（机械电子工程专业论文）气门热处理工艺数据管理系统的研究与开发.pdf

亟塑堡三盔堂堡圭堂堡堡苎 摘要 热处理是改善金属零件机械性能和寿命的关键工艺，是气门制造过程中道 十分关键的生产工序。随着计算机技术的快速发展，人们利用计算机在热处理行 业进行了大量研究，并取得了较好的成果。热处理工艺信息管理对热处理过程中 的相关数据进行有效管理，辅助热处理工艺的编制，并对产品的热处理质量进行 追溯，不仅可以提高热处理生产的工作效率，而且对于企业提高生产率，科学地 管理信息资源，增强企业竞争力都具有重要意义。 首先，本论文在对气门厂进行充分调查的基础上，对气门热处理车间的数据 流程进行了归纳总结，对流程中各阶段产生的相关数据进行了分类和提取，并对 气门热处理质量可追溯性的原理、实现的方法做了详细的介绍。在追溯的基础上， 对热处理工艺参数的评判做了简单介绍，给出了评判的模型。 第二，运用关系数据库的概念，对这些提取的数据进行了初步的建库工作， 给出了系统数据库需要的数据表，主要包括：原材料数据表、质量检验数据表、 热处理工艺卡、热处理质量检验与反馈等。 第三，根据软件系统开发的基本原理，结合工厂的实际情况，构建c 幅结构 的软件体系框架，对系统的功能进行了设计说明，并细化了各功能模块。实现了 对于热处理工艺数据的编辑、查询等功能，并能够以标准文件格式输出相应的热 处理工艺文件。这些功能的开发，使得热处理工艺设计人员能够很好的实现对热 处理质量的追溯，热处理工艺的参数的优化更有针对性。 最后，用v i s u a lc + + 6 0 语言设计开发前端的界面，s q ls e r v e r2 0 0 0 实现后 台的数据库功能。本系统方案合理，数据库结构设计科学，功能模块设计以实际 需求为基础，人机界面友好，操作简单方便。 关键词：气门；热处理；质量追溯性；编码；工艺参数评判 亟堡堡三盔堂堕圭堂笪堡皇 a b s t r a c t t h eh e a tt r e a t m e n ti sc r i t i c a lp r o c e s st oi m p r o v et h em e c h a n i c a la b i l i t ya n d l o n g e v i t yo fm e t a lc o m p o n e n t ，a n di sv e r yp i v o t a lp r o d u c t i o nw o r k i n gp r o c e d u r ei n t h ep r o d u c t i o no fv a l v e w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , b e t t e r a c h i e v e m e n t sh a v eb e e ng a i n e db yu s i n gc o m p u t e rt om a k ep l e n t yo fr e s e a r c hi nt h e h e a tt r e a t m e n tp r o c e s s i n gi n d u s t r y t h ed a t ao ft h eh e a tt r e a t m e n tp r o c e s s i n gc a nb e m a n a g e de f f e c t i v e l yb yt h eh e a tt r e a t m e n tp r o c e s s i n gi n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t ， a s s i s t i n gt h ed e s i g n e eo fh e a tt r e a t m e n tt e c h n i c a lc a r da n dt r a c i n gt h eq u a l i t yo fh e a t t r e a t m e n t ，w h i c hi sn o to n l yt oe n h a n c et h ee f f i c i e n c yo fh e a tt r e a t m e n tp r o d u c t ，b u t a l s ot oi m p r o v et h ep r o d u c t i o nr a t eo fe n t e r p r i s e ，m a n a g et h ei n f o r m a t i o nr e s o u r c ea n d i n c r e a s ec o m p e t i t i v ec a p a c i t y f i r s t l y , b a s e do nf u l l yr e s e a r c h i n go nt h et h r e e c i r c l ef a c t o r y , t h ed a t af l o wi nt h e p r o d u c t i o nw o r k s h o pw a sg e n e r a l i z e da