1.3　气门挺杆与气门的热处理工艺与规范

1.3.1　气门挺杆的热处理工艺与规范

1.3.1.1　气门挺杆的工作条件和性能要求

挺杆是汽车发动机上的关键部件，气门挺杆在发动机气缸体导管内上下往复运动，将凸轮作用与它的推力传给推杆，以此来传递动力，减少推杆的磨损和弯曲变形，同时绕自身轴线作旋转运动，它处于凸轮和摇臂之间。在工作过程中与凸轮反复进行高应力的面接触，因此彼此之间的摩擦力较大，挺杆与凸轮相接触的端面为内球面，与凸轮相对滑动为点接触，故要承受较大的接触应力作用。挺杆的形状有筒形和菌形两种，其底部的形状分球面和平面两类，这同挺杆的具体技术要求有关，因此，对挺杆的技术要求为，表面有高的硬度、高的耐磨性，基体组织具有良好的综合力学性能。其损坏的形式为磨损、擦伤和接触疲劳破坏。

一般挺杆的构造见图1-36，从图中可以看出，挺杆的下部制有油孔，经推杆流入挺杆内的机油从油孔流出润滑凸轮和挺杆。

分析气门挺杆的工作条件可知，为满足需要，挺杆应具有以下力学性能。

①具有一定的强度和韧性。

②表面有高的硬度和良好的耐磨性。

③高的抗擦伤能力。

从上述挺杆的受力来看，气门挺杆与凸轮构成一对摩擦副，合金铸铁制挺杆与凸轮轴之间相互作用，因此必须提高其抗磨性和抗摩擦性，经过表面强化处理的合金铸铁挺杆和凸轮轴，耐磨性和抗擦伤的性能得到提高。凸轮与挺杆材料的组合后失效多为两者异常磨损，一般为点蚀（Pitting）和刮伤（Scuffing）两大类，两者的相互摩擦短时间内会早期的熔化磨损。一般用材料为渗碳钢、中碳钢和铸铁等，常见的气门挺杆与凸轮轴材料的选用见表1-44。目前世界各国用合金铸铁制作挺杆，并进行淬火处理，在润滑油中加入添加剂可降低表面的磨损。美国统一凸轮和挺杆材料组合效果不错，为了提高早期的磨合性来防止刮伤，用磷酸膜处理或铁淦氧（Ferrox）表面方法十分有效。

下面将凸轮和挺杆材料的组合典型实例列于表1-45中，供参考。

1.3.1.2　气门挺杆的机械加工工艺流程

①渗碳或碳氮共渗钢挺杆　常用钢的材质主要有15Cr、20Cr、20、20Mn2B、35等，其加工流程为：下料→锻造→退火→热挤成形或冷挤压成形→机加工→渗碳或碳氮共渗→热处理→精加工→表面处理。

②中碳钢挺杆　通常采用45、45Cr和50Mn2等钢种，其工艺流程为：下料→锻造→粗加工→调质处理→机械加工（车削、磨削等）→感应高频淬火→精磨外圆→成品检验等。另外，采用高合金钢Cr12W制造的钢制挺杆已经研制成功，并批量应用于发动机中。

③合金铸铁气门挺杆　合金铸铁在磨削时会产生表面应力，在机械加工中采用的材质有镍铬钼合金铸铁、铬钼铜合金铸铁等。合金铸铁挺杆有三大类：整体铸造合金；用钢制杆体，在头部焊上合金铸铁；单体铸造合金铸铁挺杆头与钢制杆体对焊。

以整体铸造合金为例，其加工流程为：铸造→间接端部冷激→机械加工→消除应力退火→精加工→表面处理→成品。其硬化层应大于2mm。

而筒状挺杆的简单工艺流程为：棒料切割→料头淬火→抛丸、磷化、造化→冷挤压→车总长和堆焊槽→堆焊合金→回火→磨外圆→磨端面→倒角→磨外圆→精抛球面→磷化→精磨外圆→成品检验。

另外，也有采用25钢进行反挤压成形的，其冷挤压工艺流程为，制备毛坯→软化退火→酸洗→磷化、皂化处理→反挤压成形→机械加工等。

1.3.1.3　气门挺杆的热处理工艺

（1）热处理的技术要求

挺杆和凸轮轴是一对摩擦副，因此两者的材料的选用和热处理的要求是相互制约的。在大批生产中，钢制气门挺杆通常是采用冷挤或热镦成形的，合金挺杆有上述三种形式。表1-46是推荐的挺杆和凸轮轴的材料、热处理工艺以及凸轮和挺杆表面的硬度值。

凸轮和挺杆表面硬度的技术要求见表1-47。

（2）渗碳钢挺杆的热处理工艺

渗碳钢挺杆的应用比较广泛，这里以15Cr钢为例，分析其热处理工艺规范的制定和生产过程中的注意事项，以期对于实际的热处理提供必要的帮助。

①挺杆在井式渗碳炉或可控气氛炉内完成渗碳工艺，选择的渗碳温度为900～920℃，所用渗碳剂为煤油，稀释剂为甲醇，具体的流量按渗层的厚度、炉膛的体积以及装炉量的多少而定，根据渗层厚度的要求，通常保温6～8h，对随炉试样抽查合格后，则随炉冷却。

②经渗碳后的挺杆，需要重新进行热处理。其目的是使挺杆获得较高的表面硬度、高的接触疲劳强度和耐磨性等。为防止挺杆表面出现脱碳现象，热处理的加热工序通常在盐浴炉中进行，淬火工装是吊挂式结构，材料为Q235钢，上面焊许多短柱，挺杆挂在上面即可，可有效防止球窝内积存残盐（形同淬火圆板牙架）。预热在箱式电阻炉内完成，淬火加热温度为840～850℃，每挂保温时间在8～9min，在20号机械油中冷却，油温小于80℃，淬火后的挺杆的端面硬度大于62HRC。为了确保硬度符合要求，建议在硝盐炉中或在红外线炉中回火，具回火工艺为（180～200）℃×90min，回火后基体硬度在54～62HRC范围内。

③需要注意挺杆回火后应清洗干净，除净回火黏附的硝盐、氧化皮等，必要时进行喷砂或抛丸处理，严禁表面出现锈蚀，影响挺杆的使用性能。该类挺杆具有高的硬度、高的接触疲劳强度和耐磨性，其缺点为储油性差和减摩性较差，容易出现表面擦伤，影响其使用性能和寿命。

（3）合金铸铁气门挺杆的热处理工艺

采用合金铸铁制造挺杆，可使基体硬度提高，与凸轮轴两者处理后使挺杆的端面硬度明显提高，在生产实践中，该类合金铸铁应用最广，其使用性能与挺杆的显微组织、表面及心部硬度、表层和次表层的残余应力等有关，当出现网状碳化物时，会造成挺杆的早期失效——点蚀剥落和快速磨损等，研究表明，显微组织回火马氏体基体上分布有针状碳化物，以及出现点状、片状石墨，均提高使用性能，表面硬度越高，则耐磨性越好。为了便于了解合金铸铁挺杆的成分，现将其列于表1-48中。

①冷激合金铸铁的热处理工艺　冷激铸铁具有大量的针状碳化物，具有坚固的骨架作用。表面部分珠光体经磨陷成微凹又起着储油的作用，使耐磨性、减磨性和储油性较好。如经淬火、回火后形成马氏体组织，提高了挺杆的接触应力和挺杆的疲劳性能。冷激合金铸铁的失效形式为疲劳剥落，因此热处理的目的是提高抗擦伤性能，目前挺杆一般使用铬钢或铬镍钼合金铸铁。为了确保挺杆表面无氧化脱碳，使用盐浴炉加热，要严格控制加热温度，脱氧彻底。冷激合金铸铁挺杆的具体热处理工艺见表1-49。

