1.3　氣門挺桿與氣門的熱處理工藝與規范

1.3.1　氣門挺桿的熱處理工藝與規范

1.3.1.1　氣門挺桿的工作條件和性能要求

挺桿是汽車發動機上的關鍵部件，氣門挺桿在發動機氣缸體導管內上下往復運動，將凸輪作用與它的推力傳給推桿，以此來傳遞動力，減少推桿的磨損和彎曲變形，同時繞自身軸線作旋轉運動，它處于凸輪和搖臂之間。在工作過程中與凸輪反復進行高應力的面接觸，因此彼此之間的摩擦力較大，挺桿與凸輪相接觸的端面為內球面，與凸輪相對滑動為點接觸，故要承受較大的接觸應力作用。挺桿的形狀有筒形和菌形兩種，其底部的形狀分球面和平面兩類，這同挺桿的具體技術要求有關，因此，對挺桿的技術要求為，表面有高的硬度、高的耐磨性，基體組織具有良好的綜合力學性能。其損壞的形式為磨損、擦傷和接觸疲勞破壞。

一般挺桿的構造見圖1-36，從圖中可以看出，挺桿的下部制有油孔，經推桿流入挺桿內的機油從油孔流出潤滑凸輪和挺桿。

分析氣門挺桿的工作條件可知，為滿足需要，挺桿應具有以下力學性能。

①具有一定的強度和韌性。

②表面有高的硬度和良好的耐磨性。

③高的抗擦傷能力。

從上述挺桿的受力來看，氣門挺桿與凸輪構成一對摩擦副，合金鑄鐵制挺桿與凸輪軸之間相互作用，因此必須提高其抗磨性和抗摩擦性，經過表面強化處理的合金鑄鐵挺桿和凸輪軸，耐磨性和抗擦傷的性能得到提高。凸輪與挺桿材料的組合后失效多為兩者異常磨損，一般為點蝕（Pitting）和刮傷（Scuffing）兩大類，兩者的相互摩擦短時間內會早期的熔化磨損。一般用材料為滲碳鋼、中碳鋼和鑄鐵等，常見的氣門挺桿與凸輪軸材料的選用見表1-44。目前世界各國用合金鑄鐵制作挺桿，并進行淬火處理，在潤滑油中加入添加劑可降低表面的磨損。美國統一凸輪和挺桿材料組合效果不錯，為了提高早期的磨合性來防止刮傷，用磷酸膜處理或鐵淦氧（Ferrox）表面方法十分有效。

下面將凸輪和挺桿材料的組合典型實例列于表1-45中，供參考。

1.3.1.2　氣門挺桿的機械加工工藝流程

①滲碳或碳氮共滲鋼挺桿　常用鋼的材質主要有15Cr、20Cr、20、20Mn2B、35等，其加工流程為：下料→鍛造→退火→熱擠成形或冷擠壓成形→機加工→滲碳或碳氮共滲→熱處理→精加工→表面處理。

②中碳鋼挺桿　通常采用45、45Cr和50Mn2等鋼種，其工藝流程為：下料→鍛造→粗加工→調質處理→機械加工（車削、磨削等）→感應高頻淬火→精磨外圓→成品檢驗等。另外，采用高合金鋼Cr12W制造的鋼制挺桿已經研制成功，并批量應用于發動機中。

③合金鑄鐵氣門挺桿　合金鑄鐵在磨削時會產生表面應力，在機械加工中采用的材質有鎳鉻鉬合金鑄鐵、鉻鉬銅合金鑄鐵等。合金鑄鐵挺桿有三大類：整體鑄造合金；用鋼制桿體，在頭部焊上合金鑄鐵；單體鑄造合金鑄鐵挺桿頭與鋼制桿體對焊。

以整體鑄造合金為例，其加工流程為：鑄造→間接端部冷激→機械加工→消除應力退火→精加工→表面處理→成品。其硬化層應大于2mm。

而筒狀挺桿的簡單工藝流程為：棒料切割→料頭淬火→拋丸、磷化、造化→冷擠壓→車總長和堆焊槽→堆焊合金→回火→磨外圓→磨端面→倒角→磨外圓→精拋球面→磷化→精磨外圓→成品檢驗。

另外，也有采用25鋼進行反擠壓成形的，其冷擠壓工藝流程為，制備毛坯→軟化退火→酸洗→磷化、皂化處理→反擠壓成形→機械加工等。

1.3.1.3　氣門挺桿的熱處理工藝

（1）熱處理的技術要求

挺桿和凸輪軸是一對摩擦副，因此兩者的材料的選用和熱處理的要求是相互制約的。在大批生產中，鋼制氣門挺桿通常是采用冷擠或熱鐓成形的，合金挺桿有上述三種形式。表1-46是推薦的挺桿和凸輪軸的材料、熱處理工藝以及凸輪和挺桿表面的硬度值。

凸輪和挺桿表面硬度的技術要求見表1-47。

（2）滲碳鋼挺桿的熱處理工藝

滲碳鋼挺桿的應用比較廣泛，這里以15Cr鋼為例，分析其熱處理工藝規范的制定和生產過程中的注意事項，以期對于實際的熱處理提供必要的幫助。

①挺桿在井式滲碳爐或可控氣氛爐內完成滲碳工藝，選擇的滲碳溫度為900～920℃，所用滲碳劑為煤油，稀釋劑為甲醇，具體的流量按滲層的厚度、爐膛的體積以及裝爐量的多少而定，根據滲層厚度的要求，通常保溫6～8h，對隨爐試樣抽查合格后，則隨爐冷卻。

②經滲碳后的挺桿，需要重新進行熱處理。其目的是使挺桿獲得較高的表面硬度、高的接觸疲勞強度和耐磨性等。為防止挺桿表面出現脫碳現象，熱處理的加熱工序通常在鹽浴爐中進行，淬火工裝是吊掛式結構，材料為Q235鋼，上面焊許多短柱，挺桿掛在上面即可，可有效防止球窩內積存殘鹽（形同淬火圓板牙架）。預熱在箱式電阻爐內完成，淬火加熱溫度為840～850℃，每掛保溫時間在8～9min，在20號機械油中冷卻，油溫小于80℃，淬火后的挺桿的端面硬度大于62HRC。為了確保硬度符合要求，建議在硝鹽爐中或在紅外線爐中回火，具回火工藝為（180～200）℃×90min，回火后基體硬度在54～62HRC范圍內。

③需要注意挺桿回火后應清洗干凈，除凈回火黏附的硝鹽、氧化皮等，必要時進行噴砂或拋丸處理，嚴禁表面出現銹蝕，影響挺桿的使用性能。該類挺桿具有高的硬度、高的接觸疲勞強度和耐磨性，其缺點為儲油性差和減摩性較差，容易出現表面擦傷，影響其使用性能和壽命。

（3）合金鑄鐵氣門挺桿的熱處理工藝

采用合金鑄鐵制造挺桿，可使基體硬度提高，與凸輪軸兩者處理后使挺桿的端面硬度明顯提高，在生產實踐中，該類合金鑄鐵應用最廣，其使用性能與挺桿的顯微組織、表面及心部硬度、表層和次表層的殘余應力等有關，當出現網狀碳化物時，會造成挺桿的早期失效——點蝕剝落和快速磨損等，研究表明，顯微組織回火馬氏體基體上分布有針狀碳化物，以及出現點狀、片狀石墨，均提高使用性能，表面硬度越高，則耐磨性越好。為了便于了解合金鑄鐵挺桿的成分，現將其列于表1-48中。

①冷激合金鑄鐵的熱處理工藝　冷激鑄鐵具有大量的針狀碳化物，具有堅固的骨架作用。表面部分珠光體經磨陷成微凹又起著儲油的作用，使耐磨性、減磨性和儲油性較好。如經淬火、回火后形成馬氏體組織，提高了挺桿的接觸應力和挺桿的疲勞性能。冷激合金鑄鐵的失效形式為疲勞剝落，因此熱處理的目的是提高抗擦傷性能，目前挺桿一般使用鉻鋼或鉻鎳鉬合金鑄鐵。為了確保挺桿表面無氧化脫碳，使用鹽浴爐加熱，要嚴格控制加熱溫度，脫氧徹底。冷激合金鑄鐵挺桿的具體熱處理工藝見表1-49。

②鎳鉻鉬合金鑄鐵的熱處理工藝　通常鎳鉻鉬合金鑄鐵熱處理是淬火+低溫回火，回火后的硬度在55～62HRC，一般具體的熱處理工藝見圖1-37。

另外，為提高挺桿的使用壽命，采用在冷激鑄鐵端面上進行高頻堆焊合金，然后在300℃回火處理，其作用為減小加熱而引起的應力集中，同時不會降低表面的殘余壓應力，使挺桿的使用壽命明顯提高。

合金鑄鐵的鑄態金相組織為：基體為細珠光體組織，其底部經冷激后工作表面有大量的針狀滲碳體、萊氏體和適量石墨，可起到堅硬骨架的作用，表面部分經磨陷或微凹起到儲油的作用，使其耐磨性、減磨性及儲油性均良好，再經淬火、回火后還能進一步提高接觸疲勞性能。下面將各種材料挺桿的熱處理工藝歸納成表1-50，供參考。

