盐浴氮碳共渗内燃机气门清洁度与外观质量提高的措施与方法

国内外内燃机气门的表面强化处理可分为盐浴氮碳共渗与杆部镀铬，采用盐浴氮碳共渗的气门比例占气门生产总量的80%左右。盐浴氮碳共渗后的气门具有良好的耐磨性、抗腐蚀性、抗咬合性与疲劳强度等，可满足气门服役条件的需要。

一、目前气门盐浴氮碳共渗存在的缺陷

当前国内的150余家气门制造厂（包括中外合资企业），均拥有一条或多条盐浴氮碳共渗生产线，分为手动、自动生产线两类，气门生产线基本流程为：穿架→清洗→漂洗→喷淋→预热→氮碳共渗→氧化→清洗1→清洗2→清洗3→光饰或抛丸→防锈处理→摆盘。

在实验中，我们将事先录好的铁路监控视频，作为输入图像导入到关键帧提取器，通过SIFT特征提取和卷积神经网络的深度特征提取，自动调整网络参数和权重，实现基于深度学习的目标检测提取视频图像关键帧，提取出视频的关键帧图像如图4所示。

目前的盐浴氮碳共渗气门表面清理方式分为光饰与抛丸两种，目前气门行业对此选择的基本原则为：盐浴氮碳共渗后锥面不再加工且跳动要求≤0.03mm的气门优先采用光饰处理，而盐浴氮碳共渗后锥面加工或锥面不加工且跳动≤0.05mm的则选用抛丸处理。

在气门盐浴氮碳共渗后，气门表面一般呈均匀一致的黑色或蓝黑色，不允许有明显的花斑、锈迹及发红等。常出现的缺陷是气门清洁度超标以及表面质量差（外观颜色发黄、花斑、锈蚀等，如图1～图5所示），始终是气门制造过程的一个瓶颈，制约着气门制造厂的盐浴氮碳共渗生产进度，同时也引起主机厂的强烈抱怨。从国内主机厂对于气门质量问题的反馈信息来看，此类问题占到气门质量问题的60%以上，无论手动生产线还是自动生产线均存在此类缺陷，成为气门制造厂亟需解决的重点问题，且是影响发动机整体清洁度的重要因素之一。

图1 氮碳共渗后的气门毛坯面外观

图2 氮碳共渗后的盘端面存在发黄、水斑等缺陷外观

图3 氮碳共渗双金属杆与盘部外观

图4 氮碳共渗后双金属的外观（杆部发蓝、发黄等）

图5 光饰后的盘部外观（盘部表面发乌、黑斑点等）

图6 为在成品库中发现的盐浴氮碳共渗后外观缺陷的气门形态，可以看出气门毛坯面外观质量不稳定，表面存在发乌（灰）、色泽差、水印、黑斑点、黄斑等，为外观缺陷一个重要类别，同时更严重的存在清洁度超标等问题，造成风险供货，有时产品无法正常发货。

抽烟男不可思议地看了看自己的腹部，一股又一股鲜红的血液涌了出来，喷溅在地上，他“啪”的一声摔倒在血泊中。

我公司每月盐浴氮碳共渗气门品种在100种以上，产量为350余万支，气门表面清洁度与外观质量时好时坏，一直存在不稳定问题，虽经过几次改进但效果不大，引起主机厂的重复抱怨，成为制约产品发货的瓶颈，每年因清洁度超标与外观质量差，大多数气门制造厂需要派出多人到主机厂擦拭与挑选气门，甚至强制退货或换货处理，每年因此产生的此项费用达几十万元以上。

此类产品被主机厂退回处理，重新进行处理（包括重新氮碳共渗、光饰或抛丸），仍然不能彻底解决问题，成为一大顽疾。

二、气门清洁度超标与表面缺陷原因分析

图6 主机厂退回的盘端面与圆弧发乌，外观颜色差（端面窝内生锈现象的产品）

分析气门的工艺流程可知，影响气门清洁度与外观质量的因素较多，气门的前清洗、氮碳共渗、氧化，以及后清洗、表面清理等均有一定程度的影响，而主要影响是在后续的表面清理上。

