3.2气门组零件的热处理
3.2.1气门
1.工作条件和技术要求
气门是在内燃机工作过程中密封燃烧室和控制内燃机气体交换的精密零件，是保证内燃机动力性能、可靠性和耐久性的关键部件。气门在工作过程中阀口锥面与气缸盖相互接触，气门杆端与摇臂之间发生剧烈的摩擦作用、受到高温气体的冲刷和腐蚀，因此进气门主要承受反复冲击的机械载荷，其工作温度在300～400℃，而排气门除承受冲击的机械载荷外，还受到高温氧化性气体的腐蚀以及热应力、锥面热箍应力和燃烧时气体压力等的共同作用，排气门的工作温度为600～850℃，因此在运动过程中气门要承受冲击载荷和燃烧废气的腐蚀等作用，工作条件恶劣。资料介绍，采用气门旋转运动，可在密封锥面上产生轻微的摩擦力，同时还有消除沉积物的自洁作用。发动机速度上升，气门机构的惯性力增大，超过了气门弹簧的张力，从而引起气门的跳动，打乱了气门的调节时间，使充气效率下降，降低了发动机的力学性能。分析气门的工作状态可知气门的下列特性:所受的最高温度在盘部的中心或圆弧与杆部的交接处，因此要求气门有高的热强性和良好的耐蚀性；锥面经受热腐蚀、热疲劳、热磨损的作用，应具有良好的综合力学性能；气门杆部和杆端面与气门导管、摇臂接触，为重要的磨损区，要求有良好的减摩性和耐磨性。
2.气门材料的选用
根据气门的工作环境和技术要求，所采用的材料必须具备足够的高温强度和耐磨性、良好的抗氧化性和抗燃气腐蚀性、较高的热导率和较低的膨胀系数等，同时具备优良的冷热加工性和焊接性等。材料的选择应按工作环境、介质和耐久性等几个方面进行综合考虑，气门材料具有高的高温性能，在冷热变化的情况下其组织稳定，并有一定的抗氧化性、抗燃气腐蚀性和抗冲击性，能够抵抗动应力的作用，热加工易于成形，切削加工性好。国家标准推荐的气门材料如下:低合金结构钢如40Cr、45Mn2；马氏体耐热钢如42Cr9Si2、40Cr10Si2Mo、45Cr9Si2、90Cr18MoV、80Cr20Si2Ni、45Cr9Si3；奥氏体耐热钢如45Cr14Ni14W2Mo、20Cr21Ni12N（简称21-12N)、53Cr21Mn8Ni2N（简称21-2N)、30Cr23Ni8Mn3N（简称23-8N)、53Cr21Mn9Ni4N（简称21-4N)、53Cr21Mn9Ni4NbW2N（简称21-4N＋WNb)、60Cr21Mn10MoVNbN；高温合金GH145（NiCr20TiAl)等。常用气门用钢的原材料硬度见表3-1。气门用钢应具备的力学性能见表3-2。
表3-1常用气门用钢的原材料硬度
表3-2气门用钢应具备的力学性能
进气门材料可选用40Cr、45Mn2，其在气缸内的工作温度为300℃左右，该材料经过调质处理后硬度为30～40HRC，因此完全可满足进气门的技术要求；而排气门由于气体的压缩和转速的增大，其要承受800℃左右的高温作用，需采用性能更加稳定的马氏体型耐热钢、奥氏体型耐热钢与高温合金等。
日本所使用的气门材料通常有马氏体型耐热钢（或称为耐热铁素体钢)和奥氏体型耐热钢两类，前者经过调质处理（淬火＋高温回火)后硬度为25～33HRC，后者进行固溶＋时效处理，硬度在30～38HRC范围内，比我国气门硬度低3～5HRC。这与日本制造气门材料的冶炼方法、化学成分以及杂质含量低有关。
3.气门制造工艺流程
气门的制造流程为将棒料加热压制成形，经过热处理后对气门杆部和气门锥面进行机械加工。气门加工工艺路线是根据设计图样和技术要求、生产纲领和产量、目前的生产条件、加工水平等几个方面来确定的，安排气门的热处理工序时主要考虑两点:一是方法适当，即根据不同材料热处理目的的不同，科学选择热处理工艺方法；二是在机械加工的过程中合理和及时安排热处理工序，特别注意冷热工艺的协调。还要进行必要的经济技术分析，选择一条技术先进、质量可靠、成本较低的合理的工艺路线，将气门的热处理安排在最合理的位置，在工艺流程中应从以下几个方面考虑。
