柴油机排气阀胎模锻造工艺-

1、 柴油机排气阀胎模锻造工艺刘庚武,贾崇田( 湖南铁道职业技术学院机电工程系,湖南 株洲 412001 摘 要:船舶、飞机、坦克用柴油机的排气阀主要采用Nimonic 80A 锻制而成。Nimonic 80A 具有很高的耐热性能,在高温下强度高,变形抗力大,增加了锻造成形的难度。本文通过研究试验,提出了一套切实可行的胎模锻造成形方法。关键词:排气阀;高温合金;锻造工艺The Forging Process of Exhaust Valve on Diesel EngineLIU Geng-wu JIA Cong-tian(Mechanical & Electrical Departmen

2、t, Hunan Railway Vocational Technology College, Zhuzhou, Hunan 412001 Abstract :The exhaust valve of diesel engine on ship 、airplane and tank is made of Nimonic 80A by forging. Because this material possess the higher heat resistant property ,and resistance to deformation is very large under the hig

3、her temperature, so it is very difficult to deform. This paper put forward a forging process in a die by the research.Keyword :exhaust valve; high temperature alloy; forging process1 前言目前,我国大中型船舶、飞机、坦克用柴油机的排气阀主要从挪威进口。由于排气阀的工作环境是高温高速,需要具备非常高的耐热性能,各生产厂家经常采用Nimonic 80A 制作柴油机排气阀。Nimonic 80A 是一种镍基超高温合金,其

4、性能类似于Inconel 751,具有很高的耐热性能。由于高温下强度高,变形抗力很大,自然就增加了锻造成形的难度。同时,由于排气阀从其力学要求出发,表面要求达到全纤维组织,锻造及热处理工艺要求非常高,锻后的各种性能检验也非常全面,因此,要生产出合格的锻件非常困难。2 Nimonic 80A 材料成份与性能2.1 Nimonic 80A 材料成份Nimonic 80A 材料成份见表1。 Nimonic 80A 为镍基合金,室温组织为奥氏体,其中铬的含量非常高,同时,为得到较高的硬度值,钛和铝的含量一般接近上限值。 2.2 Nimonic 80A 材料拉伸试验性能Nimonic 80A 材料拉伸性

5、能示意图见图1。图1 Nimonic 80A 材料拉伸曲线示意图Nimonic 80A 材料拉伸试验性能数据见表2。 从拉伸试验性能曲线可以看出,与一般铁基合金不同的是,随着温度的提高,Nimonic 80A 的塑性呈明显下降的趋势,而抗拉强度和屈服强度下降不是很明显。塑性变差,变形抗力较大,这对热锻成形造成一定困难。2.3 Nimonic 80A 材料抗氧化性能与抗腐蚀性能Nimonic 80A 的含铬量较高,使其在高粘度含铅燃油介质中的抗氧化性、抗硫化腐蚀性、抗铅腐蚀性非常好,疲劳强度高。3 排气阀锻造工艺分析3.1 绘制排气阀锻件图排气阀锻件图见图2。 3.2 锻件技术要求(1纤维组织:

6、要求杆部与大头头部纤维方向一致,即得到全纤维组织。(2晶粒度:颈部、杆部、锥面、头部外圆角处、头部平面处,即几乎所有部位的晶粒度要求5级。(3金相组织:通过固溶时效处理,要求组织均匀,晶粒边界不能呈链状,不能有奥氏体微粒密集情况,不能有非金属夹杂。(4尺寸:要求单边加工余量23mm 。 (5表面质量:不能有裂纹。由于Nimonic 80A 材料在锻造温度范围内,塑性下降比较明显,因此,锻造中应特别注意防止出现变形过大的情况,以免产生裂纹。 3.3 锻造工艺分析(1要满足全纤维组织要求,锻造比应满足一定要求。因排气阀的原材料为轧材,在材料轧制过程中,就已经过较大的变形。因此,对于排气阀将主要采用

