■ 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)現這兩種氣門材料含碳量、含硅量都有較大差異，可根據盤錐面與盤端面淬火后產生的明顯顏色差異分成兩組）的氣門進行小頭帽形淬火時（見圖1、圖2）的取樣（也即加熱時間和電壓等參數摸索），發(fā)現下面現象：用較低的電壓或較短的加熱時間，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（A組加熱時間較長或功率較高，B組加熱時間較短或功率較低）來淬火是可以的，但要分選，較麻煩。找不到合適的參數能兼顧到兩種材料達到同一要求，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. 工藝與應用設備觀察結果

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

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、檢查淬火機床部分和冷卻系統(tǒng)，也無異常。

進一步的觀察發(fā)現，淬A組合格時需要的表面溫度比淬B組合格時的表面溫度要高。

3. 產生原因

圖2 氣門小頭帽形淬火

圖3 氣門小頭帽形淬火感應器1

感應加熱深度和功率取決于感應器中電流的大小、頻率，以及工件導磁性、導電性、導熱性和感應器的周圍的磁場分布。感應器周圍的磁場分布特征會導致工件表面各處加熱功率有差異，從而可能導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中藍色五星位置處間隙較小時，鄰近效應將比較明顯，影響感應器在此處的電流和磁場分布。感應器中電流遠離工件分布，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。當然，即使消除了鄰近效應的影響，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，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象，就必須使整體表面溫度高一些或高溫時間維持較長一些。這樣，由于熱傳導，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間較長一些才能滿足桿端端面中心硬度要求。而此時B組氣門會由于表面溫度相對過高，表面熱量向心部傳導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，導磁體的溫度可能升高到居里點，加熱深度也會增加，進一步導致了心部溫度和硬度升高。這樣，兩種材料用同樣的參數淬火時，心部硬度與桿端中間硬度難以兼顧。

4. 用同樣參數淬A、B材料的辦法

方法的關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器的間隙來提高端面中心硬度呢？理論和試驗證明是可以的。但是，小頭端面邊沿時常過熱甚至燒壞，因此這樣做整體是不行的，顧此失彼。可行的辦法如下：

（1）修改感應器 先在圖3中感應器正對桿端面中心的位置，采取感應器正對氣門桿端面的中心局部突出措施（見圖4箭頭所指），來改善感應器中電流和感應器附近的磁場分布，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，在這種鄰近效應較大的感應器中尤其有限。為此可采用圖5所示形狀的感應器。但是這種感應器一方面手工制造其形狀不易做到一致且易變形，也不便加裝導磁體，使用起來不便，另一方面是這種感應器內部通水面積較小，易過熱變形。如裝有導磁體，過熱還會造成導磁體失磁，從而使加熱深度變深、心部溫度升高。因此，還是應加大圖3中藍色五星位置的間隙，減小鄰近效應，甚至在圖4箭頭所示位置外側（左）加裝導磁體。這樣就可根據需要很靈活地修改導磁體的尺寸，適當地減小中心位置磁路磁阻。這樣改善感應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間短造成的中心溫度低、進而造成桿端面中心硬度低的現象。

圖4 氣門小頭帽形淬火感應器2

圖5 氣門小頭帽形淬火感應器3

（2）采用水基淬火冷卻介質淬火工藝 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的冷卻速度與馬氏體轉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淬火時，工件冷卻速度比空冷時的速度快很多，需要的淬火溫度可稍低。水基淬火冷卻介質淬火時，表面熱量向心部傳導的時間縮短。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間就不會發(fā)生端面中心硬度低或心部硬度過高的現象。

需說明的是，把上述兩項措施結合起來效果更好。

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