3.2氣門組零件的熱處理

3.2.1氣門

1.工作條件和技術要求

氣門是在內燃機工作過程中密封燃燒室和控制內燃機氣體交換的精密零件，是保證內燃機動力性能、可靠性和耐久性的關鍵部件。氣門在工作過程中閥口錐面與氣缸蓋相互接觸，氣門桿端與搖臂之間發生劇烈的摩擦作用、受到高溫氣體的沖刷和腐蝕，因此進氣門主要承受反復沖擊的機械載荷，其工作溫度在300～400℃，而排氣門除承受沖擊的機械載荷外，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600～850℃，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。資料介紹，采用氣門旋轉運動，可在密封錐面上產生輕微的摩擦力，同時還有消除沉積物的自潔作用。發動機速度上升，氣門機構的慣性力增大，超過了氣門彈簧的張力，從而引起氣門的跳動，打亂了氣門的調節時間，使充氣效率下降，降低了發動機的力學性能。分析氣門的工作狀態可知氣門的下列特性: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蝕性；錐面經受熱腐蝕、熱疲勞、熱磨損的作用，應具有良好的綜合力學性能；氣門桿部和桿端面與氣門導管、搖臂接觸，為重要的磨損區，要求有良好的減摩性和耐磨性。

2.氣門材料的選用

根據氣門的工作環境和技術要求，所采用的材料必須具備足夠的高溫強度和耐磨性、良好的抗氧化性和抗燃氣腐蝕性、較高的熱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等。材料的選擇應按工作環境、介質和耐久性等幾個方面進行綜合考慮，氣門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、抗燃氣腐蝕性和抗沖擊性，能夠抵抗動應力的作用，熱加工易于成形，切削加工性好。國家標準推薦的氣門材料如下:低合金結構鋼如40Cr、45Mn2；馬氏體耐熱鋼如42Cr9Si2、40Cr10Si2Mo、45Cr9Si2、90Cr18MoV、80Cr20Si2Ni、45Cr9Si3；奧氏體耐熱鋼如45Cr14Ni14W2Mo、20Cr21Ni12N（簡稱21-12N)、53Cr21Mn8Ni2N（簡稱21-2N)、30Cr23Ni8Mn3N（簡稱23-8N)、53Cr21Mn9Ni4N（簡稱21-4N)、53Cr21Mn9Ni4NbW2N（簡稱21-4N＋WNb)、60Cr21Mn10MoVNbN；高溫合金GH145（NiCr20TiAl)等。常用氣門用鋼的原材料硬度見表3-1。氣門用鋼應具備的力學性能見表3-2。

表3-1常用氣門用鋼的原材料硬度

表3-2氣門用鋼應具備的力學性能

進氣門材料可選用40Cr、45Mn2，其在氣缸內的工作溫度為300℃左右，該材料經過調質處理后硬度為30～40HRC，因此完全可滿足進氣門的技術要求；而排氣門由于氣體的壓縮和轉速的增大，其要承受800℃左右的高溫作用，需采用性能更加穩定的馬氏體型耐熱鋼、奧氏體型耐熱鋼與高溫合金等。

日本所使用的氣門材料通常有馬氏體型耐熱鋼（或稱為耐熱鐵素體鋼)和奧氏體型耐熱鋼兩類，前者經過調質處理（淬火＋高溫回火)后硬度為25～33HRC，后者進行固溶＋時效處理，硬度在30～38HRC范圍內，比我國氣門硬度低3～5HRC。這與日本制造氣門材料的冶煉方法、化學成分以及雜質含量低有關。

3.氣門制造工藝流程

氣門的制造流程為將棒料加熱壓制成形，經過熱處理后對氣門桿部和氣門錐面進行機械加工。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，安排氣門的熱處理工序時主要考慮兩點:一是方法適當，即根據不同材料熱處理目的的不同，科學選擇熱處理工藝方法；二是在機械加工的過程中合理和及時安排熱處理工序，特別注意冷熱工藝的協調。還要進行必要的經濟技術分析，選擇一條技術先進、質量可靠、成本較低的合理的工藝路線，將氣門的熱處理安排在最合理的位置，在工藝流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械加工前；閥口堆焊合金的氣門的熱處理，要考慮堆焊前進行退火處理，目的是為車堆焊槽做準備；滲氮氣門在粗加工后要安排去應力退火工藝，以確保滲氮過程中變形小，尺寸符合圖樣的技術要求；氣門桿部端面的高頻感應淬火或錐面淬火只能布置在機械加工過程后面。

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。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、工藝裝備消耗量大、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)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，前者僅為后者的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，縮短了工藝時間，減少了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，通常采用表面鍍鉻或氮碳共滲處理，提高表面的耐蝕性、耐磨性和疲勞強度，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，此時的桿部直徑接近成品要求，應當注意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。

