3.3氣門傳動組零件的熱處理

3.3.1凸輪軸

1.工作條件與技術要求

凸輪軸是發動機配氣系統中的重要部件，凸輪軸的旋轉是依靠曲軸帶動的，用來保證各個氣缸內進、排氣門按一定的時間正常開啟和關閉，保證發動機充分換氣，使進、排氣門持久地確保燃燒室的密封性，確保發動機具有良好的可持續性和動力性。另外凸輪軸還要用來驅動燃燒系統等零件。在低應力作用下凸輪軸與氣門閥桿、挺桿構成摩擦副，在工作過程中承受連桿周期性擠壓應力的作用，同時還受到一定的彎曲和轉矩的作用，此外又要承受與挺桿相接觸產生的滑動及滾動摩擦的作用以及周期性的沖擊載荷。圖3-32所示為凸輪軸與凸輪形狀。凸輪軸的主要損壞形式為接觸疲勞破壞（粘著磨損，即擦傷)、凸輪磨損、表面壓應力反復作用造成麻點和塊狀剝落等。因此要求凸輪軸必須具有以下特性:良好的接觸疲勞強度和抗擦傷性；高硬度和較好的耐磨性；接觸表面具有足夠的強度和剛性，可承受氣門開啟的周期性沖擊載荷的作用。

2.材料的選用

凸輪軸的材料要根據氣門挺桿的材料而定，二者的材料要相匹配，同時要考慮到設計和使用的要求，影響凸輪軸選用材料的因素有:在發動機中的工作條件和使用工作狀況；凸輪軸與挺桿間的最大接觸應力、相對滑動速度、潤滑條件；匹配挺桿材料、硬度以及表面狀態等。根據凸輪軸的工作條件，符合要求的材料有鋼和鑄鐵，根據鋼的加工方法可分為感應淬火鋼、滲碳鋼、滲氮鋼（或氮碳共滲鋼)；鑄鐵分為冷激鑄鐵、可淬硬鑄鐵、感應淬火球墨鑄鐵、氬弧重熔鑄鐵等，制造凸輪軸的材料及熱處理工藝見表3-23。

圖3-32 某凸輪軸與凸輪形狀

a)凸輪軸 b)凸輪剖面及硬化層分布

表3-23制造凸輪軸的材料及熱處理工藝

一般凸輪軸采用滲碳鋼和中碳鋼制造，高功率的高速發動機凸輪軸采用鎳鉻鉬（或鋁)合金鑄鐵、銅釩鉬合金鑄鐵制造。合金鑄鐵的彈性模量比中碳鋼和球墨鑄鐵的低，故能夠減小接觸壓力和保持表面的潤滑油膜，鑄鐵中加入合金元素可明顯提高鑄鐵的力學性能或物理化學性能，如鉻、銅、鎳、鉬和釩等顯著改變鑄鐵的耐磨性，鉻、銅、鎳、磷和硅能提高鑄鐵的耐蝕性，同時鉻、鎳、鉬、硅等元素增強了耐熱性。通常用45鋼（最佳碳質量分數0.40％～0.47％可保證合適的淬透性)、50Mn2鋼等制作凸輪軸，具有工藝簡單、制造成本低等特點，其毛坯晶粒度控制在6～8級，獲得的各項技術指標完全符合要求。部分凸輪軸用鑄鐵及其性能要求見表3-24。

表3-24部分凸輪軸用鑄鐵及其性能要求

冷激鑄鐵通常不需要熱處理，其表面存在軟硬相間的復相組織，使其有很高的硬度和低的摩擦因數，不會發生粘著現象。因此具有最優良的抗擦傷性能、較好的抗點蝕剝落性和較高的耐磨性，該類鑄鐵一般含碳量高，以保證冷激層的硬度和碳化物的含量。凸輪軸常用合金鑄鐵和冷激鑄鐵的化學成分見表3-25和表3-26。

表3-25凸輪軸常用合金鑄鐵的化學成分

表3-26凸輪軸常用冷激鑄鐵的化學成分

合金鑄鐵的加工工藝流程為鑄造→去應力退火（590℃×5h加熱后爐冷至200℃出爐空冷)→機械加工→等溫淬火（870℃加熱，在240～300℃硝鹽浴中冷卻60min后提出空冷)→回火（590℃×5h)，其組織由珠光體＋少量鐵素體變為回火索氏體。

3.凸輪軸的熱處理

（1)技術要求 根據材料的不同，其技術要求存在差異，具體如下:

1)低碳鋼化學熱處理的技術要求為滲碳處理后滲碳層深1.5～2mm，凸輪、支承軸徑和偏心輪的表面硬度為55～63HRC，齒輪的硬度為45～58HRC；凸輪軸進行氮碳共滲處理，可明顯提高抗擦傷能力和防止出現熱咬合的能力，其耐磨性為中碳鋼淬火后的兩倍。

2)45鋼凸輪軸的技術要求為凸輪、支承軸徑和偏心輪的表面硬度為55～63HRC，硬化層深2～5mm，齒輪的硬度為45～58HRC，硬化層深2～5mm。

3)合金鑄鐵凸輪軸的技術要求為凸輪、支承軸徑和偏心輪的表面硬度為48～58HRC，硬化層深2～5mm，齒輪的硬度為45～58HRC，硬化層深2～5mm。采用感應加熱可提高凸輪軸的強度和耐磨性，確保其在工作過程中具有高的疲勞強度和使用壽命。

