气门与挺杆热处理节能降耗的措施与方法

济南沃德汽车零部件有限公司（山东 250300）王忠诚 孙志刚 王 东

内燃机气门与挺杆是发动机的关键部件，在工作过程中要求其具有最佳的硬度与金相组织，即气门进行调质处理或固溶时效处理，挺杆则进行调质处理或淬火+低温回火，同时为提高产品的耐磨性与抗腐蚀性，选择采用氮化或镀铬处等表面处理。

一、热处理工艺流程与设备

内燃机气门（以下简称气门）的热处理主要工序，主要包括淬火、回火、固溶、时效、抛丸、调直、氮化等，热处理设备主要为连续式网带炉、高温燃气炉、高温井式炉、氮化炉、抛丸机等，其主要工艺要求为温度、时间、装炉量等，其中电力消耗大户为网带炉、高温井式炉、盐浴炉与氮化炉等，其用电量占热处理车间的90%左右，而氮化部分的消耗主要是氮化用盐，另外是抛丸用钢砂等。

挺杆的热处理主要包括淬火+低温回火（或高温回火、氮化等，其中铸铁挺杆在盐浴炉进行加热淬火，钢制挺杆在网带炉上加热淬火与回火，钢制挺杆全部进行氮碳共渗处理。

二、热处理过程中节能降耗的措施

1.盐浴炉节能降耗的方法

（1）增大淬火装炉量，从而提高生产效率，实现节能降耗。采用盐浴炉加热的气门与挺杆大多是比较大的产品，因受到炉膛口的限制，气门装炉量通常是18～25支，为此设计错层工装，增加了装炉量。而根据筒装挺杆的结构特点，只能采用在图1的淬火筐垂直摆放，装炉量为36支，同时淬火筐的变形比较严重，在装炉量到25支时报废。为此，设计了该类挺杆的专用淬火工装（见图2），其具有变形小，装炉量增加到46支，易于进行变形支撑柱的校直，产品质量稳定，碳化物与石墨数量符合工艺要求等特点，将生产效率提高了28%，按年处理该类挺杆100万支计算，则节电与节盐5万余元，经济效益十分显著。

图1 筒装铸铁挺杆原淬火工装

图2 改进后筒装铸铁挺杆淬火工装

（2）缩短脱氧与交接班时间，充分利用有效作业时间。热处理生产为每天两班作业各12h，两次交接班前后约3h是非工作时间，加上每天脱氧一次，则实际作业时间最多在20h。为此采取每天仅交接班一次脱氧一次，则可每天增加有效作业时间2h，在生产效率与节能方面均有提高与改善。

2.连续式网带炉节能降耗的方法

该炉为目前国内外气门进行调质处理的重要设备，耐热钢网带既作为淬火加热工装，又是传送工具，气门与挺杆摆放于网带上完成整个加热过程。淬火加热网带的寿命与电力的消耗是气门与挺杆热处理的主要成本部分，一条网带的使用寿命在8个月，费用为10万元。设备总功率为550kW，工作时按400kW计算，每天消耗9600kW·h，折合电力费用为8000元。

从以上分析可见，充分利用工作时间，将淬火产品集中进行生产作业，减少启炉的频次，增加装炉量。原来采用的是气门水平摆放在网带上加热方式（见图3），此方式耗能高、产能低、生产率低且劳动强度大。而采用了垂直加热方式（见图4与图5）则增加了装炉量，图6为挺杆进入回火炉的情况，作业效率提高了100%，同时在交接班时间仍继续作业，则将有效作业时间每班增加了1.5h，充分利用网带炉工作特点，避免了设备工作但无产品淬火和电力浪费的问题，节电效果显著。同时产品淬火后变形量明显低于井式炉淬火产品变形量与水平摆放气门的变形量，为实现小气门的垂直加热与节能，也为气门调直的测量基准一致奠定了基础，生产效率提高了25%，在淬火前进行切割是合理的工艺优化，值得推广。

