氣門(mén)鍛模的熱處理與提高壽命的措施

王忠誠(chéng)，隋培玲，朱麗華

濟(jì)南沃德汽車(chē)零部件有限公司 山東濟(jì)南 250300

1 前言

內(nèi)燃機(jī)氣門(mén)的成形是依靠模具來(lái)實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)對(duì)氣門(mén)頭部的加熱，使之鍛造成形，氣門(mén)的頭部流線(xiàn)符合要求，無(wú)切斷和破壞現(xiàn)象，保持了氣門(mén)所需要的性能，氣門(mén)成形近似于精密鍛造，氣門(mén)采用熱鍛模將熱鐓后呈“蒜頭”狀的氣門(mén)毛坯，鍛造成要求形狀的氣門(mén)，氣門(mén)材料的加熱溫度高達(dá)1100～1200℃，服役過(guò)程中模具的內(nèi)腔表面溫度也在600～700℃。型腔表面與熾熱的金屬反復(fù)接觸，在成形過(guò)程中要承受沖擊力和摩擦力的作用，還要承受彎曲、拉伸、壓縮、擠壓等周期性沖擊作用，表面的應(yīng)力大，因此其工作條件惡劣，對(duì)性能的要求十分嚴(yán)格[1-3]。

在鍛造成形過(guò)程中，因模具被軟化到30HRC以下，其整體強(qiáng)度明顯下降后將發(fā)生塑性變形，造成鍛模型腔的形狀和尺寸發(fā)生變化而報(bào)廢，其失效是從表面開(kāi)始的[4，5]。因此模具應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和高的硬度，有良好的導(dǎo)熱性和尺寸穩(wěn)定性，具有高的斷裂抗力、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，良好的沖擊及斷裂韌度，抗回火軟化能力和高溫強(qiáng)度高，室溫的高溫硬度高，另外鍛模要有高的導(dǎo)熱性、小的熱膨脹系數(shù)以及高的相變點(diǎn)，抗氧化性好等，故采用表面強(qiáng)化技術(shù)則可提高鍛模的使用壽命，一般進(jìn)行化學(xué)熱處理，而氣門(mén)鍛模通常采用低溫氮碳共滲。氣門(mén)鍛模經(jīng)低溫氮碳共滲處理后，表面獲得較高的硬度（850HV以上）、良好的耐磨性、沖擊韌度好、化合物層致密，因此鍛模在抗擦傷、抗咬合、抗黏磨和耐蝕性方面有明顯的提高。氣門(mén)的熱鍛模結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 氣門(mén)的熱鍛模結(jié)構(gòu)示意

從圖1可知，該模具由四部分組成，上下模通常采用4Cr5MoSiV1（H13）鋼制造，本身含有Cr、Mo、V等主要強(qiáng)化元素，故熱處理后具有良好的強(qiáng)韌性。同時(shí)保持較高的熱疲勞抗力，因而能夠承受高溫拉、壓沖擊作用，同時(shí)導(dǎo)熱性好，還可承受高溫磨損、氧化及激冷激熱周期性溫度變化等惡劣的工作環(huán)境。

2 氣門(mén)熱鍛模用材與技術(shù)要求

根據(jù)氣門(mén)鍛模的技術(shù)要求，為滿(mǎn)足其使用壽命與氣門(mén)毛坯的精度要求，通常文獻(xiàn)[2]推薦的氣門(mén)鍛模材料見(jiàn)表1，其中4Cr5MoSiV1（H13）為目前應(yīng)用最為廣泛的鋼種。

表1 氣門(mén)鍛模用鋼和硬度的具體要求[2，6]

氣門(mén)鍛模熱處理后的技術(shù)要求為基體硬度49～55HRC（含芯部），型腔變形量小于0.05mm，內(nèi)表面無(wú)氧化脫碳、無(wú)腐蝕等。