（2)熱處理工藝參數 對滲碳鋼和中碳鋼而言，在最終的熱處理前要對凸輪軸進行調質處理或正火處理，以獲得均勻細化的索氏體組織，確保基體有足夠的強度和良好的韌性來滿足凸輪軸的工作需要。

1)凸輪軸的感應熱處理工藝是廣泛采用的，一般汽車、拖拉機等內燃機凸輪軸大多采用感應加熱完成表面的熱處理，可提高凸輪軸基體表面的抗拉強度、硬度、耐磨性和疲勞極限，而心部仍保持足夠的塑性和韌性，根據其結構和技術要求可對凸輪軸的凸輪、支承軸徑、偏心輪和齒輪等主要工作表面在精加工前分別進行感應處理。為獲得要求的硬度，應選擇理想的感應器。感應器一般分為兩類:圓形感應器應用于中頻感應淬火，使凸輪軸旋轉，感應器內徑大于支承軸徑，間隙較大；仿凸輪軸形感應器是根據高頻感應淬火或特殊形狀的具體要求而制作的，凸輪與感應器的間隙很小，因此硬度均勻，可根據凸輪軸各部分硬化層的深度來改變仿形形狀，該類感應器分為單圈和雙圈兩種。凸輪軸感應加熱用雙圈圓形感應器如圖3-33所示。另外為了獲得凸輪周邊均勻的硬化層，可使用分開式感應器。

圖3-33 凸輪軸感應加熱用雙圈圓形感應器

在一根凸輪軸上的若干個凸輪、主軸徑、齒輪和偏心輪要進行感應淬火，而它們之間的距離較近，淬火時必然會影響到彼此的硬度，故中頻淬火感應器必須有屏蔽裝置來進行保護，磁場屏蔽方法有三種。第一種為銅環屏蔽法，在感應器的兩側加上云母片或膠木板，外側加上銅管或銅板制成的銅環，如圖3-34所示。其原理為磁力線穿過銅環時產生感應電流，而感應電流產生的磁力線與有效圈上產生的中頻電流產生的磁力線方向相反，故削弱或抵消了逸散的磁力線，使得兩側的凸輪或主軸徑的邊緣不會被加熱。第二種為低碳鋼環屏蔽法，與銅環屏蔽法相似，裝上低碳鋼或工業純鐵制造的環，如圖3-35所示。其工作原理為鋼環或純鐵環的相對磁導率高于空氣，對逸散的磁力線有吸引或約束作用，因此可保護相鄰的凸輪或主軸徑的邊緣免受加熱，資料介紹同時采用兩種屏蔽方法效果更好。第三種為硅鋼片屏蔽法，即在有效圈外側卡上一圈硅鋼片，經過磷化處理后，同樣具有良好的屏蔽作用。

圖3-34 銅環屏蔽裝置示意圖

圖3-35 鋼環屏蔽裝置示意圖

對于材料為中碳鋼的凸輪軸來說，由于感應淬火是易控制、節能、生產率高、產品質量好、便于實現機械化自動化的熱處理工藝，因此在實際熱處理過程中得到了極為廣泛的應用，它避免了使用鹽浴爐、電阻爐等時工件必須完全加熱的弊端。考慮到6102發動機凸輪軸要求的硬化層深，因此選擇中頻感應淬火，常用的頻率為2500Hz和8000Hz。該凸輪軸的熱處理安排在粗磨凸輪、偏心輪之前，在淬火機床上進行中頻感應淬火，硬化層深度為2～5mm，淬火后硬度為55～63HRC。需要注意的是感應器的合理設計與淬火質量問題，表3-27為6102發動機凸輪軸（45鋼)感應淬火（中頻感應淬火)工藝規范。

表3-276102發動機凸輪軸（45鋼)感應淬火（中頻感應淬火)工藝規范

（續)

電流的頻率不同則淬硬層的深度不同，頻率越高淬硬層的深度越小，因此在生產過程中應根據零件的具體技術要求和工作狀況來確定合理的工藝參數。中碳鋼制作的凸輪軸采用中頻感應淬火處理是正確的，凸輪軸主要工作表面的中頻感應淬火分步進行，首先進行支承軸徑和齒輪表面的淬火，最后完成凸輪、偏心輪表面的淬火處理。45鋼和合金鑄鐵凸輪軸表面淬火的工藝參數及質量要求見表3-28。

表3-2845鋼和合金鑄鐵凸輪軸表面淬火的工藝參數及質量要求

2)球墨鑄鐵凸輪軸的貝氏體等溫淬火工藝見表3-29。球墨鑄鐵凸輪軸一般選用QT600-3，除少數采用中頻感應淬火或進行氮碳共滲外，絕大部分凸輪軸在毛坯正火或去應力退火加工后，進行貝氏體的等溫淬火處理，獲得理想的下貝氏體組織和硬度，使凸輪軸具有良好的綜合力學性能。

表3-29球墨鑄鐵凸輪軸的貝氏體等溫淬火工藝

球墨鑄鐵凸輪軸的熱處理工藝包括一般的正火、等溫或分級淬火、表面改性處理等，表面熱處理和化學熱處理與普通的熱處理工藝相比，可獲得最佳的表面硬化層，提高了凸輪軸的疲勞強度、抗彎強度，并使其具有良好的耐磨性和耐蝕性等，具體見表3-30。當硬度不足則將造成性能和使用壽命的降低，而過厚的硬化層，會增加凸輪軸的脆性和內應力，出現早期的失效和損壞，因此選擇合理的工藝方法，對于凸輪軸的壽命有重大的影響。