n dt h ed a t ao fe v e r yp h a s ew a se x t r a c t e da n d c l a s s i f i e d t h e nt h et h e o r ya n dr e a l i t yo fh e a tt r e a t m e n tq u a l i t yt r a c i n go fv a l v e sw a s i n t r o d u c e dp a r t i c u l a r l y t h em o d e lo fj u d g m e n ta l s ow a se x t r a c t e da n de x p l a i n e d s i m p l e s e c o n d l y , t h ef u n d a m e n t a ld a t as y s t e mw a sr e a l i z e de f f e c t i v e l yb yu s i n gt h e r e l a t i o nd a t a b a s ec o n c e p t i o n t h et a b l eo fs y s t e mw a sc o n s t r u c t e d m a i n l yi n c l u d i n g r a wm a t e r i a ld a t at a b l e ，v e r i f i e dq u a l i t yd a t at a b l e ，h e a tt r e a t m e n tt e c h n i c a lc a r da n d q u a l i t yf e e d b a c ke t c t h i r d l y , r e a l i z i n gt h es y s t e mc o n f i g u r a t i o no fc l i e n t t o - s e r v e rc o m b i n e dw i t l lt h e a c t u a li n s t a n c eo ft h r e e - c i r c l ef a c t o r yi na c c o r d i n gt ot h eb a s i cp r i n c i p l eo ft h es o f t w a r e t h e nt h ef u n c t i o no fs o f t w a r es y s t e mw a sd e s i g n e da n ds p e c i f i e dd e t a i l r e a l i z i n gt h e e d i ta n dq u e r yo ft h eh e a tt r e a t m e n tt e c h n i q u ed a t aa n da l lt h ed a t aw a sp r i n t e dw i t h s t a n d a r df o r m a t a l lt h ed e s i g n e df u n c t i o nw a sc o n v e n i e n tt ot h ed e s i g n e rt oq u e r yt h e i n _ f o r m a t i o no ft h eh e a tt r e a t m e n t l a s t l y , t h eh o s tc o m p u t e rc o n t r o ls o f t w a r ei sd e v e l o p e du s i n gv i s u a lc + + 6 0 a n d b a c k g r o u n dd a t a b a s ei sr e a l i z e du s i n gs o ls e r v e r2 0 0 0 t h es y s t e mi sr e a s o n a b l ea n d s c i e n t i f i ci ns c h e m ep l a n n i n g ，d a t a b a s es t r u c t u r ed e s i g n i n g , w i t hh i g ho p e r a t i o n a l r e l i a b i l i t y t h ef u n c t i o nm o d u l ew a sd e s i g n e db a s e do nt h ea c t u a ld e m a n d i n g t h i s i n t e r a c t i v eu s e r - f r i e n d l ys y s t e mo p e r a t e se a s i l y k e yw o r d s ：v a l v e ；h e a tt r e a t m e n t ；q u a l i t yt r a c e a b i l i t y ；c o d i n g ，p r o c e s s p a r a m e t e rd e c i s i o n 此页若属实，请申请人及导师签名。 