通常挺桿熱處理后的硬度要求為：鋼制挺桿和冷激鑄鐵熱處理后為58～65HRC；不淬火冷激鑄鐵挺桿硬度不低于52HRC。而挺桿桿部和底座硬度為：鋼制挺桿不低于36HRC；鑄鐵挺桿硬度為241～285HBW。

③挺桿的火焰淬火　根據挺桿的工作特點，既可對其進行整體熱處理（鹽浴淬火等），也可對其工作面進行高頻感應淬火。事實上，用這兩種方法處理的挺桿均存在下列缺陷：裂紋；變形；表面性能不足等，給挺桿的產品質量帶來了隱患。考慮到上述因素，選用火焰加熱表面淬火，可確保產品質量合格和質量的穩定，同時降低了生產成本，取得了良好的效果，火焰淬火的裝置見圖1-38。

選用挺桿的材料為鉻鉬銅冷激合金鑄鐵，其火焰淬火工藝參數為：加熱溫度860～900℃，挺桿的轉速在30～60r/min，火焰的噴嘴與挺桿的表面距離在50～60mm，在180～200℃回火120min。

檢測結果：硬化層深度大于3mm；冷激層深度大于4mm；挺桿端面的硬度在63～69HRC，桿部硬度在93～104HBS。經機械加工后的挺桿成品工作表面不應有裂紋、蜂窩孔、黑點、刻痕、凹坑等有害缺陷，其非工作表面可允許有少量的黑點和加工痕跡等。

對于需要磷化或其他表面處理的挺桿，其底部表面應進行磁力探傷。以確保挺桿的內在質量合格，同時也避免了后面工序的無功加工。

（4）挺桿的表面處理

挺桿的氮碳共滲處理：在氣體或液體氮碳介質中進行表面處理后，挺桿表面的硬度提高、抗腐蝕性增強，端面和內球窩抗沖擊性提高，因此其使用壽命得到提高；挺桿的低溫氮碳共滲，一般采用液體軟氮化工藝，原因在于該工藝鹽浴的流動性好，時間短、滲速快，質量穩定，鹽浴成分易于控制，尤其是采用氣體氮碳共滲處理盲孔或桶狀挺桿，將會出現該區域的滲層和硬度的不均勻，直接影響到產品質量。氮碳共滲的技術要求和工藝參數如下：加熱溫度560～575℃，共滲時間為2～3h，滲氮碳層深≥0.05mm，表面硬度≥850HV0.2，明顯提高了挺桿端面和球窩的硬度，延長了挺桿的使用壽命。

a.挺桿的軟氮化處理。氣門挺桿為汽車發動機上的重要部件，目前進行氮碳共滲處理的材料通常為Cr12W和合金鑄鐵兩種，Cr12W的預備熱處理工藝如下。

?淬火：預熱（840±10）℃，加熱1050℃×8min，油冷，硬度48～53HRC。

?回火：（560±10）℃×120min，水冷。

基體硬度54～57HRC，氮化后的技術要求為：滲層≥0.05min，白亮層在0.006min以上，表面硬度在850HV0.2以上，基體硬度≥46HRC。挺桿的軟氮化工藝流程如下。

用6105清洗劑配制的溶液清洗挺桿內孔及表面的切削液，有條件采用超聲波清洗，用毛刷清理挺桿的內表面。

裝筐：采用專用氮化工裝，挺桿孔向下、擺放在有孔的托盤工裝上，彼此之間緊密排列。

漂洗：沖凈黏附的清洗液和臟物，確保氮化后的質量合格。

噴淋：用高壓水噴淋工件，進一步洗凈表面的殘留物，控干凈水，用毛刷或干布擦拭干凈挺桿表面的水。

預熱：其目的是烘干工件及降低與氮化爐的溫差，防止降溫過大，以免影響滲層的厚度和表面硬度，同時也可有效防止因水分的存在，造成鹽浴的爆炸。

氮碳共滲：在鈦合金罐內完成氮碳共滲，工藝參數為溫度550～575℃，時間2～3h，CNO-=36％～38％、CN-=1％～2.5％，通氣量以液體周圍冒出均勻的氣泡為宜。滲層深度和硬度符合技術要求。該氮碳共滲基鹽型號為TJ-2～TJ-3，該鹽為白色的塊狀物質，密度在1.45～1.57，熔點在460℃。

氧化處理：Y-1氧化鹽的熔點在270℃，工作溫度為350～380℃，其作用為中和氮碳共滲后工件表面的CN-，經過反應生成，增強挺桿的抗腐蝕性、咬合性、疲勞強度及耐磨性等，使表面的氮碳共滲層結合致密，在表面形成了一定的空隙，有利于在工作過程中儲存冷卻油，同時降低了CN-，達到無污染排放。

清洗：用熱水洗凈表面的殘鹽（與氮化鹽、氧化鹽等）。

光飾：用磨料去除挺桿內孔和表面的積灰，提高工件表面的光潔度和清潔度。

煮油：去除挺桿表面的水分并起到防銹作用，同時也使氮化層的附著力增強、表面美觀。

圖1-39為挺桿的液體氮碳共滲工藝曲線，圖1-40為挺桿的金相照片，實際測出氮化層深度0.06mm，硬度為900HV0.2以上，符合技術要求。從圖中可以看出，白亮層十分明顯，因此表面的硬度較高，達到了挺桿表面強化的目的。

b.挺桿的磷化處理。挺桿的磷化處理是在某些酸式磷酸鹽為主的溶液中處理，使其表面沉積而形成一層不溶于水的結晶磷酸鹽轉化膜的過程。磷化膜是由一系列大小不等的晶粒所組成，形成許多細小裂縫的多孔結構，可以使挺桿表面的耐磨性、減磨性和吸附性得到較好的改善。處理后的磷化膜的厚度在1～50μm，基體的硬度和磁性等均保持不變。

?磷化的工藝流程?；瘜W脫脂→熱水洗→冷水沖洗→酸洗→冷水沖洗→磷化處理→冷水沖洗→去離子水洗→干燥。為了確保磷化膜的結晶致密細化，達到挺桿表面耐磨、抗蝕等要求，在磷化前增加表面調整工序，通常用鈦鹽溶液作調整劑。在實際生產過程中，化學脫脂的配方為氫氧化鈉60～100g/L，碳酸鈉30～60g/L，磷酸三鈉40～50g/L，水玻璃10～20g/L，溶液的溫度為90～100℃，時間為10～15min。當然使用8080清洗劑，所配濃度為10％，溫度在30～60℃，時間10～15min。關于酸洗問題采用18％～24％的硫酸，溫度為50～70℃，時間在5～10min即可。

?挺桿的中溫磷化工藝。挺桿的磷化通常采用中溫磷化處理，溫度在50～70℃，溶液中游離酸度與總酸度比值為（1:10）～（1:15），時間為5～15min。此時游離酸度比較穩定，具有時間短、生產效率高、磷化膜穩定和耐蝕性高等特點，其成分和工藝條件見表1-51。需要說明的是：1～4種為常用的磷化配方，配方5是合金鑄鐵耐磨防銹磷化工藝，7為45鋼用配方，6是高磷灰鑄鐵磷化配方，8作為激光熱處理前的預磷化處理配方。

磷化后的處理完全取決于產品的用途，通常磷化膜處理的成分和工藝見表1-52。

挺桿磷化膜的質量檢驗分別為外觀檢查、耐蝕性檢查和厚度與重量的檢查等三項，從外觀上應為連續的、均勻且致密的晶體結構，表面呈灰色或灰黑色，表面不應有未磷化的殘余空白或銹跡。耐蝕性有浸入法、點滴法等，浸入法是將磷化后樣板浸入3％的氯化鈉溶液中2h后取出，表面無銹蝕為合格；點滴法是將按要求配好的試劑滴在磷化膜上，觀察其變色的時間，厚的磷化膜、中等磷化膜和薄磷化膜的時間分別為5min、2min和大于1min，視為合格。厚度和重量中前者可用非磁性測厚儀，也可切片測磷化層厚度，重量測量是將磷化膜撥出前后稱重（用于精密產品）。

（5）鋼制挺桿的熱處理工藝

鋼制挺桿的熱處理是在連續式網帶爐上完成的，其技術要求在前面進行了介紹，這里介紹的是防止挺桿熱處理變形的問題，圖1-41中給出了淬火挺桿的熱處理擺放要求，回火的挺桿堆積對于變形沒有影響，見圖1-42，需要注意的是，Cr12W為高合金鋼，回火結束后應進行空冷，否則水冷將造成挺桿開裂。

1.3.1.4　氣門挺桿的熱處理工藝分析與實施要點

①挺桿的材料可分為滲碳鋼、合金鋼和合金鑄鐵等，其基本技術要求是具有高的硬度和良好的耐磨性等，因此熱處理的方法有較大的差異，這應當認真分析與研究其最佳的工藝方法和措施，確保滿足其工作需要，同時應采取必要的手段來獲得最終的要求。

②15Cr、20、20Cr等材料的挺桿滲碳過程與普通的滲碳無太大的區別，其滲碳層的深度應以試樣來進行間接檢測，同時不允許出現網狀或塊狀的碳化物、表面到內部的滲碳層的濃度梯度過陡等，該類缺陷將造成熱處理后的挺桿表面掉塊、耐磨性差等，導致使用壽命的明顯降低。

