氣門挺桿熱處理缺陷分析與對策

濟南沃德汽車零部件有限公司 （山東 250030） 王忠誠 王 東 孫志剛

一、概述

隨著柴油發動機的更新換代，大功率的動力驅動挺桿需求量增加，鋼制挺桿應運而生，它是發動機上的關鍵部件，在工作過程中與凸輪反復進行高應力的面接觸，彼此之間的摩擦力較大，挺桿與凸輪相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。因此，挺桿應具有力學性能為：①具有一定的強度和韌性。②表面有高的硬度和良好的耐磨性。③具有高的抗擦傷能力。

Cr12W屬于高耐磨鉻鋼，高碳和高鉻萊氏體鋼，具有較高的淬透性、淬硬性、強韌性、耐磨性，以及淬火體積變形小等特點，為滿足鋼制氣門挺桿的服役要求，故選用Cr12W、Cr12等材料制作鋼制挺桿。

某類鋼制挺桿毛坯外圓為φ38.45－0－0.05mm，氮碳共滲前外圓φ38.15－0－0.03mm，成品外圓φ38－0.025－0.050mm。其熱處理后的基體硬度≥43HRC，內孔橢圓變形量在0.05mm以內。在液體氮碳介質中進行表面處理后，滲層深度≥0.033mm，表面硬度≥850HV0.2，脆性小于2級。

二、鋼制挺桿熱處理缺陷與產生原因

鋼制挺桿采用Cr12W鋼制造，其壁厚為2mm，為薄壁零件，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→磁粉檢測→液體氮碳共滲→清洗→拋丸→防銹→磨外圓→研磨球窩→檢驗→刻字→包裝。

1.挺桿的孔變形（橢圓）

該鋼制挺桿熱處理流程為淬火→高溫回火→拋丸→防銹。其熱處理工藝為960～980℃×35min油冷+570～590℃×180min空冷，挺桿躺在網帶爐上進行加熱，硬度為≥43HRC。移入加工車間磨削桿部外圓時，出現部分桿部沒有磨出來的現象，經對未磨削的桿部直徑尺寸檢查，發現桿部呈橢圓狀。

造成鋼制挺桿桿部為橢圓的原因主要有兩點：一是該薄壁筒狀挺桿沒有進行預備熱處理，機械加工應力沒有釋放與消除，而直接加熱淬火，故出現應力變形；二是其躺在網帶上進行加熱，造成上下薄壁加熱的不均勻，加上重力的作用，造成挺桿橢圓的產生。

2.鋼制挺桿氮碳共滲缺陷

鋼制挺桿氮碳共滲缺陷有表面腐蝕、開裂與端面起皮、端面花斑等。鋼制挺桿液體氮碳共滲的普通工藝流程為：浸泡→漂洗→噴淋→預熱→氮碳共滲→氧化→冷卻→清洗→光飾或拋丸→煮油。

在對某一批鋼制挺桿成品檢驗時，發現有部分挺桿出現表面腐蝕（見圖1）、開裂（見圖2、圖3），其中圖2端面裂紋甚至為通裂，沿著出油孔開裂。圖4為端面起皮（剝落），圖5為端面花斑，成為影響該挺桿質量的主要缺陷。圖6為氮碳共滲采用的工裝。

（1）鋼制挺桿端面腐蝕產生原因 在調整鹽浴成分過程中，氮碳共滲中反應產生的中間產物為M2CO3，與再生鹽Z-1（化學結構類似一種有機物C-H-N的聚合物）反應，使原來生成的碳酸鹽又重新形成活性的氰酸鹽。產生氰酸鹽、一氧化碳后，恢復了基鹽的活性，反應過程中需要不間斷地向鹽浴中通入空氣，以得到活性的氮碳原子，此時氰酸根含量較高，同時空氣中氧氣與挺桿在鹽浴中反應，造成表面的氧化腐蝕。另外，氮碳共滲后未及時氧化，中間挺桿在較高溫度下與空氣接觸而氧化腐蝕。