临时供电模式是在变电站改造期间用来临时供电的一种方式，因此，对临时供电模式的建设相对不够完善，电线路连接、设备连接等方面都会存在一些问题[3]，其中，最常见的是引线不牢固，主要是由于变电站改造期间，施工工序复杂，对临时供电模式的重视程度不够，导致临时供电模式的安全性不足。

1. 光饰对清洁度超标与表面缺陷的影响

（1）盐浴氮碳共渗后的气门采用螺旋振动光饰机进行表面清理（见图7、图8），这属于第一代气门表面清理机，内部磨料为棕刚玉与瓷球等，本身不会造成气门的杆部与锥面跳动超差（变形），故对于锥面不再加工的气门，是比较好的清理方式。气门在光饰过程中加水冲洗，然后进行煮油处理，以防止气门在后续加工中锈蚀。马氏体耐热钢气门（毛坯面的占70%以上）光饰后与空气接触时间长于3min（夏季）即开始产生附锈，表面外观发灰与黑色斑点等，作为毛坯面的氮碳共渗气门，出现清洁度不合格的概率较高，由此可见光饰效果较差，即使煮油也难以保证后续加工过程中不会出现外观锈蚀及表面缺陷等。

图7 第一代气门表面清理机（螺旋振动光饰机 ）

图8 螺旋式振动光饰机工作状态

（2）光饰过程中，磨料与气门彼此之间相互滚动与转动而产生摩擦，利用磨料将气门表面的盐渣与灰除掉，气门与气门间存在相互接触与碰击的现象，要求及时冲水，以保持产品表面的清洁。但此方式无法彻底消除整个气门表面的残盐、盐渣及碳灰等，即使直径在1mm左右的细小磨料，也无法进入窄小的锁夹槽中，难于达到清洁度的要求。存在的致命弱点为圆弧与底面最容易残存盐渣或黑灰等，无法清理干净，个别企业采用人工煤油擦拭或刷洗，但效果不好，同时存在颜色不一致等现象。而整体的清洁度改善不大，外观质量差，生产效率低，仍不能满足技术要求。

长期以来气门光饰中存在的问题是，气门装出光饰机时操作者的劳动强度大，转入机加工后工序较少，存在表面污染及其他问题，混气门时有发生。气门成品清洁度大多要求≤0.5mg/支，个别在≤0.3mg/支，一直存在50%以上批次的清洁度不合格问题，外观缺陷也多有发生。

（3）调整氧化顺序对清洁度的情况。对于马氏体耐热钢气门氮碳共渗后进行氧化工序的调整，验证清洁度的效果，盐浴氮碳共渗的原工艺为：氮碳共渗→氧化→氧化后清洗→光饰→煮油。更改后的工艺为：氮碳共渗→冷却→清洗→烘干→氧化→氧化后清洗→光饰→煮油。改进工艺后清洁度要好一些，但不能从根本上解决清洁度的问题。

2. 抛丸对于清洁度与外观质量的影响

盐浴氮碳共渗后的气门，采用振动光饰机清理，缺点较多，可采用吊装抛丸来完成其表面的清理，抛丸采用直径细小的钢丸喷射到气门表面进行清理，在同侧有上下两个抛丸器清理产品，尤其为锁夹槽、沟槽等部位的清理更为有效。

国内的盐浴氮碳共渗气门的表面清理方式采用抛丸机处理始于2000年左右，其抛丸机分为履带抛丸机与吊装抛丸机两类，前者气门在履带上相互碰击造成磕碰伤严重，故很少使用，后者则是借鉴通过式清理机形式，部分抛丸机厂家开始生产氮碳共渗气门专用抛丸机（见图9），气门清理的方式有了质的提升。

