铸造合金气门座圈“两控温一控时淬火”热处理工艺

摘要

一种铸造合金气门座圈“两控温一控时淬火”热处理工艺，该工艺通过温度控制精度±5℃的保护气氛热处理炉、带可拆卸式保温罩的料框和特制的控温油池，将工件的入油前温度区间控制在±10℃的范围内，油池内淬火油温度控制在±15℃的范围内，同时将淬火件在油池内的冷却时间变化量控制在±3S范围内，对气门座圈进行淬火处理，再进行高温回火。本发明采取“两控温一控时淬火”工艺，使料框中间不同位置的气门座圈能实现缓慢均衡冷却，保证座圈不变形和开裂，再选择合理的高温回火温度，多次回火，使产品金相组织均匀细密、硬度差小，气门座圈表面硬度呈正态分布。本发明适用铸造合金气门座圈的热处理工艺，也适合小尺寸金属零件批量热处理工艺。

权利要求

1.一种铸造合金气门座圈“两控温一控时淬火”热处理工艺，其特征在于，所述工艺步骤为：

（1）启动控温淬火液池中的控温装置，将控温淬火液池中的淬火液温度调整到淬火液设定控制温度的下限；

（2）用温度控制精度±5℃的保护气氛热处理炉将装有气门座圈的料框加热至设定的淬火温度上限＋10℃～＋20℃；

（3）打开热处理炉门，电动葫芦上安装的保温罩升降装置将金属保温罩罩到装有气门座圈的料框上；

（4）电动葫芦上的吊钩将装有气门座圈的料框与罩到上面的可卸式金属保温罩一起吊出，用电动葫芦将其送至淬火液池上方一定高度，让装有气门座圈的料框在空气中缓慢冷却；同时远红外测温仪开始监测料筐中的气门座圈温度；

（5）当远红外测温仪测定到料框内气门座圈温度达到淬火温度上限时，立即启动电动葫芦，使料框快速进入温度处于温度控制范围下限的特制控温淬火池，进行淬火冷却，从而将气门座圈的料框进入淬火液前温度控制在设定淬火温度±10℃以内；同时电动葫芦上携带的保温罩卸罩器使保温罩与料框脱离，便于淬火液进入料筐内部对里面的工件进行淬火冷却；

（6）料框进入控温淬火池后，控温淬火池内的搅拌器开始不停地进行搅拌，使淬火池内温度均匀，同时加快淬火液的流动，使淬火液更容易进入料框心部，降低料框中各部位气门座圈冷却速度的差异，提高工件淬火硬度的均匀性；

（7）当控温淬火池中的淬火液温度上升到一定温度，控温淬火池中的控温装置开始启动，冷却水进入包围着控温淬火池的冷却水调温外池，使控温淬火池中的淬火液降温，当淬火液温度降至接近淬火液温度控制下限时，停止冷却水加入，使控温淬火池中的淬火液温度始终保持在设定温度±15℃的范围内；

（8）当装有气门座圈的料框在控温淬火池内淬火冷却时间达到设定时间，就可将装有气门座圈的料框提出淬火液池，将料框在控温淬火液池内淬火时间控制在设定时间±3S范围内，淬火过程结束。

说明书

铸造合金气门座圈“两控温一控时淬火”热处理工艺

[0001] 技术领域

[0002] 本发明涉及一种铸造合金气门座圈“两控温一控时淬火”热处理工艺，属金属热处理技术领域。

[0003] 背景技术

[0004] 气门座圈是内燃机的关键零件。内燃机上所采用的气门座圈通常有两种材质，一种是采用粉末冶金材质，另一种就是铸造合金材质。铸造合金气门座圈（以下简称气门座圈）生产工艺中需要进行淬火热处理。由于气门座圈体积小，为了提高生产效率，行业内通常采用料框盛装着多件气门座圈淬火的方式进行淬火处理。在盛有气门座圈的料筐进入淬火池淬火过程中，淬火介质需从淬火池中经过料框中外层的气门座圈之间的空隙才能到达料框中部，对料框中间的气门座圈进行淬火冷却，从而导致料框中间的气门座圈冷却速度明显低于料框外部的气门座圈，而且气门座圈越是靠近料框中心，其冷却速度越低，致使同一批淬火的气门座圈硬度存在较大差异，导致在同一发动机安装上的几个气门座圈使用中磨损状况相差较大，严重降低了气门座圈的使用寿命，这也是大部分国产气门座圈使用寿命与国外名牌产品存在较大差异的主要原因之一。

[0005] 发明内容

[0006] 本发明的目的是，为了解决气门座圈在淬火热处理中存在的问题，公开一种气门座圈“两控温一控时淬火”热处理工艺。

[0007] 本发明的技术方案是，本发明采用“两控温一控时淬火”热处理工艺。本热处理工艺所述的“两控温”指的是将料框中气门座圈进入淬火液前的温度和将淬火过程中淬火液的温度分别控制在一个较小的范围内；所述的“一控时”指的是将气门座圈的淬火时间也控制在一个较小的范围内；通过对工件的淬火前温度、淬火液温度和淬火时间的精准控制，实现气门座圈的控制淬火热处理，从而缩小各批气门座圈和同一批淬火后的硬度差异，然后再进行高温回火消除残余应力，全面提高气门座圈的热处理质量。