淬火油的消耗也占热处理部分成本，气门本身带出的油较少，而钢制挺杆因有内孔，个别为盲孔，淬火后孔内的淬火油带出较多，故采用人工将其放倒流出淬火油可解决该问题。

3.高温井式炉的节能降耗方法

高温井式炉是进行大型气门淬火加热的主要设备，气门垂直穿在三层淬火架网片上，每炉加热时间为1h，考虑到马氏体耐热钢气门的奥氏体化温度为980～1040℃，实际设定加热温度要求为（1040±10）℃，而热炉装炉最低降到940℃左右，实际保温时间在30min以上，而将保温时间缩短为20min，金相检查表明，晶粒度与碳化物符合要求，回火后硬度等符合工艺要求。

图3 在网带上水平摆放的气门

图4 在网带炉上整齐垂直摆放的气门

图5 在网带上淬火加热垂直摆放钢制挺杆

图6 在网带上回火的钢制挺杆

根据气门的长度不同设计4层淬火工装，可提高生产效率25%，节能电力效果明显。另外，淬火后控干净气门与淬火架上的淬火油，可减少油的消耗。

4.抛丸节能降耗的方法

气门与挺杆回火后表面存在氧化皮、盐渣等，需要进行抛丸处理，为气门调直与机械加工做好准备。抛丸使用的钢砂成本较高，为此根据气门的热处理与表面要求等特点进行分类抛丸：对于热处理后全加工的气门抛丸时间缩短到15～20min；对于热处理毛坯面不加工的产品和需要氮化处理的产品按工艺要求抛丸；对于杆杆焊产品则取消抛丸处理。

因某种气门数量较少或剩余部分气门，没有达到规定的装量，可将两种气门混装抛丸；因挺杆内孔容易积存钢砂，采取抛丸结束后倒盘方式，控干净钢砂。

采用在吸尘器管道处加挡板的方式，避免因吸力过大，将碎小的钢砂吸走，否则造成钢砂过度的无为消耗，同时根据产品的表面质量要求，合理进行钢砂直径的选择。

5.液体氮碳共渗节能降耗的方法

（1）根据氮化炉的大小，设计不同的工装，尽可能增大装炉量。根据井式炉炉膛的大小不同，目前设计的氮化罐分为大小两种，根据气门高度不同进行不同层高间距氮化架的设计，只要层与层之间的气门或挺杆无接触，便于进行清理即可，为此小炉子设计了3～7层氮化工装，大氮化炉则为10层，目前同样的产品，大氮化架的产量是小氮化架的5～6倍，提高生产效率500%以上。图7与图8为气门氮化架实物照片，可以看出二者的差异较大，目前大氮化炉逐渐代替了小氮化炉，并为生产能力的提升奠定了良好的基础。

（2）设计专用控盐装置，节约氮化与氧化用盐。气门与挺杆氮化架为分层的立体架，垂直穿在或放在网格上，出炉后的产品与氮化架上沾附不少的盐浴，尤其是盘部带有底窝的气门，带出的盐浴则更多。这包括氮化盐与氧化盐，由于氮化用盐价格较高，因此如何控制盐的消耗成为氮化工序另一项重要工作。

为此根据氮化架与产品的装炉方式，在炉体侧面设计了支撑架与隔板，具体见图9与图10，控出的盐浴全部落入炉内与挡板上，通过对其进行检查，每氮化架控出的盐约3kg，按每天生产16炉计算，则可控出的氮化盐与氧化盐达到48kg，该盐仍可继续使用，可节约1000元，按月计算则节省3万元，经济效益十分可观。

图7 穿架整齐的大型氮化架

图8 大小氮化架的实景对比

图9 氮化架进行控盐实景

图10 专用控盐架与挡板

（3）进行盐浴的合理捞渣与补充。氮化盐与氧化盐在工作过程中，各自发生化学反应，其产生的盐渣（既有氮碳共渗后反应的产物碳酸盐，也有气门与挺杆以及氮化架上的氧化皮与脏物等）沉积在炉罐的底部或在盐浴中，需要定期捞渣与清理，以保持盐浴的清洁，并补充消耗的氮化盐或氧化盐等。通常要求每班工作完毕后进行降温捞渣，当氮化炉与氧化炉停炉后重新启炉时，在480℃的低温下进行一次彻底的底部挖渣，这是最为有效的盐浴清洁手段。