高速的钢砂快速地喷射在其表面上，将表面的积灰清理干净，锁夹槽、沟槽或其他部位均可没有遗漏，表面粗糙度符合技术要求，无表面麻坑（点）的产生，整个气门外表面呈银灰色或灰色，用白布擦拭有灰，清洁度多在0.35～0.68mg/支。

金钗石斛为亚热带附生植物，在我国主要分布于乌蒙山片区的泸州、赤水、云南等地。金钗石斛对生长环境要求苛刻，栽培困难，野生产量少。随着石斛产业的发展和栽培，繁育、栽培等关键技术不断被攻克，多地纷纷建立起金钗石斛种植基地，其中就包括贵州赤水和四川泸州等地［16］。本课题组采用超音速气流粉碎方法对泸州道地药材金钗石斛进行超微粉碎，以压缩空气或过热蒸汽通过喷嘴产生的超音速高湍流气流作为颗粒的载体，颗粒与颗粒之间或颗粒与固定板之间发生冲击性挤压，摩擦和剪切等作用，从而达到粉碎的目的。

图9 第二代气门表面清理机（抛丸机）

此类抛丸机的特点是两抛丸器分布在同侧上下位置，可以对穿在旋转氮化架上的气门进行上下同时清理，气门杆部与盘部不再锈蚀，外观比光饰有明显好转，但由于设备自身设计的不足与缺陷，存在问题如下：

（1）气门网格需要间隔开来，装炉量比氮碳共渗装量减少一半以上，生产效率低。

（2）对于锥面不加工的气门，确保锥面跳动与杆部直线度符合技术要求，此类气门的杆部与盘端面处擦拭后均存在有黑灰现象，擦拭后仍然有灰，成品检测用白手套每天需要更换两副以上。

（3）对于全加工气门，杆部直线度与锥面跳动超差比例较高（10%）。

（4）气门清洁度时好时差，很不稳定（0.35～0.68mg/支）。

（5）盘部不加工的外观仍部分存在花斑、发黄、颜色不一致等外观缺陷。

相对叶绿素含量采用 SPAD-502Plus手持式叶绿素测定仪测定，以测定净光合速率及蒸腾速率的植株为测定对象，每株选择5片叶片，在各个叶片中脉两侧均匀选取3个点，取平均值作为该叶片叶绿素含量，所测叶绿素含量是一个相对值。

针对以上存在的问题，尽管采取了一些措施，如设计倾斜的框架，错位放置气门篦子，大小混装等，但效果很不明显，制约着气门表面清理的改善。

3. 采用超声波清洗进行相关的提高清洁度与外观质量的工艺试验

结合光饰机与抛丸机的工艺特点，参考相关技术资料，利用超声波清洗（见图10），进行了系列工艺试验。某A气门（气门盘部不加工，且要求清洁度≤0.30mg/支）几种情况方案的清洁度情况如表1所示，采用超声波清洗后的清洁度效果不明显，仍不能达到工艺要求。

图10 超声波清洗机（光饰后与成品清洗前使用）

前期由于A产品清洁度超差，某发动机厂因此暂停装机，应尽快从工艺与装备上解决问题，目前国内大多数气门采用超声波清洗与抛丸处理，但仍存在以下缺点：

（1）清洁度质量不稳定，时好时坏，外观颜色不一致。

（2）超声波清洗每次数量不超过200支，操作十分繁琐。

在国外，大型仪器设备的产权归属是清晰明确的，政府和科研平台在整个体系中的责任权利也是清晰明确的。而我国各种大型仪器设备都被笼统地视为国有资产，但又无法确认所谓国有到底是归谁负责，仪器设备的产权事实上属于模糊状态，各方的责任权利不明，也难以设计出合理的管理及开放共享机制。

ZHANG Xiao-quan, WANG Xin-lei, YUAN Jin, ZHANG Rong-ping, CHEN Wei, YUAN Jie, CUI Shi-wei, CHEN Li-ping,GU Yun-juan