[0008] 料框中气门座圈进入淬火液前的温度控制通过下述方法实现：本发明为了提高气门座圈这一类小尺寸零件批量淬火前里外温度度一致性，采用了可拆卸式料框金属保温罩。当装有工件的料框在加热炉内加热到略高于淬火温度时，打开炉门，将可拆卸式金属保温罩罩到即将出炉的料框上并与料框一起出炉，由电动葫芦吊到淬火池上方的固定位置，等待料筐中装着的气门座圈降至淬火前温度，料筐中装着的铸造合金气门座圈温度由装在电动葫芦上的远红外测温仪监测；金属保温罩能起隔绝料框内工件对外热辐射和隔绝料框内外空气对流的作用，提高了料框内工件在冷却到淬火温度过程中温度的均匀性，从而保证料框进入淬火池淬火前，料框内工件温度处于可控状态。当远红外测温仪监测料框温度达到设定淬火前温度时，自动发出信号给电动葫芦控制系统，电动葫芦将立即下降，同时电动葫芦上携带的保温罩卸罩器自动使料框上的保温罩与料框脱离，使淬火池中的淬火液不受金属保温罩的阻挡，快速与淬火工件接触进行淬火。

[0009] 淬火过程中淬火液的温度控制通过下述方法实现：本发明采用带有冷却水调温外池的控温淬火池，淬火池外壁座落在冷却水调温外池中，冷却水调温外池中的冷却水进水管通过水泵接外面的蓄水池，出水管直通蓄水池，可根据要求控制泵入的冷却水来调节冷却水温；在带有冷却水调温外池的控温淬火池温度处于控制范围下限时进行淬火冷却，同时控温淬火池内的搅拌器不停地进行搅拌，使淬火池内淬火液温度均匀并加快淬火液的流动，使淬火液更容易进入料框心部，降低料框中各部位气门座圈冷却速度的差异，提高工件淬火硬度的均匀性。

[0010] 气门座圈的淬火时间控制通过下述方法实现：从电动葫芦将料框放入淬火池时开始，装在电动葫芦上的时间继电器开始进行计时，到设定的淬火时间时，电动葫芦上的控制系统将接收到时间继电器发出的“时间到”信号，发出指令让电动葫芦的执行机构立即将料筐从淬火池中吊起，使淬火过程立即结束。

[0011] 本发明气门座圈“两控温一控时淬火加高温回火”热处理工艺具体步骤如下：

[0012] 1、启动控温淬火液池中的控温装置，将控温淬火液池中的淬火液温度调整到淬火液设定控制温度的下限。

[0013] 2、用具有较高温度控制精度的保护气氛热处理炉将装有气门座圈的料框加热至略高于进入淬火液温度。

[0014] 3、将装有气门座圈的料框出炉，立即将可卸式金属保温罩罩到料框上。

[0015] 4、用电动葫芦将已经罩上可卸式金属保温罩的料框送至淬火池上方一定高度，让料框在空中缓慢冷却，同时用远红外测温仪监测料框内工件温度，使装有气门座圈的料框进入淬火液前温度控制在设定淬火前温控范围以内。

[0016] 5、当远红外测温仪监测料框温度达到设定淬火前温度时，自动发出信号给电动葫芦控制系统，电动葫芦将立即下降，同时电动葫芦上携带的保温罩卸罩器自动使料框上的保温罩与料框脱离，便于淬火液进入料筐内部对里面的工件进行淬火冷却；此时料框则快速进入温度处于控制范围下限的特制控温淬火池，进行淬火冷却，同时电动葫芦上安装的时间继电器开始计时。

[0017] 6、料框进入淬火池后，控温淬火池内的搅拌器开始不停地进行搅拌，使淬火池内温度均匀并加快淬火液的流动，使淬火液更容易进入料框心部，降低料框中各部位气门座圈冷却速度的差异，提高工件淬火硬度的均匀性。

[0018] 7、当控温淬火液池中的淬火液温度上升到一定温度，控温淬火液池中的控温装置开始启动，低温冷却水进入包围着控温淬火池的冷却水调温外池，使控温淬火池中的淬火液降温，当淬火液温度降至接近淬火液温度控制下限时，停止冷却水加入，使控温淬火液池中的淬火液温度始终控制在设定的温度范围内。

[0019] 8、当装有气门座圈的料框在控温淬火液池内淬火冷却时间达到设定时间，电动葫芦上安装的时间继电器立即动作，电动葫芦将装有气门座圈的料框提出淬火液池，使料框在控温淬火池内淬火时间控制在设定的时间范围内，淬火过程结束。