③滲碳鋼經滲碳或碳氮共滲熱處理后的金相組織為細針狀馬氏體組織，不允許有網狀游離滲碳體和游離狀態的鐵素體，從滲層至中心不能有驟然轉變的金相組織。挺桿心部為低碳馬氏體。鋼制挺桿底部工作表面的金相組織應為回火馬氏體+少量針狀托氏體，而桿部為回火托氏體，否則將直接影響到挺桿的使用要求。

④合金鋼和合金鑄鐵淬火后均獲得了高的硬度，需要注意的是，合金鑄鐵（含冷激鑄鐵）的熱處理淬火溫度在860～880℃，其保溫時間的長短將對硬度有直接的影響，在鹽浴爐的保溫時間超過15min，則碳化物分解，淬火后的硬度無法滿足技術要求，而時間過短則無法消除白口組織，因此熱處理檢查內容有硬度、石墨數量（小于10％）以及碳化物的數量（大于30％）。值得一提的是，挺桿的火焰淬火具有加熱時間短、操作靈活、成本低等特點，因此對于小批量的生產是比較適宜的，總之，可根據具體的挺桿質量要求，選擇合適的熱處理方法，并在生產過程中，依據有關的挺桿的金相檢驗標準執行，即可確保其熱處理技術要求的實現。

⑤Cr12W為高合金鋼制挺桿，在熱處理過程中，如發生型腔變為橢圓而外圓磨不起來的情況，要分析原因，是淬火前沒有退火，還是挺桿未口向上放置于網帶上，另外，注意淬火時如擺放的間隙小，在落入油槽中會發生彼此碰撞而變形現象。

⑥挺桿的表面處理主要是軟氮化和磷化，其中軟氮化多應用于高合金鋼和合金鑄鐵等材料，它們的回火溫度均在軟氮化的溫度范圍內，其共滲層深度大多在0.03mm以上，硬度在850HV以上，其質量缺陷多為表面粗糙度超差、硬度低以及清潔度低等。磷化與軟氮化相比，其性能遜色許多，多應用于低溫回火的挺桿，這一點值得引起熱處理工藝和設計人員的高度重視。

1.3.1.5　氣門挺桿的熱處理質量檢驗

參見上述技術要求即可，這里不再贅述。滲碳鋼挺桿的熱處理質量檢驗與合金鑄鐵的熱處理質量檢驗分別見表1-53和表1-54。

1.3.1.6　氣門挺桿的熱處理常見缺陷分析與對策

挺桿在熱處理和表面處理過程中，因人、機料、法、環和檢因素將對其熱處理有直接的影響，故在實際的生產過程中會出現這樣或那樣的一些質量問題，表1-55列出了一般熱處理缺陷的原因和預防和補措施，而表1-56則將磷化容易出現的問題，進行了分析和研究，為正常挺桿的生產提供了依據，供參考。

挺桿磷化時常見的質量缺陷、產生的原因和采取的措施見表1-56。

1.3.2　氣門的熱處理工藝與規范

1.3.2.1　氣門的工作條件和性能要求

氣門在工作過程中閥口錐面與氣缸蓋相互接觸、氣閥桿端與搖臂之間發生劇烈的摩擦作用、高溫氣體沖刷和腐蝕，進氣門主要承受反復沖擊的機械負荷，其工作溫度在300～400℃，而排氣門除承受沖擊的機械負荷外，還受到高溫氧化性氣體的腐蝕以及熱應力、錐面熱箍應力和燃燒時氣體壓力等的共同作用，排氣門的工作溫度為600～800℃，因此，在運動過程中，氣門要承受沖擊載荷和燃燒廢氣的腐蝕等作用，工作條件惡劣。因此，分析氣門的工作狀態可知以下幾點。

①所受的最高溫度在盤部的中心或圓弧與桿部的交接處，因此要求氣門有高的熱強性和良好的耐腐蝕性。

②錐面經受熱腐蝕、熱疲勞、熱磨損的作用，具有良好的綜合力學性能。

③氣門桿部和桿端面與氣門導管、搖臂接觸，為重要的磨損區，要求有良好的減摩和耐磨性。

根據氣門的服役條件，結合其工作過程，可知進、排氣門的技術要求如下。

①在工作條件下，具有足夠的熱強性和高耐磨性。

②在冷熱交替條件下，內部組織與性能不變。

③具有高的抗氧化性，以抵抗燃氣的腐蝕。

④具有良好的機械加工和熱加工性。

氣門組件的結構示意圖見圖1-43。

根據氣門的工作環境和技術要求，所選用的材料必須具備足夠的高溫強度和耐磨性能，良好的抗氧化性和抗燃氣腐蝕性能，較高的熱傳導率和較低的膨脹系數等，同時具備優良的冷熱加工性和焊接性能等。材料的選擇應從工作環境、介質和耐久性等幾個方面進行綜合考慮，通常要采用含碳量0.3％～0.5％的合金鋼制造，合金元素有鉻、硅、鎳、鎢、鉬等，下面的三類鋼材即可滿足要求，下列材料具有高的高溫性能，在冷熱變化的情況下其組織穩定，并有一定的抗氧化性及抗燃氣腐蝕性，抗沖擊性和抗動應力，熱加工易于成形，切削加工性好等特點。

①低合金結構鋼，例如40Cr、45Mn2。

②馬氏體耐熱鋼（Cr-Si），例如4Cr9Si2、4Cr10Sio2Mo、5Cr8Si2、9Cr18Mo2V、8Cr20Si2Ni、5Cr8Si3。

③奧氏體耐熱鋼有以下幾種（Cr-Mn-Ni、Cr-Ni）：4Cr14Ni14W2Mo、2Cr21Ni12N（21-12N）、5Cr21Mn8Ni2N（21-2N）、3Cr23Ni8Mn3N（23-8N）、5Cr21Mn9Ni4N（21-4N）、5Cr21Mn9Ni4NbW2N（21-4N+WNb）、6Cr21Mn10MovNbN、NiCr20TiAl、Ni30等。

從上述三大類材料來看，除成分要符合國家標準外，氣門原材料的交貨狀態也有嚴格的規定，即合金結構鋼和馬氏體耐熱鋼為退火狀態，奧氏體耐熱鋼應經過固溶處理。結構鋼淬火后硬度≥48HRC，馬氏體耐熱鋼淬火后為≥54HRC，2Cr21Ni12N鋼、3Cr23Ni8Mn3N鋼固溶時效后硬度分別為≥207HBW和≥234HBW，其余奧氏體耐熱鋼經過固溶時效后硬度≥269HBW。氣門用鋼的力學性能見表1-57。

1.3.2.2　氣門的機械加工工藝流程

氣門的制造流程包括將棒料電阻采用加熱鍛壓成形，經過熱處理后對氣門桿部和氣門盤錐面進行機械加工。氣門加工工藝路線是根據設計圖樣和技術要求、生產綱領和產量、目前的生產條件、加工水平等幾個方面來確定的，工藝流程編制過程中應從以下幾個方面考慮。

①熱處理工序和機械加工工序安排要合理。氣門的調質處理一般應安排在進行機加工前；氣門的閥口堆焊合金氣門的熱處理，要考慮堆焊前進行退火處理，目的是為車堆焊槽做準備；氮化氣門在粗加工后要安排去應力退火工藝，以確保氮化過程中變形小，尺寸符合圖紙的技術要求；氣門桿部端面的高頻淬火或錐面淬火僅可能布置在機加工過程后面。

②采用先進的熱處理設備和技術，不斷優化和簡化熱處理工藝。對整體氣門或氣門桿的調質處理采用連續式可控氣氛爐，可確保氣門的產品質量和生產效率，同時也改善了作業環境。連續式可控氣氛爐將氣門的淬火和回火合二為一，改變了過去周期性作業爐熱效率低、生產周期長、勞動強度高、工裝消耗量大、維修頻繁等缺點。對于固溶氣門淘汰傳統的高溫箱式爐，而采用鹽浴爐、可控氣氛爐或燃氣固溶爐加熱，避免了氣門表面的氧化和脫碳現象的發生，又提高了生產效率和確保了產品質量，因此先進的設備和工藝技術是熱處理水平提高的基礎和核心所在。

③盡可能地縮短生產周期和減少變形。氣門作為細長的軸類零件，加上頭部特殊的結構，在熱處理過程中如何減少變形量和縮短工藝時間，成為熱處理工作者的首要任務。事實表明采用垂直吊掛的加熱方式，比氣門平放加熱的變形小得多，僅為后者的1/2。同時對馬氏體耐熱鋼氣門采取鹽浴爐預熱和加熱相結合的方式，比井式高溫爐加熱的時間減少4/5，減少了工藝時間以及氣門桿部和頭部的變形，經濟效益十分明顯。

