汽车零件热处理实用技术-气门挺杆成形方式分析

2023-08-18 理论教育版权反馈

【摘要】：在大批生产中，钢制气门挺杆通常通过冷挤压或热镦成形。

1.工作条件与技术要求

气门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，将凸轮作用于它的推力传给推杆，以此来传递动力，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接触，彼此之间的摩擦力较大，挺杆与凸轮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。挺杆有菌式、筒式和滚轮式三种，其底部分球面和平面两类。对挺杆的技术要求为表面有高的硬度和耐磨性，基体组织具有良好的综合力学性能。

一般气门挺杆的构造如图3-37所示，从图中可以看出，挺杆的下部有油孔，经推杆流入挺杆的机油从油孔流出润滑凸轮和挺杆。其损坏形式为磨损、擦伤和接触疲劳破坏。

从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:一定的强度和韧性，表面有高的硬度和良好的耐磨性，高的抗擦伤能力等。

2.材料的选用

从上述挺杆的受力分析可知，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，因此必须提高它们的耐磨性和抗擦伤性，经过表面强化处理的合金铸铁挺杆和凸轮轴，耐磨性和抗擦伤性得到提高。凸轮与挺杆组合后，其失效形式多为二者异常磨损，一般为点蚀（Pit-ting)和刮伤（Scuffing)两大类，二者的相互摩擦短时间内会早期的熔化磨损。气门挺杆材料一般选用渗碳钢、中碳钢和铸铁等，气门挺杆与凸轮轴材料的选用见表3-33。凸轮和挺杆产生异常磨损的原因和对策见表3-34。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。可用磷酸膜或铁氧体（Ferrox)进行表面处理，这种方法对提高早期的磨合性十分有效，从而防止刮伤。

图3-37 气门挺杆的构造

a)菌式 b)筒式 c)滚轮式

表3-33气门挺杆与凸轮轴材料的选用

表3-34凸轮和挺杆产生异常磨损的原因和对策

凸轮和挺杆材料的典型组合实例见表3-35。

表3-35凸轮和挺杆材料的典型组合实例

3.机械加工工艺流程

（1)渗碳钢挺杆常用渗碳钢主要有15Cr、20Cr、20等，它们正火后具有良好的韧性、强度和理想的金相组织，经渗碳或碳氮共渗处理表面形成高的硬度和耐磨性，而内部有一定的强度和良好的韧性。其流程为:下料→锻造→机械加工成形→渗碳或碳氮共渗→热处理→精加工→表面处理。渗碳层和碳氮渗层深0.6～1.5mm即可满足工作需要，内螺纹应避免渗碳或碳氮共渗，否则螺纹的硬度高、脆性大，会在工作过程中出现早期失效。

（2)中碳钢挺杆通常选用45钢和45Cr钢，中碳钢经调质处理后，整体形成索氏体组织，具有最佳的综合力学性能，最终热处理方式为高频感应淬火，硬化层深度在2mm以上，硬度大于55HRC。

（3)合金铸铁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:①整体铸造合金挺杆；②用钢制造杆体，在头部焊上合金铸铁；③单体铸造合金铸铁挺杆头与钢制杆体对焊。

以整体铸造合金铸铁挺杆为例，其加工流程为:铸造→间接端部冷激→机械加工→去应力退火→精加工→表面处理→成品，其硬化层深度应大于2mm。

筒式挺杆的简单工艺流程为:棒料切割→料头淬火→抛丸、磷化、皂化→冷挤压→齐总长和堆焊槽→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。

（4)20钢挤压、堆焊合金通常采用20钢或25钢进行反挤压成形，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→堆焊合金→抛丸→机械加工等→磷化→成品检验。

4.挺杆的热处理工艺

挺杆和凸轮轴是一对摩擦副，因此两者材料的选用和热处理的要求是相互制约的。在大批生产中，钢制气门挺杆通常通过冷挤压或热镦成形。挺杆和凸轮轴材料的选用与热处理工艺见表3-36，凸轮和挺杆的表面硬度见表3-37。

表3-36挺杆和凸轮轴材料的选用和热处理工艺

表3-37凸轮和挺杆表面硬度

（1)渗碳钢挺杆的热处理这里以15Cr钢为例，分析其热处理工艺规范和注意事项。

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，具体流量根据渗层厚度、炉膛体积以及装炉量的多少而定，试样抽查合格后，随炉冷却。