②镍铬钼合金铸铁的热处理工艺　通常镍铬钼合金铸铁热处理是淬火+低温回火，回火后的硬度在55～62HRC，一般具体的热处理工艺见图1-37。

另外，为提高挺杆的使用寿命，采用在冷激铸铁端面上进行高频堆焊合金，然后在300℃回火处理，其作用为减小加热而引起的应力集中，同时不会降低表面的残余压应力，使挺杆的使用寿命明显提高。

合金铸铁的铸态金相组织为：基体为细珠光体组织，其底部经冷激后工作表面有大量的针状渗碳体、莱氏体和适量石墨，可起到坚硬骨架的作用，表面部分经磨陷或微凹起到储油的作用，使其耐磨性、减磨性及储油性均良好，再经淬火、回火后还能进一步提高接触疲劳性能。下面将各种材料挺杆的热处理工艺归纳成表1-50，供参考。

通常挺杆热处理后的硬度要求为：钢制挺杆和冷激铸铁热处理后为58～65HRC；不淬火冷激铸铁挺杆硬度不低于52HRC。而挺杆杆部和底座硬度为：钢制挺杆不低于36HRC；铸铁挺杆硬度为241～285HBW。

③挺杆的火焰淬火　根据挺杆的工作特点，既可对其进行整体热处理（盐浴淬火等），也可对其工作面进行高频感应淬火。事实上，用这两种方法处理的挺杆均存在下列缺陷：裂纹；变形；表面性能不足等，给挺杆的产品质量带来了隐患。考虑到上述因素，选用火焰加热表面淬火，可确保产品质量合格和质量的稳定，同时降低了生产成本，取得了良好的效果，火焰淬火的装置见图1-38。

选用挺杆的材料为铬钼铜冷激合金铸铁，其火焰淬火工艺参数为：加热温度860～900℃，挺杆的转速在30～60r/min，火焰的喷嘴与挺杆的表面距离在50～60mm，在180～200℃回火120min。

检测结果：硬化层深度大于3mm；冷激层深度大于4mm；挺杆端面的硬度在63～69HRC，杆部硬度在93～104HBS。经机械加工后的挺杆成品工作表面不应有裂纹、蜂窝孔、黑点、刻痕、凹坑等有害缺陷，其非工作表面可允许有少量的黑点和加工痕迹等。

对于需要磷化或其他表面处理的挺杆，其底部表面应进行磁力探伤。以确保挺杆的内在质量合格，同时也避免了后面工序的无功加工。

（4）挺杆的表面处理

挺杆的氮碳共渗处理：在气体或液体氮碳介质中进行表面处理后，挺杆表面的硬度提高、抗腐蚀性增强，端面和内球窝抗冲击性提高，因此其使用寿命得到提高；挺杆的低温氮碳共渗，一般采用液体软氮化工艺，原因在于该工艺盐浴的流动性好，时间短、渗速快，质量稳定，盐浴成分易于控制，尤其是采用气体氮碳共渗处理盲孔或桶状挺杆，将会出现该区域的渗层和硬度的不均匀，直接影响到产品质量。氮碳共渗的技术要求和工艺参数如下：加热温度560～575℃，共渗时间为2～3h，渗氮碳层深≥0.05mm，表面硬度≥850HV0.2，明显提高了挺杆端面和球窝的硬度，延长了挺杆的使用寿命。

a.挺杆的软氮化处理。气门挺杆为汽车发动机上的重要部件，目前进行氮碳共渗处理的材料通常为Cr12W和合金铸铁两种，Cr12W的预备热处理工艺如下。

•淬火：预热（840±10）℃，加热1050℃×8min，油冷，硬度48～53HRC。

•回火：（560±10）℃×120min，水冷。

基体硬度54～57HRC，氮化后的技术要求为：渗层≥0.05min，白亮层在0.006min以上，表面硬度在850HV0.2以上，基体硬度≥46HRC。挺杆的软氮化工艺流程如下。

用6105清洗剂配制的溶液清洗挺杆内孔及表面的切削液，有条件采用超声波清洗，用毛刷清理挺杆的内表面。

装筐：采用专用氮化工装，挺杆孔向下、摆放在有孔的托盘工装上，彼此之间紧密排列。

漂洗：冲净黏附的清洗液和脏物，确保氮化后的质量合格。

喷淋：用高压水喷淋工件，进一步洗净表面的残留物，控干净水，用毛刷或干布擦拭干净挺杆表面的水。

预热：其目的是烘干工件及降低与氮化炉的温差，防止降温过大，以免影响渗层的厚度和表面硬度，同时也可有效防止因水分的存在，造成盐浴的爆炸。

氮碳共渗：在钛合金罐内完成氮碳共渗，工艺参数为温度550～575℃，时间2～3h，CNO-=36％～38％、CN-=1％～2.5％，通气量以液体周围冒出均匀的气泡为宜。渗层深度和硬度符合技术要求。该氮碳共渗基盐型号为TJ-2～TJ-3，该盐为白色的块状物质，密度在1.45～1.57，熔点在460℃。

氧化处理：Y-1氧化盐的熔点在270℃，工作温度为350～380℃，其作用为中和氮碳共渗后工件表面的CN-，经过反应生成，增强挺杆的抗腐蚀性、咬合性、疲劳强度及耐磨性等，使表面的氮碳共渗层结合致密，在表面形成了一定的空隙，有利于在工作过程中储存冷却油，同时降低了CN-，达到无污染排放。

清洗：用热水洗净表面的残盐（与氮化盐、氧化盐等）。

光饰：用磨料去除挺杆内孔和表面的积灰，提高工件表面的光洁度和清洁度。

煮油：去除挺杆表面的水分并起到防锈作用，同时也使氮化层的附着力增强、表面美观。

图1-39为挺杆的液体氮碳共渗工艺曲线，图1-40为挺杆的金相照片，实际测出氮化层深度0.06mm，硬度为900HV0.2以上，符合技术要求。从图中可以看出，白亮层十分明显，因此表面的硬度较高，达到了挺杆表面强化的目的。

b.挺杆的磷化处理。挺杆的磷化处理是在某些酸式磷酸盐为主的溶液中处理，使其表面沉积而形成一层不溶于水的结晶磷酸盐转化膜的过程。磷化膜是由一系列大小不等的晶粒所组成，形成许多细小裂缝的多孔结构，可以使挺杆表面的耐磨性、减磨性和吸附性得到较好的改善。处理后的磷化膜的厚度在1～50μm，基体的硬度和磁性等均保持不变。

•磷化的工艺流程。化学脱脂→热水洗→冷水冲洗→酸洗→冷水冲洗→磷化处理→冷水冲洗→去离子水洗→干燥。为了确保磷化膜的结晶致密细化，达到挺杆表面耐磨、抗蚀等要求，在磷化前增加表面调整工序，通常用钛盐溶液作调整剂。在实际生产过程中，化学脱脂的配方为氢氧化钠60～100g/L，碳酸钠30～60g/L，磷酸三钠40～50g/L，水玻璃10～20g/L，溶液的温度为90～100℃，时间为10～15min。当然使用8080清洗剂，所配浓度为10％，温度在30～60℃，时间10～15min。关于酸洗问题采用18％～24％的硫酸，温度为50～70℃，时间在5～10min即可。