表面進(jìn)行氮碳共滲處理，硬度在700HV0.2以上，氮化層深度在0.05mm以上，型腔內(nèi)光潔無(wú)腐蝕。

氣門(mén)鍛模的加工是采用圓棒料加工的，比較成熟的工藝流程為：棒料下料→鍛造→球化退火→車(chē)削加工→微機(jī)車(chē)床加工（鉆孔、車(chē)內(nèi)孔）→熱處理→砂磨型腔→磨削加工→磁粉檢測(cè)→精磨外圓與砂磨型腔→鹽浴氮碳共滲→外觀(guān)與尺寸檢驗(yàn)→成品包裝入庫(kù)。

（1） 鍛造 這里以H13鋼為例進(jìn)行分析，對(duì)其反復(fù)鍛粗和拔長(zhǎng)，才能消除碳化物偏析，減少碳化物分布的不均勻性，始鍛溫度為1100～1150℃，終鍛溫度為850～900℃，鍛后毛坯在坑中緩冷[6，7]。

（2）預(yù)備熱處理 鍛造后應(yīng)進(jìn)行良好的球化退火處理，目的是改善組織和降低基體的硬度，消除內(nèi)應(yīng)力獲得珠光體+球狀滲碳體組織，以利于切削加工，為最終熱處理作好組織準(zhǔn)備，退火工藝為860～890℃，保溫4～6h，爐冷至500℃以下出爐空冷，硬度≤229HBW。

另外，氣門(mén)鍛模也可通過(guò)調(diào)質(zhì)處理以獲得均勻分布的圓形細(xì)小碳化物，而對(duì)于中碳高合金鋼在鍛造時(shí)會(huì)出現(xiàn)沿晶鏈狀碳化物，必須通過(guò)正火加以消除。常見(jiàn)氣門(mén)鍛模材料的球化退火工藝見(jiàn)表2。

3 鍛模的整體熱處理與表面強(qiáng)化處理

氣門(mén)鍛模選用的材料多為H 1 3鋼，其與3Cr2W8V相比，具有價(jià)格低、材料來(lái)源廣、處理方式簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，故國(guó)內(nèi)外多數(shù)氣門(mén)制造廠(chǎng)均采用該類(lèi)材質(zhì)制作氣門(mén)鍛模。為達(dá)到氣門(mén)鍛模的熱處理要求，國(guó)內(nèi)外對(duì)于鍛模的整體熱處理方式大致分為三類(lèi)：鹽浴熱處理、真空熱處理及可控氣氛熱處理。表面強(qiáng)化處理則采用廣泛普及的鹽浴氮碳共滲。

H13鋼中的碳化物大部分是M23C6型鉻的碳化物，還有少量的M6C和MC型碳化物，在將鋼加熱到1050～1070℃時(shí)，M23C6碳化物急劇溶解，超過(guò)1070℃碳化物溶解加快，奧氏體晶粒明顯長(zhǎng)大[9]，因此對(duì)于氣門(mén)鍛模而言，選擇1050～1080℃加熱最為適宜，油冷后可達(dá)54～58HRC，組織為細(xì)針狀和隱針狀馬氏體+未溶碳化物+殘留奧氏體。H13鋼的高溫回火根據(jù)鍛模的性能要求，多選擇在570～590℃回火兩到三次。

表2 常見(jiàn)氣門(mén)鍛模材料的退火工藝規(guī)范[6，8]

3.1 氣門(mén)鍛模的整體熱處理

（1）H13鋼鹽浴熱處理 H13鋼氣門(mén)鍛模的熱處理工藝流程為：一次500～550℃箱式爐預(yù)熱→二次800～850℃鹽浴爐預(yù)熱→1030～1050℃鹽浴爐加熱→油冷至200℃左右→出爐空冷到室溫清洗→570～590℃二次高溫回火處理→空冷后清理→硬度與變形檢驗(yàn)。

該鹽浴熱處理優(yōu)點(diǎn)為鍛模變形小、硬度均勻、操作方便等。其缺點(diǎn)為存在煙霧污染、勞動(dòng)強(qiáng)度高、生產(chǎn)效率低、電能消耗大、采用鐵絲捆綁等，加上國(guó)家明文規(guī)定將鹽浴爐列入淘汰的熱處理設(shè)備之列，因此極大限制了它的發(fā)展。

