作者：王忠誠   高級工程師

單位：濟南沃德汽車零部件有限公司  

來源：《金屬加工（熱加工）》雜志

---

內燃機氣門是汽車發動機內提供動力的重要部件，尤其是排氣門在高溫、腐蝕性介質、長期重復的沖擊，以及廢氣的沖刷作用下工作，因此既要具有良好的組織與強度，又要具有高的耐熱性和熱穩定性，良好的耐蝕性、抗咬合性、耐磨性和導熱性等，其工作條件十分苛刻。由于氣門的盤錐面與氣門座圈反復接觸，要求其有良好的耐磨性，而氣門桿端面與凸輪接觸，要求表面有高的硬度。因此，為滿足其錐面與桿端的耐磨性，需要對氣門進行錐面與桿端的淬回火處理，以獲得要求的高硬度。通常是在馬氏體耐熱鋼調質處理后再進行感應熱處理。

    本文僅對氣門盤部錐面與桿部的感應淬火技術進行分析，并指出生產過程中出現的質量問題，且提出改進措施，目的是提高氣門的感應淬火質量。 

 

一、感應熱處理在氣門上的應用

 

1.感應熱處理的特點

感應熱處理是生產率高、不污染環境、易于自動化和節省能源的一種先進熱處理技術。這一技術自問世以來一直在迅速發展，感應熱處理技術的最大用戶是汽車零部件領域。

感應熱處理技術由于具有優質、高效、節能、環保等諸多優點，符合現代汽車生產需要，技術水平迅速提升^[4]。高頻感應加熱設備在汽車零部件領域的應用十分廣泛，如氣門、挺桿、連桿、曲軸、凸輪軸、齒輪、萬向節鐘形殼及半軸等，其中氣門桿端進行連續淬火或沖擊淬火，錐面進行自動連續作業成為國內外氣門感應熱處理最成功的技術，獲得了氣門制造廠商的青睞，國內100余家氣門制造廠商均擁有5臺以上的高頻設備。其中我公司有30余臺感應淬火設備（或連續生產線），年產感應淬火氣門2000萬支以上，成為中國氣門制造廠商中產量最大與出口數量最多的制造廠商之一。

2. 內燃機氣門感應淬火的基本要求

    氣門熱處理（調質處理）后進行感應淬火，目的是滿足其桿端面（或錐面）耐磨的要求，《內燃機  進、排氣門 技術條件》（GB/T23337—2009）與《汽車發動機氣門技術條件》（QC/T469—2002）中，均指出桿端面經過表面淬火后硬度應≥48HRC，當桿端部長度＞4mm時，硬化層深度應≥2mm）或淬硬層深度應≥0.6mm。盤錐面經過表面淬火后的硬化層應≥1.5mm，其硬度值應符合圖樣規定，桿端與錐面感應淬火晶粒度細于8級。可見對氣門的錐面與桿部進行感應淬火是標準所要求的，是提高氣門表面硬度的不可缺少的熱處理手段。 

二、氣門感應熱處理的技術要求、感應器的形式與選用

 

1. 技術要求

氣門進行感應淬火的技術要求包括表面（或端面）硬度、硬化層（淬火）深度或長度、金相組織、畸變量及外觀等。

（1）錐面淬火要求  氣門錐面（閥口）與氣門底座反復貼合，要求其表面具有高的硬度和良好的耐磨性，感應淬火可滿足其要求。錐面淬火的錐面硬度在45~58HRC，硬化層深度一般≥1.5mm，晶粒度細于8級，某氣門錐面淬火技術要求如圖1所示（圖中A點位置：距盤端面1.7mm，距盤外圓3.3mm。要求在淬火深度測量時應透過A點，淬火區及過渡區不得超過圖中粗實線）。

 

圖1 某氣門錐面工藝要求的淬火深度與硬度               

圖2氣門桿部淬透要求

 

（2）桿端淬火要求  對于氣門桿部的技術要求為淬火硬度50~60HRC，硬化層深度≥2mm，晶粒度細于8級等，其中工藝要求有桿部淬透、仿形淬火、桿端沖擊淬火等，圖2、圖3、圖4為某些氣門桿部淬透、桿部仿形和桿端沖擊淬火的技術要求。

圖3氣門桿部仿形淬火要求                  

圖4 氣門桿端沖擊淬火要求

   

2. 感應器的形式與選用

   （1）錐面淬火感應器  錐面淬火采用專用的感應器，通常氣門使用的錐面淬火感應器有兩種：連續式感應器與單圈感應器，其形狀是根據氣門盤錐面確定的，圖5、圖6為常見的感應器形式。

 

圖5 多工位氣門錐面淬火感應器實物形態       

圖6單圈氣門錐面淬火感應器 

 