表3-30球墨鑄鐵凸輪軸經不同熱處理后耐磨性對比

目前對球墨鑄鐵凸輪軸采用熱處理強化和冷加工復合強化新工藝，即球墨鑄鐵凸輪軸經熱處理后再進行滾壓處理。如正火＋滾壓軸頸與曲柄臂過渡圓角處，在表面形成了0.5mm深的冷加工硬化層，增大了殘留壓應力的作用，提高使用壽命70％以上，效果十分明顯，在生產中得到了十分廣泛的應用。

凸輪軸在表面處理前要進行正火或調質處理，以使其得到良好的力學性能。為提高凸輪軸的耐磨性和耐蝕性，可對其進行化學熱處理（如氮碳共滲等)。圖3-36所示為SH760汽車凸輪軸的氮碳共滲工藝曲線，材質為合金鑄鐵，滲層深0.10～0.15mm，化合物層為4～6μm，硬度在900HV以上，使用壽命可提高三倍以上，在表面形成了CrN、MnN等合金滲氮物。

圖3-36 SH760汽車凸輪軸的氮碳共滲工藝曲線

4.凸輪軸熱處理工藝分析與操作要點

1)為防止相鄰的部位由于磁場逸散發生退火，凸輪軸感應器上設計安裝了聚磁裝置，用高導磁材料制作，如硅鋼片、鐵氧體等。為提高生產率，還開發了凸輪軸多部位同時淬火技術。該技術可以同時對一根凸輪軸上的所有淬火部位進行淬火加工，已在東風的EQ491發動機凸輪軸生產線上得到使用。

2)凸輪軸中頻感應淬火后利用余熱進行自回火，可消除淬火組織應力，在正火＋中頻感應淬火后，心部為細片狀珠光體，硬度為255HBW，心部具有良好的強度和高的韌性。

應確保感應器上直徑為1.5～2mm的噴射孔無堵塞，水壓符合設計要求，凸輪軸可旋轉或靜止不動。大批生產時，所有凸輪軸上的各淬火部位應一次同時加熱完成，如分段加熱則容易出現軟點或軟帶，影響到凸輪軸表面的耐磨性等，對其使用壽命等有直接的影響。

感應淬火后的凸輪軸要立即放進井式回火爐內或硝鹽回火爐中，如要采用感應回火或自回火則要掌握好加熱的工藝參數，自回火的溫度要高于爐內回火50～70℃。

3)球墨鑄鐵制作的凸輪軸大多進行等溫淬火，以獲得貝氏體組織，其淬火冷卻介質為硝鹽浴，由于凸輪軸在鹽浴中加熱，淬火時帶入的氯化鹽使硝鹽的老化明顯加快，因此要定期撈渣和補充新硝鹽。

淬火后的零件用煮沸的熱水清洗，將凸輪軸上粘附的硝鹽清除干凈，否則會出現吸潮和表面銹蝕，將直接影響到產品的尺寸和表面質量。

4)中碳鋼制作的凸輪軸采用中頻感應淬火，凸輪軸主要工作表面的中頻感應淬火應分步進行，首先進行支承軸徑和齒輪表面的淬火，最后完成凸輪、偏心輪表面的淬火處理，這樣可確保熱處理后的硬度和組織不受影響。

5)高頻感應加熱的感應器應根據要求制作，可制成仿形或圓形。其高度比凸輪軸高4～8mm，內徑與軸徑的間隙為3～4mm；高頻加熱器上有直徑為1.5～2mm的噴射孔，凸輪軸可旋轉或靜止不動。大批生產時，所有凸輪軸上的各淬火部位是一次同時加熱完成的。

6)有資料指出，QT600-3球墨鑄鐵凸輪軸可采用等溫淬火處理（ADI)，具有提高韌性，變形小，耐磨性良好等特點，在260～290℃的硝鹽浴中進行等溫淬火處理后，如果出現淬裂現象，在化學成分合格的前提下，采取確保井式爐溫度均勻，將加熱爐與等溫硝鹽浴的溫差控制在5～10℃，將等溫硝鹽槽的溫度控制在要求的溫度范圍內，定期撈硝鹽渣與補充新鹽等措施，即可使凸輪軸等溫淬火裂紋得到有效的控制。

7)凸輪軸感應淬火的質量檢驗見表3-31。

表3-31凸輪軸感應淬火的質量檢驗

5.凸輪軸感應淬火的常見缺陷及產生原因和防止方法（表3-32)

表3-32凸輪軸感應淬火的常見缺陷及產生原因和防止方法

（續)

3.3.2氣門挺桿

1.工作條件與技術要求

氣門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，將凸輪作用于它的推力傳給推桿，以此來傳遞動力，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接觸，彼此之間的摩擦力較大，挺桿與凸輪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。挺桿有菌式、筒式和滾輪式三種，其底部分球面和平面兩類。對挺桿的技術要求為表面有高的硬度和耐磨性，基體組織具有良好的綜合力學性能。