1)热处理工序和机械加工工序安排要合理。气门的调质处理一般应安排在进行机械加工前；阀口堆焊合金的气门的热处理，要考虑堆焊前进行退火处理，目的是为车堆焊槽做准备；渗氮气门在粗加工后要安排去应力退火工艺，以确保渗氮过程中变形小，尺寸符合图样的技术要求；气门杆部端面的高频感应淬火或锥面淬火只能布置在机械加工过程后面。
2)采用先进的热处理设备和技术，不断优化和简化热处理工艺。整体气门或气门杆的调质处理采用连续式可控气氛炉，可确保气门的产品质量和生产率，同时也改善了作业环境。连续式可控气氛炉将气门的淬火和回火合二为一，改变了过去周期性作业炉热效率低、生产周期长、劳动强度高、工艺装备消耗量大、维修频繁等缺点。对于固溶气门，淘汰传统的高温箱式炉，而采用盐浴炉、可控气氛炉或燃气固溶炉加热，避免了气门表面的氧化和脱碳现象的发生，又提高了生产率和确保了产品质量，因此先进的设备和工艺技术是热处理水平提高的基础和核心所在。
3)缩短生产周期和减少变形。气门作为细长的轴类零件，加上头部特殊的结构，在热处理过程中如何减少变形量和缩短工艺时间，成为热处理工作者的首要任务。事实表明采用垂直吊挂的加热方式，比气门平放加热的变形小，前者仅为后者的1/2。同时对马氏体耐热钢气门采取盐浴炉预热和加热相结合的方式，比井式高温炉加热的时间减少4/5，缩短了工艺时间，减少了气门杆部和头部的变形，经济效益十分明显。
4)采用表面处理技术，提高气门的力学性能和使用寿命。气门长期在高温、高压和腐蚀性气体的环境下工作，同时要承受冲击、磨损的反复作用，因此为了确保气门杆部满足工作需要，通常采用表面镀铬或氮碳共渗处理，提高表面的耐蚀性、耐磨性和疲劳强度，实践证明，采用该类技术可明显提高气门的使用寿命。一般该工序安排在气门的精加工过程中，此时的杆部直径接近成品要求，应当注意控制气门的杆部膨胀量至关重要，要进行表面处理前工艺的验证工作，选择最佳的工艺参数。
气门按加工方式的不同，可分为头杆焊气门、杆杆焊气门和整体气门，另外有堆焊合金气门、中空充钠气门等，不同类型气门的整个加工过程也略有区别，其中气门表面处理的方法有氮碳共渗和镀铬两种。
4.气门的热处理工艺
对气门热处理的基本要求是表面的含碳量始终保持原来的水平，即不脱碳和无氧化。为了实现上述要求，气门的淬火（或固溶)和回火（或时效)应在可控气氛炉或盐浴炉内进行。国外发动机马氏体钢和合金结构钢气门调质或淬火热处理设备如图3-5所示，发动机气门连续热处理炉系统的工作示意图如图3-6所示。
图3-5 国外发动机马氏体钢和合金结构钢气门调质或淬火热处理设备
a)连续热处理炉 b)多用炉
（1)淬火与回火（调质处理)对低合金结构钢和马氏体型耐热钢制造的整体气门，热处理的方式为调质处理（淬火＋高温回火)以得到回火索氏体组织，基体硬度为28～40HRC。热处理工艺流程为:淬火→一次回火→抛丸→校直→二次回火→二次抛丸→校直，其热处理工艺规范如图3-7所示。
目前国内外气门生产厂家正在努力寻找气门热处理专用设备，来改变笨重、粗放的处理方法，网带式可控气氛中、高温加热炉的各项技术指标已经基本达到了处理气门的要求。图3-8所示为目前国内网带炉热处理生产线（淬火＋回火)，其由上料、前清洗、加热冷却、后清洗、加热回火、水冷等工序组成，实现了机械化与半自动化作业，并通过氧探头进行炉内碳势的控制，热处理产品质量稳定，生产率高。
图3-6 发动机气门连续热处理炉系统的工作示意图
1—装料空间 2—淬火炉 3—油槽 4—除气机 5—干燥器 6—回火炉 7—卸料处 8—液压系统
图3-7 气门盐浴炉热处理工艺规范
a)低合金结构钢 b)马氏体型耐热钢
另外个别气门厂采用深井式高温电阻炉处理马氏体型耐热钢效果良好，但需要通保护性气体，以防止气门的氧化和脱碳，氮气的纯度必须高于98％。图3-9所示为气门在高温井式炉内加热时气门杆部氧化实例，图3-10所示为气门加热淬火时，工艺装备与淬火槽碰撞造成气门杆部弯曲的情况。由于深井式高温电阻炉出炉时降温幅度大和加热速度慢，也没有办法进行预热，因此保温时间长于盐浴炉加热的时间。