另外，鍛模油冷淬火后，型腔內(nèi)粘附淬火油與BaCl2殘鹽，而時(shí)效后的清洗僅是煮沸，則難以確保型腔內(nèi)的殘鹽清理干凈，在長(zhǎng)時(shí)間（6h×2次）的高溫回火過(guò)程中，殘鹽對(duì)金屬表面產(chǎn)生強(qiáng)烈的腐蝕，事實(shí)上在生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)部分氣門(mén)鍛模在熱處理后型腔拋光過(guò)程中，有局部腐蝕麻點(diǎn)（或坑）現(xiàn)象，而導(dǎo)致無(wú)法使用。

針對(duì)此類(lèi)缺陷，比較有效的防止措施為：將油冷后的氣門(mén)鍛模型腔用布擦拭干凈后進(jìn)行時(shí)效處理；清洗時(shí)將型腔在熱水中煮沸，然后進(jìn)行高壓噴淋，以徹底清除內(nèi)部殘鹽。

H13鋼的共析點(diǎn)Ac1=860℃，Ar1=775℃，Ac3=915℃，馬氏體點(diǎn)Ms=340℃。

H13鋼制氣門(mén)鍛模（下模）的鹽浴熱處理工藝如圖2所示。

圖2 13鋼制氣門(mén)鍛模鹽浴熱處理工藝規(guī)范

考慮到鍛模本身受到強(qiáng)烈的沖擊，熱穩(wěn)定性要求較高，因此要求有高的硬度和良好的耐磨性，將加熱溫度提高到1080℃左右可使碳化物充分溶解。實(shí)踐證明，經(jīng)過(guò)高溫處理的鍛模的使用壽命比低溫處理的壽命提高3～10倍，目前該工藝在氣門(mén)制造廠(chǎng)生產(chǎn)中得到普遍應(yīng)用。

（2）H13鋼真空熱處理 H13鋼鍛模鍛造后經(jīng)過(guò)球化退火處理，改善了組織，降低了基體的硬度，消除了內(nèi)應(yīng)力，可獲得珠光體+球狀滲碳體組織。

根據(jù)氣門(mén)鍛模的服役條件與技術(shù)要求，氣門(mén)鍛模采用真空熱處理是最為合理的。4Cr5MoSiV1（H13）鋼鍛模的真空熱處理的工藝路線(xiàn)為：汽油清洗裝筐→500～550℃×90min一次預(yù)熱→800～850℃×60min二次預(yù)熱→1030～1060℃×40min淬火加熱與充氮→淬火冷卻→熱水清洗→570～600℃×360min二次真空高溫回火→質(zhì)量檢驗(yàn)。采用北京首都機(jī)械廠(chǎng)產(chǎn)雙室臥式真空油淬火爐，型號(hào)ZC2-100。

采用真空淬火與回火后的鍛模硬度在49～53HRC，整體呈銀灰色，型腔變形量在0.03～0.05mm，滿(mǎn)足了鍛模尺寸要求。實(shí)踐證明，經(jīng)過(guò)真空爐高溫處理的鍛模的使用壽命比低溫處理的壽命提高3～10倍，比鹽浴處理的提高2～3倍[5，10]。

1）H13鋼鍛模本身合金元素總量比3Cr2W8V鋼少，1050℃淬火加熱溫度不能發(fā)揮H13鋼材料的性能，通過(guò)提高淬火溫度可提高奧氏體的碳含量及合金化程度，高溫回火馬氏體的分解、晶粒再結(jié)晶長(zhǎng)大和碳化物的析出聚集粗化過(guò)程將被推遲并減慢，故確保了鍛模有更高的穩(wěn)定性。

2）考慮到H13鋼鍛模本身受到強(qiáng)烈的沖擊，對(duì)鍛模的熱穩(wěn)定性要求較高，因此要求有高的硬度和良好的耐磨性，將加熱溫度提高到1080℃左右，使盡可能多的碳化物溶解到奧氏體中，鍛?？杀３指叩挠捕取嵊残砸约白銐虻膹?qiáng)度。