一般氣門挺桿的構造如圖3-37所示，從圖中可以看出，挺桿的下部有油孔，經推桿流入挺桿的機油從油孔流出潤滑凸輪和挺桿。其損壞形式為磨損、擦傷和接觸疲勞破壞。

從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:一定的強度和韌性，表面有高的硬度和良好的耐磨性，高的抗擦傷能力等。

2.材料的選用

從上述挺桿的受力分析可知，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，因此必須提高它們的耐磨性和抗擦傷性，經過表面強化處理的合金鑄鐵挺桿和凸輪軸，耐磨性和抗擦傷性得到提高。凸輪與挺桿組合后，其失效形式多為二者異常磨損，一般為點蝕（Pit-ting)和刮傷（Scuffing)兩大類，二者的相互摩擦短時間內會早期的熔化磨損。氣門挺桿材料一般選用滲碳鋼、中碳鋼和鑄鐵等，氣門挺桿與凸輪軸材料的選用見表3-33。凸輪和挺桿產生異常磨損的原因和對策見表3-34。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。可用磷酸膜或鐵氧體（Ferrox)進行表面處理，這種方法對提高早期的磨合性十分有效，從而防止刮傷。

圖3-37 氣門挺桿的構造

a)菌式 b)筒式 c)滾輪式

表3-33氣門挺桿與凸輪軸材料的選用

表3-34凸輪和挺桿產生異常磨損的原因和對策

凸輪和挺桿材料的典型組合實例見表3-35。

表3-35凸輪和挺桿材料的典型組合實例

3.機械加工工藝流程

（1)滲碳鋼挺桿 常用滲碳鋼主要有15Cr、20Cr、20等，它們正火后具有良好的韌性、強度和理想的金相組織，經滲碳或碳氮共滲處理表面形成高的硬度和耐磨性，而內部有一定的強度和良好的韌性。其流程為:下料→鍛造→機械加工成形→滲碳或碳氮共滲→熱處理→精加工→表面處理。滲碳層和碳氮滲層深0.6～1.5mm即可滿足工作需要，內螺紋應避免滲碳或碳氮共滲，否則螺紋的硬度高、脆性大，會在工作過程中出現早期失效。

（2)中碳鋼挺桿 通常選用45鋼和45Cr鋼，中碳鋼經調質處理后，整體形成索氏體組織，具有最佳的綜合力學性能，最終熱處理方式為高頻感應淬火，硬化層深度在2mm以上，硬度大于55HRC。

（3)合金鑄鐵挺桿 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:①整體鑄造合金挺桿；②用鋼制造桿體，在頭部焊上合金鑄鐵；③單體鑄造合金鑄鐵挺桿頭與鋼制桿體對焊。

以整體鑄造合金鑄鐵挺桿為例，其加工流程為:鑄造→間接端部冷激→機械加工→去應力退火→精加工→表面處理→成品，其硬化層深度應大于2mm。

筒式挺桿的簡單工藝流程為:棒料切割→料頭淬火→拋丸、磷化、皂化→冷擠壓→齊總長和堆焊槽→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。

（4)20鋼擠壓、堆焊合金 通常采用20鋼或25鋼進行反擠壓成形，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→堆焊合金→拋丸→機械加工等→磷化→成品檢驗。

4.挺桿的熱處理工藝

挺桿和凸輪軸是一對摩擦副，因此兩者材料的選用和熱處理的要求是相互制約的。在大批生產中，鋼制氣門挺桿通常通過冷擠壓或熱鐓成形。挺桿和凸輪軸材料的選用與熱處理工藝見表3-36，凸輪和挺桿的表面硬度見表3-37。

表3-36挺桿和凸輪軸材料的選用和熱處理工藝

表3-37凸輪和挺桿表面硬度

（1)滲碳鋼挺桿的熱處理 這里以15Cr鋼為例，分析其熱處理工藝規范和注意事項。

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，具體流量根據滲層厚度、爐膛體積以及裝爐量的多少而定，試樣抽查合格后，隨爐冷卻。

2)滲碳后的挺桿需重新進行熱處理。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。為防止挺桿表面出現脫碳現象，熱處理的加熱是在鹽浴爐中進行的，淬火工藝裝備具有吊掛式結構，材料為Q235鋼，上面焊有許多短柱，將挺桿掛在上面。加熱溫度為840～850℃，每掛保溫8min，在機械油中油冷，淬火后的端面硬度大于62HRC；為了確保硬度符合要求，在硝鹽爐中的回火溫度為180～200℃，保溫90min，硬度為54～62HRC。

挺桿回火后應清洗干凈，除凈回火粘附的硝鹽等，防止其表面銹蝕，影響挺桿的使用性能。該類挺桿的缺點為儲油性差和耐磨性較差，容易出現表面擦傷。

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。

（2)合金鑄鐵挺桿的熱處理 采用合金鑄鐵制造挺桿，可使基體硬度提高，其使用性能與挺桿的顯微組織、表面及心部硬度、表層和次表層的殘留應力等有關，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，顯微組織中回火馬氏體基體上分布的針狀碳化物以及出現的點狀、片狀石墨均提高使用性能，表面硬度越高則耐磨性越好。幾種常見合金鑄鐵挺桿的化學成分見表3-38。

表3-38幾種常見合金鑄鐵挺桿的化學成分

（3)冷激合金鑄鐵挺桿的熱處理 冷激鑄鐵（采用干砂型鑄造，端面加冷鐵激冷獲得的)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削成微凹坑又起到儲油的作用，從而使得其耐磨性、減摩性和儲油性較好。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，確保脫氧徹底。