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：望堡堡日期垫! ! ：兰：1 9 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部内容，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：二隧导师签名 注：请将此声明装订在论文的目录前。 2 0 0 6 5 ，0 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 发动机是对汽车性能影响最大的一个部件，是汽车运行的心脏和动力之源。 它既是体现汽车性能的重要机构，也是汽车最容易出现故障的部分口j 。几十年来， 随着科学技术的不断发展，发动机的性能也不断得到提高和改善，产生了许多 新型的发动机，对于发动机的相关零部件的性能要求也越来越高。 气门作为汽车发动机的重要零部件之，对发动机的工作性能影响很大e 3 i 。 不同类型的发动机输出功率大小相差悬殊，使用燃料也各不相同，气门所承受 的压力、工作温度和接触的介质各有差别，对气门的耐磨性、耐蚀性及抗疲劳 强度等都有特别的要求，所以对气门的研究工作是非常重要的。 发动机气门按其作用可以分为进、排气门两种，它们是在发动机工作过程 中密封燃烧室和控制发动机气体交换的精密零件，是保证发动机动力性、经济 性、可靠性、耐久性的重要零件。气门在发动机工作过程中，由于受到摩擦、 撞击、高温的作用，容易出现磨损、断裂等质量问题，气门出现断裂，会打坏 整台发动机，造成重大事故；气门磨损会造成气门不能满足使用要求，或不能 达到正常的使用时间，使发动机的功率和性能大大下降【4 j 。而且随着发动机的转 速和功率的不断提高，气门的工作温度和开闭频率也在不断增高，从而在更高 的层次上对气门的质量提出了更高的要求。为此，我们以气门的热处理过程作 为研究对象，从计算机管理的角度出发，通过分析影响气门热处理质量的关键 因素，完成对热处理质量的可追溯性，并在此基础上能够改进气门热处理的工 艺参数，尽量在不增加制造成本，不引迸高端材料的基础之上，充分发挥金属 材料潜力，提高气门的出厂质量和汽车发动机的的安全性、可靠性及使用寿命。 1 1气门热处理的研究现状 国际工业界公认，热处理技术的先进程度是保证机械制造技术先进与否和 保证产品质量的最关键因素【3 1 。改革开放以来，伴随着汽车工业的发展壮大，汽 车工业热处理工艺已发生了质的变化。其主要表现是：我国的各大汽车厂家都 纷纷以各种不同方式从国外引进了大量先进的热处理成套设备、生产工艺及制 造技术。据不完全统计，仅引进连续式渗碳自动生产线就近3 0 条，密封箱式渗 碳设备数量就更多。同时，各厂家还以引进谈判、专家考察、学者访问、技术 武汉理工大学硕士学位论文 培训、会议交流等形式，派出大批科技人员和技术工人分别赴英国、美国、法 国、德国、意大利、西班牙、奥地利、日本、韩国、俄罗斯等工业发达国家， 学习热处理先进技术和设备制造工艺，仅一汽热处理厂出国人员就有几十人 ( 次) 。引进是为了超越，出国是为了掌握热处理先进技术【3 】。目前，我国汽车 工业热处理产业正处在一个奋起直追、开拓创新、赶超先进的飞速发展阶段。 在国内，计算机在热处理行业的信息化管理上也取得了长足的进步。大连 理工大学开发的热处理生产计算机管理系统 4 1 ，是一套以热处理生产管理、 工艺技术管理为重点，与设备管理、成本统计管理融于一体的热处理生产计算 机管理系统。上海汽车股份有限公司汽车齿轮厂也利用个人计算机制定热处理 工艺，解决了热处理工艺的制定和数据的管理工作。中国第一重型机械集团公 司重型热处理厂也利用计算机进行工艺的编制，同时规范热处理工艺卡片，有 效进行管理。戚墅堰机车车辆工艺研究所开发的铁路机车车辆关键零部件热 处理数据库系统( h t - - m i s ) ) 【5 】，可查询到机车车辆关键零部件在国内外铁路 行业所用的材料、热处理工艺、达到的性能、可能出现的缺陷及其原因和预防 补救措施。系统还包括常用材料和热处理标准方面的数据。这些系统的研制成 功加快了我国热处理行业信息化发展的进程。 热处理过程是技术、生产、检验、管理程序的有机结合，而“在热处理生 产中发生的质量问题8 0 是由于管理漏洞造成的”圈。气门作为汽车发动机的关 键零部件之一，其质量不仅影响车辆寿命、能耗等经济技术指标，而且对满足 汽车的安全、舒适及环保要求也至关重要。目前国内主要生产气门的厂家有： 济南汽车配件厂、广东怀集汽车零部件有限公司、湖南江雁机械厂、上海伊顿 汽车零部件有限公司( 目前气门行业唯一的合资企业) 、湖北三环气门有限公司 等，这些公司生产的气门主要还是面向中低端市场，对于高端市场还很少有涉 足，这一方面是受公司产能的限制，另一方面是由于生产的工艺水平和管理水 平还不能达到一定的高度嘲。这一方面要我们要从气门的材料、生产工艺等方面 不断改进，提高气门的热处理质量；另一方面要从热处理生产过程管理出发， 不断提高产品生产效率和生产质量，增加零件附加经济价值。