④采用表面處理技術，提高氣門的力學性能和使用壽命。氣門長期在高溫、高壓和腐蝕性氣體的環境下工作，同時要承受沖擊、磨損的反復作用，因此，為了確保氣門桿部滿足工作需要，通常采用表面進行鍍鉻或軟氮化處理，提高表面的耐蝕、抗磨損和具有高的疲勞強度，實踐證明，采用該類技術可明顯提高氣門的使用壽命。一般該工序安排在氣門的精加工過程中，此時的桿部直徑的尺寸接近成品要求，應當注意的是，控制氣門的桿部膨脹量至關重要，要進行表面處理前工藝的驗證工作，選擇最佳的工藝參數。

通常的整體氣門的工藝流程（以6102發動機進氣門為例）見表1-58，材料為4Cr10Si2Mo，各項技術要求符合圖紙和文件的要求。

對于為節約原材料而采用桿部為合金結構鋼或馬氏體耐熱鋼，與奧氏體耐熱鋼通過摩擦焊接連為一體。該類氣門可節約1/3左右的馬氏體耐熱鋼或奧氏體耐熱鋼，經濟效益十分可觀。目前國內外氣門制造廠家普遍采用了該項工藝，另外，為提高氣門錐面的使用壽命，在閥口上堆焊合金，明顯改善了錐面的耐磨和抗燒蝕能力。

桿桿焊（雙金屬，盤部堆焊合金、桿部鍍鉻）氣門的流程為（奧氏體耐熱鋼+合金結構鋼或馬氏體耐熱鋼）：磨桿部外圓→車盤外圓→車盤端面→車堆焊槽→切斷→荒磨桿端面→磨倒角→錐面堆焊→荒磨桿部外圓→車盤外圓→磨盤外圓→荒車盤錐面→荒磨盤錐面→精車盤端面和倒角→粗磨桿端面→桿部倒角→中磨桿部外圓→半精磨盤錐面→精磨桿部端面→磨鎖夾槽、倒角→半精磨桿部外圓→精磨盤錐面→密封試驗→光磨桿端面→精磨桿部外圓→桿部鍍鉻或軟氮化→精加工→檢驗→包裝。

氣門是使用性能和加工要求都比較高的零件，同時也是經鍛造成形的細長零件。為了防止在機械加工和使用過程中產生變形和有利于進行切削加工，在機械加工之前應進行以消除內應力為目的的回火工藝。氣門的小頭端面與搖臂頻繁的接觸，兩者之間產生運動和摩擦，因此必須提高端面的耐磨性，對半精加工氣門的端部進行局部的高頻淬火。

氣門按加工方式的不同，可分為頭桿焊氣門、桿桿焊氣門、整體氣門，另外有堆焊合金氣門、中空充鈉氣門等，因此整個加工過程也略有區分，其中氣門表面處理的方法有軟氮化和鍍鉻兩種。

1.3.2.3　氣門的熱處理工藝

對氣門熱處理的基本要求是：表面的含碳量始終保持原來的水平，無脫碳和氧化。對奧氏體耐熱鋼氣門，應采用保護性氣氛加熱，要求不能引起鋼的含碳量的變化。因此，為了實現上述要求，氣門的淬火（或固溶）和回火（或時效）應在可控氣氛爐或鹽浴爐內進行，國外采用的氣門淬火和回火的熱處理爐和熱處理操作系統示意圖分別見圖1-44、圖1-45，多用爐也開始用于氣門的淬火處理（見圖1-46）。

需要指出的是，連續式網帶爐已經應用于馬氏體耐熱鋼氣門與料桿的調質處理，它具有生產效率高、質量穩定、氣氛穩定等特點，目前廣泛應用于國內外的氣門制造廠，圖1-47為氣門調質網帶生產線，圖1-48為氣門的淬火擺放方式。該網帶爐容易出現的問題是頂部支撐的拱門會有松動而塌陷（見圖1-49），另外，網帶使用一定時間后，會局部撕裂或老化（見圖1-50），通常使用壽命在8個月左右。

從流程中可知，氣門的制造方式取決于內燃機對氣門的具體要求，在熱處理過程中的處理方法有明顯不同。氣門的調直要求桿部直線度≤0.15mm，端面或盤錐面跳動≤0.15mm，個別氣門的跳動和直線度控制在0.06mm。氣門表面無裂紋、燒傷、氧化皮、過熱及過燒現象，不得影響非加工面的使用性能。

（1）整體低合金結構鋼和馬氏體耐熱鋼的熱處理工藝

對整體低合金結構鋼和馬氏體耐熱鋼制造的氣門，熱處理的方式為調質處理（淬火+高溫回火），以得到回火索氏體組織，基體硬度在28～37HRC。熱處理工藝流程為：淬火→一次回火→拋丸→調直→二次回火→二次拋丸→調直。兩種材料的氣門的熱處理工藝見圖1-51。淬火加熱在鹽浴爐中進行，回火則在井式電阻爐中完成。

目前網帶式可控氣氛中、高溫加熱爐各項技術指標已經達到了處理氣門的要求，另外個別氣門廠采用深井式高溫電阻爐處理馬氏體耐熱鋼使用效果不錯，但需要通保護性氣體，以防止氣門的氧化和脫碳，氮氣的純度必須達到98％以上。需要注意一點是，由于深井式高溫電阻爐出爐時降溫幅度大和加熱速度慢，也沒有辦法進行預熱，因此保溫時間長于鹽浴爐加熱的時間。

氣門回火保溫結束后要快冷，如水冷等，其目的是如40Cr、45Mn2等合金鋼，4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo等馬氏體耐熱鋼均在450～700℃范圍內有二次回火脆性，因此必須快速冷卻，水溫要低于80℃，多采用循環水作冷卻介質。

常見馬氏體耐熱鋼氣門的一般熱處理規范列于表1-59中，供參考。

需要說明的是：網帶式保護氣氛淬火與回火爐，可實現光亮淬火，生產效率高、質量穩定，機械化和自動化程度高，因此在標準件行業中已經比較普及，但大多為中碳鋼的熱處理，在高溫下（1000℃以上）工作的網帶爐的應用較少，其原因是在高溫下的網帶變形和損壞嚴重。經過熱處理設備廠家引進國外的部分網帶新材料，基本解決了該問題，目前國內氣門制造廠將該設備用于馬氏體耐熱鋼和中碳合金鋼的熱處理中，取得了較好的經濟效益和社會效益，熱處理效率提高10倍以上，解決了大量的人力、物力和財力，為氣門制造行業的大批量生產奠定了良好的基礎。

（2）整體（或大頭）奧氏體耐熱鋼的熱處理工藝

該類鋼的碳化物呈彌散分布，其熱處理方式為固溶+時效處理或僅時效處理，一般晶粒度4～10級，在700℃以下具有良好的強度、硬度和較好的抗腐蝕性能。該類材料如加熱溫度小于980℃，表面形成裂紋，當溫度超過1200℃，因大量晶間存在M7C3的薄片沉淀晶界而出現裂紋。時效處理后的平面硬度為23～38HRC，層狀析出物≤15％。熱處理工藝流程如下。

固溶（或僅時效處理）→調直→時效處理→拋丸→調直。氣門鹽浴爐的熱處理規范見圖1-52。

固溶的目的是：將合金元素充分溶入固溶體中，快速冷卻以抑制合金的析出，獲得強化的固溶體，其沉淀相為M23C6，水冷后形成過單一的飽和奧氏體，得到適宜的晶粒度。而時效則使溶質原子在固溶體點陣的一定區域內析出彌散的強化相或組成第二相（碳化物金屬間化合物），獲得彌散分布的碳化物，提高基體的強度。另外，在1180～1200℃溫度下，可有效消除鍛造裂紋。固溶溫度越高，則其效果越好，晶界沉淀數量和尺寸變化。

固溶處理的工裝為圓筐，其外圓小于鹽爐的爐膛尺寸，一般采取堆積的裝爐方式（見圖1-53），其裝爐量的大小應根據是人工還是機械化作業來選擇，其作業效率不高，但質量比較穩定。國內熱處理設備制造廠，基于目前氣門固溶設備的缺點，已經開始進行燃氣固溶爐的設計與制造，并小批量的試生產，它具有裝爐量大、節能的特點，燃氣固溶爐與其使用的固溶工裝，缺點為氣門表面有氧化或脫碳現象，爐內溫差大，實際晶粒度的等級范圍較大。這需要調整城市煤氣或天然氣與空氣的混合比，也可采取必要的防范措施，如將固溶筐分為幾個區域，避免燃燒噴火口直接與筐接觸，固溶筐上方加蓋等。

燃氣爐作為一種完全可替代鹽浴的固溶處理設備，即作為可解決奧氏體氣門的固溶處理的專用熱處理設備，該燃氣爐為一種箱式高溫爐，有獨立的排煙管道，爐膛內部有四個耐熱磚制作的支撐柱，氣門堆放在耐熱鋼的長形盒子內，兩個火焰噴嘴布置在爐膛的兩側，為上下錯位布置，燃燒的火焰圍繞著氣門工裝而循環加熱，確保爐溫溫度的均勻一致。熱電偶安裝在爐膛的頂部，點火按鈕啟動后，實現鼓風機與燃氣混合后進入爐內燃燒而完成氣門的加熱，即通過自動進氣裝置對燃燒配比氣進行自動調節，來確保達到工藝規定的溫度要求，溫度控制以及進出料小車全部為智能化管理，工件的取出與送進由氣缸上下控制，配有快速冷卻水槽，該爐設有溫度報警儀表和計時系統，排氣口設為70～90mm。其具有氣門固溶后晶粒度均勻一致性好，晶粒度可控制在1～1.5級以內，表面狀態較好，生產效率高，熱處理成本低等特點。圖1-54為燃氣爐用氣門固溶裝料筐，圖1-55為燃氣爐的整體結構，圖1-56為加熱完畢后取料車進入爐膛的瞬間，圖1-57為料筐取出后準備進行水冷的過程。圖1-58為燃氣爐的控制面板，圖1-59為溫度控制系統。