氣門按加工方式的不同，可分為頭桿焊氣門、桿桿焊氣門和整體氣門，另外有堆焊合金氣門、中空充鈉氣門等，不同類型氣門的整個加工過程也略有區別，其中氣門表面處理的方法有氮碳共滲和鍍鉻兩種。

4.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，即不脫碳和無氧化。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。國外發動機馬氏體鋼和合金結構鋼氣門調質或淬火熱處理設備如圖3-5所示，發動機氣門連續熱處理爐系統的工作示意圖如圖3-6所示。

圖3-5 國外發動機馬氏體鋼和合金結構鋼氣門調質或淬火熱處理設備

a)連續熱處理爐 b)多用爐

（1)淬火與回火（調質處理)對低合金結構鋼和馬氏體型耐熱鋼制造的整體氣門，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，基體硬度為28～40HRC。熱處理工藝流程為:淬火→一次回火→拋丸→校直→二次回火→二次拋丸→校直，其熱處理工藝規范如圖3-7所示。

目前國內外氣門生產廠家正在努力尋找氣門熱處理專用設備，來改變笨重、粗放的處理方法，網帶式可控氣氛中、高溫加熱爐的各項技術指標已經基本達到了處理氣門的要求。圖3-8所示為目前國內網帶爐熱處理生產線（淬火＋回火)，其由上料、前清洗、加熱冷卻、后清洗、加熱回火、水冷等工序組成，實現了機械化與半自動化作業，并通過氧探頭進行爐內碳勢的控制，熱處理產品質量穩定，生產率高。

圖3-6 發動機氣門連續熱處理爐系統的工作示意圖

1—裝料空間 2—淬火爐 3—油槽 4—除氣機 5—干燥器 6—回火爐 7—卸料處 8—液壓系統

圖3-7 氣門鹽浴爐熱處理工藝規范

a)低合金結構鋼 b)馬氏體型耐熱鋼

另外個別氣門廠采用深井式高溫電阻爐處理馬氏體型耐熱鋼效果良好，但需要通保護性氣體，以防止氣門的氧化和脫碳，氮氣的純度必須高于98％。圖3-9所示為氣門在高溫井式爐內加熱時氣門桿部氧化實例，圖3-10所示為氣門加熱淬火時，工藝裝備與淬火槽碰撞造成氣門桿部彎曲的情況。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。

圖3-8 目前國內網帶爐熱處理生產線（淬火+回火）

圖3-9 馬氏體型耐熱鋼氣門桿部加熱氧化腐蝕（在氮氣純度為85％的高溫井式爐中加熱)

圖3-10 馬氏體型耐熱鋼氣門桿部熱處理后彎曲

氣門的回火在低溫井式爐中進行，保溫結束后要水冷，原因是42Cr9Si2、40Cr10Si2Mo等馬氏體型耐熱鋼在450～700℃范圍內有二次回火脆性，因此必須用水快速冷卻，水溫要低于80℃。常見馬氏體型耐熱鋼氣門的熱處理工藝規范見表3-3。

（2)固溶與時效（或僅時效)整體（或大頭)奧氏體型耐熱鋼的熱處理方式為固溶＋時效處理或僅時效處理，一般晶粒度控制在4～10級，其在700℃以下具有良好的強度、硬度和較好的耐蝕性。該類材料加熱溫度低于980℃時，表面易形成裂紋；當溫度超過1200℃時，又會因大量M₇C₃的薄片沉淀在晶界而出現裂紋。圖3-11與圖3-12所示分別為固溶處理采用高溫燃氣爐與高溫鹽浴爐的實體照片，前者的效率是后者的8～10倍，成本降低了80％，是理想的氣門固溶加熱設備。

表3-3常見馬氏體型耐熱鋼氣門的熱處理工藝規范

圖3-11 高溫燃氣固溶爐

圖3-12 高溫鹽浴固溶爐

時效處理后的氣門平面硬度為23～38HRC，層狀析出物的體積分數≤15％。氣門鹽浴爐加熱固溶、井式爐時效的工藝規范如圖3-13所示。

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，其效果越好，晶界沉淀相的數量和尺寸隨溫度的變化而變化。

圖3-13 氣門鹽浴爐加熱固溶、井式爐時效的工藝規范

時效的特征為析出的強化相的體積分數≤15％，強化相尺寸小、分布均勻，基體固溶體穩定。時效的前提是固溶度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；析出物彌散、均勻地分布在基體上，在高溫下長期使用時具有高的、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，溫度過高會產生層狀析出物，析出物為Cr₂₃C₆和少量CrN。事實上溫度過高將造成氣門的室溫韌性、疲勞強度和耐蝕性降低，因此要嚴格控制時效溫度。圖3-14～圖3-18所示為固溶處理的異常缺陷，圖3-19所示為層狀析出物超標的情況。