冷激合金鑄鐵挺桿的熱處理工藝見表3-39。

表3-39冷激合金鑄鐵挺桿的熱處理工藝

（續)

需要注意的是氣門挺桿（CA141)采用鉻鉬銅合金鑄鐵制造，其工藝為時效處理＋淬火處理＋磷化處理，時效處理為550℃×3h空冷，淬火處理為840～860℃×0.5h油冷，金相組織為淬火馬氏體＋少量點狀石墨＋碳化物，硬度為58～62HRC，提高了挺桿的硬度與耐磨性。

另外為提高使用壽命，在冷激鑄鐵端面上高頻堆焊合金，然后在300℃進行回火處理，其作用為減小加熱引起的應力集中，同時不會降低表面的殘留壓應力，因此使挺桿的使用壽命明顯提高。

合金鑄鐵的鑄態金相組織如下:基體為細珠光體，挺桿底部經冷激后工作表面為針狀滲碳體、萊氏體和適量石墨。挺桿的熱處理工藝參數和技術指標見表3-40。

表3-40挺桿的熱處理工藝參數和技術指標

通常挺桿熱處理后工作面部分的硬度如下:鋼制挺桿和冷激鑄鐵挺桿滲碳后為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，鑄鐵挺桿為241～285HBW。

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存在下列缺陷:裂紋、變形、表面性能不高等。考慮到上述因素，選用火焰淬火可確保產品質量合格和質量穩定，同時降低了生產成本，取得了良好的效果，挺桿的火焰自動淬火設備示意圖如圖3-38所示，挺桿經振動料斗進入排料槽，由送料機構送入帶有旋轉機構的孔座內，同時乙炔加熱噴嘴對挺桿底面進行加熱，加熱到設定時間后，挺桿被打料桿彈出滑入油槽冷卻，然后進行下一輪循環。

挺桿的材料選用鉻鉬銅（CrMoCu)冷激合金鑄鐵，其火焰淬火工藝參數為:加熱溫度為860～900min，挺桿的轉速30～60r/min，在180～200℃回火120min后空冷。

檢測結果:硬化層深度大于3mm；冷激層深度大于4mm；挺桿端面的硬度為63～69HRC，桿部硬度為93～104HBW；金相組織要求石墨1～2級，滲碳體1～3級，滲碳體數量1～3級。

圖3-38 挺桿的火焰自動淬火設備示意圖

1—油槽 2—挺桿 3—乙炔加熱噴嘴 4—振動料斗 5—排料槽 6—送料機構 7—旋轉打料裝置

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粉無損檢測，以確保挺桿的內在質量合格，同時也避免了后面工序的無價值的加工。

（4)挺桿的表面處理 在氣體或液體介質中進行表面處理后，挺桿表面的硬度提高、耐蝕性增強，端面和內球窩抗沖擊性提高，因此其使用壽命得到提高。挺桿的氮碳共滲一般采用液體氮碳共滲工藝，氮碳共滲的技術要求和工藝參數如下:加熱溫度560～585℃，共滲時間2～3h，氮碳層深≥0.05mm，表面硬度≥850HV0.2，處理后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。

1)挺桿的氮碳共滲處理。可進行氮碳共滲處理的氣門挺桿材料通常為Cr12W和合金鑄鐵兩種。氮碳共滲的技術要求為:氮碳共滲層深度≥0.05mm，白亮層深度在0.006mm以上，表面硬度在850HV0.2以上，基體硬度≥43HRC，挺桿的氮碳共滲工藝流程參見氣門氮碳共滲部分的內容。

圖3-39所示為氣門挺桿的液體氮碳共滲工藝曲線，圖3-40所示為氣門挺桿的金相照片，實際測出氮碳共滲層深度為0.06mm，硬度在900HV0.2以上，符合技術要求。從圖中可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。

圖3-41所示為Cr12W鋼制挺桿工作面的氮碳共滲腐蝕缺陷，其是由滲氮鹽腐蝕產生的，而花斑則為鹽渣沉積在工作面上所致，圖3-42所示為Cr12W鋼制挺桿工作面的拋丸花斑，這是拋丸前表面有水造成的，圖3-43所示為Cr12W鋼制挺桿工作面的剝落情況，是氧化后激冷所致。

圖3-39 氣門挺桿液體氮碳共滲工藝曲線

圖3-40 氣門挺桿氮碳共滲后的金相組織（×600）

圖3-41 Cr12W鋼制挺桿工作面的氮碳共滲腐蝕缺陷

圖3-42 Cr12W鋼制挺桿工作面的拋丸花斑

Cr12W鋼制挺桿氮碳共滲后開裂。鋼制氣門挺桿是采用Cr12W鋼制造的，其工藝流程為下料→加熱→熱擠壓→球化退火→車加工→磨加工→鉆孔→淬火→高溫回火→空冷→磨削加工→磁粉無損檢測→氮碳共滲→發藍處理→清洗→拋丸→防銹→磨外圓→研磨球窩→檢驗→刻字→包裝等，在成品檢驗時發現有部分挺桿出現端面裂紋，甚至為通裂，沿著出油孔開裂，如圖3-44與圖3-45所示。鋼制挺桿的熱處理要求為基體硬度≥43HRC，氮碳共滲層深度≥0.033mm，表面硬度在850HV0.2以上，脆性小于2級。