在科技飞速发展 的今天，随着计算机技术应用深入到工厂企业的各个领域，将计算机引入到气 门的热处理生产管理中来，可以克服以往工作程序中的许多问题，同时也有助 于企业数据信息的集成，促使生产管理工作标准化、规范化、科学化。 然而，我国利用计算机辅助热处理生产管理的水平还很低。应当指出的是， 2 武汉理工大学硕士学位论文 热处理生产的计算机管理在节约能源、降低成本、提高效率以及适应热处理行 业向多品种、少批量发展等方面有着巨大的潜力。 1 2 气门热处理工艺计算机化管理的需求 随着现代工业和现代制造业的高速发展，热处理技术起到了越来越重要的 作用。为了能够提高机械产品的质量和性能，一个比较重要的因素就是正确地 选择热处理方式，选择合适的热处理参数，并严格按照热处理工艺生产。但由 于热处理过程本身的复杂性、多因素性、经验性，使得热处理工艺参数的选择 以及选择的步骤人为因素较多，比较繁杂。总的说来，热处理工艺的制定具有 如下特点： ( 1 ) 热处理工艺与支持文件密切相关。在制定零件的热处理工艺时，要依次 查找原材料检验报告，质量检验报告，热处理工艺卡，根据查找的结果来决定 是直接使用现成的热处理工艺卡，或者根据已有的热处理工艺卡制定新的热处 理工艺卡，进而制定热处理工艺指导卡。 ( 2 ) 需要考虑的各种影响因素比较多，涉及的相关信息量大。热处理方法、 热处理设备、冷却介质、热处理工艺参数等都是必须加以考虑的因素，而各种 因素包括的具体内容也相当多，因此，制定热处理工艺过程中所涉及到的数据 信息非常多。 ( 3 ) 技术人员素质要求高。从事热处理工艺制定的工程技术人员既要具备相 当的理论基础，又要有一定的实践经验。制定热处理工艺是一个复杂的多因素 过程，不是通过简单的计算就可以实现的，而是依赖于热处理工程技术人员根 据以往的经验、法则等，借助专业书籍和技术规范，经过分析、计算、比较、 筛选，才能得出一个在生产中可行、经济上较优的工艺方案。 除此之外，产品在热处理后，如果出现质量问题，对于热处理的质量追溯 性也不是很好。 因此，面对热处理这样一个特殊的行业，我们要在以计算机为中心的新一 代信息技术发展的新时期，吸取新技术，使创新贯穿于制造全过程，并使技术 与管理相结合，不断推出新的制造模式。在热处理领域，热处理工艺也正经历 着一场从单纯的技术人员设计到通过计算机进行辅助设计的变革。 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 课题研究的意义 面对原材料价格上涨，产品价格下滑，汽车零部件企业利润空间受到挤压 的双重压力。如何在有限的资源背景之下节能降耗、提质增效，已经成为汽车 零部件生产厂家急需解决的问题。 湖北三环气门有限公司( 原湖北气门厂) ，是国家定点专业生产内燃机进排 气门的上市公司，现已形成年产1 3 0 0 万支的生产能力，是国内最大的气门生产 基地之一”。做为一个有着4 0 多年气门生产经验的厂家，在几十年的生产制造 过程中，会留下大量的技术资料和图纸，对指导我们实际的热处理生产有很大 的帮助。然而遗憾的时，由于以前对于这些资料的管理都是手工操作，加上人 员变动、标准更改、技术人员之间的衔接和沟通不一定连贯等问题，难免在技 术资料上出现错误和遗失等情况。通过对三环气门厂实际生产状况的了解，其 现阶段存在的主要问题体现在如下几个方面： ( 1 ) 该厂很多部门都配有计算机，但都只是用来进行简单的文件编辑工作， 每个部门的数据都保存在各部门的电脑上，没有统一的服务器，从而数据的 致性较差。绝大部分资料还是采用纸质图纸形式存储，或是由计算机完成工作 后，使用文件目录管理资料，而纸质图纸和文件以及其它的存储介质会随着保 存时间的延长出现老化和损坏的情况。 ( 2 ) 由于工艺编制人员的经验不同，同种牌号的材料，不同的工艺编制人员 编制的热处理工艺可能有很大差异，这样很容易造成不必要的混乱，对于产品 的质量控制造成一定的影响；而对于热处理工艺参数的确定也仅仅是凭个人经 验，很少全面的考虑各方面的数据，热处理各阶段产生的数据相对独立，没有 起到互相参考的作用。 ( 3 ) 热处理技术人员在编制热处理工艺卡时，即使是同一厂家生产的同种材 料，由于化学成分和基体组织有一定差异，假如采用同样的热处理工艺方法， 不在工艺参数上有所变化，也会造成大量不良品的产生，不利于产品质量的提 高。 ( 4 ) 随着资料的不断增多，对于气门热处理相关资料的检索变得十分困难， 难以在大量的数据中找到需要的资料；热处理相关资料的查询比较繁琐，通常 情况下只能到各部门查询，资料相对分散，没有统一进行管理。 ( 5 ) 气门在检验或是投入使用过程中出现质量问题时，对出现的热处理质量 4 武汉理工大学硕士学位论文 问题很难保证有效的追溯存在质量问题的各方面原因缺乏很好的追溯性，对于 质量的不断完善是有不利因素的。 气门热处理工艺信息管理系统的开发与实现可以有效解决以上问题。它不 仅可以理顺以前历史资料的关系，改正以前资料管理的种种错误，更主要的是 为今后的数据管理提供一个统的平台，尽量杜绝错误的发生，减少人力、时 间浪费，提高工作效率，这也是各制造企业有效利用计算机资源的一个重要课 题。开发气门热处理信息管理系统具有一下几个方面的意义： ( 1 ) 有利于热处理工艺文件的标准化和规范化。