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中高頻感應(yīng)加熱設(shè)備生產(chǎn)廠家
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氣缸蓋進(jìn)排氣門(mén)密封帶高頻感應(yīng)淬火工藝研究

發(fā)布時(shí)間:2020-05-29 已經(jīng)有1人查過(guò)此文章 返回感應(yīng)淬火列表

  1.概述

         由于新型發(fā)動(dòng)機(jī)比功率越來(lái)越高,導(dǎo)致鋁合金缸體和缸蓋許多部位工作溫度超過(guò)200℃,這時(shí)其強(qiáng)度迅速下降,難以承受所受機(jī)械載荷。為此,歐美等西方發(fā)達(dá)國(guó)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(xué)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(qiáng)度和球墨鑄鐵接近,和灰鑄鐵類(lèi)似的防震導(dǎo)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(jié)構(gòu)取消專(zhuān)門(mén)氣門(mén)座,但氣門(mén)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(yīng)淬火和鋼鐵感應(yīng)熱處理的過(guò)程同普通熱處理一樣,是固態(tài)相變的過(guò)程,因此可選擇感應(yīng)淬火或激光表面淬火。

       早期采用激光表面淬火,經(jīng)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(jī)械混合組成,為鐵碳相圖共晶轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物。 純?nèi)R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(fù)加熱的部位,對(duì)于氣缸蓋座孔特殊部位激光淬火較難控制,就會(huì)出現(xiàn)局部燒化、裂紋、表面凹凸不平等缺陷。因此,針對(duì)上述產(chǎn)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(wèn)題。

 

         2. 研究目標(biāo)及難點(diǎn)

        (1)利用現(xiàn)有設(shè)備,通過(guò)設(shè)計(jì)與其匹配的專(zhuān)用感應(yīng)器,達(dá)到迅速使零件進(jìn)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(shù)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(duì)零件感應(yīng)淬火深度的影響,確定最優(yōu)的電參數(shù)以指導(dǎo)生產(chǎn)。

        (3)鑄鐵件感應(yīng)加熱因?qū)嵝暂^弱 , 加熱時(shí)間比鋼件為長(zhǎng),一般在幾秒以上,并應(yīng)保溫一段時(shí)間使難溶的組織溶入奧氏體,加熱速度快會(huì)導(dǎo)致過(guò)高的熱應(yīng)力,易產(chǎn)生裂紋。

        (4)由于零件的形狀較復(fù)雜,結(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng),因此制造仿形且能均勻加熱的感應(yīng)器較難,淬火機(jī)床精度下降,感應(yīng)器與零件的間隙不能精確定位。因此,實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)且質(zhì)量穩(wěn)定,應(yīng)做淬火機(jī)床改進(jìn)。

 

        3. 研究?jī)?nèi)容

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

        技術(shù)要求氣缸蓋進(jìn)排氣門(mén)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(shè)計(jì)專(zhuān)用感應(yīng)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(shí)加熱淬火法工藝規(guī)范制定基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

根據(jù)設(shè)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(shí)加熱法。

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

       利用以上電參數(shù)核對(duì)高頻輸出功率:

       P輸=1/2γnUcIao=1/2×1.7×1×10×10

                =85(KW)

       式中 γ——陽(yáng)極電流利用系數(shù),一般取1.7;

               N——振蕩管個(gè)數(shù),取n =1。

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

        確定加熱時(shí)間t:加熱時(shí)間可由有關(guān)資料查取并進(jìn)行工藝試驗(yàn),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(wú)法進(jìn)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(yàn)研究。

        方案1:加導(dǎo)磁體感應(yīng)器,工件旋轉(zhuǎn)法。

        方案2:不加導(dǎo)磁體感應(yīng)器,工件旋轉(zhuǎn)法。

        方案3:不加導(dǎo)磁體感應(yīng)器,工件不旋轉(zhuǎn),感應(yīng)器本身匯合處電流密度小的部分對(duì)準(zhǔn)壁薄處(方案1、方案2出現(xiàn)過(guò)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(yīng)器的有效圈上裝導(dǎo)磁體,其具有良好的磁導(dǎo)率,當(dāng)高頻電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí),磁力線將主要從導(dǎo)磁體中通過(guò),確保加熱區(qū)域磁通密度最大,因而自感電勢(shì)也最大。理論上加裝導(dǎo)磁體的感應(yīng)器加熱速度更快,但設(shè)計(jì)制造出的感應(yīng)器,在實(shí)際試驗(yàn)中由于加熱速度快,溫度不好控制,零件極易產(chǎn)生裂紋。

 

        方案2保證加熱區(qū)域達(dá)到理想的加熱速度、溫度、深度。圖3為設(shè)計(jì)的淬火感應(yīng)器的實(shí)物(不加導(dǎo)磁體)。

 