從挺桿裂紋的形態分析，其在氮碳共滲前進行磁粉無損檢測，由于Cr12W鋼為高合金鋼，回火后采用空冷，故排除了熱處理過程中出現裂紋的可能性，液體氮碳共滲處理的流程為串筐→清洗→預熱→氮碳共滲→發藍處理→清洗→拋丸→防銹。氮碳共滲后進行發藍處理，有效減小了內外溫差，避免因冷卻過于激烈而導致開裂，經過檢驗得知，圖3-45中裂紋處的白色物質為氮碳基鹽與氧化鹽，進行金相分析未發現裂紋處有氧化脫碳現象，也未發現有氮碳共滲層存在。

大部分挺桿開裂時是穿過出油孔的，表明此處流動性強，散熱快，冷卻十分激烈，而工作面底部的厚度比壁厚大得多，故內外熱應力大。挺桿發藍處理后的清洗水溫為40～80℃，采用的氮碳共滲工藝裝備如圖3-46所示，挺桿緊密排列在一起，從氧化爐提出后的挺桿表面溫度為300～350℃，停留一段時間后進行清洗，由于筐邊緣的挺桿溫度低，而筐心（中間)部分的挺桿仍會有較高的溫度，故在清洗時溫差較大，產生大的熱應力導致開裂。

針對此問題，可采取的措施為:發藍處理后的挺桿放置到室溫后清洗；提高生產率，改進氮碳共滲工藝裝備，采用可抽拉式的，將發藍處理后的挺桿網板取出空冷，可避免挺桿冷卻不當而產生的裂紋缺陷。

圖3-43 Cr12W鋼制挺桿工作面的剝落情況

圖3-44 Cr12W鋼制挺桿拋丸后的裂紋（毛坯）

圖3-45 Cr12W鋼制挺桿的端面裂紋（成品）

2)挺桿的磷化處理。挺桿的磷化處理是在某些酸性磷酸鹽為主的溶液中進行的，是使挺桿表面發生沉積，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組成的，形成有許多細小裂縫的多孔結構，可以使挺桿表面的耐磨性、減摩性和吸附性得到較好的改善。處理后磷化膜的厚度為1～50μm，基體的硬度和磁性等均保持不變。

圖3-46 挺桿氮碳共滲工藝裝備簡圖

磷化的工藝流程為:化學脫脂→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、細小，滿足挺桿表面耐磨性、耐蝕性等的要求，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，化學脫脂溶液的配方為氫氧化鈉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。然后使用8080清洗劑，所配體積分數為10％，溫度為30～60℃，時間為10～15min。酸洗采用18％～24％的鹽酸，溫度為50～70℃，時間為5～10min即可。

挺桿的磷化通常采用中溫磷化工藝，溫度為50～70℃，溶液中游離酸度與總酸度比值為1∶（10～15)，時間為5～15min。此時游離酸度比較穩定，具有時間短、生產率高、磷化膜穩定和耐蝕性高等特點，常用中溫磷化處理的溶液成分和工藝條件見表3-41。需要說明的是配方1～4為常用的磷化配方，配方5為合金鑄鐵耐磨防銹磷化工藝，配方6為高磷灰鑄鐵磷化配方，配方7為45鋼用配方，配方8為激光熱處理前的預磷化處理配方。

表3-41常用中溫磷化處理的溶液成分和工藝條件

（續)

磷化后的處理完全取決于產品的用途，通常磷化膜后處理溶液的成分及工藝條件見表3-42。

表3-42磷化膜后處理溶液的成分及工藝條件

挺桿磷化膜的質量檢驗分為外觀檢驗、耐蝕性檢驗和厚度與質量檢驗等幾項，外觀上應為連續、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。耐蝕性檢驗可用浸入法、點滴法等，浸入法是將磷化后的樣板浸入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，厚磷化膜、中等厚度磷化膜和薄磷化膜的時間分別為5min、2min和大于1min時，視為合格。厚度可用非磁性測厚儀檢驗，也可切片測磷化層厚度。質量測量是通過測量磷化膜剝離前后樣品的質量實現的（用于精密產品)。

5.熱處理工藝分析與操作要點

1)15Cr、20、20Cr等材料的挺桿滲碳過程與普通的滲碳無大的區別，其滲碳層的深度以試樣來進行間接檢測，不允許出現網狀或塊狀的碳化物、表面到內部滲碳層的濃度梯度過陡等情況，該類缺陷將造成熱處理后挺桿表面掉塊、耐磨性差等，導致使用壽命明顯降低。

2)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，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組織。

3)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)的熱處理淬火溫度為860～880℃，保溫時間的長短將對硬度有直接的影響，在鹽浴爐中的保溫時間超過15min時，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。熱處理檢查內容有硬度、石墨數量（體積分數<10％)以及碳化物的數量（體積分數>30％)。

4)挺桿火焰淬火時，應關注設備各部件、流量計及壓力表運轉是否正常，挺桿中心與火焰噴嘴的同軸度應小于1mm，端面與噴嘴的垂直度應小于1mm，噴嘴距離加熱表面的距離應為50mm左右，乙炔、氧氣的流量與壓力應符合工藝要求，淬火油溫應控制在40～80℃范圍。