图3-8 目前国内网带炉热处理生产线（淬火+回火）
图3-9 马氏体型耐热钢气门杆部加热氧化腐蚀（在氮气纯度为85％的高温井式炉中加热)
图3-10 马氏体型耐热钢气门杆部热处理后弯曲
气门的回火在低温井式炉中进行，保温结束后要水冷，原因是42Cr9Si2、40Cr10Si2Mo等马氏体型耐热钢在450～700℃范围内有二次回火脆性，因此必须用水快速冷却，水温要低于80℃。常见马氏体型耐热钢气门的热处理工艺规范见表3-3。
（2)固溶与时效（或仅时效)整体（或大头)奥氏体型耐热钢的热处理方式为固溶＋时效处理或仅时效处理，一般晶粒度控制在4～10级，其在700℃以下具有良好的强度、硬度和较好的耐蚀性。该类材料加热温度低于980℃时，表面易形成裂纹；当温度超过1200℃时，又会因大量M7C3的薄片沉淀在晶界而出现裂纹。图3-11与图3-12所示分别为固溶处理采用高温燃气炉与高温盐浴炉的实体照片，前者的效率是后者的8～10倍，成本降低了80％，是理想的气门固溶加热设备。
表3-3常见马氏体型耐热钢气门的热处理工艺规范
图3-11 高温燃气固溶炉
图3-12 高温盐浴固溶炉
时效处理后的气门平面硬度为23～38HRC，层状析出物的体积分数≤15％。气门盐浴炉加热固溶、井式炉时效的工艺规范如图3-13所示。
固溶的目的是将合金元素充分溶入固溶体中，快速冷却以抑制合金的析出，获得强化的固溶体，其沉淀相为M23C6，水冷后形成单一的饱和奥氏体，得到适宜的晶粒度。而时效则使溶质原子在固溶体点阵的一定区域内析出弥散的强化相或组成第二相（碳化物金属间化合物)，获得弥散分布的碳化物，提高基体的强度。另外在1180～1200℃温度下，可有效消除锻造裂纹。固溶温度越高，其效果越好，晶界沉淀相的数量和尺寸随温度的变化而变化。
图3-13 气门盐浴炉加热固溶、井式炉时效的工艺规范
时效的特征为析出的强化相的体积分数≤15％，强化相尺寸小、分布均匀，基体固溶体稳定。时效的前提是固溶度随温度的提高而变化，合金化存在双相区；有高的热强性，最高温度决定了析出极限温度；析出物弥散、均匀地分布在基体上，在高温下长期使用时具有高的、稳定的晶界强化作用。时效不仅可以消除加工应力，而且可提高基体的强度、硬度和韧性等，在热处理过程中，温度过高会产生层状析出物，析出物为Cr23C6和少量CrN。事实上温度过高将造成气门的室温韧性、疲劳强度和耐蚀性降低，因此要严格控制时效温度。图3-14～图3-18所示为固溶处理的异常缺陷，图3-19所示为层状析出物超标的情况。
常见气门用奥氏体型耐热钢的热处理工艺规范见表3-4。
制造排气门常用的奥氏体型耐热钢为53Cr21Mn9Ni4N（简称21-4N)，采用不同热处理工艺方法处理后的组织与性能的比较见表3-5。可以看出只有经过固溶处理才能发挥出钢的特性。
图3-14 盐浴固溶+时效圆弧表面的盐腐蚀
图3-15 燃气炉内气门圆弧被烧蚀
图3-16 燃气炉内气门的杆部被烧蚀（凹坑）
图3-17 耐热钢固溶黑心（100×）
图3-18 21-4N+WNb耐热钢固溶过烧组织（100×）
图3-19 6Cr21Mn10MoVNbN耐热钢时效析出超标（质量分数≥25%，100×）
表3-4常见气门用奥氏体型耐热钢的热处理工艺规范
表3-521-4N钢采用不同热处理工艺方法处理后的组织与性能的比较
（续)
（3)气门的杆端淬火与锥面淬火 进、排气门作为大批量生产的汽车配件，马氏体型耐热钢气门杆端面要进行感应淬火处理。热处理后气门杆部的硬度为30～40HRC，而杆端面在工作过程中要与摇臂接触产生摩擦和碰撞，因此要求气门端面的硬度高、耐磨性好，这样才能满足发动机工作的需要。高频感应淬火的硬化层厚度为2～4mm或淬透，硬度≥50HRC。这里需引起重视的是淬火的热影响区不允许出现在锁夹槽内，另外对于杆端面和锁夹槽需要表面淬火或淬透的气门，硬度的分布、长度等要符合工艺的规定。气门杆端部高频感应淬火工艺参数见表3-6。