該類燃氣爐可采用的氣源有以下幾類：天然氣、液化石油氣、城市煤氣等，如采用煤氣罐、液化氣罐則將每次剩余部分氣體（因燃氣爐需要供給的壓力在7MPa以上），而采用管道供應燃氣，則可明顯節省燃氣。在生產過程中，應注意設備的保養與維護，確保其正常工作。有關注意事項如下。

①燃氣爐的升降爐門內襯應采用硅酸鋁纖維氈，一是起到保溫的效果，二是可減輕爐門的重量，保護升降的機械裝置；②為確保爐門在服役過程中不變形，應在爐門框的四周安裝水套，通入自來水或循環水，出口水溫應不高于60℃；③爐膛內支撐固溶筐的四塊鋼磚的高度應一致，應設定在上下兩個燒嘴的中央區域，其目的是確保氣門的均勻加熱，防止火焰直接噴射在氣門上，造成局部的燒蝕；④進出料車的前叉與支撐磚應平行，兩者之間的間隔應均勻一致，保證筐起落時不變形，否則容易造成固溶筐的翻倒；⑤一人操作時，應隨時觀察燃氣的壓力與控溫儀表指示情況；⑥出氣口的大小調節的基本原則是以形成正壓為準；⑦注意檢測或用嗅覺識別有無漏氣現象，設備周圍嚴禁有明火或抽煙現象；⑧每次啟爐前用壓縮空氣清理吹掃爐內炭黑和殘留氣體，清理爐膛內部的氧化皮及雜物等，否則容易引起工件表面的局部不良；⑨對于要求表面比較清潔的氣門，可采用上部加蓋的形式，減小其表面氧化影響程度；⑩通過觀測孔，經常觀察火焰的燃燒是否正常。

燃氣爐作為一種可以替代鹽浴的固溶處理設備，正逐漸被氣門制造廠家所接受，其原因如下。

①燃氣爐的設備操作簡單，可實現自動化生產作業，具有較高的效率，降低了操作者的勞動強度。其氣門的裝盒簡單，直接從料箱中倒入，省去了鹽浴固溶的人工插筐的煩瑣勞動，同時也能擺脫固溶筐放偏與電極接觸的概率，避免氣門的局部加熱溫度高而造成晶粒粗大的缺陷，另外無挖渣和添加鹽的輔助工序與操作，在有效的時間內可完全進行氣門的固溶處理。

②燃氣爐的裝爐量大，產品質量穩定（與鹽浴爐相當）。目前國內大多數氣門的固溶是在鹽浴爐中完成的，具體操作是采用人工放入與挑出，可勉強挑起的質量為15kg/筐，其中筐重3kg，一般中型氣門大頭的裝爐量為60支左右。而燃氣爐裝爐量則為450支，為鹽浴爐裝爐量的7～8倍，即一臺燃氣爐的效率為一臺鹽浴爐的7倍以上。

③燃氣爐進行氣門固溶的成本低，無環境污染。鹽浴爐的設備功率為100kW，固溶氣門的裝爐量按70支計算，每爐的總加熱時間為45min，則每支氣門的固溶成本為45÷60×80％×100×0.6÷60=0.6元/支。燃氣爐采用天然氣或液化石油氣（或城市煤氣等）進行氣門的加熱，其每爐總加熱時間為60min，則氣門的固溶成本為60÷60×2.4×11÷450=0.058元/支。即燃氣爐的固溶氣門的成本為鹽浴爐的1/10，由此可見燃氣爐具有明顯的優勢，從氣門固溶的熱處理成本與技術上講，燃氣爐替代鹽浴爐勢在必行。

④燃氣爐的點火系統科學與規范，采用電子打火實現了安全與可靠的起爐作業。根據設定的爐溫，采用自動調整燃氣與空氣進氣閥的大小，來控制溫度的高低，其溫度的均勻性在5～10℃以內，滿足了氣門固溶的需要。

時效的特征為析出的強化相數量≤15％、強化相尺寸小、分布均勻和基體固溶體穩定。時效的前提是固溶隨溫度的提高而變化，合金化存在雙相區；有高的熱強性，最高溫度決定了析出極限溫度；析出物呈彌散均勻分布在基體上，在高溫長期使用具有高的穩定的晶界強化作用。時效不僅可以消除加工應力，而且可提高基體的強度、硬度和韌性等，在熱處理過程中，溫度過高產生層狀析出，析出物為Cr23C6和少量CrN。事實上溫度高將造成氣門的室溫韌性、疲勞強度、耐蝕性能的降低等，因此時效溫度要嚴格控制。通常采用井式電阻爐進行時效處理，見圖1-60，其正確的裝爐方式見圖1-61。

固溶與時效氣門的熱處理工藝與規范見表1-60。

制造排氣門常用的奧氏體耐熱鋼為5Cr21Mn9Ni4N（簡稱21-4N），采用不同的熱處理工藝方法處理后的組織與性能如表1-61所示。可以看出，只有經過固溶處理后，才能發揮其鋼的特性。

為了便于了解氣門用鋼的性能，現將常見氣門用材料的高溫強度列于表1-62中，供參考。

對桿桿焊或頭桿焊產品，氣門的桿部要經過調質處理，無論是低合金結構鋼還是馬氏體耐熱鋼料桿，料桿的熱處理方法同第一種方式。

（3）氣門的桿部端面淬火、閥口淬火或閥口的堆焊

為提高氣門的使用壽命，桿端面要進行感應淬火處理。熱處理后的氣門桿部的硬度在30～40HRC，而桿端面在工作過程中要與搖臂接觸產生摩擦和碰撞，因此要求端面的硬度高、耐磨性好，才能滿足發動機工作的需要。通常進行端面的高頻淬火，硬化層在2～4mm，硬度≥50HRC。這里需引起重視的是，淬火的熱影響區不允許出現在鎖夾槽內，另外對于桿端面和鎖夾槽需表面淬火或淬透的氣門，硬度的分布、長度等要符合工藝的規定。一般桿部端面高頻加熱的工藝參數見表1-63。

常采用以下四種感應淬火技術。

①夾縫式感應淬火技術　該感應器的兩條有效導線平行布置，也可呈與圓心不同半徑的弧形線布置，導線中間的間隙在10～20mm，滿足氣門桿部淬火的需要。其感應器的基本結構形式如圖1-62所示。

該感應器的兩端翹起的目的是有利于氣門的進入和移出，加上圓環和鄰近電磁效應的疊加，其加熱效率高。從圖中可以看到，氣門端面的中心升溫很慢，而桿端邊緣迅速升溫，依靠邊緣的熱量來提高端面中心的加熱溫度，該感應器制作簡單、方便，故該淬火方法多用于直徑細小的氣門的端面淬火。

該方法的不足為難以消除端面周邊和心部的溫差，金相組織粗大，易發生淬火開裂，淬火邊緣硬度在56HRC以上，而心部為40HRC左右。

②添加導磁體感應淬火技術　圖1-63為該類感應器，是一種加導磁體的平面感應器，實際上在（10mm×10mm×1mm）～（10mm×10mm×1.5mm）的紫銅管壁上捆綁鐵氧導磁體，利用其槽口效應將高頻電流驅逐到感應器的工作表面上，從而提高加熱的效率。該感應器加熱效果好，硬化層分布平直、小頭端面硬度分布均勻，其缺點為在導磁體上加上冷卻裝置，其制作、安裝和密封均比較困難。

③串聯回路式感應淬火技術　該類氣門桿部端面淬火感應器見圖1-64，前兩個圈為預熱用，最后為加熱圈。從圖中可知，每個回線圈有兩個電流相同的導線，因此內部能夠形成強大的合成磁場，而桿部端面處于磁場最強的位置，故此處加熱迅速和均勻，門桿部端面加熱結束后空冷或浸油冷卻。該加熱方法應用比較廣泛。

④自身驅流式感應淬火技術　自身驅流式感應器結構見圖1-65，在中間的兩根直導線上的高頻電流的流向是相同的，其利用了同向電流相互排斥的鄰近效應，將有效導線上通過的高頻電流排斥到工作表面上，因此加熱迅速，提高了生產效率。

現將四種氣門桿部端面感應淬火技術的效果列于表1-64中，供熱處理操作者和工藝人員參考。

圖1-66為氣門桿端連續淬回火裝置，圖1-67為硬度法檢查氣門桿部淬火長度。

氣門閥口或錐面與氣門底座反復貼合，因此其表面要具有高的硬度和良好的耐磨性，氣門生產廠家通常采用對錐面進行高頻淬火，來滿足氣門頭部的技術要求，以確保有高的使用壽命等，通常淬火后直接油冷，硬度在50HRC以上，為穩定組織、減少內應力，淬火后立即進行低溫回火處理。下面將EW10氣門的錐面高頻淬火技術參數列于表1-65中供參考。