•挺杆的中温磷化工艺。挺杆的磷化通常采用中温磷化处理，温度在50～70℃，溶液中游离酸度与总酸度比值为（1:10）～（1:15），时间为5～15min。此时游离酸度比较稳定，具有时间短、生产效率高、磷化膜稳定和耐蚀性高等特点，其成分和工艺条件见表1-51。需要说明的是：1～4种为常用的磷化配方，配方5是合金铸铁耐磨防锈磷化工艺，7为45钢用配方，6是高磷灰铸铁磷化配方，8作为激光热处理前的预磷化处理配方。

磷化后的处理完全取决于产品的用途，通常磷化膜处理的成分和工艺见表1-52。

挺杆磷化膜的质量检验分别为外观检查、耐蚀性检查和厚度与重量的检查等三项，从外观上应为连续的、均匀且致密的晶体结构，表面呈灰色或灰黑色，表面不应有未磷化的残余空白或锈迹。耐蚀性有浸入法、点滴法等，浸入法是将磷化后样板浸入3％的氯化钠溶液中2h后取出，表面无锈蚀为合格；点滴法是将按要求配好的试剂滴在磷化膜上，观察其变色的时间，厚的磷化膜、中等磷化膜和薄磷化膜的时间分别为5min、2min和大于1min，视为合格。厚度和重量中前者可用非磁性测厚仪，也可切片测磷化层厚度，重量测量是将磷化膜拨出前后称重（用于精密产品）。

（5）钢制挺杆的热处理工艺

钢制挺杆的热处理是在连续式网带炉上完成的，其技术要求在前面进行了介绍，这里介绍的是防止挺杆热处理变形的问题，图1-41中给出了淬火挺杆的热处理摆放要求，回火的挺杆堆积对于变形没有影响，见图1-42，需要注意的是，Cr12W为高合金钢，回火结束后应进行空冷，否则水冷将造成挺杆开裂。

1.3.1.4　气门挺杆的热处理工艺分析与实施要点

①挺杆的材料可分为渗碳钢、合金钢和合金铸铁等，其基本技术要求是具有高的硬度和良好的耐磨性等，因此热处理的方法有较大的差异，这应当认真分析与研究其最佳的工艺方法和措施，确保满足其工作需要，同时应采取必要的手段来获得最终的要求。

②15Cr、20、20Cr等材料的挺杆渗碳过程与普通的渗碳无太大的区别，其渗碳层的深度应以试样来进行间接检测，同时不允许出现网状或块状的碳化物、表面到内部的渗碳层的浓度梯度过陡等，该类缺陷将造成热处理后的挺杆表面掉块、耐磨性差等，导致使用寿命的明显降低。

③渗碳钢经渗碳或碳氮共渗热处理后的金相组织为细针状马氏体组织，不允许有网状游离渗碳体和游离状态的铁素体，从渗层至中心不能有骤然转变的金相组织。挺杆心部为低碳马氏体。钢制挺杆底部工作表面的金相组织应为回火马氏体+少量针状托氏体，而杆部为回火托氏体，否则将直接影响到挺杆的使用要求。

④合金钢和合金铸铁淬火后均获得了高的硬度，需要注意的是，合金铸铁（含冷激铸铁）的热处理淬火温度在860～880℃，其保温时间的长短将对硬度有直接的影响，在盐浴炉的保温时间超过15min，则碳化物分解，淬火后的硬度无法满足技术要求，而时间过短则无法消除白口组织，因此热处理检查内容有硬度、石墨数量（小于10％）以及碳化物的数量（大于30％）。值得一提的是，挺杆的火焰淬火具有加热时间短、操作灵活、成本低等特点，因此对于小批量的生产是比较适宜的，总之，可根据具体的挺杆质量要求，选择合适的热处理方法，并在生产过程中，依据有关的挺杆的金相检验标准执行，即可确保其热处理技术要求的实现。

⑤Cr12W为高合金钢制挺杆，在热处理过程中，如发生型腔变为椭圆而外圆磨不起来的情况，要分析原因，是淬火前没有退火，还是挺杆未口向上放置于网带上，另外，注意淬火时如摆放的间隙小，在落入油槽中会发生彼此碰撞而变形现象。

⑥挺杆的表面处理主要是软氮化和磷化，其中软氮化多应用于高合金钢和合金铸铁等材料，它们的回火温度均在软氮化的温度范围内，其共渗层深度大多在0.03mm以上，硬度在850HV以上，其质量缺陷多为表面粗糙度超差、硬度低以及清洁度低等。磷化与软氮化相比，其性能逊色许多，多应用于低温回火的挺杆，这一点值得引起热处理工艺和设计人员的高度重视。

1.3.1.5　气门挺杆的热处理质量检验

参见上述技术要求即可，这里不再赘述。渗碳钢挺杆的热处理质量检验与合金铸铁的热处理质量检验分别见表1-53和表1-54。

1.3.1.6　气门挺杆的热处理常见缺陷分析与对策

挺杆在热处理和表面处理过程中，因人、机料、法、环和检因素将对其热处理有直接的影响，故在实际的生产过程中会出现这样或那样的一些质量问题，表1-55列出了一般热处理缺陷的原因和预防和补措施，而表1-56则将磷化容易出现的问题，进行了分析和研究，为正常挺杆的生产提供了依据，供参考。

挺杆磷化时常见的质量缺陷、产生的原因和采取的措施见表1-56。

1.3.2　气门的热处理工艺与规范

1.3.2.1　气门的工作条件和性能要求

气门在工作过程中阀口锥面与气缸盖相互接触、气阀杆端与摇臂之间发生剧烈的摩擦作用、高温气体冲刷和腐蚀，进气门主要承受反复冲击的机械负荷，其工作温度在300～400℃，而排气门除承受冲击的机械负荷外，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600～800℃，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。因此，分析气门的工作状态可知以下几点。

①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腐蚀性。

②锥面经受热腐蚀、热疲劳、热磨损的作用，具有良好的综合力学性能。

③气门杆部和杆端面与气门导管、摇臂接触，为重要的磨损区，要求有良好的减摩和耐磨性。

根据气门的服役条件，结合其工作过程，可知进、排气门的技术要求如下。

①在工作条件下，具有足够的热强性和高耐磨性。

②在冷热交替条件下，内部组织与性能不变。

③具有高的抗氧化性，以抵抗燃气的腐蚀。

④具有良好的机械加工和热加工性。

气门组件的结构示意图见图1-43。

根据气门的工作环境和技术要求，所选用的材料必须具备足够的高温强度和耐磨性能，良好的抗氧化性和抗燃气腐蚀性能，较高的热传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能等。材料的选择应从工作环境、介质和耐久性等几个方面进行综合考虑，通常要采用含碳量0.3％～0.5％的合金钢制造，合金元素有铬、硅、镍、钨、钼等，下面的三类钢材即可满足要求，下列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及抗燃气腐蚀性，抗冲击性和抗动应力，热加工易于成形，切削加工性好等特点。

①低合金结构钢，例如40Cr、45Mn2。

②马氏体耐热钢（Cr-Si），例如4Cr9Si2、4Cr10Sio2Mo、5Cr8Si2、9Cr18Mo2V、8Cr20Si2Ni、5Cr8Si3。

③奥氏体耐热钢有以下几种（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。

从上述三大类材料来看，除成分要符合国家标准外，气门原材料的交货状态也有严格的规定，即合金结构钢和马氏体耐热钢为退火状态，奥氏体耐热钢应经过固溶处理。结构钢淬火后硬度≥48HRC，马氏体耐热钢淬火后为≥54HRC，2Cr21Ni12N钢、3Cr23Ni8Mn3N钢固溶时效后硬度分别为≥207HBW和≥234HBW，其余奥氏体耐热钢经过固溶时效后硬度≥269HBW。气门用钢的力学性能见表1-57。

