气门挺杆热处理缺陷分析与对策

济南沃德汽车零部件有限公司 （山东 250030） 王忠诚 王 东 孙志刚

一、概述

随着柴油发动机的更新换代，大功率的动力驱动挺杆需求量增加，钢制挺杆应运而生，它是发动机上的关键部件，在工作过程中与凸轮反复进行高应力的面接触，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。因此，挺杆应具有力学性能为：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具有高的抗擦伤能力。

Cr12W属于高耐磨铬钢，高碳和高铬莱氏体钢，具有较高的淬透性、淬硬性、强韧性、耐磨性，以及淬火体积变形小等特点，为满足钢制气门挺杆的服役要求，故选用Cr12W、Cr12等材料制作钢制挺杆。

某类钢制挺杆毛坯外圆为φ38.45－0－0.05mm，氮碳共渗前外圆φ38.15－0－0.03mm，成品外圆φ38－0.025－0.050mm。其热处理后的基体硬度≥43HRC，内孔椭圆变形量在0.05mm以内。在液体氮碳介质中进行表面处理后，渗层深度≥0.033mm，表面硬度≥850HV0.2，脆性小于2级。

二、钢制挺杆热处理缺陷与产生原因

钢制挺杆采用Cr12W钢制造，其壁厚为2mm，为薄壁零件，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→磁粉检测→液体氮碳共渗→清洗→抛丸→防锈→磨外圆→研磨球窝→检验→刻字→包装。

1.挺杆的孔变形（椭圆）

该钢制挺杆热处理流程为淬火→高温回火→抛丸→防锈。其热处理工艺为960～980℃×35min油冷+570～590℃×180min空冷，挺杆躺在网带炉上进行加热，硬度为≥43HRC。移入加工车间磨削杆部外圆时，出现部分杆部没有磨出来的现象，经对未磨削的杆部直径尺寸检查，发现杆部呈椭圆状。

造成钢制挺杆杆部为椭圆的原因主要有两点：一是该薄壁筒状挺杆没有进行预备热处理，机械加工应力没有释放与消除，而直接加热淬火，故出现应力变形；二是其躺在网带上进行加热，造成上下薄壁加热的不均匀，加上重力的作用，造成挺杆椭圆的产生。

2.钢制挺杆氮碳共渗缺陷

钢制挺杆氮碳共渗缺陷有表面腐蚀、开裂与端面起皮、端面花斑等。钢制挺杆液体氮碳共渗的普通工艺流程为：浸泡→漂洗→喷淋→预热→氮碳共渗→氧化→冷却→清洗→光饰或抛丸→煮油。

在对某一批钢制挺杆成品检验时，发现有部分挺杆出现表面腐蚀（见图1）、开裂（见图2、图3），其中图2端面裂纹甚至为通裂，沿着出油孔开裂。图4为端面起皮（剥落），图5为端面花斑，成为影响该挺杆质量的主要缺陷。图6为氮碳共渗采用的工装。

（1）钢制挺杆端面腐蚀产生原因 在调整盐浴成分过程中，氮碳共渗中反应产生的中间产物为M2CO3，与再生盐Z-1（化学结构类似一种有机物C-H-N的聚合物）反应，使原来生成的碳酸盐又重新形成活性的氰酸盐。产生氰酸盐、一氧化碳后，恢复了基盐的活性，反应过程中需要不间断地向盐浴中通入空气，以得到活性的氮碳原子，此时氰酸根含量较高，同时空气中氧气与挺杆在盐浴中反应，造成表面的氧化腐蚀。另外，氮碳共渗后未及时氧化，中间挺杆在较高温度下与空气接触而氧化腐蚀。

图1 钢制挺杆氮碳共渗表面腐蚀

图2 钢制挺杆氮碳共渗抛丸后裂纹

图3 钢制挺杆端面裂纹（成品）

图4 钢制挺杆氮碳共渗表面起皮（剥落）

图5 钢制挺杆氮碳共渗表面花斑

图6 钢制挺杆氮碳共渗用工装

（2）钢制挺杆开裂与端面起皮（剥落）产生原因 对开裂的挺杆进行检查，化学成分见附表。

由附表可见，该材料的化学成分符合要求。硬度检验结果：基体硬度为45.5HRC，表面硬度为900HV0.2，符合技术要求。其液体氮碳共渗工艺曲线如图7所示，无异常，氮碳共渗与基体组织如图8所示，可以看到化合物层致密，渗层深度为0.0425mm，白亮层深度为0.0065mm，脆性1级，内部有个别大的碳化物，金相组织无异常。

