提高气门弹簧寿命的措施及方法

2023-08-18 理论教育版权反馈

【摘要】：6.提高气门弹簧寿命的措施由于对该类弹簧疲劳强度的要求较高，加上又在较高的温度下工作，因此提高其使用寿命是十分重要的现实问题，目前比较成熟的方法有以下两种。

1.工作条件和技术要求

汽车发动机使用的气门弹簧是控制封闭燃烧室内废气排出的重要部件，其工作温度为300℃左右，在工作过程中弹簧要受到1500～3000次/min的压缩作用，因此既受到高频率、高应力非对称交变应力的作用，又要承受相当大的振动和冲击作用，同时还要承受弯曲和扭转应力的作用，加上排出废气的腐蚀等，其工作条件差。气门弹簧失效的主要形式为弹力不足、疲劳断裂和应力松弛等，其断口常在2～3圈位置，断口与轴线呈45°角，断裂均发生在弹簧内表面处，弹性不足会造成漏气而影响发动机的正常工作，其性能决定于材料成分和热处理工艺。如果弹簧断裂后落入气缸内，轻则会降低发动机的效率、造成耗油量的增加等，重则会引发车毁人亡的重大事故。考虑到弹簧的最大应力往往发生在表面，故必须防止其表面脱碳，同时要对表面进行喷丸处理，以提高弹簧的疲劳强度和使用寿命等。

在弹簧的失效形式中，脆性断裂、疲劳断裂和应力腐蚀以及腐蚀疲劳等是主要的方式，疲劳断裂为脆性断裂的80％～90％，其中由内侧表面的夹杂物引起的应力集中而导致的断裂占有一定的比例。正确分析弹簧的失效原因，有助于在弹簧的材料、几何形状、尺寸精度、热处理工艺以及表面质量等几个方面找到影响产品质量的根源。

2.材料的选用

发动机转速的提高对弹簧的弹性极限、疲劳强度提出了更高的要求，根据工作特点可知选用的材料既要在300℃左右仍然有良好的弹性极限和疲劳强度，即具有一定的高温力学性能，又要具有高的冲击韧度。

常用的钢材为碳素钢钢丝65Mn、70等，合金弹簧钢丝50CrV等，经淬火和回火后，硬度为44～50HRC，硬度散差不大于5HRC，如经过等温淬火则硬度为46～54HRC，弹性和强度等完全满足气门弹簧的工作需要。50CrVA钢的含碳量稍低于60Si2Mn钢，具有良好的冲击韧性和塑性，该钢中铬元素在加热时部分溶于铁素体中，在中温回火后硬度和强度得到提高，同时耐回火性好，钒与碳结合成V₄C₃十分稳定，以高度弥散的质点分布于奥氏体中，阻止了晶粒的长大，淬火后获得细小的马氏体组织。由于该钢的耐回火性好，即使在500℃左右回火仍具有高的屈服强度和抗拉强度，对缺口的敏感性小，可抵抗冲击载荷的作用，加上加热时不易过热和脱碳，成为气门弹簧的首选材料。

3.气门弹簧的机械加工工艺流程

气门弹簧的机械加工工艺流程如下:备料→绕簧→去应力退火→磨两端面→淬火→中温回火→表面喷丸→压成形→校正→第二次去应力退火→检查→发蓝→包装入库。

1)绕簧工序采用直径在12mm以下的冷绕成形工艺，有专用的工艺装备和设备以确保内径符合要求。

2)去应力退火的目的是消除冷绕时因塑性变形而产生的内应力，为防止弯曲变形应将弹簧垂直放置于炉内。一般去应力退火的热处理工艺为400～500℃保温10～20min后空冷或油冷，为最终的热处理做好准备。

