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        T7空氣淬火在鋁合金氣缸蓋生產(chǎn)中的應用

        2014-02-05 08:58:52上海交通大學200233王躍威
        金屬加工(熱加工) 2014年3期
        關(guān)鍵詞:工藝測量

        上海交通大學 (200233) 王躍威

        鑄造鋁合金由于密度小,易于鑄造成形的優(yōu)點,被廣泛應用于各個行業(yè)?,F(xiàn)在的乘用車發(fā)動機缸蓋全部是用鋁合金鑄造的。

        目前有多種鋁合金用于乘用車發(fā)動機缸蓋的鑄造,材料牌號不盡一致,GB、ISO、EN等應用都比較普遍,但是還有一些整車工廠使用其內(nèi)部牌號。目前量產(chǎn)應用最廣泛的是 AlSi7Cu3Mg,這種鋁合金不需要熱處理(只需要自然時效即可),成本低。

        但是隨著環(huán)保法規(guī)要求越來越嚴格,汽車廠在設計整車時,輕量化是提高燃油效率最直接的方法,汽車發(fā)動機縮小尺寸是普遍趨勢,因此,現(xiàn)在很多主機廠都把排氣管或正時罩蓋集成在缸蓋上。這樣做既可以減小缸蓋尺寸,又可以采用增壓的方式提高發(fā)動機的效率,這就使缸蓋的服役條件越來越苛刻,缸蓋必須能承受汽油燃燒時高溫沖擊所產(chǎn)生的熱沖擊疲勞,所以需要有一種新的鋁合金來滿足性能要求。這種合金必須同時具有保持較高的組織穩(wěn)定性和尺寸穩(wěn)定性的能力,AlSi7Cu0.5Mg0.3就是在這種要求下所開發(fā)出來的。因為有耐熱疲勞性能的要求,這種合金需要做固溶處理和過時效處理,但是由于這種缸蓋的結(jié)構(gòu)設計比較復雜,如果固溶處理是用傳統(tǒng)的水作為淬火冷卻介質(zhì),由于冷卻速度快,缸蓋會產(chǎn)生很大的內(nèi)應力導致其變形甚至開裂,所以淬火冷卻介質(zhì)要既能達到固溶處理的效果,又能降低缸蓋的內(nèi)應力,空氣就是適合這種要求的介質(zhì),不會有過高的冷卻速度,但是普通的空冷,由于冷速過慢(簡易的風扇冷卻)不能起到固溶的作用,所以空氣淬火必須達到一定的冷卻速度,但是冷卻速度又不能過大,T7空氣淬火就可以滿足這種要求。

        1.T7空氣淬火工藝

        T7空氣淬火工藝是缸蓋先經(jīng)過固溶處理(空氣淬火),然后進行過時效處理,來達到力學性能要求。

        T7空氣淬火工藝曲線與傳統(tǒng)的水淬火的區(qū)別在于,空氣淬火階段的曲線平緩降低,如圖1所示,曲線1為水淬火曲線,曲線2為空氣淬火曲線。

        圖1

        要實現(xiàn)T7空氣淬火工藝,只需要將傳統(tǒng)的水淬火工位改成空氣淬火即可,但是要實現(xiàn)工藝所要求的曲線(淬火冷卻速度),空氣淬火室設計非常重要,既要滿足冷卻速度要求,又要達到批量生產(chǎn)的節(jié)拍。根據(jù)目前的資料,歐洲的主流設計是隧道式熱處理線,這種線易于設計,又可以滿足大批量生產(chǎn)的要求,缺點是占用空間大;國內(nèi)還有回轉(zhuǎn)式T7空氣淬火線,優(yōu)點是占地少,但產(chǎn)能受限。

        因此,我們的項目選用隧道式熱處理線,熱處理線布局如圖2所示,淬火后的零件由轉(zhuǎn)運小車轉(zhuǎn)運到時效爐中。

        圖2

        2.T7空氣淬火溫度曲線測量

        缸蓋T7空氣淬火的具體工藝要求是在530~540℃保溫5h進行固溶處理,空氣淬火冷卻速度小于4℃/s, 然后在195~205℃保溫5h進行時效處理。

        缸蓋經(jīng)過熱處理后力學性能要達到以下要求:Rm≥240MPa, Rp0.2≥190MPa,A≥4%, 硬度(火力面)≥85HBW,拉伸試棒在缸蓋本體燃燒室處取樣。

        為了使熱處理工藝過程穩(wěn)定,在熱處理線交付使用之前需要對整條熱處理線的爐溫進行測量,確認是否整個熱處理過程爐溫波動不超過工藝要求。

        溫度曲線測量采用爐溫測量儀進行全程測量,同時測量時還要保證零件按照設計要求裝滿整個熱處理爐,這樣才能使測量結(jié)果可靠。

        熱處理時缸蓋豎直放置在熱處理筐中,將每個筐中裝滿缸蓋,測量時在缸蓋的燃燒室上安裝熱電偶,并在熱處理筐中選3個位置來測試,如圖3所示,爐溫測量儀也同時放置在熱處理筐中(為了爐溫測量準確,熱電偶應用數(shù)量越多,布局越均勻,則爐溫測量越準確)。

        圖3

        第一次測量結(jié)果,測量曲線如圖4所示。

        圖4

        經(jīng)過仔細分析各個階段的溫度波動,固溶爐內(nèi)的部分區(qū)域超過了固溶處理工藝的上限溫度540℃,需要調(diào)整,固溶時間超過了工藝要求的5h,符合工藝要求,如圖5所示。

        圖5

        最重要的空氣淬火曲線符合設計要求,冷卻速度小于4℃/s,如圖6所示。

        圖6

        時效溫度大部分區(qū)域超過了溫度上限205℃,需要調(diào)整,時效時間超過了工藝要求的5h,符合工藝要求,如圖7所示。

        根據(jù)溫度曲線的偏差,設備廠家調(diào)整了相關(guān)的設備參數(shù),并進行了多次的溫度測量,目前所有的溫度曲線波動均勻,并且在工藝規(guī)范之內(nèi)。

        最近一次的溫度曲線測量結(jié)果如圖8所示,爐溫曲線波動平穩(wěn),基本達到了了設計要求。

        圖7

        圖8

        固溶處理階段的溫度基本在中值左右波動,如圖9。

        圖9

        空氣淬火曲線平緩,冷卻速度小于4℃/s,并且與第一次測量結(jié)果比較變化不大,說明空氣淬火爐設計合理,運行穩(wěn)定,如圖10所示。

        時效階段的溫度波動也在公差范圍之內(nèi),但是前期局部溫度靠近上限,后期局部溫度靠近下限,如圖11所示,需要在量產(chǎn)前進行微調(diào)。

        圖10

        圖11

        選3件缸蓋,在缸蓋的本體燃燒室處取拉伸試樣,經(jīng)力學性能測量,符合技術(shù)要求,結(jié)果見附表。

        力學性能測量結(jié)果表

        3.結(jié)語

        經(jīng)過爐溫曲線測量和分析,T7空氣淬火熱處理線已經(jīng)達到設計要求,并且經(jīng)過力學性能檢測,符合技術(shù)要求。

        (20131109)

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