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作者：王忠诚、王东、孙志刚

单位：济南沃德汽车零部件有限公司

来源：《金属加工（热加工）》杂志

随着柴油发动机的更新换代，大马力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。因此对挺杆的技术要求为表面有高的硬度、高的耐磨性，基体组织具有良好的综合力学性能。

分析气门挺杆的工作条件可知，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、耐磨性和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.-0.05mm，氮碳共渗前外圆φ38.-0.03mm，成品外圆φ38-0.-0.mm。其热处理后的基体硬度不小于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，渗层深度不小于0.mm，表面硬度不小于HV0.2，脆性小于2级。

钢制挺杆的热处理缺陷特征与产生原因

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→磁粉探伤→液体氮碳共渗→清洗→抛丸→防锈→磨外圆→研磨球窝→检验→刻字→包装等。

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～℃×35min油冷+～℃×min空冷，挺杆躺在网带炉上进行加热，硬度为不小于43HRC。移入加工车间进行磨杆部外圆时，出现部分杆部有没有磨起来的现象，经对未磨削的杆部直径检查，发现杆部存在椭圆的现状。

分析造成钢制挺杆杆部为椭圆的原因，主要包括两点：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，造成挺杆的椭圆的产生。

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过程与成品检验均发现有部分挺杆出现表面腐蚀（见图1），开裂如图2与图3所示，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为端面花斑等，成为影响该挺杆质量的重要缺陷，图6为氮碳共渗采用的工装。

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

（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的向盐浴中通入空气以得到活性的氮碳原子，此时氰酸根较高，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。

（2）钢制挺杆开裂与端面起皮（剥落）产生原因

对于开裂的挺杆进行检查，化学成分见附表。

Cr12W气门挺杆的化学成分（质量分数%）

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HV0.2，符合技术要求。其液体氮碳共渗工艺曲线具体如图7所示，无异常，氮碳共渗与基体组织具体如图8所示，可以看到化合物层致密，渗层深度为0.mm，白亮层深度为0.mm，脆性1级，内部有个别大的碳化物，金相组织无异常。

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探伤，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。

大部分挺杆开裂是通过出油孔的，表明此处流动性强，冷却十分激烈，而工作面底部的厚度比壁厚的多，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，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℃，在停留一段时间后进行清洗，由于筐边缘的挺杆散热快，而筐心部（中间）部分的挺杆仍会有较高的温度，故在清洗时温差较大而产生大的热应力而开裂。

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，发现端面有时出现批量的花斑，其原因在于氮碳共渗前后清洗不干净造成的，氮化前表面粘附脏物（包括磨削液、油污、防锈剂等）未清理干净，端面存在水迹；氮化后表面与型腔内水及脏物未洗干净，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。

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，在井式炉中进行去应力℃×4h的去应力退火处理；同时将躺在网带上进行加热，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的发生。

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，待停留20min，取出空冷到℃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

针对此缺陷，可采取的措施为：

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，即可抽拉式的，将氧化后的挺杆网板取出空冷，可完全避免因挺杆冷却不当而发生裂纹与剥落缺陷。

（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、磨削液以及乳化油等浸泡干净。盐浴的捞渣要彻底，避免渣多粘附在端面上。另外挺杆在抛丸前应清洗干净内孔脏物，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。

结语

（1）采取正确的热处理方式，高合金钢制挺杆淬火变形是可以控制的。

（2）挺杆氮碳共渗过程中，只要规范操作要点与要求，则可防止端面腐蚀的产生。

（3）挺杆氮碳共渗后的清洗过程中，要采用氧化后在空气缓慢冷却后清洗方法，可有效避免开裂与起皮缺陷的发生。

（4）确保挺杆前后的清洁，即可消除端面花斑的出现。

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