4.热处理工艺

气门弹簧的技术要求为硬度40～50HRC，金相组织为回火托氏体，无氧化脱碳，变形量符合要求。

1)气门弹簧的加热是在盐浴炉或可控气氛炉中进行的，以防其表面发生氧化和脱碳现象，50CrVA钢的加热温度为840～880℃，通常规定直径大于6mm的选用下限温度，直径小的用上限温度加热，盐浴加热保温系数为1.2～2min/mm，需要注意盐浴的脱氧捞渣。没有盐浴炉或可控气氛炉的厂家也可在箱式电阻炉中加热，采取通保护气体或浸涂硼酸酒精溶液的方法，也可达到防止或减少氧化脱碳的目的。

2)淬火冷却介质为10号或20号机械油，油温在20～60℃之间，为防止变形要将弹簧水平放入油中并水平缓慢移动，也可将其放入专用淬火夹具中，压好后水平放入油中，这样变形较小，冷却到100～150℃时提出立即进行回火。

3)为防止弹簧开裂，淬火后应尽快回火（4h内)，为确保回火的效果，一般在硝盐炉中回火（KNO₃和NaNO₂的质量分数均为50％)，加热温度为370～420℃，保温时间为30～60min，为保证内外径尺寸、弹簧的高度和垂直度等，少数厂家采用套筒回火，回火后的基体组织为回火托氏体，硬度为45～52HRC。50CrVA钢制气门弹簧的热处理工艺规范如图3-30所示，回火所用套筒的示意图如图3-31所示。

弹簧热处理后的金相组织为回火托氏体＋少量的铁素体，不允许有马氏体组织存在，等温淬火的组织为下贝氏体＋回火马氏体。

图3-30 50CrVA钢制气门弹簧的热处理工艺规范

图3-31 回火所用套筒的示意图

1—套筒 2—楔块 3—弹簧

5.热处理工艺分析与操作要点

1)对已呈盘卷状态的弹簧回火时，不允许引起表面的损伤和变形，采用箱式炉、推杆炉、步进式网带炉等，并使用专用夹具等，为防止脱碳用吸热式气氛作为保护性气体，并进行炉内气氛的循环，采用连续式或周期式热处理设备时一定要注意弹簧的回火要充分。

2)回火后要对尺寸不符合要求的弹簧进行校正，这样的弹簧在局部会产生内应力，在360～370℃温度下保温5～15min去除应力后，对性能没有任何影响。

3)采用改进的50CrVA弹簧的热处理工艺，可提高疲劳寿命。资料介绍采用B-M等温淬火工艺，即900℃×5min＋300～320℃×5min油冷，250～300℃×30～60min回火，处理后材料的抗拉强度为1816～1896MPa，断面收缩率为46.7％～49.1％。经传统热处理工艺处理后弹簧的疲劳寿命为2.24×10⁶次，现在达到1×10⁷次，原因在于等温淬火形成了下贝氏体＋马氏体组织，使马氏体晶粒得到细化，因此延长了弹簧的使用寿命，另外下贝氏体具有较高的塑性和韧性，同时产生显微裂纹的倾向减小，因此提高了疲劳寿命。

6.提高气门弹簧寿命的措施

由于对该类弹簧疲劳强度的要求较高，加上又在较高的温度下工作，因此提高其使用寿命是十分重要的现实问题，目前比较成熟的方法有以下两种。

（1)进行弹簧的松弛处理为防止气门弹簧在长期工作的过程中因微量的永久塑性变形而导致力学性能的变化影响其使用寿命，应进行弹簧的松弛处理。其方法为先对弹簧施加一定的载荷，使其变形量超过正常工作时的形变量，在比正常工作温度高20℃的情况下保温8～24h，这种方法可避免弹簧产生微量的塑性变形，延长其使用寿命。

（2)对弹簧进行喷丸或抛丸处理划痕、折叠、氧化皮等往往成为工作应力集中的地方和疲劳裂纹源，进行喷丸处理可改变表面的质量状况，细小的铸铁丸或钢丸以很高的速度（70m/s左右)喷射在弹簧的表面上，不仅可消除缺陷，提高产品质量和基体的强度，而且可使弹簧表面处于压应力状态，极大提高了疲劳强度和使用寿命，它是目前提高弹簧寿命的一个常用方法。喷丸处理对不同表面状态的影响见表3-20。

表3-20喷丸处理对不同表面状态的影响