一种柴油机气阀的热处理方法与流程

1.本发明属于热处理技术领域，具体涉及对柴油机气阀的热处理加工方法。


背景技术：

2.气阀是柴油机心脏的关键运动件之一，它对整机性能及可靠性起关键作用。由于气阀位居心脏，要更换此零件需要柴油机解体，耗工费时，若在使用过程中发生故障，将会造成停车事故，特别是船用柴油机，气阀失效造成的经济损失会更大。
3.在柴油机工作过程中，气阀盘部圆锥面是工作面（见图1），它承受着高频次冲击、摩擦、磨损、高温高速腐蚀性气体冲刷等恶劣工况。为了保证气阀在使用过程中安全可靠，除了要求基体具有足够高的强度、塑性和韧性以外，阀盘圆锥面在高温条件下必须具有很好的耐蚀性、较高硬度、耐磨性和强度，才能保证气阀的疲劳强度和使用寿命。
4.为了使其具有上述性能，很多柴油机型大量使用40cr10si2mo马氏体型钢制造气阀，经过整体调质处理，在阀盘圆锥面堆焊镍基高温合金（如nicr12b等材料）后，再对与焊缝相邻的熔合区和热影响区进行高温回火。
5.调质的目的是保证气阀基体具有综合机械性能和回火索氏体 少量粒状碳化物。阀盘圆锥面堆焊镍基高温合金主要是为了提高工作面的高温强度、硬度、耐磨性和抗腐蚀性能，从而满足设计和产品使用工况要求。由于在堆焊时与焊缝金属相邻的熔合区域中部分熔入了焊材和基体中大量合金元素，以及与熔合区相邻己被加热转变为奥氏体的热影响区中，合金元素不同程度地溶入奥氏体，使这两个区域的淬透性明显增加，堆焊后冷却至室温，过冷奥氏体转变为马氏体 少量残留奥氏体。为了去除焊接应力，提高气阀性能，使焊后产生的淬火组织发生转变，必须对其进行高温回火，使马氏体和残留奥氏体分别转变为回火索氏体及索氏体。由于残留奥氏体数量较少，回火后全部转变为索氏体对气阀的性能影响不大，产品设计人员对此己经考虑到了此项的影响，所以，仍然能够确保气阀的熔合区和热影响区的机械性能满足设计要求。
6.40cr10si2mo气阀堆焊后，为了使熔合区和热影响区中的淬火组织转变为回火组织，可以采用局部加热高温回火或整体加热高温回火两种方式。
7.在工业生产中，局部加热高温回火有三种工艺方法，它们是局部感应加热高温回火、局部火焰加热高温回火和局部盐浴加热高温回火。局部感应加热高温回火和局部火焰加热高温回火的加热温度波动相对较大，且加热温度随着远离加热表面距离增加而降低，回火后的金相组织和机械性能不均匀，不适合关键零件40cr10si2mo气阀堆焊后高温回火；由于至今为止没有找到一种性价比高、适宜40cr10si2mo气阀堆焊后盐浴加热局部高温回火较为理想的盐作为加热介质，且盐浴回火后需要增加一道清洗工序，生产成本较高，所以，这一工艺方法在气阀生产过程中没有被应用。
8.因此，40cr10si2mo气阀堆焊后，传统的回火工艺是用空气作为加热介质对气阀整体进行高温回火，传统的高温回火工艺参数是：680-720℃、保温1.5-2.5小时、空冷。这种方法的缺点是能耗多，效率低，占用设备较多，生产成本较高。