1.3.2.2　气门的机械加工工艺流程

气门的制造流程包括将棒料电阻采用加热锻压成形，经过热处理后对气门杆部和气门盘锥面进行机械加工。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，工艺流程编制过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加工前；气门的阀口堆焊合金气门的热处理，要考虑堆焊前进行退火处理，目的是为车堆焊槽做准备；氮化气门在粗加工后要安排去应力退火工艺，以确保氮化过程中变形小，尺寸符合图纸的技术要求；气门杆部端面的高频淬火或锥面淬火仅可能布置在机加工过程后面。

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。对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效率，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、工装消耗量大、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，又提高了生产效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尽可能地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得多，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，减少了工艺时间以及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，通常采用表面进行镀铬或软氮化处理，提高表面的耐蚀、抗磨损和具有高的疲劳强度，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，此时的杆部直径的尺寸接近成品要求，应当注意的是，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。

通常的整体气门的工艺流程（以6102发动机进气门为例）见表1-58，材料为4Cr10Si2Mo，各项技术要求符合图纸和文件的要求。

对于为节约原材料而采用杆部为合金结构钢或马氏体耐热钢，与奥氏体耐热钢通过摩擦焊接连为一体。该类气门可节约1/3左右的马氏体耐热钢或奥氏体耐热钢，经济效益十分可观。目前国内外气门制造厂家普遍采用了该项工艺，另外，为提高气门锥面的使用寿命，在阀口上堆焊合金，明显改善了锥面的耐磨和抗烧蚀能力。

杆杆焊（双金属，盘部堆焊合金、杆部镀铬）气门的流程为（奥氏体耐热钢+合金结构钢或马氏体耐热钢）：磨杆部外圆→车盘外圆→车盘端面→车堆焊槽→切断→荒磨杆端面→磨倒角→锥面堆焊→荒磨杆部外圆→车盘外圆→磨盘外圆→荒车盘锥面→荒磨盘锥面→精车盘端面和倒角→粗磨杆端面→杆部倒角→中磨杆部外圆→半精磨盘锥面→精磨杆部端面→磨锁夹槽、倒角→半精磨杆部外圆→精磨盘锥面→密封试验→光磨杆端面→精磨杆部外圆→杆部镀铬或软氮化→精加工→检验→包装。

气门是使用性能和加工要求都比较高的零件，同时也是经锻造成形的细长零件。为了防止在机械加工和使用过程中产生变形和有利于进行切削加工，在机械加工之前应进行以消除内应力为目的的回火工艺。气门的小头端面与摇臂频繁的接触，两者之间产生运动和摩擦，因此必须提高端面的耐磨性，对半精加工气门的端部进行局部的高频淬火。

气门按加工方式的不同，可分为头杆焊气门、杆杆焊气门、整体气门，另外有堆焊合金气门、中空充钠气门等，因此整个加工过程也略有区分，其中气门表面处理的方法有软氮化和镀铬两种。

1.3.2.3　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，无脱碳和氧化。对奥氏体耐热钢气门，应采用保护性气氛加热，要求不能引起钢的含碳量的变化。因此，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，国外采用的气门淬火和回火的热处理炉和热处理操作系统示意图分别见图1-44、图1-45，多用炉也开始用于气门的淬火处理（见图1-46）。

需要指出的是，连续式网带炉已经应用于马氏体耐热钢气门与料杆的调质处理，它具有生产效率高、质量稳定、气氛稳定等特点，目前广泛应用于国内外的气门制造厂，图1-47为气门调质网带生产线，图1-48为气门的淬火摆放方式。该网带炉容易出现的问题是顶部支撑的拱门会有松动而塌陷（见图1-49），另外，网带使用一定时间后，会局部撕裂或老化（见图1-50），通常使用寿命在8个月左右。

从流程中可知，气门的制造方式取决于内燃机对气门的具体要求，在热处理过程中的处理方法有明显不同。气门的调直要求杆部直线度≤0.15mm，端面或盘锥面跳动≤0.15mm，个别气门的跳动和直线度控制在0.06mm。气门表面无裂纹、烧伤、氧化皮、过热及过烧现象，不得影响非加工面的使用性能。

（1）整体低合金结构钢和马氏体耐热钢的热处理工艺

对整体低合金结构钢和马氏体耐热钢制造的气门，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，基体硬度在28～37HRC。热处理工艺流程为：淬火→一次回火→抛丸→调直→二次回火→二次抛丸→调直。两种材料的气门的热处理工艺见图1-51。淬火加热在盐浴炉中进行，回火则在井式电阻炉中完成。

目前网带式可控气氛中、高温加热炉各项技术指标已经达到了处理气门的要求，另外个别气门厂采用深井式高温电阻炉处理马氏体耐热钢使用效果不错，但需要通保护性气体，以防止气门的氧化和脱碳，氮气的纯度必须达到98％以上。需要注意一点是，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。

气门回火保温结束后要快冷，如水冷等，其目的是如40Cr、45Mn2等合金钢，4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo等马氏体耐热钢均在450～700℃范围内有二次回火脆性，因此必须快速冷却，水温要低于80℃，多采用循环水作冷却介质。

常见马氏体耐热钢气门的一般热处理规范列于表1-59中，供参考。

需要说明的是：网带式保护气氛淬火与回火炉，可实现光亮淬火，生产效率高、质量稳定，机械化和自动化程度高，因此在标准件行业中已经比较普及，但大多为中碳钢的热处理，在高温下（1000℃以上）工作的网带炉的应用较少，其原因是在高温下的网带变形和损坏严重。经过热处理设备厂家引进国外的部分网带新材料，基本解决了该问题，目前国内气门制造厂将该设备用于马氏体耐热钢和中碳合金钢的热处理中，取得了较好的经济效益和社会效益，热处理效率提高10倍以上，解决了大量的人力、物力和财力，为气门制造行业的大批量生产奠定了良好的基础。

（2）整体（或大头）奥氏体耐热钢的热处理工艺

该类钢的碳化物呈弥散分布，其热处理方式为固溶+时效处理或仅时效处理，一般晶粒度4～10级，在700℃以下具有良好的强度、硬度和较好的抗腐蚀性能。该类材料如加热温度小于980℃，表面形成裂纹，当温度超过1200℃，因大量晶间存在M7C3的薄片沉淀晶界而出现裂纹。时效处理后的平面硬度为23～38HRC，层状析出物≤15％。热处理工艺流程如下。

固溶（或仅时效处理）→调直→时效处理→抛丸→调直。气门盐浴炉的热处理规范见图1-52。

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，水冷后形成过单一的饱和奥氏体，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，则其效果越好，晶界沉淀数量和尺寸变化。

固溶处理的工装为圆筐，其外圆小于盐炉的炉膛尺寸，一般采取堆积的装炉方式（见图1-53），其装炉量的大小应根据是人工还是机械化作业来选择，其作业效率不高，但质量比较稳定。国内热处理设备制造厂，基于目前气门固溶设备的缺点，已经开始进行燃气固溶炉的设计与制造，并小批量的试生产，它具有装炉量大、节能的特点，燃气固溶炉与其使用的固溶工装，缺点为气门表面有氧化或脱碳现象，炉内温差大，实际晶粒度的等级范围较大。这需要调整城市煤气或天然气与空气的混合比，也可采取必要的防范措施，如将固溶筐分为几个区域，避免燃烧喷火口直接与筐接触，固溶筐上方加盖等。