另外，对于氮化架与氮化片进行抛丸处理，可清理干净沾附其上的盐与盐渣以及锈蚀等，同时可有效维护盐浴的清洁，不会造成盐浴的早期老化与成分的降低，实践证明效果显著。

（4）通气管合理使用，减少盐浴的空消耗。氮化盐浴在工作过程中，为了提高盐浴的稳定性与温度的均匀性，采用罐内加通气管的方式，如果氮化炉内无产品而仍通气，一则造成盐浴本身的消耗，二则造成盐浴氰酸根成分的下降，三则造成盐浴的早期老化。

三、防止氮化炉罐漏盐的措施与改善作业环境

1.防止氮化罐漏盐的措施

液体氮碳共渗罐通常采用纯钛或不锈钢板制造，这是因为氮化过程中的氢根与氰酸根分解出活性氮原子与碳原子，与铁结合为Fe(C、N)2～3。将氮化罐放于井式电阻炉中进行罐外加热，氮化罐内外双控温作业。

需要注意的是产品氮化结束后，粘附在产品与氮化架上的液体氮化盐会在运动工作过程滴落在整个工作线上，其中落在氮化罐上部边缘的盐一段时间后会淌到氮化罐的外壁上，此时电炉丝直接加热沾有氮化盐与罐体，造成上部的罐体受到腐蚀而损坏，无法继续使用，严重的报废，而如继续使用，则必须降低盐液面，这将造成装炉量降低，生产效率明显降低。罐体具体破坏情况见图11，可见整个罐体的上方已经腐蚀漏盐，图12与图13为腐蚀局部与清理盐后的具体情况，可看到罐体上被腐蚀的明显孔洞。该纯钛氮化罐价格在8万元，而不锈钢的也在2万元左右，因此造成气门与挺杆氮化成本的提高，是氮化工序亟需解决的问题。

为防止出现此类严重缺陷，避免炉罐与炉膛受到损坏，要进行氮化罐体的内外部分的彻底保护，以杜绝此问题的发生，根据氮化炉炉口与炉体的外形尺寸，铺一块厚5～8mm的圆环铁板，铁板圆周与炉体用螺栓固定在一起，铁板内孔尺寸应略大于炉口尺寸，在靠近炉口处焊φ12mm的钢筋一周，要焊牢且无缝隙，氮化罐的边沿压在其上，可确保氮化盐不会流入炉膛中，具体见图14与图15，使用几年来未发生罐体与炉膛损坏的事故，改进效果十分有效。

图11 氮化罐体上方被腐蚀的实物照片

图12 氮化罐体局部腐蚀淌出的氮化盐

图13 将腐蚀部分清理干净后的空洞形状

2.设计灵活的除尘装置，彻底改善氮化作业工作环境

在液体氮碳共渗正常工作过程中，盐浴散发的气味较小，但在调整氮化盐浴成分时，添加的再生盐与基盐发生反应，产生刺激味很浓的氨气，白色滚滚浓烟弥漫整个氮化空间，操作者难以忍受此工作环境，即使佩戴劳保用品仍无法待在作业现场，这是由于炉口两侧安装的吸尘口效果较差，因开口多而抽力很小，烟雾与气味无法及时全部排出，对工作环境破坏较大，成为一个老大难问题。

图14 氮化罐压在φ12mm钢筋上（近距离拍摄）

图15 氮化罐外圆环铁板与焊接的钢筋（侧面拍摄）

图16 正面观察吸尘管活动装置

图17 侧面观察吸尘管活动装置

经对工作现场进行考察与分析，原设想采用带轮的推拉式罩形装置，添加再生盐时，将该装置扣在炉罐口上，但因炉体中间无多余空间，该装置不能进入要求的区域，故放弃该方案。最后提出了大胆的设计，在不改变原有吸尘管道的前提下就地取材，即在氮化炉盖上开一个孔洞，进行成分调整时将活动的吸尘口放在炉盖孔洞上（见图16与图17），正常工作时，关闭炉盖小孔，活动吸尘管移动在一边，现场无烟雾与气味，工作环境得到彻底的改善。