表3-6气门杆端部高频感应淬火工艺参数
1)进行气门杆部高频感应淬火时，常采用以下四种感应淬火技术。
①夹缝式感应淬火技术。该技术感应器的两条有效导线平行布置，也可呈不同半径的弧形线布置，导线中间的间隙为10～20mm，以满足气门杆部淬火的需要。夹缝式感应器及气门位置如图3-20所示。
该感应器两端翘起的目的是有利于气门的进入和移出，加上圆环和邻近电磁效应的叠加，其加热效率高。从图3-20中可知气门端面的中心升温很慢，而杆端边缘迅速升温，依靠边缘的热量来提高端面中心的加热温度，该感应器制作简单、方便，故该淬火方法多用于直径细小的气门的端面淬火。
该方法的不足是难以消除端面周边和心部的温差，金相组织粗大，易发生淬火开裂，淬火边缘硬度在56HRC以上，而心部为40HRC左右。
②添加导磁体感应淬火技术。图3-21所示为该类感应器，它是一种加导磁体的平面感应器，实际上是在10mm×10mm×1～1.5mm的纯铜管壁上捆绑铁氧导磁体，利用其槽口效应将高频电流驱逐到感应器的工作表面上，从而提高加热的效率。该感应器加热效果好，硬化层分布平直、小头端面硬度分布均匀，其缺点为要在导磁体上加上冷却装置，制作、安装和密封均比较困难。
图3-20 夹缝式感应器及气门位置
图3-21 添加导磁体的杆端面淬火感应器
③串联回路式感应淬火技术。串联回路式端面淬火感应器如图3-22所示，前两个圈用于预热，最后的为加热圈。从图中可知每个回路有两个电流相同的导线，因此内部能够形成强大的合成磁场，而杆部端面处于磁场最强的位置，故此处加热迅速且均匀，气门杆部端面加热结束后空冷或浸油冷却。该加热方法应用比较广泛。
④自身驱流式感应淬火技术。自身驱流式感应器的结构和电流走向如图3-23所示，中间两根直导线上的高频电流的流向是相同的，其利用了同向电流相互排斥的邻近效应，将有效导线上通过的高频电流排斥到工作表面上，因此加热迅速，提高了生产率。图3-24所示为气门杆部高频感应淬火时，杆部与感应器接触打火击伤的缺陷图片。
四种气门杆部端面感应淬火技术的效果见表3-7。
图3-22 串联回路式端面淬火感应器
图3-23 自身驱流式感应器结构和电流走向
图3-24 气门杆部高频感应淬火电击伤
表3-7四种气门杆部端面感应淬火技术的效果
2)进行气门锥面淬火是为了满足耐磨性的要求。气门阀口或锥面与气门底座要进行反复贴合，表面要具有高的硬度和良好的耐磨性，因此应对锥面进行高频感应淬火，来满足气门头部的技术要求以确保有高的使用寿命等，通常淬火后硬度在50HRC以上。为稳定组织、减小内应力，淬火后应立即进行低温回火处理。EW10气门锥面高频感应淬火工艺规范见表3-8。
表3-8EW10气门锥面高频感应淬火工艺规范
（4)气门的表面处理 气门在发动机内工作时要求其能耐高温和抗燃烧气体腐蚀，气门杆部进行高速的上下运动，因此表面的质量状况直接影响到使用寿命。为了提高气门杆部的耐磨性和抗咬合性，需对气门进行表面处理，通常有氮碳共渗和镀铬两种方法。
1)气门的氮碳共渗。发动机内进、排气门的工作条件十分苛刻，且它们是密封燃烧室和控制发动机气体交换的精密零件。气门的高速运动和频繁开启，除了产生机械疲劳外，气门的盘部还会产生热疲劳。燃烧中的有害物质会对气门产生高温腐蚀和氧化腐蚀，造成气门阀口（锥面)表面出现麻点和沟槽，严重的会造成气缸漏气。
气门氮碳共渗的目的为提高气门杆部的硬度，使其在干摩擦的条件下具有抗擦伤和抗咬合性能，具有耐磨性和抗氧化性。
气门氮碳共渗的质量要求如下:氮碳共渗层深度为0.010～0.060mm；表面硬度不小于600HV0.2，脆性小于2级，渗氮层疏松，渗氮物为1～3级；杆部的变形量或膨胀量≤0.005mm；杆部、小头端面的表面粗糙度Ra值在0.5μm以下；外观为均匀一致的黑色，无锈蚀、杆部花斑、表面划伤或磕碰伤、表面腐蚀和表面掉色等，不得出现影响产品质量的外观缺陷。