錐面淬火感應器的選用原則：感應器內沿與氣門錐面之間留有間隙為1.5~3mm，氣門的盤部在加熱過程中是旋轉的，具體參數如電流、電壓、頻率、加熱溫度與加熱時間是通過工藝試驗來進行確定的，即滿足硬度與淬火深度合格，晶粒度要細于8級的要求，錐面淬火后的氣門通常進行160~200℃低溫回火或高溫回火處理，以穩定組織，減小內應力與脆性。

  （2）桿端淬火感應器  氣門的桿端淬火采用特制的感應器。這是考慮到其技術要求的差異而設計的，同時其工藝參數也有較大的不同，目的是滿足桿部的不同硬度與淬火長度的要求。圖7、圖8為沖擊與仿形淬火感應器，圖9為桿端連續淬火與連續淬回火感應器，該類感應器應用十分普遍，生產效率高。

 

圖7氣門桿端沖擊/仿形淬火感應器         

     

圖8 氣門桿部淬透連續淬火感應器

 

  （a）回火感應器                                                    （b）淬火感應器

                      圖9 氣門桿部連續式淬火與回火感應器

三、氣門感應熱處理的質量控制

 

1. 過程質量控制

    為滿足氣門感應淬火后的質量符合技術要求，氣門應進行錐面和桿端感應淬火的加熱與冷卻，選用感應器、噴水器的結構、形狀及尺寸應滿足使用要求。根據工藝試驗結果確定最佳的工藝參數等，并按如下要求進行：

（1）要確定電壓、電流、加熱溫度、加熱時間或進給速度等。

（2）介質溫度、壓力、流量、濃度的范圍及冷卻時間。

（3）感應器外觀與冷卻噴淋結構符合要求。

 

2. 質量檢查方法

目前氣門桿部與錐面的硬度、長度或深度、晶粒度等檢查方法采用以下要求進行：

    （1）對于要求采用洛氏/維式硬度檢查和淬火長度則采用在錐面或桿部外圓上檢查，圖10為檢查圖片。

    （2）對于要求采用維氏硬度（平面）檢查的，則是在剖開錐面或桿部平面上，拋光后硬度與長度等按要求檢查如圖11所示。

（3）晶粒度的檢查按要求拋光腐蝕后進行。

（a）錐面硬度檢查             （b）桿端硬度檢查          （c）桿部淬火長度檢查

                                            圖10 氣門硬度與淬火長度的硬度檢查法

 

圖11 氣門錐面與桿端與淬火長度檢查（硬度法）

 

3. 缺陷形式與原因分析  

氣門錐面與桿端淬火缺陷形式與原因分析具體見附表。

 

氣門感應熱處理缺陷形式與原因分析

四、氣門感應熱處理的最新動態與發展動向

 

1.最新動態

（1）進行頭桿與桿桿焊氣門的摩擦焊接后的快速退火處理，可進行連線加工，氣門在連續式感應器中加熱，取消了焊后氣門集中退火繁瑣工序，實現節能降耗。國外氣門制造廠商開始在部分氣門生產線上應用該技術。

（2）用于頭桿焊氣門脖頸處校直前的加熱，尤其對于不允許進行冷矯直或錘擊盤部（手工錘擊，容易造成盤部掉塊或存在隱患）的氣門采用此類措施，可根除柴油機氣門早期失效的發生。

（3）目前奧氏體耐熱鋼條材是制造氣門的原材料，是熱軋材經高溫固溶處理制成，為保證氣門的使用性能，固溶處理大多采用電爐、燃氣爐、鹽浴爐等。感應加熱固溶處理可以達到傳統固溶處理的目的，采用超音頻電源實現在居里點以下溫度具有良好的電效率，固溶處理溫度在1100~1150℃,時的噸鋼電能消耗為350~400kW·h，加熱系統的電效率可以達到65%左右。

 

2.發展動向

（1）向自動化方向發展，減輕勞動強度，提高生產效率。

氣門采用自動上下料自動進行錐面和桿端的淬火處理，出現異常或故障，設備自動報警，從根本上解決了依靠操作者進行繁瑣的重復勞動的弊端，產品質量穩定與生產效率明顯提高。

（2）向智能化方向發展，進行預防控制，實現報警、高低溫產品的分離等功能。

1）按工藝要求輸入程序后采用計算機控制，操作屏幕界面清晰，各種動作指令觸屏即可完成，人員進行巡視即可，從而減少人為因素的影響，確保產品質量的穩定與一致性。

2）對電源的運行狀態及參數實時監控（如電壓、電流、功率、頻率、溫度等），真正實現實時了在線監控。

3）計算機模擬感應熱處理已在部分企業、研究所開展。這樣虛擬試制新技術將替代繁瑣費時的現場工藝調整。

來源：鑄造生態圈公眾號