3）H13鋼鍛模宜采用熱油進(jìn)行淬火，否則會(huì)造成冷卻不充分而降低基體的硬度。容易造成熱磨損與型腔塌陷，當(dāng)基體硬度低于35HRC時(shí)，則無(wú)法保持正常的服役需要。

（3）H13鋼鍛模的可控氣氛熱處理 目前，采用可控氣氛爐進(jìn)行鍛模的熱處理時(shí)，基于進(jìn)行加熱的氣氛保護(hù)，鹽浴爐是污染與能源消耗的大戶(hù)，是將要淘汰與取締的熱處理設(shè)備，而真空爐的成本則較高，故采用可控氣氛爐進(jìn)行鍛模的加熱淬火則是不錯(cuò)的選擇。

氣門(mén)鍛模在可控氣氛網(wǎng)帶爐上進(jìn)行加熱（見(jiàn)圖3），實(shí)現(xiàn)無(wú)氧化脫碳，金屬表面光潔，徹底淘汰了傳統(tǒng)的鹽浴淬火，既可節(jié)能又可環(huán)保，勞動(dòng)強(qiáng)度降低，生產(chǎn)效率高，是目前主要的熱處理設(shè)備。

圖3 氣門(mén)鍛模進(jìn)入網(wǎng)帶爐進(jìn)行加熱

3.2 氣門(mén)鍛模的表面強(qiáng)化處理

目前，氣門(mén)鍛模通用的表面強(qiáng)化處理工藝為鹽浴氮碳共滲，可使型腔表面抗熱疲勞、抗腐蝕，氣門(mén)與鍛模不粘連，基體的強(qiáng)度高，會(huì)明顯延長(zhǎng)鍛模的使用壽命[5，11-15]。

鹽浴氮碳共滲處理后的技術(shù)要求為：氮碳共滲層為0.05～0.15mm，表面硬度850～1000HV，型腔表面光潔、無(wú)腐蝕、無(wú)裂紋等。

具體的氣門(mén)鍛模氮碳共滲工藝曲線(xiàn)如圖4所示。

圖4 氣門(mén)鍛模鹽浴氮碳共滲工藝曲線(xiàn)

表3列出了氣門(mén)鍛模采用不同處理方法后的使用壽命情況。從表3中可以看出，鹽浴氮碳共滲的效果最佳，時(shí)間短、硬度較高、壽命長(zhǎng)，分析其原因同鹽浴氮碳共滲良好的滲層組織有關(guān)。

經(jīng)金相檢驗(yàn)，氣體氮碳共滲的表面大多數(shù)部位沒(méi)有白亮層，擴(kuò)散層深度為0.19～0.20mm，有三級(jí)脈狀氮化物，馬氏體相較粗大；而鹽浴氮碳共滲有明顯的白亮層，厚度一般為0.01～0.03mm，與基體結(jié)合較好，擴(kuò)散層為0.25mm，有較小的脈狀氮化物。

4 熱處理與表面處理缺陷及原因分析

氣門(mén)鍛模的正常失效形式為磨損、塌陷或冷熱疲勞裂紋等，有文獻(xiàn)指出[6，17-19]，氣門(mén)熱鍛模的主要失效形式中，表面熱疲勞裂紋占64.3%、型腔過(guò)渡處拉傷占21%、模體塌陷占13.2%、凹模開(kāi)裂占1.5%。可見(jiàn)熱疲勞裂紋與拉傷占到85%以上，需要重點(diǎn)關(guān)注。

1）在型腔的R處熱磨損，產(chǎn)生細(xì)小的縱向裂紋或起皺，這是熱疲勞造成的。

2）型腔塌陷，發(fā)生了塑性變形。原因是表面溫度高達(dá)700℃左右，超過(guò)了材料的回火溫度，造成鍛?；w硬度和強(qiáng)度降低，同時(shí)與熱處理后的硬度偏低、基體強(qiáng)度略差有關(guān)。需要注意的是如采用H13材料，則要注意在油中冷卻時(shí)間必須超過(guò)15min，否則會(huì)造成硬度的不一致性趨勢(shì)增加。