氮碳共渗的工艺流程为:浸泡→漂洗→喷淋→预热→氮碳共渗→发蓝处理→冷却→清洗→光饰或抛丸→煮油。气门液体氮碳共渗工艺曲线如图3-25所示。其中的三个关键工序为:预热、氮碳共渗和发蓝处理。
图3-25 气门液体氮碳共渗工艺曲线
氮碳共渗后的气门表面清理方法有抛丸与光饰两种。常采用的吊钩式抛丸机的外形如图3-26所示。光饰（研磨)是将气门放入光饰（研磨)机中的使气门与磨料一起振动旋转，常用磨料为棕钢玉（四棱柱)，也可用其他磨料，加水可冲去磨掉的气门表面的氧化盐和黑灰等，但清理效果差、容易生锈、磕碰伤较多等。目前国外常用的连续式自动研磨机如图3-27所示。
图3-26 吊钩式抛丸机
图3-27 连续式自动研磨机
采用国产TJ-2氮碳共渗基盐处理的气门的各项技术指标见表3-9。
表3-9采用国产TJ-2氮碳共渗基盐处理的气门的各项技术指标
由表中数据可知，液体氮碳共渗的渗层厚度、硬度均大于或高于气体氮碳共渗，变形量很小，渗层组织符合工艺要求。
2)杆部镀铬。气门在高温的腐蚀性气体中，要承受气体反复冲刷的作用，镀铬后气门杆部具有摩擦因数小、润滑耐磨性好、表面硬度高、耐蚀性好等特点，硬度在1000HV以上，表面粗糙度Ra值在0.4以下。
杆部镀铬的技术要求为:铬层的厚度为0.005～0.030mm，测量时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；铬层与基体的附着强度符合要求，其衡量标准是杆部在专用夹具上的弯曲角度符合要求，气门杆部无折断，要求变形区的硬铬镀层厚度为8～10μm，用放大镜观察不允许有脆性剥落，但允许有裂纹存在。
气门镀硬铬的工艺流程为:镀前磨削加工→表面超精加工（Ra0.4μm)→精密尺寸镀铬→镀后抛光。其中镀铬工艺为清洗→镀铬（电流25～35A/支，时间为3～5min，加热温度为60～70℃)→反镀（反向溶解铬层，时间为0.7s)→清洗。
在气门镀铬过程中，只对合金结构钢和马氏体型耐热钢气门的杆部进行镀铬，马氏体型耐热钢不进行阴极反镀，以避免杆部表面出现褐色及反应物影响铬层与基体的结合力。
气门镀铬时首先要对其表面进行认真清洗，既可使用有机溶剂也可化学脱脂，清洗彻底的标准是气门杆部无油污和粘附的杂物等，表面光洁；其次进行浸蚀处理，目的是活化金属基体；再次进行镀铬处理，获得理想的硬度和渗层；最后的工序是除氢，以降低杆部的脆性等。电离除油的工艺条件为:碳酸钠30～45 g/L，磷酸钠1.5～3 g/L，氢氧化钠7.5～10 g/L，温度90～95℃，电流密度3～5A/dm2。
镀前浸蚀处理是十分重要的工序，实际上是阴极腐蚀的过程。常见气门镀铬前的浸蚀处理工艺条件见表3-10。根据实际情况可选择相应的配方。
表3-10常见气门镀铬前的浸蚀处理工艺条件
镀铬前的活化处理配方见表3-11。
表3-11气门镀铬前的活化处理工艺条件
气门电解镀铬（或称为镀硬铬)时采用普通的镀铬溶液、可溶性的氟化物与硫酸混合，同时加入催化剂。镀铬的常用工艺条件为:铬酐（CrO3)250～280g/L；硫酸（H2SO4)2.5～2.8g/L；电解液温度50～55℃；电流密度40～50A/dm2。
气门镀铬电解液的一般成分组成和工艺条件列于表3-12中供参考。
表3-12气门镀铬电解液的一般成分组成和工艺条件
为了保证气门杆部镀层的质量符合要求，气门需预热到一定的温度，以防止基体金属受热膨胀而产生表皮剥落等，预热在镀铬槽中进行。为防止气门腐蚀，采用冲击电流，此时电流密度为80～120A/dm2，时间为1～3min。资料报道铬酐（CrO3)与硫酸H2SO4的比例（质量比)在100∶1～60∶1之间，温度为58～60℃，催化剂的质量分数在110％以上，有利于得到理想的镀铬层。