常見氣門用奧氏體型耐熱鋼的熱處理工藝規范見表3-4。

制造排氣門常用的奧氏體型耐熱鋼為53Cr21Mn9Ni4N（簡稱21-4N)，采用不同熱處理工藝方法處理后的組織與性能的比較見表3-5。可以看出只有經過固溶處理才能發揮出鋼的特性。

圖3-14 鹽浴固溶+時效圓弧表面的鹽腐蝕

圖3-15 燃氣爐內氣門圓弧被燒蝕

圖3-16 燃氣爐內氣門的桿部被燒蝕（凹坑）

圖3-17 耐熱鋼固溶黑心（100×）

圖3-18 21-4N+WNb耐熱鋼固溶過燒組織（100×）

圖3-19 6Cr21Mn10MoVNbN耐熱鋼時效析出超標（質量分數≥25%，100×）

表3-4常見氣門用奧氏體型耐熱鋼的熱處理工藝規范

表3-521-4N鋼采用不同熱處理工藝方法處理后的組織與性能的比較

（續)

（3)氣門的桿端淬火與錐面淬火 進、排氣門作為大批量生產的汽車配件，馬氏體型耐熱鋼氣門桿端面要進行感應淬火處理。熱處理后氣門桿部的硬度為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，因此要求氣門端面的硬度高、耐磨性好，這樣才能滿足發動機工作的需要。高頻感應淬火的硬化層厚度為2～4mm或淬透，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要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。氣門桿端部高頻感應淬火工藝參數見表3-6。

表3-6氣門桿端部高頻感應淬火工藝參數

1)進行氣門桿部高頻感應淬火時，常采用以下四種感應淬火技術。

①夾縫式感應淬火技術。該技術感應器的兩條有效導線平行布置，也可呈不同半徑的弧形線布置，導線中間的間隙為10～20mm，以滿足氣門桿部淬火的需要。夾縫式感應器及氣門位置如圖3-20所示。

該感應器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3-20中可知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。

該方法的不足是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3-21所示為該類感應器，它是一種加導磁體的平面感應器，實際上是在10mm×10mm×1～1.5mm的純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，其缺點為要在導磁體上加上冷卻裝置，制作、安裝和密封均比較困難。

圖3-20 夾縫式感應器及氣門位置

圖3-21 添加導磁體的桿端面淬火感應器

③串聯回路式感應淬火技術。串聯回路式端面淬火感應器如圖3-22所示，前兩個圈用于預熱，最后的為加熱圈。從圖中可知每個回路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，故此處加熱迅速且均勻，氣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。自身驅流式感應器的結構和電流走向如圖3-23所示，中間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，提高了生產率。圖3-24所示為氣門桿部高頻感應淬火時，桿部與感應器接觸打火擊傷的缺陷圖片。

四種氣門桿部端面感應淬火技術的效果見表3-7。

圖3-22 串聯回路式端面淬火感應器

圖3-23 自身驅流式感應器結構和電流走向

圖3-24 氣門桿部高頻感應淬火電擊傷

表3-7四種氣門桿部端面感應淬火技術的效果

2)進行氣門錐面淬火是為了滿足耐磨性的要求。氣門閥口或錐面與氣門底座要進行反復貼合，表面要具有高的硬度和良好的耐磨性，因此應對錐面進行高頻感應淬火，來滿足氣門頭部的技術要求以確保有高的使用壽命等，通常淬火后硬度在50HRC以上。為穩定組織、減小內應力，淬火后應立即進行低溫回火處理。EW10氣門錐面高頻感應淬火工藝規范見表3-8。

表3-8EW10氣門錐面高頻感應淬火工藝規范

（4)氣門的表面處理 氣門在發動機內工作時要求其能耐高溫和抗燃燒氣體腐蝕，氣門桿部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，需對氣門進行表面處理，通常有氮碳共滲和鍍鉻兩種方法。

1)氣門的氮碳共滲。發動機內進、排氣門的工作條件十分苛刻，且它們是密封燃燒室和控制發動機氣體交換的精密零件。氣門的高速運動和頻繁開啟，除了產生機械疲勞外，氣門的盤部還會產生熱疲勞。燃燒中的有害物質會對氣門產生高溫腐蝕和氧化腐蝕，造成氣門閥口（錐面)表面出現麻點和溝槽，嚴重的會造成氣缸漏氣。

氣門氮碳共滲的目的為提高氣門桿部的硬度，使其在干摩擦的條件下具有抗擦傷和抗咬合性能，具有耐磨性和抗氧化性。

氣門氮碳共滲的質量要求如下:氮碳共滲層深度為0.010～0.060mm；表面硬度不小于600HV0.2，脆性小于2級，滲氮層疏松，滲氮物為1～3級；桿部的變形量或膨脹量≤0.005mm；桿部、小頭端面的表面粗糙度Ra值在0.5μm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、表面腐蝕和表面掉色等，不得出現影響產品質量的外觀缺陷。