5)挺桿的表面處理主要包括氮碳共滲和磷化，其中氮碳共滲多應用于高合金鋼和合金鑄鐵等材料，它們的回火溫度均高于氮碳共滲溫度，共滲層深度大多在0.03mm以上，硬度在850HV以上，質量缺陷多為表面粗糙度超差（腐蝕)、硬度低以及清潔度低等。

6)鋼制挺桿氮碳共滲后表面缺陷有腐蝕、花斑等，故應防止滲氮時間過長，應徹底滲氮鹽以及加強過程清洗等，避免表面存有殘鹽以及水痕跡等。

7)需要注意的是20鋼、25鋼挺桿的反擠壓過程中，如果未進行退火處理，毛坯硬度在121HBW以上，則容易引起擠壓時變形困難，將導致擠壓凸模斷裂。圖3-47所示為一支挺桿毛坯未進行退火處理，出現凸模斷裂的實物圖片。

圖3-47 20鋼反擠壓挺桿與擠壓凸模的斷裂圖片

a)凸模斷在擠壓挺桿中 b)凸模的斷口

8)挺桿熱處理質量檢驗。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3-43和表3-44。

表3-43滲碳鋼挺桿的熱處理質量檢驗

表3-44合金鑄鐵挺桿的熱處理質量檢驗

6.挺桿的熱處理、磷化缺陷分析與預防或補救措施

挺桿的熱處理時常見缺陷的產生原因和預防或補救措施見表3-45。挺桿磷化時常見缺陷的產生原因和預防或補救措施見表3-46。

表3-45挺桿熱處理時常見缺陷的產生原因和預防或補救措施

（續)

表3-46挺桿磷化時常見缺陷的產生原因和預防或補救措施

（續)

3.3.3推桿、搖臂和搖臂軸

1.內燃機推桿

（1)工作條件與技術要求 推桿是與挺桿有直接關系的零件，它由桿身、上端頭和下端頭組成，下端頭呈球狀，在裝配時與挺桿內的凹球面配合，上端頭呈凹坑狀，與搖臂上調整螺釘下端的球面相配合，因此推桿的作用是將凸輪軸經過挺桿傳來的推力傳給搖臂，是傳遞動力的關鍵部件，是氣門機構中最容易彎曲的零件，因此推桿的兩端面應具有高的硬度、剛度和良好的耐磨性，用鋼或硬鋁制作，鋼制推桿應經過淬火和磨光，以保證其有足夠的耐磨性。

（2)材料的選用和熱處理工藝 整體結構鋼制氣門推桿用45鋼，組合氣門推桿兩端頭材質為20鋼、45鋼，球頭和球面經滲碳淬火后硬度符合要求，45鋼滲碳層深度大于1mm，硬度≥58HRC，20鋼滲碳層深度大于0.8mm，硬度≥52HRC。為了減輕質量，常做成空心結構，但必須保證有足夠的剛度。

組合氣門推桿的頭部不允許松動，焊縫要牢固，要求表面無裂紋、飛邊、毛刺、銹蝕等。

2.汽車發動機的搖臂和搖臂軸

（1)搖臂 搖臂為一不等臂的杠桿件，也稱為雙杠桿，搖臂和搖臂軸如圖3-48所示，搖臂中間的圓孔用來裝搖臂軸。長臂端部與氣門的桿端接觸，短臂端部的螺孔用來安裝調整螺釘，搖臂孔內有潤滑油孔。搖臂的作用是把推桿經調整螺釘傳給它的力改變方向傳給氣門端部，使氣門打開進行工作。常采用鋼或球墨鑄鐵制造搖臂，為了提高圓弧的耐磨性，提高其使用壽命，通常在感應淬火處理后進行工作面的磨削，如果存在磨削參數不當或零件定位尺寸不準等因素，則時常會產生磨削裂紋，具體如圖3-49所示，在裂紋處可看到因磨削而造成的二次淬火的白亮層等。搖臂安裝在搖臂軸上。目前氣門搖臂的搖臂體采用鋁合金材料，搖臂頭部即搖臂鑲塊為合金材料，與傳統的鑄鋼搖臂相比，提高了剛度，又減輕了運動部分的質量，降低了慣性力，減少了磨損，故延長了使用壽命。

圖3-48 搖臂和搖臂軸

1—開口銷 2—彈簧圈3—墊片 4—搖臂 5—支座 6—調整螺釘 7—搖臂軸 8—彈簧

CA141汽車搖臂采用QT600-3球墨鑄鐵制造，熱處理的目的是提高工作表面的硬度，提高耐磨性等，熱處理后的抗拉強度≥600MPa，伸長率≥3％，淬硬層深度為1.2～2.5mm，淬硬層表面硬度≥53HRC，采用高頻感應淬火后淬硬層為馬氏體組織，然后進行低溫回火。

高頻感應淬火的工藝為:搖臂依次安裝在夾具上，用超音頻進行工作面的感應加熱，加熱完畢自動轉至淬火工位進行淬火，最后進行低溫回火（加熱溫度180±10℃，時間1h)，目的是消除應力與穩定組織。