圖1-68為錐面淬火時，氣門錐面與感應器間隙的檢查方法，圖1-69為錐面淬火實景，圖1-70與圖1-71分別為錐面硬度與淬火長度檢查方法，圖1-72與圖1-73分別為錐面淬火裂紋形式。

圖1-72與圖1-73為錐面淬火后在底面與圓弧均存在裂紋。圖1-74為將裂紋部分進行拍照的實物照片。

從圖1-74可以看出：裂紋兩側無氧化脫碳現象，說明裂紋不是淬火過熱裂紋和淬火前裂紋；從圖1-74（a）可以看出，裂紋末端尖細是淬火后造成裂紋，但是不排除淬火前有內部裂紋，經淬火冷卻后裂紋擴展。

該缺陷產品硬化層深度比正常產品深2mm，也是造成應力大開裂的原因之一。

為了提高氣門錐面的耐磨性和抗腐蝕性，在錐面焊一層合金，此時堆焊層與氣門基體之間為冶金結合，其深度和硬度符合要求，即深度在1.5mm以上、硬度大于50HRC，表面不允許有裂紋、掉塊等致命缺陷存在。

（4）氣門的桿部表面處理

根據氣門在發動機內的耐高溫、抗燃燒氣體的腐蝕等工作特點，氣門桿部在進行高速的上下運動，因此表面的質量狀況直接影響到使用壽命。為了提高氣門桿部的耐磨性和抗咬合性，提高表面的粗糙度，需對氣門進行表面處理，通常有鍍鉻和氮碳共滲兩類，它們的處理工藝如下。

①氣門的桿部鍍鉻

a.氣門鍍鉻后桿部的表面質量要求如下。

?桿部光澤均勻，組織細致不粗糙，不起皮和起泡，不漏底色，無燒焦現象。

?結合力強。

?硬度大于800HV0.2。

?鍍鉻層厚度一般在0.005～0.030mm。其測量時，既可用千分尺也可采用截面金相方法，鉻層邊界允許在覆蓋范圍內的公差內呈波狀或不規則形狀，但不能有明顯的臺階和斷層等缺陷。

?鉻層與基體的附著強度　其衡量標準是指桿部在專用夾具上彎曲角度的大小符合要求，氣門桿部無折斷，要求變形區的硬鍍層在8～10μm，用放大鏡觀察不允許有脆性剝落，但允許有裂紋存在。對于雙金屬（對焊）氣門，彎曲的位置應在對焊區域進行。在日常檢查中氣門的桿部鉻層應呈均勻狀態，不允許有下列致命缺陷：可見結瘤、起皮、疤痕、氣孔、較大的裂紋、掉塊、剝落等。氣門直徑與彎曲角度的關系見表1-66。

b.氣門桿部硬鍍鉻工藝。氣門桿部鍍鉻的目的為：氣門在高溫的腐蝕性氣體中，要承受其沖刷和反復的作用，因此鍍鉻后，氣門桿部賦予了摩擦系數小、潤滑耐磨性好、表面硬度高、抗腐蝕性好等特點，硬度在1000HV以上，表面粗糙度在Ra0.4μm以下。

氣門的鍍鉻是硬鍍鉻，其總的工藝流程為：機械預處理→預除油→上掛具、安屏蔽物、輔助陰陽極→非鍍鉻區保護（涂蠟或涂漆）→化學除油或電解除油→水洗→陽極腐蝕→鍍硬鉻→水洗→干燥→下掛具→去氫→后序加工。另外也有推薦的工藝為：帶電下槽→預熱→陰極小電流活化→提升電流→沖蝕鍍鉻→正常鍍鉻。在氣門的鍍鉻過程中，只對合金結構鋼和馬氏體耐熱鋼氣門的桿部進行鍍鉻，作為馬氏體耐熱鋼，不進行陰極反鍍，以避免桿部表面出現褐色掛灰，影響鉻層與基體的結合力。

c.氣門鍍硬鉻的工藝流程。氣門鍍硬鉻的工藝流程為：鍍前磨削加工→表面超精加工（Ra0.4μm）→精密尺寸鍍鉻→鍍后拋光。其中鍍鉻工藝為清洗→鍍鉻（電流25～35A/支，時間為3～5min，加熱溫度在60～70℃）→反克（反向溶解鉻層，時間0.7s）→清洗。

氣門鍍鉻首先要對其表面進行認真清洗，既可采用有機溶劑，也可化學除油，標準在于使氣門桿部無油污和黏附的雜物等，表面光潔；其次，進行浸蝕處理，其目的是起到活化金屬基體的作用；再次是進行鍍鉻處理，獲得理想的硬度和滲層；最后的工序是除氫，以降低桿部的脆性等。電離除油的配方為：碳酸鈉30～45g/L，磷酸鈉為1.5～3g/L，氫氧化鈉7.5～10g/L，溫度在90～95℃，電流密度為3～5A/dm2。

鍍前浸蝕處理是十分重要的工序，實際上是陰極腐蝕的過程。具體配比見表1-67。根據實際情況可選擇相應的配方。

鍍鉻前的活化處理配方見表1-68。

氣門的電解鍍鉻（或稱為硬鍍鉻）是采用普通的鍍鉻溶液、可溶性的氟化物與硫酸混合，同時加入催化劑配置而成。鍍鉻的常用配方為：

鉻酐（CrO3）　　　　250～280g/L

硫酸H2SO4　　　　　2.5～2.8g/L

電解液溫度　　　　50～55℃

電流密度　　　　　40～50A/dm2

氣門鍍鉻的一般成分組成和工藝條件列于表1-69中，供參考。

為了保證氣門桿部鍍層的質量符合要求，氣門需預熱到一定的溫度，可防止基體金屬受熱膨脹而產生暴皮等，預熱在鍍鉻槽中進行。對于腐蝕氣門采用沖擊電流、輔助電極等沖擊電流，此時電流為80～120A/dm2，時間為1～3min。資料推薦鉻酐（CrO3）與硫酸H2SO4的比例（質量分數）在（60:1）～（100:1）之間，溫度為58～60℃，催化劑含量在110％以上，有利于得到理想的鍍鉻層。

②氣門的軟氮化

a.氣門軟氮化后的特點和工藝流程。

氮碳共滲可提高氣門桿部的表面硬度、耐磨性，在干摩擦時具有抗擦傷、抗咬合能力，抗氧化性和耐蝕性，對延長氣門的使用壽命有明顯的效果。

氣門氮碳共滲質量要求：

?氮碳共滲層深度為0.010～0.060mm。

?表面硬度≥600HV0.2，脆性小于2級，滲氮層疏松和氮化物為1～2級。

?桿部的變形量或漲量≤0.005mm。

?桿部、小頭端面粗糙度在Ra0.5μm以下。

?外觀為均勻一致的黑色，無銹蝕、桿部花斑、表面劃傷或磕碰傷、表面腐蝕、表面掉色等，以及不得出現影響產品質量的外觀缺陷。

b.氣門軟氮化的材料及性能特點。

進行軟氮化氣門的材料按其類型可分為馬氏體型耐熱鋼、奧氏體型耐熱鋼等，數量占氣門總量的70％左右。進、排氣門具有代表性的鋼種為4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo、5Cr8Si2等，奧氏體耐熱鋼有5Cr21Mn9NiN、5Cr21Mn9NiWNbN、6Cr21Mn10MoVNbN等。進、排氣門軟氮化前的工藝加工路線如下：下料→磨頭→鍛造成形→淬火（或固溶化）→回火（或時效）→機加工→去應力退火→機械加工→軟氮化→精加工→檢驗、包裝。氣門經熱處理后整體硬度一般為28～42HRC，基體具有良好的綜合力學性能，達到韌性與強度的最佳組合。

c.氣門的軟氮化。

氣門軟氮化的工藝流程為：浸泡→漂洗→噴淋→預熱→鹽浴氮碳共滲→鹽浴氧化冷卻→清洗→光飾或拋丸→煮油或防銹。其軟氮化采用的工裝有圓筒形、長方體兩類，分別適用于不同的氮化爐，前者用于大型氮化爐（見圖1-75與圖1-76），而后者為自動氮化線用工裝（見圖1-77），圖1-78為自動氮化線上出裝爐與生產線的整體實景。

其液體鹽浴氮碳共滲工藝見圖1-79。

整個氮碳共滲過程中的三個關鍵工序為：預熱；氮碳共滲；氧化冷卻。它們對氣門的軟氮化質量有著直接的影響，氮碳共滲鹽浴中的CN-、CNO-濃度的控制是軟氮化的重要工藝指標，必須使其成分符合工藝的要求。

其操作規程如下。

?氣門串筐，氣門彼此之間應無接觸和壓疊等，否則造成切削液或磨削液在隨后的過程中，無法清洗干凈，出現氮碳共滲缺陷（如花斑、黃點等）。

?浸泡。將筐放入濃度為3％～5％金屬清洗劑溶液中，不少于25min，以除去氣門上的乳化液或切削掖，及其他黏附的臟物，如沒有除凈，則氮化后表面顏色呈黃色或出現斑點。