7、在模具内镦锻成形的头部,其变形程度大于将主要采用自由锻拔长工序成形的杆部,即锻造比可以杆部满足要求为准。排气阀杆部,虽然在操作过程中存在一定的镦粗变形,但主要是拔长,为使其拔长锻造比充分满足纤维组织的需要,我们进行了反复试验,最后选取拔长锻造比:2.5y 这样,可得原材料直径为:48d =mm考虑材料表面处理的需要,选取原材料直径:55d =mm(2满足晶粒度的要求,主要是增加锻造变形程度,即需要足够的锻造比。并应严格控制锻造与热处理过程中的加热环节。(3对于金相组织的要求主要通过锻造、热处理过程实现。(4为防止裂纹产生,一是要认真检查原材料,对材料表面进行一次去除表面缺陷的处理,排除原材料产

8、生裂纹的因素;二是在锻造过程中控制好变形量,特别是头部镦粗时的变形量,以免变形量过大,产生锻造裂纹。图2 排气阀锻件图(5为确保锻件尺寸的精确性,应采用模具锻造。对于大批量生产,可用模锻设备进行模锻。对于小批量生产,我们采用了在自由锻锤上进行的胎模锻造。4胎模锻造4.1 模具设计排气阀锻件胎模可采用开式套筒模。模具图见图3。模具技术要求如下:模具材料:5CrMnMo热处理硬度:HRc50拔模斜度:7o图3 排气阀锻件模具图4.2 胎模锻造工艺过程:(1备料:原材料为Nimonic 80A,材料为轧材,直径55mm。材料原始技术证件应当齐全,并且根据规定进行材料入库检验。为保证锻件头部端面质量,

9、采用锯床下料。为防止表面裂纹,采用车削加工的方法,去除材料表面缺陷,车削深度视材料表面质量情况而定,一般为23mm;材料两端倒棱。(3第一次加热:加热设备:考虑到材料加热的均匀性和少无氧化性,采用密封性能较好的井式电炉加热。加热温度:700。保温时间:20分钟。应当注意的是,不能让坯料在高温区停留时间过长,否则,奥氏体晶粒长的太大,将直接影响锻件产品的晶粒度。为了保证加热温度均匀,我们将坯料装在一铁箱中放入电炉一起加热,然后一起出炉,送到自由锻锤上,再取出坯料进行锻造。(3杆部拔长:锻造设备:为了保证足够的变形力,我们选用1.5 t自由锻锤作为杆部拔长与头部镦粗成形的锻造设备。杆部拔长:采用自

10、由拔长工序,并用摔子将杆部由55mm摔成30mm。留下头部在后道工序中利用胎模成形。(4第二次加热:加热工艺基本与第一次加热相同,但可以利用拔长时的锻件余热,使加热时间和保温时间相应缩短。(5头部镦粗:锻造设备:1.5 t自由锻锤。采用锻造操作机夹持模具。镦粗前先将模具预热到200250,再将已经加热的毛坯放入模具中镦粗成型。排气阀头部镦粗锻造比为:221255.255y=由于镦粗变形程度太大,很容易产生锻造裂纹,因此,头部不能一火锻造成形,需要两火。这时,须考虑最后一火的锻造比应为 2.5y。4.3 锻后热处理锻后进行固溶强化处理。5 产品检验按照美国TRW公司气阀部的内燃机气门手册的相关规

11、定及SULZER公司的相关规定,在每批供货中至少有一件排气阀必须进行解剖检验。用户对我们所生产的两批排气阀按规定进行了解剖检验。检验结果见表3。 图4 排气阀表层全纤维情况示意图参考文献:1 Specification for Carbon Steel Flanges.2 ASTM Standards for Pressure Vessel Forgings: A266, Specification forForgings, Carbon Steel, For Pressure Vessel Service.3 Annual Book of ASTM Standards, Part 1,2,3,54 美国TRW公司气阀部的内燃机气