通过气门热处理信息管理系 统，不但可以实现对热处理工艺文件的有效管理，而且格式和内容统一，可以 方便地调整文件的格式和内容。 ( 2 ) 对于新从事热处理工艺制定的工程技术人员，应用气门热处理工艺数据 管理系统不仅可以编制出较好的热处理工艺文件，从而弥补有经验的高级热处 理工艺设计师的不足，减少和避免人为的错误，而且也给有经验的热处理工程 技术人员提供了较好的设计工具和依据，使他们从繁琐复杂的热处理工艺制定 中得以适当解脱出来去从事更有意义的工作。 ( 3 ) 在计算机的辅助下人工决策热处理工艺相关参数，不仅可以充分利用计 算机高速处理信息的能力，保证获得较高质量的热处理工艺卡，而且有利于信 息共享，节省不必要的重复开发费用。 ( 4 )应用计算机辅助热处理工艺设计，不仅可以缩短工艺编制周期，而且 可以保证工艺制定的正确性，防止萤复制定。 ( 5 ) 通过计算机管理，可将与热处理工艺设计、生产、检验、销售相关的 数据纳入到统一的管理中来，提供了比较全面的热处理工艺数据，为热处理工 艺的质量提供可追溯性。 1 4 本课题的主要工作 本课题研究的“气门热处理工艺数据管理系统的研究与开发”，以计算机、 网络和数据库技术为支撑，针对湖北三环气门厂在热处理生产中存在的一系列 问题，利用计算机对气门热处理的相关数据集中管理，本课题主要的研究内容 包括： 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 通过研究气门热处理工艺相关文件，构建气门热处理工艺数据流模型， 并对流程的每个阶段的数据进行分析提取，建立合理的e r 模型。 ( 2 ) 归纳整理热处理工艺文件格式，提供合理的数据输入平台，将热处理 过程的相关的数据纳入到统一的管理中来。 ( 3 ) 对气门热处理质量的可追溯性做相应研究，建立气门热处理质量的可 追溯性模型，研究质量追溯中的信息编码技术，分析质量可追溯性的实现方式， 能够完成对产品的整个热处理过程质量的有效追溯，提高产品质量。 ( 4 ) 通过对现有系统已有热处理相关数据的分析，从实际的角度出发，选 择气门热处理工艺参数评价的指标一质量因素q ，并在此基础上建立工艺参数评 价模型，能够辅助设计人员对现有的热处理工艺相关参数进行评判，并选择合 适的工艺参数。 ( 5 ) 收集整理气门热处理工艺编制过程中需要的资料，建立常规气门热处 理工艺参数库，提供包括热处理加热技术、热处理方法、热处理设备在内的相 关资料。 武汉理丑大学硕士学位论文 第2 章气门热处理的相关理论基础 2 1 气门的工作特点 普通发动机的工作运转由进气，压缩，作功和排气四个工作过程组成。要使 发动机连续运转就必须使这四个工作过程周而复始、顺序、定时地循环工作。 这四个工作过程中，进气和排气过程需要依靠发动机的配气机构来准确地按照 各气缸的工作顺序输送可燃混合气( 汽油发动机) 或新鲜空气( 柴油发动机) ，以及 排出燃烧后的废气。压缩和作功过程则必须隔绝气缸燃烧室与外界进排气通道， 不让气体外泄以保证发动机正常地工作。负责上述工作的机件就是配气机构中 的气门，它就好比人的呼吸器官，吸迸呼出，缺它不可。如图2 1 所示柴油机中 装配在汽缸盖中的气门布置图。 气门装置是发动机配气机构的一个组成部分，在各种各样的发动机中，配 气机构的功能是保证发动机按配气正时 的要求进行换气，即在规定时刻、在一定 的时间内把气缸内的燃烧产物排出，把新 鲜空气引入，以保证工作循环的不断进 行。它们非常敏感地影响着柴油机的性 能。 对配气机构的要求是： ( 1 ) 具有足够的气流通过能力，以保 证气缸内有尽可能高的充气系数和良好的图2 1 装配在汽缸盖中的气门布置图 换气性能。为此，在强化程度较高的柴油机上，大都采用四气门结构，即进、 排气门各两个。四气门布置与两气门相比，在相同的气缸直径下，能获得较大 的气门通道截面，减小气门直径，提高气门刚度，增大气门散热总面积，降低 气门的热负荷。同时，可使气门喷油器布置在气缸盖中央，有利于燃烧条件的 改善。据资料记载，当将两气门改为四气门后，可使进气门通道截面增加4 0 、 功率提高1 0 ，油耗、排温也有所下降。但四气门结构使气缸盖和气门驱动机 构变得复杂。 f 2 1 具有良好的动力性能，以避免气门机构运动时的冲击和降低噪音。气门 武汉理工大学硕士学位论文 机构运动时，承受了气体压力、气门弹簧的弹力、运动部件的惯性力、推杆和 凸轮间的接触应力、运动部件的摩擦力等。上述这些力必须适当协调才能保证 气门的良好动力性能。 ( 3 ) 具有足够的刚度，以免产生传动失真，使气门升程、配气相位发生变化， 动力性能恶化，凸轮磨损，气f - j z v 活塞相碰，充气效率下降等问题。 2 2 气门的常用材料 2 2 1对气门材料的基本要求 发动机气门按类型可分为进气门和排气门两种，进气门的温度为3 0 0 c 5 0 0 ，排气门的温度可达6 0 0 一8 0 0 ，甚至更高。尤其当排 气门刚刚开肩时，气缸内的压 力比较高，丽气门的开度还很 小，高温燃气以很高的速度( 可 达6 0 0m s ) ，经气门和气门座之 c j 图2 2气门的几个关键部位 间的缝隙吹出，使气门强烈地受热和腐蚀。 