?漂洗。工件在流動的清水中上下運動，將清洗劑沖洗干凈。

?噴淋。用高壓水流迅速沖刷工件，沖凈工件表面的殘留物質。再用布或毛刷擦洗氣門上的水珠，防桿部和桿端面存有水?。ㄖ椋?/p>

?預熱。在井式回火爐中預熱，加熱溫度為350～380℃，時間為30～45min，其目的烘干工件、消除加工應力，保證工件放進氮化爐后降溫小，因此不會對氣門的滲速造成影響。

?氮碳共滲。目前山東亞星熱處理材料有限公司生產的TJ-2氮碳共滲基鹽，以其質量穩定，滲透性強，而獲得氣門制造廠家的好評，處理的馬氏體耐熱鋼和奧氏耐熱鋼氣門，顏色油黑發亮，滲層組織均勻，具有很強的抗腐蝕性能和抗咬合性，表面獲得了高的硬度，因此明顯提高了氣門的使用壽命。其正確的操作流程為：往鈦合金坩堝（罐）中，倒入TJ-2塊狀國產氮化鹽，熔化后升至620℃陳化2h，再降到560～575℃化驗成分，最初的成分為CNO-=32％～36％。同時放入通壓縮空氣的鈦合金的通氣管，管路中配有油水分離器和減壓器。壓力表的壓力不大于0.4MPa，以液面四周出現均勻的氣泡為宜，此時的通氣量為100～170L/h，通氣管需徹底預熱，并及時清理鹽浴表面的漂浮渣。工件必須在氮化爐保溫后裝入，事實證明，N-C共滲，在570℃時滲層最厚，隨著溫度升高或降低，氮化層相應變薄。在560～575℃溫度下的流動性好，將鹽浴成分控制在CN-=1％～2.5％、CNO-=30％～36％，氮化時間以25～120min為宜。

需要說明的是，該鹽浴具有特別好的熱容量，加熱工件快；鹽浴熱傳導性能良好，在熔鹽內部均勻性好，鹽浴中反應產物的濃度、氮的析出、氮的化合物的形成及儲藏等均優于氣體氮碳共滲。氣門進行氮碳共滲時需要進行通氣，其具體指標可參考表1-70。

?氧化處理（也稱為淬火）。鹽浴氮碳共滲后的氣門在Y-1國產氧化鹽浴中進行等溫冷卻。鹽浴中配有攪拌器，確保氣門冷卻均勻，氧化后在表面形成氧化層，提高氣門桿部的耐腐蝕性與抗咬合性。與此同時，將氣門從鹽浴氮碳共滲爐中帶來的少量的微量CN-氧化成無毒，實現鹽浴和水質無污染作業。

?水冷。氧化后的氣門在80～100℃的水中進行快冷，氣門表面產生壓應力作用，故可提高其疲勞強度；另外清洗干凈黏附在氣門上的氧化鹽等。

?清洗。水冷后氣門再放入熱水槽中，進一步除干凈表面的殘鹽和積灰，同時為氣門的光飾奠定了基礎。

?光飾或拋丸。放入光飾機中的氣門同磨料一起振動旋轉（見圖1-80），所用磨料為棕鋼玉（四棱柱）或其他磨料，加水可沖去磨掉的氣門表面的氧化鹽和炭黑，提高桿部的清潔度。

需要注意的是，氮化氣門的表面的清理采用光飾是不能徹底解決該問題的，還會出現清潔度超差、表面磕碰傷嚴重、勞動強度大等缺陷，目前國內外逐漸采用氣門拋丸（見圖1-81）來替代光飾，該技術已經十分成熟，完全避免了上述缺陷的存在。但應當選用合理的拋丸工藝參數（如轉速、時間、工裝、氣門運動方式、時間、砂流量、鋼丸的大小與硬度等），氣門的拋丸既可裝入履帶式拋丸機，也可采用吊鉤式拋丸機進行，如果沒有進行正確的工藝試驗，有可能造成氣門桿部粗糙度超差、氣門彎曲和銹蝕等，同時也影響到桿部的尺寸。自動研磨光飾機投入使用后，極大地提高了生產效率，質量穩定，氣門清潔度明顯優于光飾后的清潔度，圖1-82為自動研磨機整體布局，圖1-83為自動研磨機外形。

筆者通過對各種大中小氣門（含不同材質）反復進行試驗，成功摸索出氮化氣門的拋丸工藝參數，采用該工藝可確保具有以下優點：氣門表面呈銀灰色，擦拭無灰；清潔度在0.28～0.35mg/支；桿部直線度和圓度≤0.005μm；表面粗糙度≤Ra0.4μm；取消了煮油工序，勞動環境大為改善；氣門無磕碰傷、銹蝕等。

?煮油。光飾后的氣門用鐵筐放入120～140℃的熱油槽中，去除水分防止銹蝕，同時氣門油黑發亮、美觀，也增強了氮化層的黏著性。

圖1-84與圖1-85分別為奧氏體耐熱鋼與馬氏體耐熱鋼氮化后的滲氮層深度的檢查圖片。

d.氣門軟氮化時的幾個注意環節。

氮化爐啟爐時，應分階段升溫，通常在520℃保溫1h后再將溫度升高到560～580℃，并保溫一定時間。以防止內部的鹽浴溶液膨脹沖破表面硬殼傷人，根據安全需要應在爐口扣上罩子。

氧化鹽的主要成分為氫氧化物，具有強烈的腐蝕性，操作者要穿戴齊全勞保用品，工件進入氧化爐氮化鹽與氧化鹽反應，有大量的泡沫出現，泡沫的多少完全取決于浸漬工件的表面積和氧化槽的溫度，氧化工作溫度為350～370℃。對于放置時間較長的氧化鹽，在使用前應將爐溫升到400℃，待表面沒有反應1h后，才能處理工件。

氮化爐和氧化爐及冷卻水槽的側面必須加引風裝置，及時清理其管道以防被基鹽或再生鹽堵塞，保證氣體的順利排出。若化驗出的氰根高，其原因可能是通氣量不夠、鹽浴過熱或清渣不良。

清洗水槽定期更換，確保氣門及吊筐、氮化板的清潔。

工作完畢后取出通氣管。10min后用撈渣勺從三個部位徹底撈渣，然后加入TJ-2基鹽，到溫后用莫爾法化驗鹽浴成分。根據化驗結果添加Z-1再生鹽時，應蓋上鐵板，防止反應的氣體外逸出管道，每次加0.1～0.2kg，待反應完畢后再加0.1～0.2kg，直到規定的數量，這樣可防止再生鹽的揮發。一般100kg基鹽加1kg再生鹽可將CNO-提高1％左右。

氮化爐每班撈渣，渣的數量的多少不僅取決于工件的數量、鋼材和工件表面積的大小，夾具的形狀和大小，而且同細小的加工鐵屑或磨料，捆扎用的鐵絲的氧化鐵或微細的鐵屑以及再次使用的設備，夾具剝落的滲氮劑層與工件一起被帶入鹽浴中有關，這些物質以細小懸浮物沉積在工件上，或滲氮罐壁或底部，必須從鹽浴中去除，此時鹽浴的污染程度取決于爐內沉積物的多少，雜物的排除可用人工，也可借助于鹽過濾系統，以確保氮化效果，并補充新氮化鹽。

嚴禁工件在氮化過程中加入再生鹽，同時禁止將粘有氧化鹽的筐或板放入氮化爐中。

煮油槽的機械油應定期更換，當油的顏色變成棕紅色時，說明該油已失去防銹作用。

1.3.2.4　氣門的熱處理工藝分析與實施要點

①氣門在熱處理后工作過程中，應在600～800℃范圍內具有較好的尺寸穩定性、良好的強度和要求硬度等，因此，氣門選用的材料多為馬氏體耐熱鋼和奧氏體耐熱鋼，其含有較高的合金元素，使γ區縮小，S點左移，因此它們屬于過共析鋼，馬氏體耐熱鋼的加熱溫度在980～1050℃，溫度低于980℃則碳化物溶解不充分，硬度低，力學性能差；高于1050℃則碳化物溶解于奧氏體過多，奧氏體晶粒度粗大，其抗拉強度降低，一般的加熱溫度在1030～1050℃，需要注意的是，對于高碳的9Cr18MoV鋼，則可采用1060～1080℃的加熱溫度。

奧氏體耐熱鋼的固溶處理分為半固溶和全固溶處理，隨后進行時效處理。應依據氣門的具體服役條件來確定，其具體熱處理后的技術指標有晶粒度、硬度和析出量等，在固溶過程中應當確保晶粒的均勻一致，在熱處理工藝參數合理的前提下，出現晶粒度散差大、心部有未打開的“黑心”等，則應考慮到材料本身的問題。

②關于奧氏體耐熱鋼的時效后的析出物數量超標問題，多同固溶溫度高或保溫時間長、固溶冷卻速度慢、時效溫度高或時間長、鋼中氮元素的含量不合理等有關。析出在晶界上的化合物主要有M23C6和CrN，這將降低氣門的韌性和疲勞強度，耐蝕性能差，直接影響到氣門的使用壽命。因此應嚴格執行工藝參數，對于6Cr21Mn10MoVNbN而言，其時效溫度應低于720℃，否則其析出將在20％以上。