2)渗碳后的挺杆需重新进行热处理。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。为防止挺杆表面出现脱碳现象，热处理的加热是在盐浴炉中进行的，淬火工艺装备具有吊挂式结构，材料为Q235钢，上面焊有许多短柱，将挺杆挂在上面。加热温度为840～850℃，每挂保温8min，在机械油中油冷，淬火后的端面硬度大于62HRC；为了确保硬度符合要求，在硝盐炉中的回火温度为180～200℃，保温90min，硬度为54～62HRC。

挺杆回火后应清洗干净，除净回火粘附的硝盐等，防止其表面锈蚀，影响挺杆的使用性能。该类挺杆的缺点为储油性差和耐磨性较差，容易出现表面擦伤。

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。

（2)合金铸铁挺杆的热处理采用合金铸铁制造挺杆，可使基体硬度提高，其使用性能与挺杆的显微组织、表面及心部硬度、表层和次表层的残留应力等有关，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，显微组织中回火马氏体基体上分布的针状碳化物以及出现的点状、片状石墨均提高使用性能，表面硬度越高则耐磨性越好。几种常见合金铸铁挺杆的化学成分见表3-38。

表3-38几种常见合金铸铁挺杆的化学成分

（3)冷激合金铸铁挺杆的热处理冷激铸铁（采用干砂型铸造，端面加冷铁激冷获得的)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削成微凹坑又起到储油的作用，从而使得其耐磨性、减摩性和储油性较好。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，确保脱氧彻底。

冷激合金铸铁挺杆的热处理工艺见表3-39。

表3-39冷激合金铸铁挺杆的热处理工艺

（续)

需要注意的是气门挺杆（CA141)采用铬钼铜合金铸铁制造，其工艺为时效处理＋淬火处理＋磷化处理，时效处理为550℃×3h空冷，淬火处理为840～860℃×0.5h油冷，金相组织为淬火马氏体＋少量点状石墨＋碳化物，硬度为58～62HRC，提高了挺杆的硬度与耐磨性。

另外为提高使用寿命，在冷激铸铁端面上高频堆焊合金，然后在300℃进行回火处理，其作用为减小加热引起的应力集中，同时不会降低表面的残留压应力，因此使挺杆的使用寿命明显提高。

合金铸铁的铸态金相组织如下:基体为细珠光体，挺杆底部经冷激后工作表面为针状渗碳体、莱氏体和适量石墨。挺杆的热处理工艺参数和技术指标见表3-40。

表3-40挺杆的热处理工艺参数和技术指标

通常挺杆热处理后工作面部分的硬度如下:钢制挺杆和冷激铸铁挺杆渗碳后为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，铸铁挺杆为241～285HBW。

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存在下列缺陷:裂纹、变形、表面性能不高等。考虑到上述因素，选用火焰淬火可确保产品质量合格和质量稳定，同时降低了生产成本，取得了良好的效果，挺杆的火焰自动淬火设备示意图如图3-38所示，挺杆经振动料斗进入排料槽，由送料机构送入带有旋转机构的孔座内，同时乙炔加热喷嘴对挺杆底面进行加热，加热到设定时间后，挺杆被打料杆弹出滑入油槽冷却，然后进行下一轮循环。

挺杆的材料选用铬钼铜（CrMoCu)冷激合金铸铁，其火焰淬火工艺参数为:加热温度为860～900min，挺杆的转速30～60r/min，在180～200℃回火120min后空冷。

检测结果:硬化层深度大于3mm；冷激层深度大于4mm；挺杆端面的硬度为63～69HRC，杆部硬度为93～104HBW；金相组织要求石墨1～2级，渗碳体1～3级，渗碳体数量1～3级。

图3-38 挺杆的火焰自动淬火设备示意图

1—油槽 2—挺杆 3—乙炔加热喷嘴 4—振动料斗 5—排料槽 6—送料机构 7—旋转打料装置

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粉无损检测，以确保挺杆的内在质量合格，同时也避免了后面工序的无价值的加工。