氮碳共滲的工藝流程為:浸泡→漂洗→噴淋→預熱→氮碳共滲→發藍處理→冷卻→清洗→光飾或拋丸→煮油。氣門液體氮碳共滲工藝曲線如圖3-25所示。其中的三個關鍵工序為:預熱、氮碳共滲和發藍處理。

圖3-25 氣門液體氮碳共滲工藝曲線

氮碳共滲后的氣門表面清理方法有拋丸與光飾兩種。常采用的吊鉤式拋丸機的外形如圖3-26所示。光飾（研磨)是將氣門放入光飾（研磨)機中的使氣門與磨料一起振動旋轉，常用磨料為棕鋼玉（四棱柱)，也可用其他磨料，加水可沖去磨掉的氣門表面的氧化鹽和黑灰等，但清理效果差、容易生銹、磕碰傷較多等。目前國外常用的連續式自動研磨機如圖3-27所示。

圖3-26 吊鉤式拋丸機

圖3-27 連續式自動研磨機

采用國產TJ-2氮碳共滲基鹽處理的氣門的各項技術指標見表3-9。

表3-9采用國產TJ-2氮碳共滲基鹽處理的氣門的各項技術指標

由表中數據可知，液體氮碳共滲的滲層厚度、硬度均大于或高于氣體氮碳共滲，變形量很小，滲層組織符合工藝要求。

2)桿部鍍鉻。氣門在高溫的腐蝕性氣體中，要承受氣體反復沖刷的作用，鍍鉻后氣門桿部具有摩擦因數小、潤滑耐磨性好、表面硬度高、耐蝕性好等特點，硬度在1000HV以上，表面粗糙度Ra值在0.4以下。

桿部鍍鉻的技術要求為:鉻層的厚度為0.005～0.030mm，測量時既可用千分尺也可采用截面金相方法，表面硬度不小于800HV0.2；鉻層與基體的附著強度符合要求，其衡量標準是桿部在專用夾具上的彎曲角度符合要求，氣門桿部無折斷，要求變形區的硬鉻鍍層厚度為8～10μm，用放大鏡觀察不允許有脆性剝落，但允許有裂紋存在。

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，加熱溫度為60～70℃)→反鍍（反向溶解鉻層，時間為0.7s)→清洗。

在氣門鍍鉻過程中，只對合金結構鋼和馬氏體型耐熱鋼氣門的桿部進行鍍鉻，馬氏體型耐熱鋼不進行陰極反鍍，以避免桿部表面出現褐色及反應物影響鉻層與基體的結合力。

氣門鍍鉻時首先要對其表面進行認真清洗，既可使用有機溶劑也可化學脫脂，清洗徹底的標準是氣門桿部無油污和粘附的雜物等，表面光潔；其次進行浸蝕處理，目的是活化金屬基體；再次進行鍍鉻處理，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。電離除油的工藝條件為:碳酸鈉30～45 g/L，磷酸鈉1.5～3 g/L，氫氧化鈉7.5～10 g/L，溫度90～95℃，電流密度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。常見氣門鍍鉻前的浸蝕處理工藝條件見表3-10。根據實際情況可選擇相應的配方。

表3-10常見氣門鍍鉻前的浸蝕處理工藝條件

鍍鉻前的活化處理配方見表3-11。

表3-11氣門鍍鉻前的活化處理工藝條件

氣門電解鍍鉻（或稱為鍍硬鉻)時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。鍍鉻的常用工藝條件為: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。

氣門鍍鉻電解液的一般成分組成和工藝條件列于表3-12中供參考。

表3-12氣門鍍鉻電解液的一般成分組成和工藝條件

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，以防止基體金屬受熱膨脹而產生表皮剝落等，預熱在鍍鉻槽中進行。為防止氣門腐蝕，采用沖擊電流，此時電流密度為80～120A/dm²，時間為1～3min。資料報道鉻酐（CrO₃)與硫酸H₂SO₄的比例（質量比)在100∶1～60∶1之間，溫度為58～60℃，催化劑的質量分數在110％以上，有利于得到理想的鍍鉻層。

氣門鍍硬鉻處理后，應進行除氫處理，具體工藝為200～250℃×2h，用來消除或降低因析氫而導致的鍍層的氫脆，氣門鍍鉻后表面鍍層厚度為10μm左右，該鍍層具有很高的硬度和好的耐磨性，汽車發動機上的氣門要在高速運動的狀態下工作，必須具備以上兩特點。