3）型腔開(kāi)裂。這是基體硬度高或原材料的碳化物偏析造成的。

4）鹽浴腐蝕麻點(diǎn)（或坑）。這是由于鹽浴淬火后沒(méi)有及時(shí)擦干凈型腔表面的殘鹽、在回火過(guò)程中對(duì)表面腐蝕造成的。

5）鍛模型腔內(nèi)部出現(xiàn)縮孔。多半與模具毛坯鍛造成形時(shí)，未按要求進(jìn)行鐓粗與拔長(zhǎng)，造成內(nèi)部共晶碳化物未打碎，熱處理過(guò)程中膨脹量存在差異有關(guān)。

6）表面氧化脫碳。中高溫鹽浴未脫氧或脫氧不徹底，淬火時(shí)在空氣中逗留時(shí)間長(zhǎng)，或者是原有脫碳層未加工掉等造成的。

7）熱磨損和塌陷是氣門(mén)鍛模的主要失效形式，因此提高淬火溫度，可提高奧氏體的碳含量及合金化程度，高溫回火馬氏體的分解、晶粒再結(jié)晶長(zhǎng)大和碳化物的析出聚集粗化過(guò)程將被推遲并減慢，故確保了鍛模具有更高的穩(wěn)定性。進(jìn)行液體碳氮共滲后的鍛模，被賦予了高的硬度、良好的耐磨性、高的疲勞強(qiáng)度和抗咬合性等，故使用壽命可提高2～3倍。目前，氣門(mén)鍛模均進(jìn)行了鹽浴氮碳共滲處理。

表3 氣門(mén)鍛模采用三種氮碳共滲方法處理結(jié)果比較[16]

8）對(duì)于圓弧部位保留鍛造加工流線(xiàn)而不允許機(jī)械加工（車(chē)削或磨削），又要求較高的外觀(guān)質(zhì)量的氣門(mén)而言，其對(duì)鍛模型腔的要求是必須抗熱磨損，同時(shí)又要防止鹽浴氮碳共滲處理后滲氮層在圓弧部位附近易產(chǎn)生微觀(guān)開(kāi)裂和宏觀(guān)折疊，影響到精密氣門(mén)鍛模的外觀(guān)質(zhì)量，因此其滲層深度、硬度和脆性等應(yīng)符合技術(shù)要求，才能滿(mǎn)足鍛模具有高的使用壽命。

9）在使用過(guò)程中由于模具加工、安裝、熱處理以及使用不當(dāng)?shù)仍?，容易引起模芯非正常開(kāi)裂，針對(duì)開(kāi)裂的模芯進(jìn)行分析，其開(kāi)裂情況之一為鍛模剛使用即出現(xiàn)模芯開(kāi)裂，原因在于模芯與模套配合間隙過(guò)大造成松動(dòng)，使模芯開(kāi)裂，此時(shí)模芯與模套圓柱面接觸點(diǎn)不多，模套對(duì)模芯的預(yù)壓力很小或接近于零，模芯處的切應(yīng)力呈現(xiàn)高峰值的拉應(yīng)力，該拉應(yīng)力超過(guò)材料的抗拉強(qiáng)度將使模芯發(fā)生開(kāi)裂。

開(kāi)裂的另外一種情況為氣門(mén)成形過(guò)程中短暫停留后，再次鍛造成形時(shí)，出現(xiàn)模芯開(kāi)裂，鍛模在高溫高壓的成形中產(chǎn)生的熱應(yīng)力、組織應(yīng)力和外載荷應(yīng)力疊加，使鍛模的切向拉應(yīng)力增大，從而提高了模芯開(kāi)裂的幾率。需要高度重視的是，鍛造潤(rùn)滑劑在工作中冷熱交替，對(duì)于模芯具有熱疲勞作用，容易使模芯部位產(chǎn)生縱向裂紋，而當(dāng)鍛模再次重新服役時(shí)，鍛模處于室溫狀態(tài)，其塑性、韌性等較低，故鍛模再次工作時(shí)，則會(huì)造成模芯部位突發(fā)脆性開(kāi)裂[17，20，21]。