技术实现要素：

9.本发明提出了一种柴油机气阀的热处理方法，采用一种液态金属作为加热介质，只对气阀盘部进行局部加热快速回火，在保证气阀质量不低于传统工艺的条件下，节约大量能耗、缩短生产周期、提高工作效率、降低生产成本。
10.本发明的技术方案如下：本发明提供一种柴油机气阀堆焊后的热处理方法，针对40cr10si2mo气阀，该处理方法是，先将zalsi12共晶铝合金置于高温回火炉中熔化，并加热至700-740℃，将堆焊镍基高温合金后冷却至室温的40cr10si2mo气阀大端面向下，放在铝合金熔液中，使zalsi12共晶铝合金熔液淹没至超过气阀焊缝，加热至回火温度后保温，出炉空冷。
11.优选地，所述zalsi12共晶铝合金熔液要淹没至超过气阀的焊缝5-10mm。
12.优选地，所述保温时间为5-10分钟，由以上技术方案可知，本发明的基本原理是：用熔化后的zalsi12共晶铝合金作为加热介质，局部加热气阀盘部至较传统工艺略高的回火温度，使与焊缝相邻的熔合区和热影响区中的马氏体快速转变为回火索氏体、残留奥氏体快速转变为索氏体后，将气阀取出空冷，完成高温回火。高温回火对焊缝材料镍基高温合金有去除应力的作用，对它的性能无不良影响。
13.本发明使用zalsi12共晶铝合金的理由是：该材料熔化（熔点576℃）后，它的导热系数高、热容量大、不腐蚀气阀、只有局部少量铝合金粘附在被加热表面且附着力很小（能够用手轻易快速分离干净气阀表面附着的铝合金），在本方法的使用温度范围内，zalsi12的蒸气压极低、不污染环境、氧化速度慢、铝合金损耗小、熔点低、流动性好、液态温度均匀且容易准确控制，是40cr10si2mo气阀堆焊后大批量连续生产较理想的局部加热快速高温回火的加热介质。
14.采用本方法加工后的柴油机气阀，采用以下方式进行检测：用金相显微镜检测熔合区和热影响区的金相组织，用维氏硬度计检测熔合区和热影响区的硬度、用洛氏硬度计检测阀盘大端面中部表面和阀杆中部硬度（阀杆中部硬度是基体的调质硬度，不受阀盘局部高温回火的影响）。 可以得到如下检测结果：熔合区和热影响区的金相组织为回火索氏体 少量索氏体 少量粒状碳化物，熔合区和热影响区的硬度为293-327hv
10
、阀盘大端面中部表面和阀杆中部硬度30.5-34.5hrc，气阀的产品图要求调质硬度为30-35hrc或289-329 hv
10
，全部合格。
15.本发明的有益效果如下：本发明通过对加热介质、介质特性、装炉方式、加热温度和保温时间等进行改进设计，采用的加热介质的导热系数高、热容量大、不腐蚀气阀、在使用温度范围内的蒸气压极低、不污染环境、氧化速度慢、介质损耗少、熔点低、流动性好、介质温度均匀且容易准确控制、粘附数量少、粘附在被加热金属表面的附着力小、很容易清理干净。使用本发明进行热处理的气阀质量稳定可靠、投资少、能耗低、加工效率高、生产成本低。
16.与40cr10si2mo气阀堆焊后用空气作为加热介质、对气阀整体进行高温回火的传统工艺（680-720℃、保温1.5-2.5小时、空冷）相比较，本发明在保证气阀不低于用传统工艺进行高温回火获得的金相组织和机械性能的条件下，对于大批量连续生产气阀时，设备投资相对较少、可以节约用电55%以上，生产效率提高一倍以上，高温回火成本下降65%以上。
附图说明
17.图1是柴油机气阀示意图。
18.图2 是实施例1熔合区和热影响区的金相组织。
19.图3 是实施例2熔合区和热影响区的金相组织。
20.图4 是实施例3熔合区和热影响区的金相组织图中：1、气阀阀杆，2、气阀阀盘，3、气阀大端面，4、堆焊后还未加工成形的阀盘圆锥面（焊缝）。
具体实施方式
21.下面结合附图和实施例，对本发明方法做进一步说明。
22.参见图1，柴油机气阀的结构包括气阀阀杆1、气阀阀盘2、气阀大端面3。在经过整体调质处理后，要在阀盘圆锥面堆焊镍基高温合金（如nicr12b等材料），例如4就是堆焊后还未加工成形的阀盘圆锥面（焊缝）。
23.以下的40cr10si2mo气阀都是先经过了前序整体调质处理，然后在阀盘圆锥面堆焊镍基高温合金（如nicr12b等材料）后，再进行本发明所述的后续热处理。
24.前期的调质是采用现有的工艺，包括：淬火：在空气电阻炉中加热至1010-1040℃、保温0.5-1.5小时、淬油。
25.高温回火：在空气电阻炉中加热至680-720℃、保温2-3小时、空冷。
26.以下实施例是针对40cr10si2mo气阀堆焊后的热处理，使用的是炉盖可开启、关闭、加热功率为150kw的高温回火电加热炉，设备的最高使用温度是750℃。
27.实施例1将zalsi12共晶铝合金在高温回火电加热炉中熔化后加热至740℃，把堆焊镍基高温合金后冷却至室温的40cr10si2mo气阀大端面向下，竖直放在zalsi12共晶铝合金熔液中，使该液态金属淹没至超过焊缝6mm，每炉装140件气阀， 加热至740℃、保温8分钟，出炉空冷。
28.参见图2，用金相显微镜检测熔合区和热影响区的金相组织为回火索氏体 少量索氏体 少量粒状碳化物。用维氏硬度计检测熔合区和热影响区的硬度为298-319hv
10
、用洛氏硬度计检测阀盘大端面中部表面和阀杆中部硬度为31-34hrc。
29.实施例2将zalsi12共晶铝合金在高温回火电加热炉中熔化后加热至700℃，把堆焊镍基高温合金后冷却至室温的40cr10si2mo气阀大端面向下，竖直放在zalsi12共晶铝合金熔液中，液态金属淹没至超过焊缝10mm，每炉装150件气阀， 加热至700℃、保温5分钟，出炉空冷。
30.参见图3，用金相显微镜检测熔合区和热影响区的金相组织为回火索氏体 少量索氏体 少量粒状碳化物。用维氏硬度计检测熔合区和热影响区的硬度为309-326hv
10
、用洛氏硬度计检测阀盘大端面中部表面和阀杆中部硬度为30.5-33.5hrc。
31.实施例3将zalsi12共晶铝合金在高温回火电加热炉中熔化后加热至720℃，把堆焊镍基高温合金后冷却至室温的40cr10si2mo气阀大端面向下，竖直放在zalsi12共晶铝合金熔液
中，液态金属淹没至阀盘焊缝以上5mm，每炉装100件气阀， 加热至720℃、保温10分钟，出炉空冷。
32.参见图4，用金相显微镜检测熔合区和热影响区的金相组织为回火索氏体 少量索氏体 少量粒状碳化物。用维氏硬度计检测熔合区和热影响区的硬度为301-318hv
10
、用洛氏硬度计检测阀盘大端面中部表面和阀杆中部硬度为31.5-34hrc。
33.当然，以上实施例并非穷举，在实施过程中，各种参数之间可以有很多种组合。