T7空气淬火在铝合金气缸盖生产中的应用

上海交通大学 （200233） 王跃威

铸造铝合金由于密度小，易于铸造成形的优点，被广泛应用于各个行业。现在的乘用车发动机缸盖全部是用铝合金铸造的。

目前有多种铝合金用于乘用车发动机缸盖的铸造，材料牌号不尽一致，GB、ISO、EN等应用都比较普遍，但是还有一些整车工厂使用其内部牌号。目前量产应用最广泛的是 AlSi7Cu3Mg，这种铝合金不需要热处理（只需要自然时效即可），成本低。

但是随着环保法规要求越来越严格，汽车厂在设计整车时，轻量化是提高燃油效率最直接的方法，汽车发动机缩小尺寸是普遍趋势，因此，现在很多主机厂都把排气管或正时罩盖集成在缸盖上。这样做既可以减小缸盖尺寸，又可以采用增压的方式提高发动机的效率，这就使缸盖的服役条件越来越苛刻，缸盖必须能承受汽油燃烧时高温冲击所产生的热冲击疲劳，所以需要有一种新的铝合金来满足性能要求。这种合金必须同时具有保持较高的组织稳定性和尺寸稳定性的能力，AlSi7Cu0.5Mg0.3就是在这种要求下所开发出来的。因为有耐热疲劳性能的要求，这种合金需要做固溶处理和过时效处理，但是由于这种缸盖的结构设计比较复杂，如果固溶处理是用传统的水作为淬火冷却介质，由于冷却速度快，缸盖会产生很大的内应力导致其变形甚至开裂，所以淬火冷却介质要既能达到固溶处理的效果，又能降低缸盖的内应力，空气就是适合这种要求的介质，不会有过高的冷却速度，但是普通的空冷，由于冷速过慢（简易的风扇冷却）不能起到固溶的作用，所以空气淬火必须达到一定的冷却速度，但是冷却速度又不能过大，T7空气淬火就可以满足这种要求。

1.T7空气淬火工艺

T7空气淬火工艺是缸盖先经过固溶处理（空气淬火），然后进行过时效处理，来达到力学性能要求。

T7空气淬火工艺曲线与传统的水淬火的区别在于，空气淬火阶段的曲线平缓降低，如图1所示，曲线1为水淬火曲线，曲线2为空气淬火曲线。

图1

要实现T7空气淬火工艺，只需要将传统的水淬火工位改成空气淬火即可，但是要实现工艺所要求的曲线（淬火冷却速度），空气淬火室设计非常重要，既要满足冷却速度要求，又要达到批量生产的节拍。根据目前的资料，欧洲的主流设计是隧道式热处理线，这种线易于设计，又可以满足大批量生产的要求，缺点是占用空间大；国内还有回转式T7空气淬火线，优点是占地少，但产能受限。

因此，我们的项目选用隧道式热处理线，热处理线布局如图2所示，淬火后的零件由转运小车转运到时效炉中。

图2

2.T7空气淬火温度曲线测量

缸盖T7空气淬火的具体工艺要求是在530～540℃保温5h进行固溶处理，空气淬火冷却速度小于4℃/s， 然后在195～205℃保温5h进行时效处理。

缸盖经过热处理后力学性能要达到以下要求：Rm≥240MPa， Rp0.2≥190MPa，A≥4%， 硬度（火力面）≥85HBW，拉伸试棒在缸盖本体燃烧室处取样。

为了使热处理工艺过程稳定，在热处理线交付使用之前需要对整条热处理线的炉温进行测量，确认是否整个热处理过程炉温波动不超过工艺要求。

温度曲线测量采用炉温测量仪进行全程测量，同时测量时还要保证零件按照设计要求装满整个热处理炉，这样才能使测量结果可靠。

热处理时缸盖竖直放置在热处理筐中，将每个筐中装满缸盖，测量时在缸盖的燃烧室上安装热电偶，并在热处理筐中选3个位置来测试，如图3所示，炉温测量仪也同时放置在热处理筐中（为了炉温测量准确，热电偶应用数量越多，布局越均匀，则炉温测量越准确）。

图3

第一次测量结果，测量曲线如图4所示。

图4

经过仔细分析各个阶段的温度波动，固溶炉内的部分区域超过了固溶处理工艺的上限温度540℃，需要调整，固溶时间超过了工艺要求的5h，符合工艺要求，如图5所示。

图5

最重要的空气淬火曲线符合设计要求，冷却速度小于4℃/s，如图6所示。

图6

时效温度大部分区域超过了温度上限205℃，需要调整，时效时间超过了工艺要求的5h，符合工艺要求，如图7所示。

根据温度曲线的偏差，设备厂家调整了相关的设备参数，并进行了多次的温度测量，目前所有的温度曲线波动均匀，并且在工艺规范之内。

最近一次的温度曲线测量结果如图8所示，炉温曲线波动平稳，基本达到了了设计要求。

图7

图8

固溶处理阶段的温度基本在中值左右波动，如图9。

图9

空气淬火曲线平缓，冷却速度小于4℃/s，并且与第一次测量结果比较变化不大，说明空气淬火炉设计合理，运行稳定，如图10所示。

时效阶段的温度波动也在公差范围之内，但是前期局部温度靠近上限，后期局部温度靠近下限，如图11所示，需要在量产前进行微调。

图10

图11

选3件缸盖，在缸盖的本体燃烧室处取拉伸试样，经力学性能测量，符合技术要求，结果见附表。

力学性能测量结果表

3.结语

经过炉温曲线测量和分析，T7空气淬火热处理线已经达到设计要求，并且经过力学性能检测，符合技术要求。

（20131109）