气门镀硬铬处理后，应进行除氢处理，具体工艺为200～250℃×2h，用来消除或降低因析氢而导致的镀层的氢脆，气门镀铬后表面镀层厚度为10μm左右，该镀层具有很高的硬度和好的耐磨性，汽车发动机上的气门要在高速运动的状态下工作，必须具备以上两特点。
5.热处理工艺分析与操作要点
（1)常规热处理
1)气门在工作过程中，应在600～800℃范围内具有较好的尺寸稳定性、良好的强度和硬度等，马氏体型耐热钢的淬火加热温度为980～1050℃，温度低于980℃碳化物溶解不充分，硬度低，力学性能差；高于1050℃则溶解于奥氏体的碳化物过多，奥氏体晶粒粗大，其抗拉强度等降低，一般加热温度为1030～1050℃，需要注意的是，对于高碳90Cr18MoV钢应采用1060～1080℃的加热温度。
奥氏体型耐热钢的固溶处理分为半固溶处理和全固溶处理，随后进行时效处理。处理方法应依据气门的具体服役条件来确定，其热处理后的具体技术指标有晶粒度、硬度和析出量等，在固溶过程中应当确保晶粒均匀一致，在热处理工艺参数合理的前提下，出现晶粒度散差大、心部有未打开的“黑心”等情况时，则应考虑材料本身的问题。
2)奥氏体型耐热钢时效后的析出物数量超标问题，多与固溶温度高或保温时间长、固溶冷却速度慢、时效温度高或时间长、钢中氮元素的含量不合理等有关。析出在晶界上的化合物主要有M23C6和CrN，这将降低气门的韧性和疲劳强度，且耐蚀性差，直接影响到气门的使用寿命。因此应严格执行工艺参数，对于6Cr21Mn10MoVNbN而言，时效温度应低于720℃，否则析出物的体积分数将在20％以上。
3)马氏体型耐热钢含有较多的合金元素，具有二次回火脆性，因此回火后应进行快速冷却处理。气门热处理后表面存在较多的氧化皮或残盐等，故需要进行喷丸或抛丸处理，随后进行气门的杆部和大头端面或盘锥面的校直，目前多采用先机械校直、后手工挑选（校直)的方式，个别气门厂家采用气门校直自动分选机，班产6000支，可以进行气门杆部、盘锥面或盘部端面的检测，大大提高了生产率，降低了工人的劳动强度，图3-28所示为一台日本制造的气门校直自动分选机，具有故障率低、自动化程度高等特点，是代替手动检测的发展方向，具有十分广阔的市场前景。
图3-28 气门校直自动分选机
（2)氮碳共渗
1)盐浴氮碳共渗炉应分阶段升温，通常在520℃保温1h后再将温度升高到560～580℃，并保温一定的时间。为防止内部的盐浴熔液膨胀冲破表面硬壳伤人，根据安全需要应在炉口扣上罩子。
2)氧化盐的主要成分为氢氧化物，具有强烈的腐蚀性，操作者要穿戴齐全劳保用品，工件进入氧化炉后渗氮盐与氧化盐反应，有大量的泡沫出现，泡沫的多少完全取决于浸渍工件的表面积和氧化槽的温度，氧化工作温度为350～370℃。对于放置时间较长的氧化盐，在使用前应将炉温升到400℃，待表面停止反应1h后，才能处理工件。
3)渗氮炉工作完毕后取出通气管，10min后用捞渣勺从三个部位彻底捞渣，然后加入TJ-2基盐，到温后用莫尔法检测盐浴成分。根据检测结果添加Z-1再生盐时，应盖上铁板防止反应的气体逸出管道，每次加0.1～0.2kg，待反应完毕后再加0.1～0.2kg，直到规定的数量，这样可防止再生盐的挥发。一般100kg基盐加入1kg再生盐可将CNO－质量分数提高1％左右。
4)渗氮炉每班捞渣，渣的多少不仅取决于工件的数量、钢材和表面积的大小以及夹具的形状和大小，而且与细小的加工铁屑或磨料、捆扎用铁丝生成氧化铁或微细的铁屑以及再次使用的设备、夹具剥落的渗氮剂层与工件一起被带入到盐浴中有关，这些物质以细小悬浮物的形式沉积在工件上或沉积在渗氮罐的罐壁或底部，必须从盐浴中去除，此时盐浴的污染程度决定于炉内沉积物的多少，杂物的排除可用人工方法，也可借助于盐过滤系统，以确保渗氮效果，并补充新氮碳共渗基盐。