對于析出超標氣門的返工處理，其固溶溫度比正常的低20～30℃，保溫時間縮短10～15min，時效溫度與原工藝一致。

③馬氏體耐熱鋼含有較多的合金元素，具有二次回火脆性，因此回火后應快速冷卻處理，最簡便的方式是水冷。氣門熱處理后表面存在較多的氧化皮或殘鹽等，故需要進行氣門的噴丸或拋丸處理，隨后進行氣門的桿部和大頭端面或盤錐面的調直，目前采用的多為先機械校直，最后手工校直，需要注意應進行去應力退火處理。

④對于氮化氣門而言，校直后和機加工后的去應力退火溫度應控制在590～620℃范圍內，事實證明該溫度可消除85％以上的內應力作用，可確保氮化后氣門桿部直線度在0.005mm以內，這一點在氮化后氣門拋丸上有顯著的表現。

⑤氣門桿部的鍍鉻前的粗糙度，對表面狀態的影響較大，粗糙度差的表面存在凹凸不平的區域，此處會存積水和腐蝕性等物質，在高溫度腐蝕性氣體的作用下，對凹坑的浸蝕將加劇表面的腐蝕；其次，氣門桿部鍍鉻后要進行拋光，以獲得較高的表面粗糙度，因此最終表面要符合技術要求，必須控制鍍鉻前的粗糙度，鉻在桿部表面沉積的多少同原始表面狀況有直接的關系，鍍鉻后只能降低粗糙度，造成表面質量差；最后對桿部用紙質或布質砂輪對表面進行少量的拋光，其目的是去掉高點鉻層，進一步提高氣門桿部的光潔度，使其具備要求的性能。由此看來粗糙度高（或差）會對氣門表面耐磨性和耐腐蝕產生不良影響，考慮到氣門的技術要求和經濟性，通常桿部表面粗糙度控制在Ra0.4μm以下。

⑥鍍層微裂紋對氣門桿部的耐腐蝕性影響，在鍍硬鉻中加入專用的催化劑來提高電流密度、沉積速度，同時也相應增強了鍍鉻層的物理性能。氣門制造廠采用成熟的HEEF-25硬鍍工藝，該工藝處理后鍍層裂紋細而密，達到400～1000條/cm，微裂紋能夠松弛鍍層中的應力，產生的高密度微裂紋比較細短，因此造成腐蝕電流的分散，使腐蝕的速度大大降低，起到很好的保護作用。影響其微裂紋的因素有電流密度、溫度、鉻酐濃度、硫酸的含量和鐵雜質的含量等，其中前兩項是關鍵參數應加以控制。

⑦鍍層厚度和拋光對氣門的影響，鍍鉻后的氣門桿部開始形成的微裂紋被原來沉積的鉻層覆蓋，實踐證明耐腐蝕性隨鉻層的增加而增強。桿部的拋光至關重要，不拋光的耐腐蝕性差（在中性鹽霧中48h，2～5級），而拋光后粗糙度明顯改善，性能優良。采用氧化鉻拋光粉，封住或減小鍍層中的孔隙或裂紋，因此耐腐蝕性增強，采用不同類型的拋光輪（如砂輪、布砂輪或紙砂輪等）對氣門桿部拋光，既可保證滲層的厚度均勻，又提高了表面的光潔度。

氣門在電鍍過程中，由于操作不當或成分、溫度等發生變化，將會對氣門表面的鍍鉻產生一定的危害，直接影響產品的外觀和內在質量，因此嚴格執行鍍鉻工藝，掌握糾正的方法顯得尤為重要。

氣門硬鍍鉻處理后，應進行除氫處理，具體工藝規范為（200～250）℃×2h，用來消除或降低因析氫而導致的鍍層的氫脆，氣門鍍鉻后表面有10μm左右的厚度，該鍍層具有很高的硬度和好的耐磨性，作為要工作在高速運動的狀態下的汽車發動機上的氣門，應當具備以上兩點。

⑧針對拋丸氣門的技術要求，特別提醒熱處理工藝和設計人員，氣門氮化前的去應力退火要徹底，應當高出氮化溫度20～50℃，但應低于其一次回火溫度，否則會造成基體硬度的降低，影響到氣門的內在質量。同時氮化前的氣門桿部粗糙度應控制在成品要求的1/2～3/4為宜，才能確保氮化后Ra0.5μm以下的技術要求。

⑨為了延長氮碳共滲基鹽的使用壽命，應注意加強對鹽浴的保養和維護，停爐后撈底部沉淀渣和上方的漂浮渣。作者摸索出一套恢復和維護氮化鹽的方法：啟爐時將爐溫定在520℃，當保溫1h后，將烤干后的不銹鋼挖渣勺慢慢放鹽浴坩堝的底部，輕輕徹底挖渣；當班氮碳共滲完畢立即取出通氣管，停爐1～2h后，鹽渣全部沉積到坩堝底部，隨后挖渣。采用此類方法，一是保持了鹽浴的活性，二是延長其使用周期，三是降低了生產成本。因此，使目前氣門制造廠家共同探討的問題得到了妥善解決。另外，對于活性差的鹽浴，不要直接倒掉，可對滲層在0.10mm以上重要零件進行氮碳共滲處理，例如熱鍛模、挺桿、曲軸等零件的表面處理，實踐證明該方法十分有效，可明顯降低了氮化的成本，做到了完全的利用，節約了大量的資金。

1.3.2.5　氣門熱處理后的質量檢驗

氣門熱處理后的質量檢驗與其成品的技術要求是一致的，為了便于指導和分析其熱處理后的相關要求，現將氣門成品的檢驗項目列于表1-71中，供參考。

1.3.2.6　進、排氣門的熱處理常見缺陷分析與對策

為了便于分析和判斷氣門在熱處理過程中出現的一些問題和缺陷，有利于指導我們發現和找到問題的根源，從根本上解決影響氣門熱處理的內在和外觀的質量問題，現將常見進、排氣門的熱處理缺陷分析與對策列于表1-72中，供參考。關于氣門的裂紋，多采用超聲波探傷，可對摩擦焊中出現的裂紋、未焊透部分、非金屬夾雜物以及堆焊層質量進行全面檢查，現在渦流檢測也用于氣門的探傷處理，其應用范圍更廣。

氣門鍍鉻過程中常見的缺陷歸納整理供參考，具體見表1-73。

氣門液體氮碳共滲常見缺陷分析與對策見表1-74。

1.3.2.7　氣門的主要失效方式與原因

①鎖夾槽斷裂。

a.氣門小端的淬火長度超過了鎖夾槽，造成此處的應力過大。

b.活塞與氣門發生撞擊。

c.鎖夾的內凸筋若與氣門鎖夾槽型不符，則咬傷鎖夾槽。

d.如果搖臂與氣門接觸位置不正確，氣門桿部將會受側向推力的作用。

②桿部折彎或斷裂。

a.鎖夾脫落，氣門掉入缸內。

b.氣門的硬度低或裝夾不合理。

c.氣門的沖擊韌性低和熱疲勞強度差。

③錐面燒蝕（或缺損）和漏氣。

a.高溫氣體從氣門錐面與座圈接觸不嚴密處逸出，氣門座磨損等，造成氣門錐面的局部燒蝕，或同材料的高溫性能差有關。

b.夾入積炭，落座不良，可能是廢氣中的固體顆粒及異常的化學腐蝕物質以及高溫導致氣門錐面蝕坑，可采用氣門回轉的措施，避免這種情況的出現。

c.冷卻效果不良，氣門座受熱變形，造成局部加熱。

④氣門頭部擠長、折斷。氣門的高溫強度不足，可采用改進氣門材料、對氣門座和氣門四周加水冷卻。

⑤其他失效形式有彈簧斷裂、氣門座圈脫落、皮帶斷裂或掉牙、氣門導管斷裂、配氣相位紊亂等。

1.3.2.8　氣門的熱處理缺陷對產品安全性的影響

氣門的熱處理應包括兩個方面：其一為整體熱處理，即對奧氏體耐熱鋼氣門或大頭進行固溶+時效或直接時效處理，對馬氏體耐熱鋼氣門調質處理，以獲得要求的硬度和組織，確保氣門的內在質量；其二為提高氣門桿部端面的耐磨性而需要進行高頻淬火。從以上兩個熱處理過程來看，在具體操作過程中因操作不當、工藝本身的缺陷、設備的故障、工藝裝備的不完善等均會造成質量缺陷，嚴重的將危及汽車及人身事故，因此決不可掉以輕心，認識缺陷產生的原因，找出科學合理的解決措施，避免該類問題的出現是我們在工作過程中必須努力做到的，同時應特別注意生產過程中產品質量的檢查，確實執行首件必檢、中間抽檢、完工終檢的工藝要求，專職檢驗員要認真把關。氣門的熱處理檢查項目一般是晶粒度、硬度和顯微組織，硬度是質量比較直接的反映，易于檢查而其他兩項需要通過顯微鏡觀察，因此氣門的熱處理首件必須查看金相組織，只有這樣才能確保氣門的熱處理質量。下面將氣門熱處理過程中經常發生的缺陷、產生的原因以及后果加以總結，希望能起到指導作用，具體見表1-75。