燃气炉作为一种完全可替代盐浴的固溶处理设备，即作为可解决奥氏体气门的固溶处理的专用热处理设备，该燃气炉为一种箱式高温炉，有独立的排烟管道，炉膛内部有四个耐热砖制作的支撑柱，气门堆放在耐热钢的长形盒子内，两个火焰喷嘴布置在炉膛的两侧，为上下错位布置，燃烧的火焰围绕着气门工装而循环加热，确保炉温温度的均匀一致。热电偶安装在炉膛的顶部，点火按钮启动后，实现鼓风机与燃气混合后进入炉内燃烧而完成气门的加热，即通过自动进气装置对燃烧配比气进行自动调节，来确保达到工艺规定的温度要求，温度控制以及进出料小车全部为智能化管理，工件的取出与送进由气缸上下控制，配有快速冷却水槽，该炉设有温度报警仪表和计时系统，排气口设为70～90mm。其具有气门固溶后晶粒度均匀一致性好，晶粒度可控制在1～1.5级以内，表面状态较好，生产效率高，热处理成本低等特点。图1-54为燃气炉用气门固溶装料筐，图1-55为燃气炉的整体结构，图1-56为加热完毕后取料车进入炉膛的瞬间，图1-57为料筐取出后准备进行水冷的过程。图1-58为燃气炉的控制面板，图1-59为温度控制系统。

该类燃气炉可采用的气源有以下几类：天然气、液化石油气、城市煤气等，如采用煤气罐、液化气罐则将每次剩余部分气体（因燃气炉需要供给的压力在7MPa以上），而采用管道供应燃气，则可明显节省燃气。在生产过程中，应注意设备的保养与维护，确保其正常工作。有关注意事项如下。

①燃气炉的升降炉门内衬应采用硅酸铝纤维毡，一是起到保温的效果，二是可减轻炉门的重量，保护升降的机械装置；②为确保炉门在服役过程中不变形，应在炉门框的四周安装水套，通入自来水或循环水，出口水温应不高于60℃；③炉膛内支撑固溶筐的四块钢砖的高度应一致，应设定在上下两个烧嘴的中央区域，其目的是确保气门的均匀加热，防止火焰直接喷射在气门上，造成局部的烧蚀；④进出料车的前叉与支撑砖应平行，两者之间的间隔应均匀一致，保证筐起落时不变形，否则容易造成固溶筐的翻倒；⑤一人操作时，应随时观察燃气的压力与控温仪表指示情况；⑥出气口的大小调节的基本原则是以形成正压为准；⑦注意检测或用嗅觉识别有无漏气现象，设备周围严禁有明火或抽烟现象；⑧每次启炉前用压缩空气清理吹扫炉内炭黑和残留气体，清理炉膛内部的氧化皮及杂物等，否则容易引起工件表面的局部不良；⑨对于要求表面比较清洁的气门，可采用上部加盖的形式，减小其表面氧化影响程度；⑩通过观测孔，经常观察火焰的燃烧是否正常。

燃气炉作为一种可以替代盐浴的固溶处理设备，正逐渐被气门制造厂家所接受，其原因如下。

①燃气炉的设备操作简单，可实现自动化生产作业，具有较高的效率，降低了操作者的劳动强度。其气门的装盒简单，直接从料箱中倒入，省去了盐浴固溶的人工插筐的烦琐劳动，同时也能摆脱固溶筐放偏与电极接触的概率，避免气门的局部加热温度高而造成晶粒粗大的缺陷，另外无挖渣和添加盐的辅助工序与操作，在有效的时间内可完全进行气门的固溶处理。

②燃气炉的装炉量大，产品质量稳定（与盐浴炉相当）。目前国内大多数气门的固溶是在盐浴炉中完成的，具体操作是采用人工放入与挑出，可勉强挑起的质量为15kg/筐，其中筐重3kg，一般中型气门大头的装炉量为60支左右。而燃气炉装炉量则为450支，为盐浴炉装炉量的7～8倍，即一台燃气炉的效率为一台盐浴炉的7倍以上。

③燃气炉进行气门固溶的成本低，无环境污染。盐浴炉的设备功率为100kW，固溶气门的装炉量按70支计算，每炉的总加热时间为45min，则每支气门的固溶成本为45÷60×80％×100×0.6÷60=0.6元/支。燃气炉采用天然气或液化石油气（或城市煤气等）进行气门的加热，其每炉总加热时间为60min，则气门的固溶成本为60÷60×2.4×11÷450=0.058元/支。即燃气炉的固溶气门的成本为盐浴炉的1/10，由此可见燃气炉具有明显的优势，从气门固溶的热处理成本与技术上讲，燃气炉替代盐浴炉势在必行。

④燃气炉的点火系统科学与规范，采用电子打火实现了安全与可靠的起炉作业。根据设定的炉温，采用自动调整燃气与空气进气阀的大小，来控制温度的高低，其温度的均匀性在5～10℃以内，满足了气门固溶的需要。

时效的特征为析出的强化相数量≤15％、强化相尺寸小、分布均匀和基体固溶体稳定。时效的前提是固溶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；析出物呈弥散均匀分布在基体上，在高温长期使用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，温度过高产生层状析出，析出物为Cr23C6和少量CrN。事实上温度高将造成气门的室温韧性、疲劳强度、耐蚀性能的降低等，因此时效温度要严格控制。通常采用井式电阻炉进行时效处理，见图1-60，其正确的装炉方式见图1-61。

固溶与时效气门的热处理工艺与规范见表1-60。

制造排气门常用的奥氏体耐热钢为5Cr21Mn9Ni4N（简称21-4N），采用不同的热处理工艺方法处理后的组织与性能如表1-61所示。可以看出，只有经过固溶处理后，才能发挥其钢的特性。

为了便于了解气门用钢的性能，现将常见气门用材料的高温强度列于表1-62中，供参考。

对杆杆焊或头杆焊产品，气门的杆部要经过调质处理，无论是低合金结构钢还是马氏体耐热钢料杆，料杆的热处理方法同第一种方式。

（3）气门的杆部端面淬火、阀口淬火或阀口的堆焊

为提高气门的使用寿命，杆端面要进行感应淬火处理。热处理后的气门杆部的硬度在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，因此要求端面的硬度高、耐磨性好，才能满足发动机工作的需要。通常进行端面的高频淬火，硬化层在2～4mm，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。一般杆部端面高频加热的工艺参数见表1-63。

常采用以下四种感应淬火技术。

①夹缝式感应淬火技术　该感应器的两条有效导线平行布置，也可呈与圆心不同半径的弧形线布置，导线中间的间隙在10～20mm，满足气门杆部淬火的需要。其感应器的基本结构形式如图1-62所示。

该感应器的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。从图中可以看到，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。

该方法的不足为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1-63为该类感应器，是一种加导磁体的平面感应器，实际上在（10mm×10mm×1mm）～（10mm×10mm×1.5mm）的紫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，其缺点为在导磁体上加上冷却装置，其制作、安装和密封均比较困难。

③串联回路式感应淬火技术　该类气门杆部端面淬火感应器见图1-64，前两个圈为预热用，最后为加热圈。从图中可知，每个回线圈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，故此处加热迅速和均匀，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　自身驱流式感应器结构见图1-65，在中间的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，提高了生产效率。