5)对于氮碳共渗气门而言，校直后和机械加工后的去应力退火温度应控制在590～620℃范围内，事实证明该温度可消除85％以上的内应力，可确保氮碳共渗后气门杆部直线度在0.005mm以内，这一点在氮碳共渗后的气门抛丸工序上有显著的表现。
（3)杆部镀铬
1)气门杆部镀铬前的表面粗糙度对表面状态的影响较大，表面粗糙度值大的表面存在凹凸不平的区域，此处会存积水和腐蚀性物质等，在高温腐蚀性气体的作用下，对凹坑的侵蚀将加剧表面的腐蚀；铬在杆部表面沉积的多少与原始表面状况有直接的关系，镀铬后表面粗糙度值增大；镀铬后对杆部用纸质或布质砂轮进行少量的抛光，目的是去掉高点铬层，进一步提高气门杆部的表面质量，使其具备要求的性能。由此看来表面粗糙度高会对气门表面耐磨性和耐蚀性产生不良影响，考虑到气门的技术要求和经济性，通常杆部表面粗糙度Ra值控制在0.4μm以下。
2)在镀硬铬时加入专用的催化剂来提高电流密度、沉积速度，同时也相应提高了镀铬层的物理性能。气门制造厂采用成熟的HEEF-25硬镀工艺，用该工艺处理后镀层裂纹细而密，达到400～1000条/cm，微裂纹能够松弛镀层中的应力，产生的高密度微裂纹比较细短，因此造成腐蚀电流的分散，使腐蚀的速度大大降低，起到很好的保护作用。影响微裂纹的因素有电流密度、温度、铬酐浓度、硫酸的含量和铁杂质的含量等，其中前两项是关键参数，应加以控制。
3)镀铬后气门杆部开始形成的微裂纹被沉积的铬层覆盖，实践证明耐蚀性随铬层厚度的增加而增强。杆部的抛光至关重要，不抛光的耐蚀性差（在中性盐雾中48h，2～5级)，而抛光后表面粗糙度明显改善，性能优良。采用氧化铬抛光粉，封住或减小镀层中的孔隙或裂纹，因此耐蚀性增强，采用不同类型的抛光轮（如砂轮、布砂轮或纸砂轮等)对气门杆部抛光，既可保证渗层厚度均匀，又提高了表面质量。
（4)气门的质量检验 气门的热处理质量检验项目见表3-13。
表3-13气门的热处理质量检验项目
（续)
6.进、排气门的热处理，液体氮碳共渗以及杆部镀铬缺陷分析与预防、补救措施
1)常见进、排气门的热处理缺陷原因分析与预防、补救措施见表3-14。关于气门的裂纹多采用超声波探伤，可对摩擦焊中出现的裂纹、未焊透部分、非金属夹杂物以及堆焊层质量进行全面检查，现在涡流检测也用于气门的探伤处理，其应用范围更广。
表3-14常见进、排气门的热处理缺陷原因分析与预防、补救措施
（续)
2)常见气门液体氮碳共渗缺陷原因分析与预防、补救措施见表3-15。
表3-15常见气门液体氮碳共渗缺陷原因分析与预防、补救措施
（续)
3)在电镀过程中，由于操作不当或成分、温度等发生变化，将会对气门表面的镀铬层产生一定的危害，直接影响产品的外观和内在质量，因此要严格执行镀铬工艺。常见气门杆部镀铬缺陷原因分析及预防、补救措施见表3-16。
表3-16常见气门杆部镀铬缺陷原因分析及预防、补救措施
（续)
7.气门的热处理缺陷对产品安全性的影响
气门的热处理应包括两个方面:其一为整体热处理，即对奥氏体型耐热钢气门或大头进行固溶＋时效处理或直接进行时效处理，对马氏体型耐热钢气门进行调质处理，以获得要求的硬度和组织，确保气门的内在质量；其二为为提高气门杆部端面耐磨性而进行的高频感应淬火。在具体操作过程中操作不当、工艺本身的缺陷、设备故障、工艺装备不完善等均会造成质量缺陷，严重的将危及汽车及人身安全，因此绝不可掉以轻心，应认识缺陷产生的原因，找出科学合理的解决措施。气门的热处理检查项目一般有晶粒度、硬度和显微组织，硬度是质量比较直接的反映，易于检查，而其他两项需要通过显微镜观察，因此气门的热处理缺陷检查必须查看金相组织，只有这样才能确保气门的热处理质量。气门的热处理缺陷对产品安全性的影响见表3-17。
表3-17气门的热处理缺陷对产品安全性的影响
3.2.2气门导管