搖臂在工作過程中，要克服氣門彈簧的預緊力，同時承受沖擊作用。一般搖臂與氣門桿部端面的失效形式為疲勞磨損。推薦的粉末冶金材料成分為w（C)＝2.0％～2.3％、w（Cr)＝11.9％～13.9％、w（Ni)＝3.13％～4.00％和w（Mo)＝1.40％～1.90％等。粉末冶金合金鑲塊采用壓力成形，然后經過真空燒結處理，隨后進行熱處理:1100～1120℃鹽浴爐加熱，保溫時間按10～13s/mm計算，在80℃以下的油中冷卻，硬度為51HRC以上；通常采用箱式或井式爐回火530℃×1h兩次，回火基體組織為回火馬氏體＋殘留奧氏體，顯微鏡下可以看到細小條狀和小塊狀碳化物均勻分布在基體上，硬度為50～62HRC。

（2)搖臂軸 汽車發動機搖臂軸及淬火區如圖3-50所示，采用中空的45鋼管制造，最佳碳質量分數為0.42％～0.47％，45鋼毛坯預先調質硬度為207～247HBW，有6處需要表面淬火處理，硬度為58～63HRC，硬化層深度為1～1.5mm。

圖3-49 搖臂磨削裂紋及附近區域的金相組織（×100）

圖3-50 汽車發動機搖臂軸及淬火區

45鋼屬于中碳鋼，如果要求采用整體淬火＋低溫回火處理，硬度為50～55HRC，則采用的熱處理工藝為820～850℃×7～8min（中溫鹽浴爐)，淬火冷卻介質為20℃以下的10％的氯化鈉水溶液，200～240℃×60～90min（硝鹽浴中)回火。

3.3.4曲軸鏈輪和鏈條

1.工作條件和技術要求

曲軸鏈輪和鏈條為動力傳動機構，要求其自重輕、阻力小、安全性高。鏈輪的運轉速度快，變換頻繁，因此所受沖擊力大，同時要承受彎曲應力、表面接觸應力等作用，應具有高的硬度和耐磨性。鏈條由外鏈板、中間鏈板、內鏈板、銷軸、襯套和滾子組成，其中鏈板要承受交變的法向拉應力和彎曲應力的作用，并承受多次的沖擊載荷等，而滾子在鏈傳動時，也承受很大的交變擠壓力和多次沖擊力的作用，另外銷軸同樣要承受周期性的沖擊彎曲載荷。鏈條的失效的形式為碎裂、過載損壞、磨損和疲勞（或脆性)斷裂等。

2.材料的選用

根據鏈條的工作特點，要求其表面具有良好的韌性和足夠的耐磨性來保證其具有高的使用壽命，同時又必須具有足夠的強度，通常鏈條零件如鏈板（片)、銷軸、滾子和襯套等采用低碳鋼經碳氮共滲處理或采用低碳合金鋼進行低碳馬氏體處理，也可用中碳優質低合金鋼進行淬火、中溫回火處理。

鏈板材 料 選 用35 CrMo、42 CrMo、40 Cr、30 CrNi3等；滾子的材料為20 CrMo；銷軸材料為20 CrMnMo、20 Cr2 Ni4等。這些材料經過熱處理或化學熱處理后能獲得要求的力學性能，滿足工作需要，并確保具有高的使用壽命。

3.鏈條零件的熱處理

（1)鏈板（片)的熱處理 鏈板（片)材料為中碳合金鋼35CrMo、42CrMo、40Cr、40Mn、30CrNi3和低碳鋼27SiMn、20Mn2，低碳鋼經淬火后獲得低碳馬氏體，其淬火工藝如圖3-51所示，35CrMo、42CrMo、40Cr、40Mn、30CrNi3中碳合金鋼制鏈板的熱處理工藝如圖3-52所示。

圖3-51 27SiMn、20Mn2鏈板的熱處理工藝

圖3-52 中碳合金鋼等鏈板的熱處理工藝

40Mn鏈片處理后的硬度為35～45HRC。而35CrMo的熱處理硬度為42～47HRC，42CrMo硬度為38～45HRC。

（2)銷軸、滾子和襯套的熱處理 部分低碳鋼曲軸鏈條零件銷軸、滾子和襯套碳氮共滲熱處理的技術要求見表3-47。

表3-47部分低碳鋼曲軸鏈條零件銷軸、滾子和襯套碳氮共滲熱處理的技術要求

用20CrMo鋼制作的滾子淬火后獲得低碳馬氏體組織，經180～220℃回火后，明顯提高了使用壽命。銷軸用材料和熱處理后的技術要求見表3-48。

表3-48銷軸用材料和熱處理后的技術要求

通過分析鏈條的工作狀況可知，這些零件既要有良好的耐磨性，又要具有一定的強度和韌性，因此選用低碳鋼進行滲碳或碳氮共滲處理，最后低溫回火，這樣表面可獲得高的硬度，而零件心部硬度低，以滿足其工作需要，避免在運動過程中出現斷裂的現象。

曲軸鏈條的銷軸、滾子和襯套的氣體碳氮共滲工藝如圖3-53所示。

圖3-53 曲軸鏈條的銷軸、滾子和襯套的氣體碳氮共滲工藝

通常選用網帶式碳氮共滲爐或滾筒式滲碳爐，零件的碳氮共滲采用滴注方式，滲劑主要有煤油和甲醇，其中甲醇為稀釋劑。資料介紹，采用RX氣體進行碳氮共滲效果更好。

為了提高鏈板、滾子和銷軸的壽命，必須進行噴丸強化處理，處理后可明顯提高零件的疲勞抗力和多沖抗力。