图2 2 为排气门的几个比较关键的部位： 1 ) 气门的最商温度在气门头部和颈部( a ，c 区) 、c 区温度最高，这些部位 要求具有较高的热强度和良好的耐蚀性。 2 ) 气门锥面( b ) 要求抗热腐蚀、热疲劳、热磨损等综合物理力学性能。 3 ) 气门杆与气门杆端面( d ，e 区) 为热磨损区，要求具有优良的减摩性和耐 磨性。 气门在高压作用下开启，其头部与气门座之间的环形通道上气流达到了声 速，这样，在气门头部的阀面会产生很高的温度。因此，对制造气门材料提出 了以下几点要求： ( 1 ) 具有良好的常温机械性能； ( 2 ) 具有优良的商温综合性能，既要具有良好的高温强度和硬度，又要有足 够高的蠕变破断强度和热疲劳强度； ( 3 ) 具有定的抗高温氧化性能和具有优异的耐热腐蚀性能，即耐热冲击腐 武汉理工大学硕士学位论文 蚀性和耐高温硫化腐蚀性； ( 4 ) 具有良好的冶炼、锻造成形、切削加工和焊接工艺性能 2 2 2 国内主要厂家用的气门材料 气门材料要求有足够的高温强度和耐磨性能，良好的抗氧化性和抗燃气腐 蚀性，较高的热传导率和较低的膨胀系数以及优越的冷热加工和焊接性能。 近年来，随着我国汽车工业的蓬勃发展，内燃机机型和产量不断增加，随 着汽车发动机高功率化所产生的排气温度上升，排气净化率标准提高以及汽车 轻量化的需求，对材料耐蚀性、耐磨性、抗氧化性、高温性能和热强性等提出 了苛刻的要求。气门是发动机上重要的工作部件及易损件，其工作条件异常恶 劣，要在高温、高压、腐蚀性燃气中经受频繁往复的高速运动和摩擦，冲击负 荷大，因此要求有较高的高温性能、耐磨性能、耐腐蚀性能等，其工作的好坏 直接影响到发动机的工作性能，故制备气门的材料要求也极为苛刻。自从发动 机问世以来，气阀钢的材料已经历了碳钢和低合金钢一硅铬型不锈钢一相合金奥 氏体型耐热钢等多个发展阶段。 气门的材料是决定气门热处理方法的主要依据。在高温、强腐蚀及频繁冲 击力条件下工作的发动机进、排气门，需要采用优质合金钢及先进的制造工艺 来保证其良好的工作性能。 我国引进的气门材料已构成国产化系列基础。例如：我国引进了道依斯、 m f u 3 9 6 、康明斯、斯太尔、a m c 五个机型8 种材料。其中，道依斯需要的进、 排气门材料8 c r 2 0 s i 2 n i 2 ，5 c r 2 1 m n 9 n i 4 n 在1 9 8 5 年通过鉴定；m f u 3 9 6 的排气门 材料n i c h 2 0 t i a l 已经研制成功；2 1 1 2 n 在1 9 8 8 年通过鉴定；2 3 8 n 、 8 5 c r l 8 m 0 2 v ，6 c r 2 1 m n l 0 m o v - n b n ，2 1 2 n 均已通过发动机台架强化试验并 进入应用阶段。 4 c r 9 s i 2 ，4 c r l 0 s i 2 m o 在国外早被4 5 c r 9 s i 3 ，5 c r 8 s i 2 取代，原因是前两种 材料成本高、性能差、硬度低，后两种材料成本低、耐磨性好。但由于受国内 现有生产技术的限制，部分进气门所需且目前无法生产的4 5 c r 9 s i 3 材料，是以 4 c r l o s i 2 m o 代替。 我国现有的主要汽车厂家的进、排气门的用材情况见表2 1 。 武汉理工大学硕士学位论文 表2 1国内主要汽车厂家用的进、排气门材料 气门材料 序号适用机型 进气门排气门 1 4 c r l o s i 2 m o 2 1 2 n2 1 4 n4 8 86 1 0 2 24 c r l o s i 2 m o 2 1 - 4 n ( 堆焊) q - 4 c r l 0 s i 2 m o 6 1 0 0 3 4 c r l 0 s i 2 m o ( 堆焊)2 1 4 n ( 堆焊) n j d 4 3 3 44 0 c r 4 c r 9 s i 22 1 4 n 4 c r l 0 s i 2 m o 4 9 2 ，4 7 5 ，4 1 1 5 54 c r 9 s i 22 1 4 n + 4 c r 9 s i 2 6 1 0 2 b q 64 c r l 0 s i 2 m o 2 1 4 n6 1 0 2 74 c r 9 s i 22 1 4 n + 4 c r l o s i 2 m o6 8 0 q 84 c r 9 s i 2 2 1 4 n + 4 c r 9 s i 2 4 9 5 q a 2 2 3 几种常用材料的化学成分及基本性能 ( 1 ) 4 c r 9 s i 2 。4 c r 9 s i 2 钢是应用很广的中碳高合金钢，属于马氏体型耐 热钢，其化学成分如表2 2 所示。 表2 24 c r 9 s i 2 化学成分 化学成分 ( ) 材料牌号 cs ps im nc r 4 ( 、r 9 s i 2o 3 5 0 5 0 0 0 4 0o 0 3 52 o 一3 0o 7 0 8 0 1 0 o 用4 c r 9 s i 2 钢制成的零件，除要求一定的抗氧化性外，还要求具有一定的硬 度、强度和较好的综合机械性能。为此，4 c r 9 s i 2 钢常在调质状态下应用。调质 状态的硬度与回火温度密切相关，随着回火温度的提高，钢的硬度将随之下降。 