（4)挺杆的表面处理在气体或液体介质中进行表面处理后，挺杆表面的硬度提高、耐蚀性增强，端面和内球窝抗冲击性提高，因此其使用寿命得到提高。挺杆的氮碳共渗一般采用液体氮碳共渗工艺，氮碳共渗的技术要求和工艺参数如下:加热温度560～585℃，共渗时间2～3h，氮碳层深≥0.05mm，表面硬度≥850HV0.2，处理后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。

1)挺杆的氮碳共渗处理。可进行氮碳共渗处理的气门挺杆材料通常为Cr12W和合金铸铁两种。氮碳共渗的技术要求为:氮碳共渗层深度≥0.05mm，白亮层深度在0.006mm以上，表面硬度在850HV0.2以上，基体硬度≥43HRC，挺杆的氮碳共渗工艺流程参见气门氮碳共渗部分的内容。

图3-39所示为气门挺杆的液体氮碳共渗工艺曲线，图3-40所示为气门挺杆的金相照片，实际测出氮碳共渗层深度为0.06mm，硬度在900HV0.2以上，符合技术要求。从图中可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。

图3-41所示为Cr12W钢制挺杆工作面的氮碳共渗腐蚀缺陷，其是由渗氮盐腐蚀产生的，而花斑则为盐渣沉积在工作面上所致，图3-42所示为Cr12W钢制挺杆工作面的抛丸花斑，这是抛丸前表面有水造成的，图3-43所示为Cr12W钢制挺杆工作面的剥落情况，是氧化后激冷所致。

图3-39 气门挺杆液体氮碳共渗工艺曲线

图3-40 气门挺杆氮碳共渗后的金相组织（×600）

图3-41 Cr12W钢制挺杆工作面的氮碳共渗腐蚀缺陷

图3-42 Cr12W钢制挺杆工作面的抛丸花斑

Cr12W钢制挺杆氮碳共渗后开裂。钢制气门挺杆是采用Cr12W钢制造的，其工艺流程为下料→加热→热挤压→球化退火→车加工→磨加工→钻孔→淬火→高温回火→空冷→磨削加工→磁粉无损检测→氮碳共渗→发蓝处理→清洗→抛丸→防锈→磨外圆→研磨球窝→检验→刻字→包装等，在成品检验时发现有部分挺杆出现端面裂纹，甚至为通裂，沿着出油孔开裂，如图3-44与图3-45所示。钢制挺杆的热处理要求为基体硬度≥43HRC，氮碳共渗层深度≥0.033mm，表面硬度在850HV0.2以上，脆性小于2级。

从挺杆裂纹的形态分析，其在氮碳共渗前进行磁粉无损检测，由于Cr12W钢为高合金钢，回火后采用空冷，故排除了热处理过程中出现裂纹的可能性，液体氮碳共渗处理的流程为串筐→清洗→预热→氮碳共渗→发蓝处理→清洗→抛丸→防锈。氮碳共渗后进行发蓝处理，有效减小了内外温差，避免因冷却过于激烈而导致开裂，经过检验得知，图3-45中裂纹处的白色物质为氮碳基盐与氧化盐，进行金相分析未发现裂纹处有氧化脱碳现象，也未发现有氮碳共渗层存在。

大部分挺杆开裂时是穿过出油孔的，表明此处流动性强，散热快，冷却十分激烈，而工作面底部的厚度比壁厚大得多，故内外热应力大。挺杆发蓝处理后的清洗水温为40～80℃，采用的氮碳共渗工艺装备如图3-46所示，挺杆紧密排列在一起，从氧化炉提出后的挺杆表面温度为300～350℃，停留一段时间后进行清洗，由于筐边缘的挺杆温度低，而筐心（中间)部分的挺杆仍会有较高的温度，故在清洗时温差较大，产生大的热应力导致开裂。

针对此问题，可采取的措施为:发蓝处理后的挺杆放置到室温后清洗；提高生产率，改进氮碳共渗工艺装备，采用可抽拉式的，将发蓝处理后的挺杆网板取出空冷，可避免挺杆冷却不当而产生的裂纹缺陷。