[0020] 工件淬火完成后，随即进行高温回火。

[0021] 本发明的有益效果是，本发明由于采取了“两控温一控时淬火”热处理工艺，使料框中间不同位置的气门座圈能实现均衡冷却，保证座圈不变形和开裂，淬火完成后，再选择合理的高温回火温度（640℃），多次回火，使产品金相组织均匀细密、硬度差小，气门座圈表面硬度呈正态分布，达到了国外原件硬度差的水平，其同一件产品的硬度差不大于3个HRC单位（行业标准规定为同一片气门座上各点硬度差不得大于5个HRC单位），整批产品的硬度可控制在40-44HRC，即控制在4个HRC单位范围内，提高了产品性能的一致性和可靠性，同时改善了加工性能。

[0022] 本发明适用铸造合金气门座圈的热处理工艺，也适合小尺寸金属零件批量热处理工艺。

[0023] 附图说明

[0024] 图1为本发明工艺框图；

[0025] 图2为国外某公司铸造高合金材料金相组织图；

[0026] 图3为本发明实施例新型材料气门座圈金相组织图；

[0027] 图4为国外同类产品气门座圈硬度分布直方图；

[0028] 图5为本发明实施例气门座圈硬度分布直方图。

[0029] 具体实施方式

[0030] 本发明在汽车发动机新型材料气门座圈的淬火热处理中进行具体实施。

[0031] 本发明实施例将汽车发动机新型材料气门座圈淬火热处理工艺，按以下步骤进行：

[0032] （1）启动控温淬火液池中的控温装置，将控温淬火液池中的淬火液温度调整到淬火液设定控制温度的下限。

[0033] （2）用温度控制精度±5℃的保护气氛热处理炉将装有气门座圈的料框加热至设定的淬火温度上限＋10℃～＋20℃。

[0034] （3）打开热处理炉门，电动葫芦上安装的保温罩升降装置将金属保温罩罩到装有气门座圈的料框上。

[0035] （4）电动葫芦上的吊钩将装有气门座圈的料框与罩到上面的可卸式金属保温罩一起吊出，用电动葫芦将其送至淬火液池上方一定高度，让装有气门座圈的料框在空气中缓慢冷却。同时远红外测温仪开始监测料筐中的气门座圈温度。

[0036] （5）当远红外测温仪测定到料框内气门座圈温度达到淬火温度上限时，立即启动电动葫芦，使料框快速进入温度处于温度控制范围下限的特制控温淬火池，进行淬火冷却，从而将气门座圈的料框进入淬火液前温度控制在设定淬火温度±10℃以内。同时电动葫芦上携带的保温罩卸罩器使保温罩与料框脱离，便于淬火液进入料筐内部对里面的工件进行淬火冷却。

[0037] （6）料框进入控温淬火池后，控温淬火池内的搅拌器开始不停地进行搅拌，使淬火池内温度均匀，同时加快淬火液的流动，使淬火液更容易进入料框心部，降低料框中各部位气门座圈冷却速度的差异，提高工件淬火硬度的均匀性；

[0038] （7）当控温淬火池中的淬火液温度上升到一定温度，控温淬火池中的控温装置开始启动，冷却水进入包围着控温淬火池的冷却水调温外池，使控温淬火池中的淬火液降温，当淬火液温度降至接近淬火液温度控制下限时，停止冷却水加入，使控温淬火池中的淬火液温度始终保持在设定温度±15℃的范围内。

[0039] （8）当装有气门座圈的料框在控温淬火池内淬火冷却时间达到设定时间，就可将装有气门座圈的料框提出淬火液池，将料框在控温淬火液池内淬火时间控制在设定时间±3S范围内，淬火过程结束。

[0040] 工件淬火完成后，随即进行高温回火。

[0041] 对于经过“两控温一控时淬火”后再经高温回火处理的工件，进行了金相分析和硬度测试。本实施例产品的金相图如图3所示，与之比较的国外同类产品的金相图如图2所示。本实施例产品的零件硬度分布直方图如图5所示，与之对照的国外同类产品零件的硬度分布直方图如图4所示。

[0042] 由于实施了“两控温一控时淬火”热处理工艺，在使料框中间不同位置的气门座圈能实现均衡冷却的同时，提高了气门座圈进入淬火液前的温度控制精度、淬火过程中淬火液温度控制精度和淬火时间控制精度，再选择合理的高温回火温度（640℃），多次回火，消除了残余应力，保证座圈不变形和开裂，使产品金相组织均匀细密、硬度差小，气门座圈表面硬度呈正态分布，达到了国外原件硬度差的水平，其同一件产品的硬度差不大于3个HRC单位（行业标准规定为同一片气门座上各点硬度差不得大于5个HRC单位），整批产品的硬度可控制在40-44HRC，即控制在4个HRC单位范围内，提高了产品性能的一致性和可靠性，同时改善了加工性能。