（3）生产效率低、清洗更换效果差。

但气门抛丸后锥面跳动超差比例高达5%～10%，远超过光饰的超差比例，不能满足生产需要。

三、提高气门清洁度与表面质量的工艺试验与结果

1. 选择光饰与超声波组合的清理方案

确定其效果，具体如表2所示。选择光饰试验的气门A为整体马氏体材质，盘端面与圆弧均为毛坯面，氮碳共渗后锥面不加工，工艺要求处理后清洁度要求0.30mg/支，锥面跳动≤0.03mm，外观清洁与美观，无外观缺陷。

自上个世纪六十年代起，世界经济飞速发展，产业融合初见规模，全球经济一体化进程加速，国际之间的贸易往来越来越频繁。在此背景下，会展旅游业的市场在进一步扩张。会展旅游业与观光旅游业相比，具有规模大、档次高、持续时间长的特点，而且发展的同时还可以带动一大批相关产业的发展。很多国家已经将会展旅游业列入了国家支柱产业之一，由此可见会展旅游业对于一个国家和地区的重要性。虽然我国的会展旅游业起步较晚，但是乘着经济飞速发展的东风，我国会展旅游业也在迅速增长，已经成为我国第三产业中的一个重要部分，是地区经济发展重要的增长点。

表1 某A气门三种工艺方案的清洁度情况

氮碳共渗前超声波＋氮碳共渗后清洗20min+超声波清洗清洁度/（mg·支-1） 0.39 0.37 0.35试验方案氮碳共渗前未超声波清洗＋氮碳共渗后清洗时间20min+超声波清洗氮碳共渗前未超声波清洗＋氮碳共渗后清洗时间40min+超声波清洗

从表2可知，光饰与超声波清洗的组合没有达到要求的效果，仍存在许多问题，锥面跳动超差非光饰原因，该组合不能解决根本问题。且超声波清洗需要人工作业，生产效率低，改善效果不明显。

处在二区其他区域的P5，是一种高成本高功能价值短缺状态，表明高校的资源投入大于功能产出，从功能产出贡献的角度来看是好的，但从资源投入的占有情况来看，尚需要进行改进。一是要分析功能产出项中的薄弱环节，着力提高功能值;二是要设法降低运行成本，如在人力资源方面，提高人均绩效;在物力资源方面，提高资源的使用效率;在财力资源方面，统筹规划，发挥资金的最大效能。

2. 利用老式抛丸机与超声波组合清理方式

确定其效果，具体如表3所示。选择普通吊装抛丸试验气门A为整体马氏体材质，盘端面与圆弧均为毛坯面，氮碳共渗后锥面不加工，工艺要求同上。

普通吊装抛丸机表面清理后的锥面跳动超差比例比光饰的大，该气门锥面氮碳共渗后不加工，其抛丸后锥面跳动大比例较高（＞0.04mm），清洁度合格比例批次有了较大提高，仍存在外观发黄、锈蚀、花斑等缺陷，没有达到要求的效果，需要进一步试验与完善。

表2 气门A光饰与超声波清洗组合后的检测结果

序号 流程（主要工序） 实测清洁度/（mg.支-1） 外观 锥面跳动超差比例（%）1 清洗→氮碳共渗→氧化→清洗→光饰→煮油→成品检验清洁度与外观0.55～1.05（不合格）颜色差异大，存在花斑等 0～3 2清洗→氮碳共渗→氧化→清洗→光饰→二次氧化→煮油→检验清洁度与外观0.50～1.0（不合格） 毛坯面发黄 0～3 3清洗→氮碳共渗→氧化→清洗→光饰→超声波清洗→煮油→检验清洁度与外观0.40～0.83（不合格）外观时好时差，不稳定 0～3 4清洗→氮碳共渗→氧化→清洗→光饰→超声波清洗→煮油→成品超声波清洗→检验清洁度与外观0.38～0.72（不合格）外观时好时差，不稳定 0～3 5超声波清洗→清洗→氮碳共渗→氧化→清洗→光饰→超声波清洗→煮油→检验清洁度与外观0.31～0.63（不合格）时好时差，不稳定 0～3 6超声波清洗→清洗→氮碳共渗→氧化→清洗→光饰→超声波清洗→煮油→成品超声波清洗→检验清洁度与外观0.20～0.45（部分合格）外观颜色发黄、存在花斑、不稳定0～3