4 c r 9 s i 2 钢的回火温度一般为6 3 0 6 5 0 c ，硬度在h r c 3 2 3 7 。这类钢具有明显 的回火脆性，为此，回火后应立即采用水或油冷却，以抑制回火脆性倾向。 马氏体钢的耐热性和高温强度不如奥氏体钢，但因其相交点温度较高( a c l 为9 0 0 。c ，a c 3 为9 7 0 c ，a r l 为8 1 0 1 2 ，a t 3 为8 7 0 1 2 ) ，故耐热性良好，而且价格 比较便宜。与奥氏体钢相比，有导热率大而膨胀系数小的优点。该类钢容易出 现断口组织粗大、冲击值降低等问题。 4 c r 9 s i 2 钢平衡( 退火) 组织的变化范围较大，这与钢的化学成分范围较宽直 接有关。当碳含量偏于下限时，即得到亚共析的平衡组织。因此，在日常生产 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 中，应适当控制它的化学成分范围，以避免出现网状碳化物而降低钢的冲击韧 性。 ( 2 ) 5 c r 2 1 m n 9 n i 4 n ( 2 1 4 n ) 。2 1 4 n 钢是上世纪5 0 年代为节镍开发的阀 门用奥氏体时效钢，5 c r 2 1 m n 9 n i 4 n ( 2 1 4 n ) 钢是目前世界各国用来制造排气 门的主要钢种。它不仅具有优良的高温性能，而且具有良好的耐氧化铅腐蚀， 且比较便宜，在各国的汽车工业中获得广泛应用。其化学成分如表2 3 所示。 表2 32 l 一4 n 化学成分 化学成分( ) 材料牌号 csps i m c rn i 2 1 4 n0 4 8 o 3 58 o 一 2 0 0 0 3 5 0 一 0 5 80 0 3 00 0 3 01 0 o4 5 0 2 2 0 0 5 c r 2 1 m n 9 n i 4 n ( 2 1 4 v 0 是以奥氏体为基体，以碳、氮化合物作为沉淀硬化相 弥散分布以获得足够的高温强度、韧性、较高的硬度、耐磨性以及在冷热交变 条件下组织的稳定性和较好的抗氧化、耐腐蚀性能，在工作温度7 0 0 下具有良 好的力学性能和高温性能。 2 1 4 n 钢固溶处理后进行时效处理时，溶入基体中的碳化物以二次碳化物的 形式不断析出并强化基体，从而提高高温强度、耐磨性和耐蚀性。若时效后析 出的二次碳化物越均匀和越弥散则强化作用也越大，持久强度也越高。这是因 为二次碳化物的强化作用增加了蠕变抗力，阻止了蠕变变形，同时蠕变变形引 起的晶界处的应力集中能够及时得以松弛，恢复过程进行顺利，所以提高了持 久强度。 ( 3 ) 4 c r l o s i 2 m o 。4 c r l o s i 2 m o 也是马氏体型耐热钢，其化学成分如表2 4 所示。 表2 44 c r l o s i 2 m o 化学成分 化学成分( ) 材料牌号 csps im nc rn im 0 4 c r l 0 s i 2 m o0 3 5 1 9 0 9 o 0 7 0 0 0 3 00 0 3 0 0 7 01 0 5 0o 5 0 0 4 52 6 00 9 0 因4 c r l o s i 2 m o 中含铬量只有1 0 左右，耐腐蚀性能较差。但含有钼和硅， 故高温强度、抗蠕变性能及抗氧化性能优于4 c r l 3 。该钢的切削性能差，经退火 武汉理： 大学硕士学位论文 处理后，可有所改善。而焊接性能与成形性能均差。 4 c r l o s i 2 r o 钢与4 c r 9 s i 2 钢相比，其含钳量要高o 7 0 0 9 0 ，含铬量高 1 左右，在提高抗氧化性和热强性的同时，其组织稳定性也有显著的提高。由 于钼的加入，细化了钢的晶粒，并使钢的回火脆性倾向明显减弱。由于该钢的 焊接性及冷变形性能均较差，在变形时，必须预热至6 0 0 8 0 0 。 4 c r l o s i 2 m o 在高温加热时，时间不宜过长，否则易发生脱碳现象从而使表 面硬度显著降低，导致耐磨性变差。适当控制高温加热时间则可避免含硅钢晶 粒容易长大的倾向。 4 c r l o s i 2 m o 钢的a c l 为8 5 0 ，a c 3 为9 5 0 ，a r l 为8 4 5 ，a r 3 为7 0 0 ， 一般经调质处理后使用。具体的热处理工艺为：淬火加热温度为1 0 3 0 1 0 5 0 或 1 1 0 0 一1 2 0 0 ，冷却介质为油或水。淬火后的基体组织为马氏体。 4 c r l 0 s i 2 m o 钢的回火温度为7 5 0 8 0 0 。为了防止回火脆性，回火后应速 冷，故回火后常采用空冷或水冷。4 c r l 0 s i 2 m o 钢调质处理后，可获得均匀细致 的索氏体组织，是铬硅耐热钢的理想组织状态。它不仅使材料具有高的热强性， 而且硬度适中，并具有定的韧性，能充分发挥材料的综合机械性能。 4 c r l o s i 2 m o 钢主要用于制造柴油机的进、排气门。为了适应其高耐热性， 常要求具有高的硬度，因此在需要耐磨的阀杆顶端可进行高频或中频淬火。通 常，高频用钢的含碳量多控制在较窄的范围( 0 4 0 o 5 0 c ) 内。这样，既能保 证硬化层有足够的硬度和耐磨性，而且无明显的脆性。