Cr12W气门挺杆的化学成分（质量分数 ） （%）

图7 气门钢制挺杆液体氮碳共渗工艺曲线

图8 气门钢制挺杆液体氮碳共渗化合物层分布

从挺杆裂纹的形态分析，其在氮碳共渗前有磁粉检测，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。氮碳共渗采用的液体软氮化处理，其流程为：串筐→清洗→预热→氮碳共渗→氧化处理→清洗→抛丸→防锈。而氮碳共渗后进行氧化处理，有效减少了内外温差，经过化验得知，图2中裂纹处的白色物质为泛出的氮碳基盐与氧化盐的成分，进行金相分析没发现裂纹处有氧化脱碳现象，也没有氮碳共渗层存在。

大部分挺杆开裂通过出油孔，表明此处流动性强，冷却十分剧烈，而工作面底部的厚度比壁厚厚的多，故内外热应力大。挺杆氧化后的清洗水温为40～80℃，采用的氮碳共渗工装见图6，挺杆是口向下紧密排列在一起的，考虑到高合金钢的导热性差，从氧化炉提出后的挺杆表面温度约为350℃，在停留一段时间后进行清洗，由于筐边缘的挺杆散热快，而筐中心部位的挺杆仍会有较高的温度，故在清洗时温差较大，从而产生大的热应力导致开裂。

通过对端面起皮的挺杆进行检测，发现其起皮（剥落）的厚度为氮碳共渗层的深度，表明是氮化层与挺杆基体分离了，这发生在中间的气门挺杆上，仍为冷却过早造成。

（3）钢制挺杆端面花斑产生原因 对氮碳共渗后的挺杆进行抛丸处理后，发现端面有时批量出现的花斑，其原因在于氮碳共渗前后清洗不干净造成的，软氮化前表面黏附脏物（包括磨削液、油污、防锈剂等）未清理干净，端面存在水迹；软氮化后表面与型腔内水及脏物未洗干净，在抛丸过程中落入挺杆表面形成花斑。另外在进行挺杆抛丸装架时，挺杆端面留有手印或戴沾油的工作手套放置挺杆等，同样会出现花斑等缺陷。

三、钢制挺杆缺陷的预防措施

1.对于变形的控制与预防

淬火前要消除机械加工应力，将挺杆在圆筐中孔向上摆放整齐，在井式炉中进行600℃×4h的去应力退火处理；同时将躺在网带上加热，改为孔向上摆放加热，确保筒状薄壁挺杆均匀加热。事实证明措施有效，再没有出现变形缺陷。

2.对于氮碳共渗后钢制挺杆缺陷的预防

（1）端面腐蚀 盐浴调整成分过程中，严禁放入需要氮碳共渗的挺杆；挺杆在在氮碳共渗后立即进行氧化处理，停留20min取出空冷到100℃左右用80℃的热水清洗；彻底捞渣，防止盐渣过多。

（2）端面裂纹与剥落 可采取的措施如下：①将氮碳共渗与氧化后的整架挺杆放置到室温后清洗。②为有效提高生产效率，改进氮碳共渗工装，即改为可抽拉式，将氧化后放置挺杆的网板取出空冷，可完全避免因挺杆冷却不当而产生裂纹与剥落缺陷。

（3）端面花斑 加强挺杆预热前的清洗，采用的金属清洗剂应能将挺杆在车削、磨削加工过程中使用的切削液、磨削液及乳化油等浸泡干净。盐浴的捞渣要彻底，避免渣多黏附在端面上。另外，挺杆在抛丸前应将内孔脏物清洗干净，防止滴落的脏水落在下一层的挺杆端面上形成花斑。同时摆放抛丸挺杆时，禁止徒手或戴沾油的手套操作。

（20121105）