圖1 鋼制挺桿氮碳共滲表面腐蝕

圖2 鋼制挺桿氮碳共滲拋丸后裂紋

圖3 鋼制挺桿端面裂紋（成品）

圖4 鋼制挺桿氮碳共滲表面起皮（剝落）

圖5 鋼制挺桿氮碳共滲表面花斑

圖6 鋼制挺桿氮碳共滲用工裝

（2）鋼制挺桿開裂與端面起皮（剝落）產生原因 對開裂的挺桿進行檢查，化學成分見附表。

由附表可見，該材料的化學成分符合要求。硬度檢驗結果：基體硬度為45.5HRC，表面硬度為900HV0.2，符合技術要求。其液體氮碳共滲工藝曲線如圖7所示，無異常，氮碳共滲與基體組織如圖8所示，可以看到化合物層致密，滲層深度為0.0425mm，白亮層深度為0.0065mm，脆性1級，內部有個別大的碳化物，金相組織無異常。

Cr12W氣門挺桿的化學成分（質量分數 ） （%）

圖7 氣門鋼制挺桿液體氮碳共滲工藝曲線

圖8 氣門鋼制挺桿液體氮碳共滲化合物層分布

從挺桿裂紋的形態分析，其在氮碳共滲前有磁粉檢測，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。氮碳共滲采用的液體軟氮化處理，其流程為：串筐→清洗→預熱→氮碳共滲→氧化處理→清洗→拋丸→防銹。而氮碳共滲后進行氧化處理，有效減少了內外溫差，經過化驗得知，圖2中裂紋處的白色物質為泛出的氮碳基鹽與氧化鹽的成分，進行金相分析沒發現裂紋處有氧化脫碳現象，也沒有氮碳共滲層存在。

大部分挺桿開裂通過出油孔，表明此處流動性強，冷卻十分劇烈，而工作面底部的厚度比壁厚厚的多，故內外熱應力大。挺桿氧化后的清洗水溫為40～80℃，采用的氮碳共滲工裝見圖6，挺桿是口向下緊密排列在一起的，考慮到高合金鋼的導熱性差，從氧化爐提出后的挺桿表面溫度約為350℃，在停留一段時間后進行清洗，由于筐邊緣的挺桿散熱快，而筐中心部位的挺桿仍會有較高的溫度，故在清洗時溫差較大，從而產生大的熱應力導致開裂。

通過對端面起皮的挺桿進行檢測，發現其起皮（剝落）的厚度為氮碳共滲層的深度，表明是氮化層與挺桿基體分離了，這發生在中間的氣門挺桿上，仍為冷卻過早造成。

（3）鋼制挺桿端面花斑產生原因 對氮碳共滲后的挺桿進行拋丸處理后，發現端面有時批量出現的花斑，其原因在于氮碳共滲前后清洗不干凈造成的，軟氮化前表面黏附臟物（包括磨削液、油污、防銹劑等）未清理干凈，端面存在水跡；軟氮化后表面與型腔內水及臟物未洗干凈，在拋丸過程中落入挺桿表面形成花斑。另外在進行挺桿拋丸裝架時，挺桿端面留有手印或戴沾油的工作手套放置挺桿等，同樣會出現花斑等缺陷。

三、鋼制挺桿缺陷的預防措施

1.對于變形的控制與預防

淬火前要消除機械加工應力，將挺桿在圓筐中孔向上擺放整齊，在井式爐中進行600℃×4h的去應力退火處理；同時將躺在網帶上加熱，改為孔向上擺放加熱，確保筒狀薄壁挺桿均勻加熱。事實證明措施有效，再沒有出現變形缺陷。

2.對于氮碳共滲后鋼制挺桿缺陷的預防

（1）端面腐蝕 鹽浴調整成分過程中，嚴禁放入需要氮碳共滲的挺桿；挺桿在在氮碳共滲后立即進行氧化處理，停留20min取出空冷到100℃左右用80℃的熱水清洗；徹底撈渣，防止鹽渣過多。

（2）端面裂紋與剝落 可采取的措施如下：①將氮碳共滲與氧化后的整架挺桿放置到室溫后清洗。②為有效提高生產效率，改進氮碳共滲工裝，即改為可抽拉式，將氧化后放置挺桿的網板取出空冷，可完全避免因挺桿冷卻不當而產生裂紋與剝落缺陷。

（3）端面花斑 加強挺桿預熱前的清洗，采用的金屬清洗劑應能將挺桿在車削、磨削加工過程中使用的切削液、磨削液及乳化油等浸泡干凈。鹽浴的撈渣要徹底，避免渣多黏附在端面上。另外，挺桿在拋丸前應將內孔臟物清洗干凈，防止滴落的臟水落在下一層的挺桿端面上形成花斑。同時擺放拋丸挺桿時，禁止徒手或戴沾油的手套操作。

（20121105）