含碳量过高的钢，硬化 层脆性较大，韧性、塑性也较差，易导致淬火开裂；含碳量过低的钢，则在淬 火后出现硬度过低现象，不能满足使用要求。因此，此钢用于气门制造时含碳 量需控制在上限为宜。 2 3 气门的热处理工艺 通常情况下，气门的热处理工艺的工序有多种形式，有调质处理、杆部氮 化处理、表面淬火处理、固容时效处理等形式。 气门材料是按照气门的工作温度、工作环境及耐久性要求来选择的，目前 多数选择马氏体型的c r - s i 钢和奥氏体型的c r m n - n i 和c r - n i 钢，而热处理工 艺的制定又是以气门的材料牌号为前提的，现分析最常用的马氏体型钢和奥氏 体型钢的热处理工艺。 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 1 马氏体型钢的热处理工艺 马氏体气门钢大多用于进气门，或者排气门的焊接杆部。马氏体气门钢一 般可以分为三类，分别为低合金结构钢、高合金铬一硅钢和高碳高合金马氏体 钢。表2 5 为几种典型马氏体钢的调质工艺。 表z 54 c r 9 s i 2 调质工艺 材料工序加热温度加热介质保温时间冷却方式 m l n 4 c r 9 s i 2 淬火1 0 3 0 1 0 5 0盐浴5 2 0油淬 回火6 8 0 一7 0 0空气9 0 一1 2 0油冷 4 c r l 0 s淬火1 0 4 0 1 0 6 0盐浴 5 2 0 油淬 i 2 m o 回火 7 4 0 7 6 0 空气 1 8 0空冷 4 c r 9 s i 2 在4 5 0 6 0 0 * ( 2 回火时有回火脆性，故回火后需快速冷却。4 c r 9 s i 2 ， 4 c r l 0 s i 2 m o 钢中c r 、s i 适量配合，以获得要求的热稳定性，同时s i 也显著提 高钢的a c l 温度( 4 c r 9 s i 2 的a c l 约为9 0 0 ，a c 3 约为9 7 0 。c ) ，从而提高使用温 度。在4 c r 9 s i 2 的基础上加m o ，不仅提高热强度，同时也消除回欠脆性。 4 c r 9 s i 2 及4 c r l 0 s i 2 m o 的使用温度分别小于7 0 0 1 2 及7 5 0 。 2 3 2 奥氏体耐热钢的热处理工艺 排气门一般用奥氏体耐热钢制造，奥氏体耐热钢气门一般需要经过固溶时 效处理，其典型奥氏体气门钢的热处理工艺如表2 6 所示。 表2 62 1 4 n 和3 c r 2 0 n i l m 0 2 p b 固溶时效处理 材料固溶处理， 冷却方式时效，冷却方式 5 c r 2 1 m n 9 n i 4 n1 1 0 0 1 2 0 0快冷7 3 0 7 8 0空冷 3 c r 2 0 n i l m 0 2 p b1 1 2 0 1 1 5 0快冷7 3 0 - - 7 8 0空冷 5 c r 2 1 m n 9 n i 4 n ( 2 1 n ) 的固溶温度范围很窄，固溶温度过低则冷拉校直比 较困难，温度过高易产生过热、过烧。时效温度应严格控制，温度过高，会产 生层状析出，析出物主要是m 2 3 c 6 和少量c r 3 2 n ，层状析出会导致降低室温韧 性、疲劳强度和耐蚀性能。层状析出的产生与固溶温度过高、固溶后冷却速度 太慢及钢中氮含量不合适等因素有关。 2 3 3 化学成分对热处理参数的影响 大多数钢在加热时，首先是获得奥氏体组织，奥氏体的形成是通过形核和长 武汉理工大学硕士学位论文 大过程进行的，整个过程受原子扩散所控制， 因此，切影响扩散、影响形核 与长大的因素都影响奥氏体的形成速度。化学成分就是其中的一个因素，研究 这些因素对制定热处理工艺有重大的意义。 ( 1 ) 碳含量对气门热处理加热温度的影响。 材料含碳量越高，奥氏体的形成速度越快，这是因为随含碳量增加，渗碳体 的数量相应的增加，铁素体核渗碳体相界面的面积增加，因此增加了奥氏体形 核的部位，增大奥氏体的形核率。同时，碳化物数量增加，又使碳的扩散距离 减小，碳浓度梯度增大，以及随奥氏 体中含碳量增加，碳核铁原子的扩散 系统将增大，从而增大奥氏体的长到 大速度。 图2 3 为f e f e 3 c 的含金相图。 根据f e f e 3 c 合金相图，温度在a 1 一下的钢的平衡相为铁素体和渗碳 体，当温度超过a 。时，珠光体将转变 为奥氏体，亚共析钢或过共析钢分别 加热到a 3 或a c m 温度以上，才能得到 均匀的单相奥氏体组织。气门所用的 原材料的中，含碳量绝大部分都控制 在o 。4 一0 6 之间，属于亚共析钢的 量 鬟 c 的疆置分数( * ) 图2 3f e - - f e 3 c 合金相图 类型。所以要使在加热过程中形成奥氏体，必须使加热温度高于a 3 温度以上。 ( 2 ) 台金元素对于气门熟处理加热温度的影响。 合金元素不改变奥氏体化的过程，但是影响奥氏体的形成速度。合金元素 可以从一下几个方面影响奥氏体的形成速度。 首先，合金元素影响了碳在奥氏体中的扩散速度。碳化物形成元素( 如c r 、 m o 、t i 等) 大大减小了碳在奥氏体中的扩散速度，故显著减慢了奥氏体的形成 速度。非碳化物形成元素( 如n i 等) 能增加碳在奥氏体中的扩散速度，因而， 加快了奥氏体的形成速度。而s i 、m n 等元素对碳在奥氏体