針對(duì)發(fā)生的非正常氣門(mén)鍛模開(kāi)裂問(wèn)題，可采取以下預(yù)防措施：①合理調(diào)整模套與模芯的配合公差，使其滿(mǎn)足過(guò)盈配合的技術(shù)要求。②鍛模使用一定時(shí)間后進(jìn)行去應(yīng)力退火處理，消除使用中積累過(guò)大的內(nèi)應(yīng)力。③對(duì)于成形中停留后再次鍛造的鍛模，應(yīng)采用對(duì)鍛模保溫的措施，確保其溫度不低于300℃，可有效防止模芯表面產(chǎn)生過(guò)高的拉應(yīng)力而造成鍛模開(kāi)裂，或采用最后一支氣門(mén)留在模芯中，起到保溫的效果。

10）鍛模液體氮碳共滲后開(kāi)裂。鍛模采用氮碳共滲+發(fā)藍(lán)，發(fā)藍(lán)后直接水冷造成鍛模內(nèi)外冷卻應(yīng)力差別過(guò)大超過(guò)其抗拉強(qiáng)度而開(kāi)裂。

11）鍛模內(nèi)部型腔內(nèi)腐蝕。液體氮碳共滲后內(nèi)腔的殘鹽未清洗干凈，在放置過(guò)程中鹽腐蝕其內(nèi)部，或氮碳基鹽未進(jìn)行陳化處理，是腐蝕性過(guò)強(qiáng)造成的。

5 提高鍛模使用壽命的措施

（1）應(yīng)用合金氣門(mén)鍛模 采取在H13鋼上鑲嵌硬質(zhì)合金的方法，由于硬質(zhì)合金硬度高，耐磨性強(qiáng)，不易老化等，因此明顯提高了鍛模的使用壽命，目前達(dá)到30 000支以上，成本僅為2000元，而普通模具在200元左右，使用1500支左右就需要更換模具，因此采用合金鍛模節(jié)省了人力、財(cái)力及人力，提高了生產(chǎn)效率50%以上。圖5為合金模的結(jié)構(gòu)形式，合金壓入鍛模中，形成過(guò)盈配合。

圖5 某型號(hào)氣門(mén)合金鍛模的結(jié)構(gòu)形式

（2）對(duì)于H13鋼鍛模潤(rùn)滑、預(yù)熱 氣門(mén)鍛模服役過(guò)程中是需要潤(rùn)滑與冷卻的，需要注意的是，氣門(mén)鍛模普遍以石墨型潤(rùn)滑劑為主。石墨潤(rùn)滑劑的特點(diǎn)為：具有層狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)剪切力小，可牢固地吸附在金屬的表面而形成潤(rùn)滑膜；具有較高的承受力，在高的壓力下也不會(huì)造成金屬表面產(chǎn)生傷痕；可以配制成油或水不同種類(lèi)的潤(rùn)滑劑；容易從模具或擠壓件上除去等。但其缺點(diǎn)為隔熱性能差，用于不銹鋼或馬氏體、奧氏體耐熱鋼零件的熱擠壓時(shí)，容易造成滲碳現(xiàn)象。壓成形前向型腔內(nèi)噴射混合石墨，以潤(rùn)滑與冷卻充分[20]。

（3）下模使用前進(jìn)行預(yù)熱 預(yù)熱可提高鍛模的韌性，降低斷面上的溫差，以及熱應(yīng)力，從而減小鍛模開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)[6，20，21]。

（4）提高鍛模使用壽命 對(duì)于服役一定時(shí)間的鍛模，在其間適當(dāng)進(jìn)行低溫回火，以消除鍛模的內(nèi)應(yīng)力，提高其使用壽命[5，20]。

在生產(chǎn)實(shí)踐中采取以下措施與控制，可有效提高氣門(mén)鍛模的使用壽命，具體見(jiàn)表4，供參考。

表4 提高氣門(mén)鍛模使用壽命的有效措施[5，6，22]