5.熱處理工藝分析與操作要點

（1)常規熱處理

1)氣門在工作過程中，應在600～800℃范圍內具有較好的尺寸穩定性、良好的強度和硬度等，馬氏體型耐熱鋼的淬火加熱溫度為980～1050℃，溫度低于980℃碳化物溶解不充分，硬度低，力學性能差；高于1050℃則溶解于奧氏體的碳化物過多，奧氏體晶粒粗大，其抗拉強度等降低，一般加熱溫度為1030～1050℃，需要注意的是，對于高碳90Cr18MoV鋼應采用1060～1080℃的加熱溫度。

奧氏體型耐熱鋼的固溶處理分為半固溶處理和全固溶處理，隨后進行時效處理。處理方法應依據氣門的具體服役條件來確定，其熱處理后的具體技術指標有晶粒度、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”等情況時，則應考慮材料本身的問題。

2)奧氏體型耐熱鋼時效后的析出物數量超標問題，多與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，且耐蝕性差，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，時效溫度應低于720℃，否則析出物的體積分數將在20％以上。

3)馬氏體型耐熱鋼含有較多的合金元素，具有二次回火脆性，因此回火后應進行快速冷卻處理。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校直，目前多采用先機械校直、后手工挑選（校直)的方式，個別氣門廠家采用氣門校直自動分選機，班產6000支，可以進行氣門桿部、盤錐面或盤部端面的檢測，大大提高了生產率，降低了工人的勞動強度，圖3-28所示為一臺日本制造的氣門校直自動分選機，具有故障率低、自動化程度高等特點，是代替手動檢測的發展方向，具有十分廣闊的市場前景。

圖3-28 氣門校直自動分選機

（2)氮碳共滲

1)鹽浴氮碳共滲爐應分階段升溫，通常在520℃保溫1h后再將溫度升高到560～580℃，并保溫一定的時間。為防止內部的鹽浴熔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。

2)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，工件進入氧化爐后滲氮鹽與氧化鹽反應，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℃，待表面停止反應1h后，才能處理工件。

3)滲氮爐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，到溫后用莫爾法檢測鹽浴成分。根據檢測結果添加Z-1再生鹽時，應蓋上鐵板防止反應的氣體逸出管道，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基鹽加入1kg再生鹽可將CNO－質量分數提高1％左右。

4)滲氮爐每班撈渣，渣的多少不僅取決于工件的數量、鋼材和表面積的大小以及夾具的形狀和大小，而且與細小的加工鐵屑或磨料、捆扎用鐵絲生成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到鹽浴中有關，這些物質以細小懸浮物的形式沉積在工件上或沉積在滲氮罐的罐壁或底部，必須從鹽浴中去除，此時鹽浴的污染程度決定于爐內沉積物的多少，雜物的排除可用人工方法，也可借助于鹽過濾系統，以確保滲氮效果，并補充新氮碳共滲基鹽。

5)對于氮碳共滲氣門而言，校直后和機械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，可確保氮碳共滲后氣門桿部直線度在0.005mm以內，這一點在氮碳共滲后的氣門拋丸工序上有顯著的表現。

（3)桿部鍍鉻

1)氣門桿部鍍鉻前的表面粗糙度對表面狀態的影響較大，表面粗糙度值大的表面存在凹凸不平的區域，此處會存積水和腐蝕性物質等，在高溫腐蝕性氣體的作用下，對凹坑的侵蝕將加劇表面的腐蝕；鉻在桿部表面沉積的多少與原始表面狀況有直接的關系，鍍鉻后表面粗糙度值增大；鍍鉻后對桿部用紙質或布質砂輪進行少量的拋光，目的是去掉高點鉻層，進一步提高氣門桿部的表面質量，使其具備要求的性能。由此看來表面粗糙度高會對氣門表面耐磨性和耐蝕性產生不良影響，考慮到氣門的技術要求和經濟性，通常桿部表面粗糙度Ra值控制在0.4μm以下。

2)在鍍硬鉻時加入專用的催化劑來提高電流密度、沉積速度，同時也相應提高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，用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。

3)鍍鉻后氣門桿部開始形成的微裂紋被沉積的鉻層覆蓋，實踐證明耐蝕性隨鉻層厚度的增加而增強。桿部的拋光至關重要，不拋光的耐蝕性差（在中性鹽霧中48h，2～5級)，而拋光后表面粗糙度明顯改善，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，既可保證滲層厚度均勻，又提高了表面質量。

（4)氣門的質量檢驗 氣門的熱處理質量檢驗項目見表3-13。

表3-13氣門的熱處理質量檢驗項目

（續)

6.進、排氣門的熱處理，液體氮碳共滲以及桿部鍍鉻缺陷分析與預防、補救措施

1)常見進、排氣門的熱處理缺陷原因分析與預防、補救措施見表3-14。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。

表3-14常見進、排氣門的熱處理缺陷原因分析與預防、補救措施

（續)

2)常見氣門液體氮碳共滲缺陷原因分析與預防、補救措施見表3-15。

表3-15常見氣門液體氮碳共滲缺陷原因分析與預防、補救措施

（續)

