀固定，設計能均勻加熱的仿形感應器， 采用比較精密的淬火機床，并準確定位感應器，可實現(xiàn)批量生產且質量穩(wěn)定。

      （5）氣缸蓋用材料為蠕墨鑄鐵，產品因長時間在470℃左右工作，在此溫度下零件硬度均降低。為了保證在此溫度下工作不降硬度，建議采用能夠淬硬的、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。

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