图3-43 Cr12W钢制挺杆工作面的剥落情况

图3-44 Cr12W钢制挺杆抛丸后的裂纹（毛坯）

图3-45 Cr12W钢制挺杆的端面裂纹（成品）

2)挺杆的磷化处理。挺杆的磷化处理是在某些酸性磷酸盐为主的溶液中进行的，是使挺杆表面发生沉积，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组成的，形成有许多细小裂缝的多孔结构，可以使挺杆表面的耐磨性、减摩性和吸附性得到较好的改善。处理后磷化膜的厚度为1～50μm，基体的硬度和磁性等均保持不变。

图3-46 挺杆氮碳共渗工艺装备简图

磷化的工艺流程为: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、细小，满足挺杆表面耐磨性、耐蚀性等的要求，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，化学脱脂溶液的配方为氢氧化钠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。然后使用8080清洗剂，所配体积分数为10％，温度为30～60℃，时间为10～15min。酸洗采用18％～24％的盐酸，温度为50～70℃，时间为5～10min即可。

挺杆的磷化通常采用中温磷化工艺，温度为50～70℃，溶液中游离酸度与总酸度比值为1∶（10～15)，时间为5～15min。此时游离酸度比较稳定，具有时间短、生产率高、磷化膜稳定和耐蚀性高等特点，常用中温磷化处理的溶液成分和工艺条件见表3-41。需要说明的是配方1～4为常用的磷化配方，配方5为合金铸铁耐磨防锈磷化工艺，配方6为高磷灰铸铁磷化配方，配方7为45钢用配方，配方8为激光热处理前的预磷化处理配方。

表3-41常用中温磷化处理的溶液成分和工艺条件

（续)

磷化后的处理完全取决于产品的用途，通常磷化膜后处理溶液的成分及工艺条件见表3-42。

表3-42磷化膜后处理溶液的成分及工艺条件

挺杆磷化膜的质量检验分为外观检验、耐蚀性检验和厚度与质量检验等几项，外观上应为连续、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。耐蚀性检验可用浸入法、点滴法等，浸入法是将磷化后的样板浸入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，厚磷化膜、中等厚度磷化膜和薄磷化膜的时间分别为5min、2min和大于1min时，视为合格。厚度可用非磁性测厚仪检验，也可切片测磷化层厚度。质量测量是通过测量磷化膜剥离前后样品的质量实现的（用于精密产品)。

5.热处理工艺分析与操作要点

1)15Cr、20、20Cr等材料的挺杆渗碳过程与普通的渗碳无大的区别，其渗碳层的深度以试样来进行间接检测，不允许出现网状或块状的碳化物、表面到内部渗碳层的浓度梯度过陡等情况，该类缺陷将造成热处理后挺杆表面掉块、耐磨性差等，导致使用寿命明显降低。

2)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，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组织。

3)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)的热处理淬火温度为860～880℃，保温时间的长短将对硬度有直接的影响，在盐浴炉中的保温时间超过15min时，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。热处理检查内容有硬度、石墨数量（体积分数<10％)以及碳化物的数量（体积分数>30％)。

4)挺杆火焰淬火时，应关注设备各部件、流量计及压力表运转是否正常，挺杆中心与火焰喷嘴的同轴度应小于1mm，端面与喷嘴的垂直度应小于1mm，喷嘴距离加热表面的距离应为50mm左右，乙炔、氧气的流量与压力应符合工艺要求，淬火油温应控制在40～80℃范围。

5)挺杆的表面处理主要包括氮碳共渗和磷化，其中氮碳共渗多应用于高合金钢和合金铸铁等材料，它们的回火温度均高于氮碳共渗温度，共渗层深度大多在0.03mm以上，硬度在850HV以上，质量缺陷多为表面粗糙度超差（腐蚀)、硬度低以及清洁度低等。

6)钢制挺杆氮碳共渗后表面缺陷有腐蚀、花斑等，故应防止渗氮时间过长，应彻底渗氮盐以及加强过程清洗等，避免表面存有残盐以及水痕迹等。

7)需要注意的是20钢、25钢挺杆的反挤压过程中，如果未进行退火处理，毛坯硬度在121HBW以上，则容易引起挤压时变形困难，将导致挤压凸模断裂。图3-47所示为一支挺杆毛坯未进行退火处理，出现凸模断裂的实物图片。