3)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層產生一定的危害，直接影響產品的外觀和內在質量，因此要嚴格執行鍍鉻工藝。常見氣門桿部鍍鉻缺陷原因分析及預防、補救措施見表3-16。

表3-16常見氣門桿部鍍鉻缺陷原因分析及預防、補救措施

（續)

7.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，即對奧氏體型耐熱鋼氣門或大頭進行固溶＋時效處理或直接進行時效處理，對馬氏體型耐熱鋼氣門進行調質處理，以獲得要求的硬度和組織，確保氣門的內在質量；其二為為提高氣門桿部端面耐磨性而進行的高頻感應淬火。在具體操作過程中操作不當、工藝本身的缺陷、設備故障、工藝裝備不完善等均會造成質量缺陷，嚴重的將危及汽車及人身安全，因此絕不可掉以輕心，應認識缺陷產生的原因，找出科學合理的解決措施。氣門的熱處理檢查項目一般有晶粒度、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，因此氣門的熱處理缺陷檢查必須查看金相組織，只有這樣才能確保氣門的熱處理質量。氣門的熱處理缺陷對產品安全性的影響見表3-17。

表3-17氣門的熱處理缺陷對產品安全性的影響

3.2.2氣門導管

氣門導管一般由灰鑄鐵、球墨鑄鐵或鐵基粉末冶金材料制造，導管的內、外圓柱面具有較高的精度和表面質量，鑲入氣缸蓋或氣缸體的導管孔中。氣門桿與氣門導管之間應留有0.05～0.12mm的間隙，見表3-18，以確保氣門桿能在導管內自由運動。事實上氣門與氣門導管的間隙與材料、長度、彎曲程度、磨損等有關，應根據情況確定。

表3-18氣門桿與氣門導管之間的間隙值

3.2.3氣門座（鑲塊式鑄造氣門座)

1.氣門座的工作條件與技術要求

氣門座是氣門頭部的支承面，它與氣門頭配合對氣缸起到密封的作用，為加速配合處使用初期的磨合，提高其密封性，氣門座錐角應比氣門錐角大0.5°～1°。由于氣門座在高溫下磨損嚴重，因此采用合金鋼等耐磨性好、質量輕的材料制成，要求其錐面的硬度高、尺寸穩定性好，起到密封氣門和冷卻氣門頭部的作用。氣門座失效的主要形式為燒蝕和磨損。

2.材料的選用

根據氣門座的工作環境，不少發動機的氣門座使用球墨鑄鐵、合金鑄鐵或耐熱合金鋼單獨制造，常使用的材料介紹如下。

（1)球墨鑄鐵QZ1、QZ2、QZ3材料

1)石墨的形態和分布。1～4級為合格，分散度越大分布越均勻。

2)合金碳化物的分布和數量。要求合金碳化物呈斷續網孔狀或較小的塊狀，且分散分布，塊體大小適中，不允許有嚴重的枝晶和偏析，合金碳化物的質量分數為7％～20％，1～3級合格。

3)合金碳化物的形態。要求其呈小條塊狀、中等塊狀，不允許呈大塊狀，1～2級合格。

4)基本組織為細的針狀珠光體組織。

（2)球墨鑄鐵QZ4材料

1)石墨的形態和分布。要求石墨為團絮狀或點狀，分布均勻，1～3級合格。

2)合金碳化物的分布和數量。要求合金碳化物呈細小的塊狀分散分布，不允許有嚴重的方向性分布和偏析，合金碳化物的質量分數為20％～40％，1～3級合格。

3)合金碳化物的形態。要求合金碳化物為小塊或中等塊狀，不允許有大塊的碳化物，1～2級合格。

4)基體組織為回火索氏體。

（3)球墨鑄鐵QZ5、QZ6材料 球墨鑄鐵QZ5、QZ6為高鉻鑄鐵材料

1)合金碳化物的分布和數量。要求合金碳化物呈斷續網孔狀分散分布，不允許呈嚴重的方向性或板條狀分布，合金碳化物的質量分數為10～40％，1～5級合格。

2)合金碳化物呈細小塊狀、中等塊狀，不允許有較大塊的碳化物，1～3級合格。

3)基體組織為回火索氏體，不允許存在粒狀珠光體。

上述六種材料的化學成分和硬度見表3-19。

表3-19內燃機氣門座用材料的化學成分和硬度

外觀質量要求密封錐面不得有裂紋、疏松、氣孔和夾雜等缺陷。

內燃機排氣門座使用新材料150Cr18Ni7Mo3鑄造合金，該合金鑄態的硬度為30～35HRC，具有良好的切削加工性能，在650℃保持6h，硬度上升至40HRC以上，具有良好的耐磨性；在550～650℃溫度范圍內，具有良好的抗氧化鉛腐蝕能力。