气门导管一般由灰铸铁、球墨铸铁或铁基粉末冶金材料制造，导管的内、外圆柱面具有较高的精度和表面质量，镶入气缸盖或气缸体的导管孔中。气门杆与气门导管之间应留有0.05～0.12mm的间隙，见表3-18，以确保气门杆能在导管内自由运动。事实上气门与气门导管的间隙与材料、长度、弯曲程度、磨损等有关，应根据情况确定。
表3-18气门杆与气门导管之间的间隙值
3.2.3气门座（镶块式铸造气门座)
1.气门座的工作条件与技术要求
气门座是气门头部的支承面，它与气门头配合对气缸起到密封的作用，为加速配合处使用初期的磨合，提高其密封性，气门座锥角应比气门锥角大0.5°～1°。由于气门座在高温下磨损严重，因此采用合金钢等耐磨性好、质量轻的材料制成，要求其锥面的硬度高、尺寸稳定性好，起到密封气门和冷却气门头部的作用。气门座失效的主要形式为烧蚀和磨损。
2.材料的选用
根据气门座的工作环境，不少发动机的气门座使用球墨铸铁、合金铸铁或耐热合金钢单独制造，常使用的材料介绍如下。
（1)球墨铸铁QZ1、QZ2、QZ3材料
1)石墨的形态和分布。1～4级为合格，分散度越大分布越均匀。
2)合金碳化物的分布和数量。要求合金碳化物呈断续网孔状或较小的块状，且分散分布，块体大小适中，不允许有严重的枝晶和偏析，合金碳化物的质量分数为7％～20％，1～3级合格。
3)合金碳化物的形态。要求其呈小条块状、中等块状，不允许呈大块状，1～2级合格。
4)基本组织为细的针状珠光体组织。
（2)球墨铸铁QZ4材料
1)石墨的形态和分布。要求石墨为团絮状或点状，分布均匀，1～3级合格。
2)合金碳化物的分布和数量。要求合金碳化物呈细小的块状分散分布，不允许有严重的方向性分布和偏析，合金碳化物的质量分数为20％～40％，1～3级合格。
3)合金碳化物的形态。要求合金碳化物为小块或中等块状，不允许有大块的碳化物，1～2级合格。
4)基体组织为回火索氏体。
（3)球墨铸铁QZ5、QZ6材料 球墨铸铁QZ5、QZ6为高铬铸铁材料
1)合金碳化物的分布和数量。要求合金碳化物呈断续网孔状分散分布，不允许呈严重的方向性或板条状分布，合金碳化物的质量分数为10～40％，1～5级合格。
2)合金碳化物呈细小块状、中等块状，不允许有较大块的碳化物，1～3级合格。
3)基体组织为回火索氏体，不允许存在粒状珠光体。
上述六种材料的化学成分和硬度见表3-19。
表3-19内燃机气门座用材料的化学成分和硬度
外观质量要求密封锥面不得有裂纹、疏松、气孔和夹杂等缺陷。
内燃机排气门座使用新材料150Cr18Ni7Mo3铸造合金，该合金铸态的硬度为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℃温度范围内，具有良好的抗氧化铅腐蚀能力。
3.白口铸铁15Cr3Mo进气门座的热处理工艺
白口铸铁15Cr3Mo进气门座（CA141汽车)要求热处理后硬度为27～37HRC，金相组织为回火索氏体＋针状或粒状碳化物，热处理的目的是改善耐磨性与获得优良的综合力学性能。其热处理工艺曲线如图3-29所示。
图3-29 进气门座（CA141汽车）热处理工艺曲线
4.热处理工艺分析与操作要点
1)操作者应严格执行工艺要求，确保仪表与设备正常工作。
2)由于进气门座呈薄片圆环状，故气门座应平整加热与冷却。
3.2.4气门弹簧
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
①GB/T 1222—2007中已取消了此牌号。
对气门弹簧进行氮碳共渗处理，可明显提高疲劳强度，从表3-21中可看出它是一种不错的强化处理工艺。
表3-2150CrVA气门弹簧低温氮碳共渗热处理与普通热处理疲劳强度的对比
7.气门弹簧的常见热处理缺陷分析与对策
气门弹簧的热处理包括淬火、回火与抛丸处理，对各工序容易产生缺陷的原因与对策进行归纳与整理，在生产中可进行缺陷的有效预防，以确保产品质量符合技术要求。气门弹簧的常见热处理缺陷分析和对策见表3-22。
表3-22气门弹簧的常见热处理缺陷分析和对策
（续)