表3 气门A抛丸与超声波组合后的检测结果

序号 流程（主要工序） 实测清洁度/（mg.支-1） 外观 锥面跳动超差比例（%）1 清洗→氮碳共渗→氧化→清洗→抛丸→成品检验清洁度与外观0.35～0.64（不合格）外观比较清洁，存在颜色不一致情况，5～7 2清洗→氮碳共渗→氧化→清洗→抛丸→成品超声波清洗→成品检验清洁度与外观0.26～0.50（部分合格）外观比较清洁，毛坯面有时有锈蚀5～7 3超声波清洗→清洗→氮碳共渗→氧化→清洗→抛丸→成品超声波清洗→成品检验清洁度与外观0.18～0.41（部分合格）外观比较清洁，毛坯面有时有锈蚀5～7

3. 采用新式气门抛丸机进行抛丸

确定其效果，具体如表4所示。选择新式吊装抛丸机试验气门A为整体马氏体材质，盘端面与圆弧均为毛坯面，锥面氮碳共渗后不再加工，工艺要求同上。

采用新型抛丸机（见图11），抛丸器在不同方位喷射，穿架方式略有不同（底面圆弧不加工、加工等有差异）。其工艺参数为：抛丸频率20～25Hz，抛丸时间为20～30min。三种吊装抛丸装架方式如图12所示，根据气门锥面跳动与外观质量要求进行合理选择。

全部进行吊装抛丸处理后杆部直线度100%合格，锥面跳动超差在0～3%，其中锥面超差是因为氮碳共渗前气门锥面跳动即存在超差现象，非抛丸原因造成的，每批送检的气门清洁度均全部合格。

同一视图两节点之间的关系比较直观易懂，下面针对跨视图两节点之间的关系进行详细描述，将图1中装配流程的每个节点视为一个任务(不考虑图1中虚框表示的拆卸节点)，用符号“↔”表示跨视图两节点间存在关联关系：

表5为采用新抛丸机抛丸后进行的检测情况，采用目前的氮碳共渗工装（9层），抛丸后在不同位置抽查其锥面跳动情况，可以看出锥面跳动超差比例与光饰一致，清洁度与外观质量均满足技术要求。

图11 第三代气门表面清理机

四、分析与总结

通过以上试验结果与近两年时间的工艺与实践验证，采用新型的吊装抛丸机与装架方式，以及合理选择不同的工艺参数，彻底解决了氮碳共渗气门清洁度超标、外观质量差的问题，困扰多年的难题得到彻底根除。

（1）采用新型的吊装抛丸机，其具有抛丸器分布与设计更为合理，且喷射在抛丸架的不同部位，气门的表面清理彻底与抛丸无死角等特点，气门的变形小（杆部直线度≤0.005mm，锥面跳动≤0.03mm），清洁度合格（≤0.4mg/支或≤0.3mg/支），外观质量美观，如图13、图14所示。

（2）根据气门的长短、盘部是否车削加工等选择合理的气门摆放方式，有利于气门表面的清理（见图12），更有利于将表面缺陷消除。

（3）从图15、图16可知，目前成品装箱气门外观形态（圆弧与盘端面）清洁、美观，赏心悦目，宛如艺术品一般，赢得了主机厂的赞扬，再没有发生过清洁度超差与外观缺陷的问题。

表4 气门A抛丸后的检测结果

流程（主要工序） 实测清洁度/（mg.支-1） 外观 锥面跳动超差比例（%）清洗→氮碳共渗→氧化→清洗→抛丸→成品检验清洁度与外观0.16～0.30（合格） 美观，无颜色差异 0～3