3.白口鑄鐵15Cr3Mo進氣門座的熱處理工藝

白口鑄鐵15Cr3Mo進氣門座（CA141汽車)要求熱處理后硬度為27～37HRC，金相組織為回火索氏體＋針狀或粒狀碳化物，熱處理的目的是改善耐磨性與獲得優良的綜合力學性能。其熱處理工藝曲線如圖3-29所示。

圖3-29 進氣門座（CA141汽車）熱處理工藝曲線

4.熱處理工藝分析與操作要點

1)操作者應嚴格執行工藝要求，確保儀表與設備正常工作。

2)由于進氣門座呈薄片圓環狀，故氣門座應平整加熱與冷卻。

3.2.4氣門彈簧

1.工作條件和技術要求

汽車發動機使用的氣門彈簧是控制封閉燃燒室內廢氣排出的重要部件，其工作溫度為300℃左右，在工作過程中彈簧要受到1500～3000次/min的壓縮作用，因此既受到高頻率、高應力非對稱交變應力的作用，又要承受相當大的振動和沖擊作用，同時還要承受彎曲和扭轉應力的作用，加上排出廢氣的腐蝕等，其工作條件差。氣門彈簧失效的主要形式為彈力不足、疲勞斷裂和應力松弛等，其斷口常在2～3圈位置，斷口與軸線呈45°角，斷裂均發生在彈簧內表面處，彈性不足會造成漏氣而影響發動機的正常工作，其性能決定于材料成分和熱處理工藝。如果彈簧斷裂后落入氣缸內，輕則會降低發動機的效率、造成耗油量的增加等，重則會引發車毀人亡的重大事故。考慮到彈簧的最大應力往往發生在表面，故必須防止其表面脫碳，同時要對表面進行噴丸處理，以提高彈簧的疲勞強度和使用壽命等。

在彈簧的失效形式中，脆性斷裂、疲勞斷裂和應力腐蝕以及腐蝕疲勞等是主要的方式，疲勞斷裂為脆性斷裂的80％～90％，其中由內側表面的夾雜物引起的應力集中而導致的斷裂占有一定的比例。正確分析彈簧的失效原因，有助于在彈簧的材料、幾何形狀、尺寸精度、熱處理工藝以及表面質量等幾個方面找到影響產品質量的根源。

2.材料的選用

發動機轉速的提高對彈簧的彈性極限、疲勞強度提出了更高的要求，根據工作特點可知選用的材料既要在300℃左右仍然有良好的彈性極限和疲勞強度，即具有一定的高溫力學性能，又要具有高的沖擊韌度。

常用的鋼材為碳素鋼鋼絲65Mn、70等，合金彈簧鋼絲50CrV等，經淬火和回火后，硬度為44～50HRC，硬度散差不大于5HRC，如經過等溫淬火則硬度為46～54HRC，彈性和強度等完全滿足氣門彈簧的工作需要。50CrVA鋼的含碳量稍低于60Si2Mn鋼，具有良好的沖擊韌性和塑性，該鋼中鉻元素在加熱時部分溶于鐵素體中，在中溫回火后硬度和強度得到提高，同時耐回火性好，釩與碳結合成V₄C₃十分穩定，以高度彌散的質點分布于奧氏體中，阻止了晶粒的長大，淬火后獲得細小的馬氏體組織。由于該鋼的耐回火性好，即使在500℃左右回火仍具有高的屈服強度和抗拉強度，對缺口的敏感性小，可抵抗沖擊載荷的作用，加上加熱時不易過熱和脫碳，成為氣門彈簧的首選材料。

3.氣門彈簧的機械加工工藝流程

氣門彈簧的機械加工工藝流程如下:備料→繞簧→去應力退火→磨兩端面→淬火→中溫回火→表面噴丸→壓成形→校正→第二次去應力退火→檢查→發藍→包裝入庫。

1)繞簧工序采用直徑在12mm以下的冷繞成形工藝，有專用的工藝裝備和設備以確保內徑符合要求。

2)去應力退火的目的是消除冷繞時因塑性變形而產生的內應力，為防止彎曲變形應將彈簧垂直放置于爐內。一般去應力退火的熱處理工藝為400～500℃保溫10～20min后空冷或油冷，為最終的熱處理做好準備。

4.熱處理工藝

氣門彈簧的技術要求為硬度40～50HRC，金相組織為回火托氏體，無氧化脫碳，變形量符合要求。

1)氣門彈簧的加熱是在鹽浴爐或可控氣氛爐中進行的，以防其表面發生氧化和脫碳現象，50CrVA鋼的加熱溫度為840～880℃，通常規定直徑大于6mm的選用下限溫度，直徑小的用上限溫度加熱，鹽浴加熱保溫系數為1.2～2min/mm，需要注意鹽浴的脫氧撈渣。沒有鹽浴爐或可控氣氛爐的廠家也可在箱式電阻爐中加熱，采取通保護氣體或浸涂硼酸酒精溶液的方法，也可達到防止或減少氧化脫碳的目的。