现将四种气门杆部端面感应淬火技术的效果列于表1-64中，供热处理操作者和工艺人员参考。

图1-66为气门杆端连续淬回火装置，图1-67为硬度法检查气门杆部淬火长度。

气门阀口或锥面与气门底座反复贴合，因此其表面要具有高的硬度和良好的耐磨性，气门生产厂家通常采用对锥面进行高频淬火，来满足气门头部的技术要求，以确保有高的使用寿命等，通常淬火后直接油冷，硬度在50HRC以上，为稳定组织、减少内应力，淬火后立即进行低温回火处理。下面将EW10气门的锥面高频淬火技术参数列于表1-65中供参考。

图1-68为锥面淬火时，气门锥面与感应器间隙的检查方法，图1-69为锥面淬火实景，图1-70与图1-71分别为锥面硬度与淬火长度检查方法，图1-72与图1-73分别为锥面淬火裂纹形式。

图1-72与图1-73为锥面淬火后在底面与圆弧均存在裂纹。图1-74为将裂纹部分进行拍照的实物照片。

从图1-74可以看出：裂纹两侧无氧化脱碳现象，说明裂纹不是淬火过热裂纹和淬火前裂纹；从图1-74（a）可以看出，裂纹末端尖细是淬火后造成裂纹，但是不排除淬火前有内部裂纹，经淬火冷却后裂纹扩展。

该缺陷产品硬化层深度比正常产品深2mm，也是造成应力大开裂的原因之一。

为了提高气门锥面的耐磨性和抗腐蚀性，在锥面焊一层合金，此时堆焊层与气门基体之间为冶金结合，其深度和硬度符合要求，即深度在1.5mm以上、硬度大于50HRC，表面不允许有裂纹、掉块等致命缺陷存在。

（4）气门的杆部表面处理

根据气门在发动机内的耐高温、抗燃烧气体的腐蚀等工作特点，气门杆部在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，提高表面的粗糙度，需对气门进行表面处理，通常有镀铬和氮碳共渗两类，它们的处理工艺如下。

①气门的杆部镀铬

a.气门镀铬后杆部的表面质量要求如下。

•杆部光泽均匀，组织细致不粗糙，不起皮和起泡，不漏底色，无烧焦现象。

•结合力强。

•硬度大于800HV0.2。

•镀铬层厚度一般在0.005～0.030mm。其测量时，既可用千分尺也可采用截面金相方法，铬层边界允许在覆盖范围内的公差内呈波状或不规则形状，但不能有明显的台阶和断层等缺陷。

•铬层与基体的附着强度　其衡量标准是指杆部在专用夹具上弯曲角度的大小符合要求，气门杆部无折断，要求变形区的硬镀层在8～10μm，用放大镜观察不允许有脆性剥落，但允许有裂纹存在。对于双金属（对焊）气门，弯曲的位置应在对焊区域进行。在日常检查中气门的杆部铬层应呈均匀状态，不允许有下列致命缺陷：可见结瘤、起皮、疤痕、气孔、较大的裂纹、掉块、剥落等。气门直径与弯曲角度的关系见表1-66。

b.气门杆部硬镀铬工艺。气门杆部镀铬的目的为：气门在高温的腐蚀性气体中，要承受其冲刷和反复的作用，因此镀铬后，气门杆部赋予了摩擦系数小、润滑耐磨性好、表面硬度高、抗腐蚀性好等特点，硬度在1000HV以上，表面粗糙度在Ra0.4μm以下。

气门的镀铬是硬镀铬，其总的工艺流程为：机械预处理→预除油→上挂具、安屏蔽物、辅助阴阳极→非镀铬区保护（涂蜡或涂漆）→化学除油或电解除油→水洗→阳极腐蚀→镀硬铬→水洗→干燥→下挂具→去氢→后序加工。另外也有推荐的工艺为：带电下槽→预热→阴极小电流活化→提升电流→冲蚀镀铬→正常镀铬。在气门的镀铬过程中，只对合金结构钢和马氏体耐热钢气门的杆部进行镀铬，作为马氏体耐热钢，不进行阴极反镀，以避免杆部表面出现褐色挂灰，影响铬层与基体的结合力。

c.气门镀硬铬的工艺流程。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，加热温度在60～70℃）→反克（反向溶解铬层，时间0.7s）→清洗。

气门镀铬首先要对其表面进行认真清洗，既可采用有机溶剂，也可化学除油，标准在于使气门杆部无油污和黏附的杂物等，表面光洁；其次，进行浸蚀处理，其目的是起到活化金属基体的作用；再次是进行镀铬处理，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。电离除油的配方为：碳酸钠30～45g/L，磷酸钠为1.5～3g/L，氢氧化钠7.5～10g/L，温度在90～95℃，电流密度为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。具体配比见表1-67。根据实际情况可选择相应的配方。

镀铬前的活化处理配方见表1-68。

气门的电解镀铬（或称为硬镀铬）是采用普通的镀铬溶液、可溶性的氟化物与硫酸混合，同时加入催化剂配置而成。镀铬的常用配方为：

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

气门镀铬的一般成分组成和工艺条件列于表1-69中，供参考。

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，可防止基体金属受热膨胀而产生暴皮等，预热在镀铬槽中进行。对于腐蚀气门采用冲击电流、辅助电极等冲击电流，此时电流为80～120A/dm2，时间为1～3min。资料推荐铬酐（CrO3）与硫酸H2SO4的比例（质量分数）在（60:1）～（100:1）之间，温度为58～60℃，催化剂含量在110％以上，有利于得到理想的镀铬层。

②气门的软氮化

a.气门软氮化后的特点和工艺流程。

氮碳共渗可提高气门杆部的表面硬度、耐磨性，在干摩擦时具有抗擦伤、抗咬合能力，抗氧化性和耐蚀性，对延长气门的使用寿命有明显的效果。

气门氮碳共渗质量要求：

•氮碳共渗层深度为0.010～0.060mm。

•表面硬度≥600HV0.2，脆性小于2级，渗氮层疏松和氮化物为1～2级。

•杆部的变形量或涨量≤0.005mm。

•杆部、小头端面粗糙度在Ra0.5μm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、表面掉色等，以及不得出现影响产品质量的外观缺陷。

b.气门软氮化的材料及性能特点。

进行软氮化气门的材料按其类型可分为马氏体型耐热钢、奥氏体型耐热钢等，数量占气门总量的70％左右。进、排气门具有代表性的钢种为4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo、5Cr8Si2等，奥氏体耐热钢有5Cr21Mn9NiN、5Cr21Mn9NiWNbN、6Cr21Mn10MoVNbN等。进、排气门软氮化前的工艺加工路线如下：下料→磨头→锻造成形→淬火（或固溶化）→回火（或时效）→机加工→去应力退火→机械加工→软氮化→精加工→检验、包装。气门经热处理后整体硬度一般为28～42HRC，基体具有良好的综合力学性能，达到韧性与强度的最佳组合。

c.气门的软氮化。

气门软氮化的工艺流程为：浸泡→漂洗→喷淋→预热→盐浴氮碳共渗→盐浴氧化冷却→清洗→光饰或抛丸→煮油或防锈。其软氮化采用的工装有圆筒形、长方体两类，分别适用于不同的氮化炉，前者用于大型氮化炉（见图1-75与图1-76），而后者为自动氮化线用工装（见图1-77），图1-78为自动氮化线上出装炉与生产线的整体实景。

其液体盐浴氮碳共渗工艺见图1-79。

整个氮碳共渗过程中的三个关键工序为：预热；氮碳共渗；氧化冷却。它们对气门的软氮化质量有着直接的影响，氮碳共渗盐浴中的CN-、CNO-浓度的控制是软氮化的重要工艺指标，必须使其成分符合工艺的要求。