图12 抛丸机装架方式

图13 吊装抛丸后盘部形态（外观清洁、无缺陷）

表5 几种气门采用新抛丸机抛丸后的检测数据

序号 产品名称 工艺参数 测量数量/支实测清洁度/（mg.支-1）1 W4G15-J10（整体马氏体） 20～25Hz×30min 80 ≤0.040 2（2.5%） ≤0.30 0.26（合格）2 W4G15-P10(整体奥氏体） 20～25Hz×30min 80 ≤0.040 1（1.3%） ≤0.30 0.20（合格）3 FORDod-J11（整体马氏体） 20～25Hz×30min 200 ≤0.04 6（3%） ≤0.70 0.30（合格）4 CZR-J10（整体马氏体） 20～25Hz×30min 265 ≤0.05 8（3%） ≤1.0 0.35（合格）5 LL4G15-J15(整体马氏体） 20～25Hz×30min 189 ≤0.04 5（2.6%） ≤0.40 0.29（合格）6 CE3-P10（奥氏体+马氏体） 20～25Hz×30min 169 ≤0.04 2（1.2%） ≤0.40 0.30（合格）锥面跳动要求/mm锥面跳动超差比例（%）要求清洁度/（mg.支-1）

五、结语

（1）目前的盐浴氮碳共渗气门的光饰工艺是不能满足清洁度与外观质量要求的，需要淘汰。

1.2 冻害发生规律 经过对历次冻害发生区域调查结果分析：从地形上看，秦岭北麓浅山区、山前河谷地带、渭河滩地以及低洼地、盆地、空气不流畅的区域冻害发生重，地势较高、平坦透风的园从来没有发生过冻害；从土壤类别看，沙土地比黏土地受冻严重；从树龄看，幼树、初果树比盛果期受冻严重；从品种看，美味猕猴桃比中华猕猴桃受冻严重，徐香猕猴桃受冻最重，海沃德、秦美、金香等也有冻害，实生苗受冻最重，红阳受冻较轻。

（2）对于盐浴氮碳共渗后锥面加工的气门，可采用一般吊装抛丸机进行表面的清理，大部分情况下可满足技术要求，但不能根除外观缺陷，且清洁度时好时坏，存在供货风险。

（3）对于盐浴氮碳共渗后锥面不加工的气门，尤其是盘部端面与圆弧不加工的毛坯面气门，选择新型抛丸机与装架方式，采用合理的抛丸工艺参数，从根本上解决了盐浴氮碳共渗气门清洁度与外观质量问题，该类抛丸机在气门行业有十分重要的推广价值。

图14 吊装抛丸后的盘部与圆弧形态（外观清洁、无缺陷）

图15 成品装箱清洁的小底窝氮碳共渗气门

图16 成品装箱清洁的大底窝氮碳共渗气门

参考文献：

[1]李慧友，罗德福，吴少旭.QPQ技术的原理与应用[M].北京：机械工业出版社，2008.

[2]联邦德国R.迦太基-非舍博士，等.渗氮与氮碳共渗[M].北京：机械工业出版社，1989.

[3]王忠诚，王东.汽车零件热处理实用技术[M].北京：机械工业出版社，2013.

[4]王忠诚，齐宝森，李杨.典型零件热处理技术[M].北京：化学工业出版社，2010.

[5]潘邻.现代表面热处理技术[M].北京：机械工业出版社，2017.

[6]热处理手册编委会.热处理手册[M].3版.北京：机械工业出版社，2003.

[7]赵明浩.国内外内燃机气门现状与发展方向[J].内燃机配件，1998（5）.

[8]王忠诚，王东.热处理常见缺陷分析与对策[M].2版.北京：化学工业出版社，2012.

[9]王忠诚，等.气门与挺杆液体氮碳共渗后表面清理方式[J].金属加工（热加工），增刊2，2015.