        方案1、方案2試驗(yàn)后,盡管采用旋轉(zhuǎn)法加熱解決了感應(yīng)器本身回合處電流密度小、加熱不均的問(wèn)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(guò)熱現(xiàn)象。為了解決這一問(wèn)題制定了方案3。經(jīng)試驗(yàn),方案3效果較好,以下均為方案3試驗(yàn)結(jié)果。

 

           圖3 感應(yīng)淬火器實(shí)物

 

        4. 研究檢驗(yàn)結(jié)果

        圖4為氣缸蓋高頻淬火前零件實(shí)物, 4個(gè)氣門(mén)座孔選取不同的參數(shù)感應(yīng)淬火,編號(hào)及形狀如圖5所示,電參數(shù)見(jiàn)表1。

 

 圖4  試驗(yàn)用某型號(hào)氣缸蓋 

    

 

        圖5 氣缸蓋淬火順序            

                    

 

        5.檢驗(yàn)結(jié)果

        檢驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)表2, 解剖1 ♯座圈按圖6所示1~4部位取樣進(jìn)行組織及淬硬層深度檢驗(yàn),表面淬火組織均為馬氏體+殘留奧氏體,各個(gè)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(jié)果分析

        蠕墨鑄鐵缸蓋氣門(mén)座感應(yīng)淬火能形成高的壓應(yīng)力狀態(tài)的馬氏體硬化層,感應(yīng)淬火為自淬火不用任何外界冷卻介質(zhì),產(chǎn)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(mén)座感應(yīng)淬火質(zhì)量重復(fù)性好可靠保證,感應(yīng)淬火感應(yīng)器的開(kāi)口處的合理設(shè)計(jì)與制作,根據(jù)座圈的壁厚設(shè)計(jì)仿形高頻感應(yīng)器,是保證氣門(mén)座圈圓周感應(yīng)淬火層均勻性的必要條件。

        感應(yīng)淬火保證氣門(mén)座圈與感應(yīng)器間隙是關(guān)鍵。通過(guò)對(duì)設(shè)定不同參數(shù)進(jìn)行氣缸蓋氣門(mén)座淬火的金相解剖分析得出,采用適當(dāng)?shù)母哳l參數(shù)配合相應(yīng)的加熱時(shí)間,都能獲得合格的缸蓋氣門(mén)座。因?yàn)闅忾T(mén)座經(jīng)感應(yīng)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(mén)構(gòu)成的一對(duì)摩擦副,具有極高的耐磨性。在發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)壽命期不發(fā)生過(guò)量磨損。

        通過(guò)試驗(yàn),采用型號(hào)為HT100高頻淬火設(shè)備,確定各電參數(shù)分別為:直流電壓8.5~10kV,陽(yáng)極電流4~4.6A,柵極電流1.4~1.6A,間隙5~7mm,時(shí)間12~18s。

        由于現(xiàn)有高頻淬火設(shè)備只能手工操作,零件感應(yīng)淬火部位結(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng),薄厚不均,受熱不均,導(dǎo)致鑄鐵導(dǎo)熱性差,加熱速度快,易產(chǎn)生應(yīng)力集中, 零件在高頻淬火階段如控制不當(dāng)極易產(chǎn)生燒傷和裂紋。且加熱溫度不宜太高,溫度過(guò)高時(shí)殘余奧氏體量較多,影響疲勞性能。因此,在氣門(mén)座孔部位高頻感應(yīng)淬火時(shí),溫度低一些能淬硬是最好效果,但是要想達(dá)到這樣的效果,只能調(diào)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(shí)較低的溫度就能淬硬,硬度也能提高。

 

        7.結(jié)語(yǔ)

         (1)蠕墨鑄鐵的氣缸蓋進(jìn)排氣門(mén)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(shù)要求。

(2)該結(jié)構(gòu)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(zhì),自身冷卻即可淬硬,零件變形小,避免了激光淬火容易產(chǎn)生裂紋而造成報(bào)廢的風(fēng)險(xiǎn)。

        (3)鑄鐵件感應(yīng)加熱因?qū)嵝暂^弱,一次加熱易產(chǎn)生裂紋,所以感應(yīng)淬火前應(yīng)首先進(jìn)行低溫預(yù)熱,然后進(jìn)行淬火,即可避免淬火裂紋。

       (4)當(dāng)零件的形狀固定,設(shè)計(jì)能均勻加熱的仿形感應(yīng)器, 采用比較精密的淬火機(jī)床,并準(zhǔn)確定位感應(yīng)器,可實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)且質(zhì)量穩(wěn)定。

      (5)氣缸蓋用材料為蠕墨鑄鐵,產(chǎn)品因長(zhǎng)時(shí)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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