发动机排气阀温度场试验方法和结果

刘谷艳

摘要：通过试验得到45Cr9Si3材料回火温度和硬度对应曲线，通过排气阀温度场试验，可以确定排气阀在实际工作中的最高温度以及排气阀各部分工作温度分布情况。为制造排气阀选用正确材料和排气阀的研发、设计提供数据参考。

Abstract： In this study， 45Cr9Si3 valve steel samples were first quenched and then tempered at different temperatures. Hardness of the heat-treated samples was investigated so that the relationship between tempering temperature and hardness was obtained. The results will provide reference data for the heat treatment of 45Cr9Si3 valves during manufacturing and the temperature-field experiments of engine valves.

关键词：45Cr9Si3;温度场;排气阀

0  引言

气阀是发动机里比较重要的零件，所以在汽车发动机设计时，为了准确测量气阀工作温度，需要进行气阀温度场试验，就是通过气阀温度场实验来确保气阀选材和设计能达到性能要求[1]。排气阀温度场实验需要有种材料回火硬度与温度对应标准表才能进行。要求制作排气阀材料的硬度能比较灵敏随温度的变化而变化，通过比较选择45Cr9Si3材料是排气阀温度场实验的主要用材，绘制出一个45Cr9Si3气阀钢淬火、回火温度与硬度对应表，也是汽车发动机研究者的需要，为排气阀选用材料与制订正确的热处理工艺提供依据。

1  实验方法与步骤

1.1 准备

选取45Cr9Si3圆钢材料制作需要测量气阀工作温度的排气阀8件，选取同炉号同杆径的45Cr9Si3圆钢材料，用切断车刀割成30毫米长的圆柱形试样件48件，45Cr9Si3圆钢材料热处理状态为退火态。

1.2 淬火

根据气阀用钢的国家标准，确定45Cr9Si3气阀钢的淬火温度为1040℃[2];

根据圆钢直径确定了淬火保温时间：24分钟;

排气阀8件和48件圆柱形试样件48件同炉淬火处理，并保证排气阀和圆柱形试样淬火硬度一致，要求洛氏硬度在57HRC以上;

冷却方式：油冷，油温（30～80℃）;

淬火设备：甲醇和氮气气氛保护的连续式网带加热炉。

1.3 台架试验

经过加工的排气阀进行装机实验，运转2小时后测试各位置的硬度变化，气阀最高温度通常出现在最大扭矩或额定功率时，台架试验的参数必须知道，包括发动机机型、转速、扭矩、功率。台架试验基本程序：

①将淬火后加工成品的45Cr9Si3排气阀装机，阀座与导管同心度应符合要求，保证气阀落座正确，气阀座接触与受热均匀、无弯曲应力[3]， 完成上述准备工作后开机实验。

②首先进行10min低负荷转速暖机。

③在给定负荷下，以额定速度运行2小时（最大扭矩）。

④2小时后重新低负荷转速运转，5min后停机。

⑤取下测温排气阀，后续测量排气阀硬度和工作温度。

1.4 回火

将切断车刀割成30毫米长的圆柱形试样件分批进行不同温度回火处理，从低温到高温间隔20℃，回火温度设计在400～860℃，每20℃做一组试验，每组2件试样，共24组实验;

回火时间都是2小时;

冷却方式：风冷;

设备：小式箱式炉。

1.5 回火样件的检测

样件要求：将回火的圆柱形样件用工装固定，在平磨机床进行磨削，直至磨平、磨光，磨光面不得有氧化;

检测设备：洛氏硬度计HR-150;

样本：圆柱形样件端面上检测硬度，测试硬度点位置如图1所示，每件采集3个数据，每组6个数据。

1.6 回火温度—硬度曲线关系

45Cr9Si3材料排气阀和圆柱形试样淬火，回火的晶粒度和金相组织符合要求[2-4]。

记录各个样件的硬度数据，求其平均值，结果见表1。

将表1回火“加热温度”和对应的硬度“平均值”进行折线图表示，再拟合成曲线，结果见图2。

从“回火温度—硬度”曲线可知：①45Cr9Si3材料没有二次硬化现象，随着回火温度的提高，硬度呈降低趋势，表明其抗回火温度对材料的影响是显著的。通常排气阀的工作温度在600～800℃，要求气阀的硬度范围在27～40HRC才满足需要;②45Cr9Si3气阀钢在高于500℃的环境里，硬度会急剧降低;③发动机的排气温度一般在600～800℃，结合45Cr9Si3气阀钢硬度较大变化温度区间可以看出，45Cr9Si3气阀钢适合作为发动机排气阀温度场实验用材。

1.7 排气阀硬度的检测方法和分析结果

将测温排气阀从发动机拆下后，将所有测温的排气阀采用线切割机床沿轴向剖开，切成厚度为4.5毫米的薄片，两边用平面磨床各磨去0.25毫米，以消除线切割造成的热影响和表面形态对硬度的影响。测量测温排气阀硬度的测试间距为2毫米，测试点距离气阀外轮廊线2毫米，硬度测试点分布如图3所示。

根据测试排气阀的位置和硬度，查找图2“回火温度—硬度”曲线，可获得排气阀的温度分布。根据测定的温度场试验排气阀硬度，结合45Cr9Si3材料的图2回火温度—硬度分布曲线獲得温度场试验数据，确定排气阀在实际工作中的最高工作温度和温度分布情况，可出具测温排气阀试验报告，将报告提交客户。结合材料本身的机械性能，判定排气阀材料选用是否合适或排气阀方案是否可靠等。

2  结语

①通过试验，得出了45Cr9Si3气阀钢调质回火温度与硬度对应曲线。这个曲线对45Cr9Si3气阀钢热处理参数设计和发动机排气阀温度场实验有参考借鉴价值。②通过排气阀温度场试验数据，确定排气阀在实际工作中的最高温度以及排气阀各部分工作温度分布的情况，以检验排气阀制造选用材料的正确性和为排气阀的研发、设计提供参考。

参考文献：

[1]沈玉芳，赵砚.发动机气门温度场的实验测量[J].企业科技与发展，2015（17）：13-15.

[2]GB/T 12773-2008，中国国家标准化管理委员会发布.内燃机气阀用钢及合金棒材[S].

[3]郑进，张子成，等.汽车发动机构造与维修[M].北京：化学工业出版社，2010：17-19.

[4]QC/T469-2002，国家经济贸易委员会发布.汽车发动机气门技术条件[S].