其操作规程如下。

•气门串筐，气门彼此之间应无接触和压叠等，否则造成切削液或磨削液在随后的过程中，无法清洗干净，出现氮碳共渗缺陷（如花斑、黄点等）。

•浸泡。将筐放入浓度为3％～5％金属清洗剂溶液中，不少于25min，以除去气门上的乳化液或切削掖，及其他黏附的脏物，如没有除净，则氮化后表面颜色呈黄色或出现斑点。

•漂洗。工件在流动的清水中上下运动，将清洗剂冲洗干净。

•喷淋。用高压水流迅速冲刷工件，冲净工件表面的残留物质。再用布或毛刷擦洗气门上的水珠，防杆部和杆端面存有水印（珠）。

•预热。在井式回火炉中预热，加热温度为350～380℃，时间为30～45min，其目的烘干工件、消除加工应力，保证工件放进氮化炉后降温小，因此不会对气门的渗速造成影响。

•氮碳共渗。目前山东亚星热处理材料有限公司生产的TJ-2氮碳共渗基盐，以其质量稳定，渗透性强，而获得气门制造厂家的好评，处理的马氏体耐热钢和奥氏耐热钢气门，颜色油黑发亮，渗层组织均匀，具有很强的抗腐蚀性能和抗咬合性，表面获得了高的硬度，因此明显提高了气门的使用寿命。其正确的操作流程为：往钛合金坩埚（罐）中，倒入TJ-2块状国产氮化盐，熔化后升至620℃陈化2h，再降到560～575℃化验成分，最初的成分为CNO-=32％～36％。同时放入通压缩空气的钛合金的通气管，管路中配有油水分离器和减压器。压力表的压力不大于0.4MPa，以液面四周出现均匀的气泡为宜，此时的通气量为100～170L/h，通气管需彻底预热，并及时清理盐浴表面的漂浮渣。工件必须在氮化炉保温后装入，事实证明，N-C共渗，在570℃时渗层最厚，随着温度升高或降低，氮化层相应变薄。在560～575℃温度下的流动性好，将盐浴成分控制在CN-=1％～2.5％、CNO-=30％～36％，氮化时间以25～120min为宜。

需要说明的是，该盐浴具有特别好的热容量，加热工件快；盐浴热传导性能良好，在熔盐内部均匀性好，盐浴中反应产物的浓度、氮的析出、氮的化合物的形成及储藏等均优于气体氮碳共渗。气门进行氮碳共渗时需要进行通气，其具体指标可参考表1-70。

•氧化处理（也称为淬火）。盐浴氮碳共渗后的气门在Y-1国产氧化盐浴中进行等温冷却。盐浴中配有搅拌器，确保气门冷却均匀，氧化后在表面形成氧化层，提高气门杆部的耐腐蚀性与抗咬合性。与此同时，将气门从盐浴氮碳共渗炉中带来的少量的微量CN-氧化成无毒，实现盐浴和水质无污染作业。

•水冷。氧化后的气门在80～100℃的水中进行快冷，气门表面产生压应力作用，故可提高其疲劳强度；另外清洗干净黏附在气门上的氧化盐等。

•清洗。水冷后气门再放入热水槽中，进一步除干净表面的残盐和积灰，同时为气门的光饰奠定了基础。

•光饰或抛丸。放入光饰机中的气门同磨料一起振动旋转（见图1-80），所用磨料为棕钢玉（四棱柱）或其他磨料，加水可冲去磨掉的气门表面的氧化盐和炭黑，提高杆部的清洁度。

需要注意的是，氮化气门的表面的清理采用光饰是不能彻底解决该问题的，还会出现清洁度超差、表面磕碰伤严重、劳动强度大等缺陷，目前国内外逐渐采用气门抛丸（见图1-81）来替代光饰，该技术已经十分成熟，完全避免了上述缺陷的存在。但应当选用合理的抛丸工艺参数（如转速、时间、工装、气门运动方式、时间、砂流量、钢丸的大小与硬度等），气门的抛丸既可装入履带式抛丸机，也可采用吊钩式抛丸机进行，如果没有进行正确的工艺试验，有可能造成气门杆部粗糙度超差、气门弯曲和锈蚀等，同时也影响到杆部的尺寸。自动研磨光饰机投入使用后，极大地提高了生产效率，质量稳定，气门清洁度明显优于光饰后的清洁度，图1-82为自动研磨机整体布局，图1-83为自动研磨机外形。

笔者通过对各种大中小气门（含不同材质）反复进行试验，成功摸索出氮化气门的抛丸工艺参数，采用该工艺可确保具有以下优点：气门表面呈银灰色，擦拭无灰；清洁度在0.28～0.35mg/支；杆部直线度和圆度≤0.005μm；表面粗糙度≤Ra0.4μm；取消了煮油工序，劳动环境大为改善；气门无磕碰伤、锈蚀等。

•煮油。光饰后的气门用铁筐放入120～140℃的热油槽中，去除水分防止锈蚀，同时气门油黑发亮、美观，也增强了氮化层的黏着性。

图1-84与图1-85分别为奥氏体耐热钢与马氏体耐热钢氮化后的渗氮层深度的检查图片。

d.气门软氮化时的几个注意环节。

氮化炉启炉时，应分阶段升温，通常在520℃保温1h后再将温度升高到560～580℃，并保温一定时间。以防止内部的盐浴溶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。

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，工件进入氧化炉氮化盐与氧化盐反应，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℃，待表面没有反应1h后，才能处理工件。

氮化炉和氧化炉及冷却水槽的侧面必须加引风装置，及时清理其管道以防被基盐或再生盐堵塞，保证气体的顺利排出。若化验出的氰根高，其原因可能是通气量不够、盐浴过热或清渣不良。

清洗水槽定期更换，确保气门及吊筐、氮化板的清洁。

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，到温后用莫尔法化验盐浴成分。根据化验结果添加Z-1再生盐时，应盖上铁板，防止反应的气体外逸出管道，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1kg再生盐可将CNO-提高1％左右。

氮化炉每班捞渣，渣的数量的多少不仅取决于工件的数量、钢材和工件表面积的大小，夹具的形状和大小，而且同细小的加工铁屑或磨料，捆扎用的铁丝的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盐浴中有关，这些物质以细小悬浮物沉积在工件上，或渗氮罐壁或底部，必须从盐浴中去除，此时盐浴的污染程度取决于炉内沉积物的多少，杂物的排除可用人工，也可借助于盐过滤系统，以确保氮化效果，并补充新氮化盐。

严禁工件在氮化过程中加入再生盐，同时禁止将粘有氧化盐的筐或板放入氮化炉中。

煮油槽的机械油应定期更换，当油的颜色变成棕红色时，说明该油已失去防锈作用。

1.3.2.4　气门的热处理工艺分析与实施要点

①气门在热处理后工作过程中，应在600～800℃范围内具有较好的尺寸稳定性、良好的强度和要求硬度等，因此，气门选用的材料多为马氏体耐热钢和奥氏体耐热钢，其含有较高的合金元素，使γ区缩小，S点左移，因此它们属于过共析钢，马氏体耐热钢的加热温度在980～1050℃，温度低于980℃则碳化物溶解不充分，硬度低，力学性能差；高于1050℃则碳化物溶解于奥氏体过多，奥氏体晶粒度粗大，其抗拉强度降低，一般的加热温度在1030～1050℃，需要注意的是，对于高碳的9Cr18MoV钢，则可采用1060～1080℃的加热温度。

奥氏体耐热钢的固溶处理分为半固溶和全固溶处理，随后进行时效处理。应依据气门的具体服役条件来确定，其具体热处理后的技术指标有晶粒度、硬度和析出量等，在固溶过程中应当确保晶粒的均匀一致，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，则应考虑到材料本身的问题。

