第3章 柴油机配气机构气门热处理

第3章柴油机配气机构气门热处理3.1气门的热处理工艺规范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，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。

从制造流程中可知气门的制造方式取决于内燃机对气门的要求，在热处理过程中的热处理方法有明显不同。

气门的调质要求杆部直线度≤0.15mm，端面或盘锥面跳动过≤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、过热及过烧现象，不得影响非加工表面的使用性能。

（1）整体低合金钢和马氏体耐热钢的热处理：对整体低合金结构钢和马氏体耐热钢制造的气门，热处理方式为调质处理（淬火+高温回火），以得回火索氏体组织，基体硬度在28~37HRC。

热处理工艺流程为：淬火→一次回火→抛丸→调质→二次回火→二次抛丸→调质。

两种材料的气门热处理工艺如图3-1所示。

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炉中、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，以防气门的氧化和脱碳，氮化的纯度必须达到98%以上。

需要注意一点，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，目的是40Cr、45Mn2等合金钢以及4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo等马氏体耐热钢均在450~700ºC范围内有二次回火脆性，因此必须快速冷却，水温要低于80ºC，多采用循环水做冷却介质。

常见马氏体耐热钢气门的一般热处理工艺规范见表3-1所示。

表3-1 马氏体耐热钢气门的热处理工艺规范材料牌号淬火工艺规范回火工艺规范备注加热温度/ºC冷却介质淬火硬度/HRC回火温度/ºC冷却介质回火硬度/HRC4Cr9Si2 4Cr10Si2Mo5Cr8Si2 5Cr8Si3 1030~10507#机械油或0#柴油，温度不大于80/ºC54550590610630650670690710循环水，温度小于50/ºC41~4535~4033~3831~3629~3528~3326~3124~30气门的硬度是指圆柱面硬度，通常最终的硬度依据平面硬度，因此可按圆柱面与平面的修整值，编制相应的回火温度和硬度范围8Cr20Si2Ni1040~1070650 670 690 71034~39 32~37 30~37 28~339Cr18Mo2V1060~1080注：1.气门的直径分为五类：小于6.5mm、>6.5~8.0mm、>8.0~10.0mm、>10.0~12.0mm 以及大于12mm等，同种材料直径不同、回火温度相同，回火后硬度出入较大。

2.对直径7mm以下的气门，建议采用比推荐的回火温度高10~20ºC，这是考虑到其抗回火稳定性强的原因。

3.同一支气门硬度差要在4HRC以内，硬度测量以三个硬度的平均值为准，两点之间的距离在20mm以上，来确保硬度的真实性。

4.对回火后圆柱面硬度低于工艺要求的气门，不要轻易做出重新淬火的结论，应认真对待，以最终切平面作为唯一的判定依据。

5.对出炉后硬度高于工艺要求的气门，二次回火的温度即使维持原温度，也能将硬度降下来，在于回火索氏体经过一次回火后，其金相组织结构又发生了变化的结果。

6.气门料杆和同直径气门的热处理工艺相同，均必须避免表面脱碳和氧化现象发生，即气门的表面状态和化学成分没有改变，负责将会直接影响其使用寿命。

7.对于气门要求回火后硬度在40HRC以上的马氏体耐热钢整体气门，为防止热处理后变形太大、硬度高造成调质困难、容易造成杆部断裂或气门盘部端面锤击掉块，通常在热处理前750ºC左右保温2h进行退火处理，降低气门热成形后盘部的硬度，将杆部直线度和锥面跳动控制在0.10mm以下，则极大减轻了热处理后校直的负担，加快了生产进度，目前国内气门制造行业广泛推广了该工艺方法，取得了明显的经济效益和社会效益。

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（1000ºC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，基本解决了问题，目前国内气门制造厂已经将该设备用于马氏体耐热钢和中碳合金钢的热处理，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，节约了大量的人力、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：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700ºC一下具有良好的强度、硬度和较好的抗腐蚀性能。

该类材料如加热温度小于980ºC，则表面形成裂纹，当温度超过1200ºC，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%。

热处理工艺流程为固溶（或仅时效处理）→调质→时效处理→抛丸→调质。

固溶气门盐浴炉的热处理工艺规范如图3-2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/ºC的温度下，可有效消除锻造裂纹。

固溶温度越高，则其效果越好，晶界沉淀数量增加。

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，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熔炉的设计与制造，并小批量的试生产，它具有装炉量大、节能的特点，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。

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。

作为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；析出物程弥散状均匀分布在基体上，在高温长期使用时具有高的稳定热处理过程中，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。

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。

（3）气门的杆部端面淬火、阀口淬火或阀口的堆焊：为了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。

这这里需要引起重视的是淬火的热影响区不允许出现在锁夹槽内。

气门阀口或锥面与气门座底反复贴合，因此其表面要具有高的硬度和良好的耐磨性，气门生产厂家一般采用对锥面进行高频淬火的方法，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，淬火后应立即进行低温回火处理。

为了提高气门锥面的耐磨性和抗腐蚀性，在锥面焊一层硬质合金，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。

3.2气门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，通常有镀铬和碳氮共渗两类，它们的处理工艺如下。

1.气门的杆部镀铬气门镀铬后干部的表面质量要求如下。

·干部光泽均匀，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800HV；·镀铬层厚度一般在0.005~0.030mm。

其测量即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的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8~10um,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（堆焊）气门，弯曲的位置应在对焊区域内进行。

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。

气门杆部直径与弯曲角度的关系见表3-2。

表3-2 气门杆部直径与弯曲角度的关系气门的干部直径/mm 弯曲角度/（º）气门的干部直径/mm 弯曲角度/（º）<10 20~30>15~2015~20>10~1520~25>20 10~15（1）气门杆部镀铬工艺：气门杆部镀铬的目的为气门在高温的腐蚀性气体中，要承受气冲刷和反复的作用，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R0.4uma以下。

气门的镀铬是硬度铬，其总的工艺流程为:机械预处理→预除油→上挂具、按屏蔽物、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→后续加工。

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。

0.4um）→（2）气门镀硬铬的工艺流程：镀前磨削加工→表面超精加工→（Ra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60~70ºC）→反克（反响溶解铬层，时间0.7s）→清洗。