2)淬火冷卻介質為10號或20號機械油，油溫在20～60℃之間，為防止變形要將彈簧水平放入油中并水平緩慢移動，也可將其放入專用淬火夾具中，壓好后水平放入油中，這樣變形較小，冷卻到100～150℃時提出立即進行回火。

3)為防止彈簧開裂，淬火后應盡快回火（4h內)，為確保回火的效果，一般在硝鹽爐中回火（KNO₃和NaNO₂的質量分數均為50％)，加熱溫度為370～420℃，保溫時間為30～60min，為保證內外徑尺寸、彈簧的高度和垂直度等，少數廠家采用套筒回火，回火后的基體組織為回火托氏體，硬度為45～52HRC。50CrVA鋼制氣門彈簧的熱處理工藝規范如圖3-30所示，回火所用套筒的示意圖如圖3-31所示。

彈簧熱處理后的金相組織為回火托氏體＋少量的鐵素體，不允許有馬氏體組織存在，等溫淬火的組織為下貝氏體＋回火馬氏體。

圖3-30 50CrVA鋼制氣門彈簧的熱處理工藝規范

圖3-31 回火所用套筒的示意圖

1—套筒 2—楔塊 3—彈簧

5.熱處理工藝分析與操作要點

1)對已呈盤卷狀態的彈簧回火時，不允許引起表面的損傷和變形，采用箱式爐、推桿爐、步進式網帶爐等，并使用專用夾具等，為防止脫碳用吸熱式氣氛作為保護性氣體，并進行爐內氣氛的循環，采用連續式或周期式熱處理設備時一定要注意彈簧的回火要充分。

2)回火后要對尺寸不符合要求的彈簧進行校正，這樣的彈簧在局部會產生內應力，在360～370℃溫度下保溫5～15min去除應力后，對性能沒有任何影響。

3)采用改進的50CrVA彈簧的熱處理工藝，可提高疲勞壽命。資料介紹采用B-M等溫淬火工藝，即900℃×5min＋300～320℃×5min油冷，250～300℃×30～60min回火，處理后材料的抗拉強度為1816～1896MPa，斷面收縮率為46.7％～49.1％。經傳統熱處理工藝處理后彈簧的疲勞壽命為2.24×10⁶次，現在達到1×10⁷次，原因在于等溫淬火形成了下貝氏體＋馬氏體組織，使馬氏體晶粒得到細化，因此延長了彈簧的使用壽命，另外下貝氏體具有較高的塑性和韌性，同時產生顯微裂紋的傾向減小，因此提高了疲勞壽命。

6.提高氣門彈簧壽命的措施

由于對該類彈簧疲勞強度的要求較高，加上又在較高的溫度下工作，因此提高其使用壽命是十分重要的現實問題，目前比較成熟的方法有以下兩種。

（1)進行彈簧的松弛處理 為防止氣門彈簧在長期工作的過程中因微量的永久塑性變形而導致力學性能的變化影響其使用壽命，應進行彈簧的松弛處理。其方法為先對彈簧施加一定的載荷，使其變形量超過正常工作時的形變量，在比正常工作溫度高20℃的情況下保溫8～24h，這種方法可避免彈簧產生微量的塑性變形，延長其使用壽命。

（2)對彈簧進行噴丸或拋丸處理 劃痕、折疊、氧化皮等往往成為工作應力集中的地方和疲勞裂紋源，進行噴丸處理可改變表面的質量狀況，細小的鑄鐵丸或鋼丸以很高的速度（70m/s左右)噴射在彈簧的表面上，不僅可消除缺陷，提高產品質量和基體的強度，而且可使彈簧表面處于壓應力狀態，極大提高了疲勞強度和使用壽命，它是目前提高彈簧壽命的一個常用方法。噴丸處理對不同表面狀態的影響見表3-20。

表3-20噴丸處理對不同表面狀態的影響

①GB/T 1222—2007中已取消了此牌號。

對氣門彈簧進行氮碳共滲處理，可明顯提高疲勞強度，從表3-21中可看出它是一種不錯的強化處理工藝。

表3-2150CrVA氣門彈簧低溫氮碳共滲熱處理與普通熱處理疲勞強度的對比

7.氣門彈簧的常見熱處理缺陷分析與對策

氣門彈簧的熱處理包括淬火、回火與拋丸處理，對各工序容易產生缺陷的原因與對策進行歸納與整理，在生產中可進行缺陷的有效預防，以確保產品質量符合技術要求。氣門彈簧的常見熱處理缺陷分析和對策見表3-22。

表3-22氣門彈簧的常見熱處理缺陷分析和對策

（續)