②关于奥氏体耐热钢的时效后的析出物数量超标问题，多同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，耐蚀性能差，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，其时效温度应低于720℃，否则其析出将在20％以上。

对于析出超标气门的返工处理，其固溶温度比正常的低20～30℃，保温时间缩短10～15min，时效温度与原工艺一致。

③马氏体耐热钢含有较多的合金元素，具有二次回火脆性，因此回火后应快速冷却处理，最简便的方式是水冷。气门热处理后表面存在较多的氧化皮或残盐等，故需要进行气门的喷丸或抛丸处理，随后进行气门的杆部和大头端面或盘锥面的调直，目前采用的多为先机械校直，最后手工校直，需要注意应进行去应力退火处理。

④对于氮化气门而言，校直后和机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％以上的内应力作用，可确保氮化后气门杆部直线度在0.005mm以内，这一点在氮化后气门抛丸上有显著的表现。

⑤气门杆部的镀铬前的粗糙度，对表面状态的影响较大，粗糙度差的表面存在凹凸不平的区域，此处会存积水和腐蚀性等物质，在高温度腐蚀性气体的作用下，对凹坑的浸蚀将加剧表面的腐蚀；其次，气门杆部镀铬后要进行抛光，以获得较高的表面粗糙度，因此最终表面要符合技术要求，必须控制镀铬前的粗糙度，铬在杆部表面沉积的多少同原始表面状况有直接的关系，镀铬后只能降低粗糙度，造成表面质量差；最后对杆部用纸质或布质砂轮对表面进行少量的抛光，其目的是去掉高点铬层，进一步提高气门杆部的光洁度，使其具备要求的性能。由此看来粗糙度高（或差）会对气门表面耐磨性和耐腐蚀产生不良影响，考虑到气门的技术要求和经济性，通常杆部表面粗糙度控制在Ra0.4μm以下。

⑥镀层微裂纹对气门杆部的耐腐蚀性影响，在镀硬铬中加入专用的催化剂来提高电流密度、沉积速度，同时也相应增强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，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。影响其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。

⑦镀层厚度和抛光对气门的影响，镀铬后的气门杆部开始形成的微裂纹被原来沉积的铬层覆盖，实践证明耐腐蚀性随铬层的增加而增强。杆部的抛光至关重要，不抛光的耐腐蚀性差（在中性盐雾中48h，2～5级），而抛光后粗糙度明显改善，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，因此耐腐蚀性增强，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，既可保证渗层的厚度均匀，又提高了表面的光洁度。

气门在电镀过程中，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产生一定的危害，直接影响产品的外观和内在质量，因此严格执行镀铬工艺，掌握纠正的方法显得尤为重要。

气门硬镀铬处理后，应进行除氢处理，具体工艺规范为（200～250）℃×2h，用来消除或降低因析氢而导致的镀层的氢脆，气门镀铬后表面有10μm左右的厚度，该镀层具有很高的硬度和好的耐磨性，作为要工作在高速运动的状态下的汽车发动机上的气门，应当具备以上两点。

⑧针对抛丸气门的技术要求，特别提醒热处理工艺和设计人员，气门氮化前的去应力退火要彻底，应当高出氮化温度20～50℃，但应低于其一次回火温度，否则会造成基体硬度的降低，影响到气门的内在质量。同时氮化前的气门杆部粗糙度应控制在成品要求的1/2～3/4为宜，才能确保氮化后Ra0.5μm以下的技术要求。

⑨为了延长氮碳共渗基盐的使用寿命，应注意加强对盐浴的保养和维护，停炉后捞底部沉淀渣和上方的漂浮渣。作者摸索出一套恢复和维护氮化盐的方法：启炉时将炉温定在520℃，当保温1h后，将烤干后的不锈钢挖渣勺慢慢放盐浴坩埚的底部，轻轻彻底挖渣；当班氮碳共渗完毕立即取出通气管，停炉1～2h后，盐渣全部沉积到坩埚底部，随后挖渣。采用此类方法，一是保持了盐浴的活性，二是延长其使用周期，三是降低了生产成本。因此，使目前气门制造厂家共同探讨的问题得到了妥善解决。另外，对于活性差的盐浴，不要直接倒掉，可对渗层在0.10mm以上重要零件进行氮碳共渗处理，例如热锻模、挺杆、曲轴等零件的表面处理，实践证明该方法十分有效，可明显降低了氮化的成本，做到了完全的利用，节约了大量的资金。

1.3.2.5　气门热处理后的质量检验

气门热处理后的质量检验与其成品的技术要求是一致的，为了便于指导和分析其热处理后的相关要求，现将气门成品的检验项目列于表1-71中，供参考。

1.3.2.6　进、排气门的热处理常见缺陷分析与对策

为了便于分析和判断气门在热处理过程中出现的一些问题和缺陷，有利于指导我们发现和找到问题的根源，从根本上解决影响气门热处理的内在和外观的质量问题，现将常见进、排气门的热处理缺陷分析与对策列于表1-72中，供参考。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。

气门镀铬过程中常见的缺陷归纳整理供参考，具体见表1-73。

气门液体氮碳共渗常见缺陷分析与对策见表1-74。

1.3.2.7　气门的主要失效方式与原因

①锁夹槽断裂。

a.气门小端的淬火长度超过了锁夹槽，造成此处的应力过大。

b.活塞与气门发生撞击。

c.锁夹的内凸筋若与气门锁夹槽型不符，则咬伤锁夹槽。

d.如果摇臂与气门接触位置不正确，气门杆部将会受侧向推力的作用。

②杆部折弯或断裂。

a.锁夹脱落，气门掉入缸内。

b.气门的硬度低或装夹不合理。

c.气门的冲击韧性低和热疲劳强度差。

③锥面烧蚀（或缺损）和漏气。

a.高温气体从气门锥面与座圈接触不严密处逸出，气门座磨损等，造成气门锥面的局部烧蚀，或同材料的高温性能差有关。

b.夹入积炭，落座不良，可能是废气中的固体颗粒及异常的化学腐蚀物质以及高温导致气门锥面蚀坑，可采用气门回转的措施，避免这种情况的出现。

c.冷却效果不良，气门座受热变形，造成局部加热。

④气门头部挤长、折断。气门的高温强度不足，可采用改进气门材料、对气门座和气门四周加水冷却。

⑤其他失效形式有弹簧断裂、气门座圈脱落、皮带断裂或掉牙、气门导管断裂、配气相位紊乱等。

1.3.2.8　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，即对奥氏体耐热钢气门或大头进行固溶+时效或直接时效处理，对马氏体耐热钢气门调质处理，以获得要求的硬度和组织，确保气门的内在质量；其二为提高气门杆部端面的耐磨性而需要进行高频淬火。从以上两个热处理过程来看，在具体操作过程中因操作不当、工艺本身的缺陷、设备的故障、工艺装备的不完善等均会造成质量缺陷，严重的将危及汽车及人身事故，因此决不可掉以轻心，认识缺陷产生的原因，找出科学合理的解决措施，避免该类问题的出现是我们在工作过程中必须努力做到的，同时应特别注意生产过程中产品质量的检查，确实执行首件必检、中间抽检、完工终检的工艺要求，专职检验员要认真把关。气门的热处理检查项目一般是晶粒度、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，因此气门的热处理首件必须查看金相组织，只有这样才能确保气门的热处理质量。下面将气门热处理过程中经常发生的缺陷、产生的原因以及后果加以总结，希望能起到指导作用，具体见表1-75。