滾筒酸洗去除氣門氧化皮的研究

羅建東, 邱萬奇, 曾德長

（華南理工大學,廣東廣州 510640）

滾筒酸洗去除氣門氧化皮的研究

羅建東, 邱萬奇, 曾德長

（華南理工大學,廣東廣州 510640）

利用掃描電鏡、X射線衍射和金相顯微鏡等方法研究分析噴丸和滾筒酸洗去除汽車發動機氣門氧化皮的效果。結果表明:氣門經熱加工后,同時產生氧化皮和脫碳層缺陷,噴丸和滾筒酸洗均能有效去除氧化皮和脫碳層,但噴丸去除氧化皮會造成氣門表面損傷（如折疊和微裂紋等缺陷）;而滾筒酸洗能快速去除氧化皮和脫碳層,不產生表面微裂紋等缺陷,廢液也能再利用,是值得推薦使用的方法。

氣門;氧化皮;脫碳層;噴丸;滾筒酸洗

0 前言

氣門是指汽車發動機進氣氣門和排氣氣門的總稱,是發動機工作過程中密封燃燒室和控制發動機氣體交換的最重要的零件之一,對發動機的功率、燃燒、節能和排放都有影響。氣門承受著高溫、腐蝕、摩擦和反復機械沖擊載荷共同作用,服役條件惡劣。高速運行的發動機氣門一旦過早破斷失效,常將整臺發動機損毀。在氣門制造過程中形成的表面缺陷是氣門過早失效的重要原因[1-3]。

氣門生產工藝包括一系列的熱、冷加工工序。初期熱加工的電鐓、鍛造工序會使氣門表面產生厚重的氧化皮和脫碳層等缺陷。

目前國內外的氣門生產在熱加工工序后普遍采用噴丸的方法去除氧化皮。但該方法易形成噴丸缺陷（表面折疊和微裂紋等）,導致氣門過早失效。

為了克服噴丸易給氣門造成表面缺陷的缺點,本文研究了一種新的滾筒酸洗法以去除氣門表面的氧化皮。該法是一種化學與機械共同作用的方法:將氣門和陶瓷顆粒（砂粒）一起裝入滾筒中,將滾筒放入酸洗液中并滾動;氣門一方面受酸洗液的化學浸蝕作用,另一方面受砂粒的機械磨擦作用,在兩者的共同作用下,表面的厚重氧化皮和脫碳層被迅速去除。滾筒酸洗法最大的優點是在有效去除氣門表面氧化皮和脫碳層的同時,不損傷氣門表面。

1 實驗

1.1 氣門熱加工工藝流程

對40Cr鋼進氣氣門進行研究,其熱加工工藝流程為:電鐓（1 200 ℃）—— 模鍛（終鍛溫度900°C）調質處理（860℃淬火+520℃回火）—— 噴丸（或化學酸洗）去除氧化皮和消除脫碳層的影響——冷加工。

上述工藝流程中氣門的電鐓和熱模鍛均在空氣氣氛中進行,熱模鍛后也在空氣氣氛中冷卻。氣門氧化皮主要在電鐓和熱模鍛環節中形成;脫碳層是在熱模鍛之后的空冷過程中形成。調質處理是在弱還原性保護氣氛中加熱,對氧化皮和脫碳層影響不大。

本實驗是在調質處理后取樣,作截面金相、掃描電鏡和X射線衍射測試,對氧化皮和脫碳層進行分析。為防止制備金相截面樣品時表面氧化皮脫落或倒角,制備截面樣品均采用夾片保護。

1.2 滾筒酸洗樣品

在工廠噴丸生產線上抽取準備噴丸的材質為40Cr鋼的氣門100支裝入酸洗滾筒中,在滾筒中還裝入直徑1～2 mm的陶瓷球（砂粒）。將裝有氣門和陶瓷球的滾筒放進酸洗槽,并以勻速滾動,每隔10 min從滾筒中取出氣門5支,對其進行金相、掃描電鏡和X射線衍測試。

1.3 噴丸樣品

在噴丸生產線上抽取已噴丸的40Cr鋼氣門5支,這5支氣門經噴丸后,熒光探傷結果顯示合格。

1.4 樣品檢測

用Leica金相顯微鏡、S 3700型掃描電子顯微鏡和Philips X’pert型 X射線衍射儀對氣門表面氧化皮變化和噴丸后表面狀態進行研究。

2 結果與討論

2.1 氣門熱加工后氧化皮組織和結構

氣門經熱加工后目視,表面顯示黑褐色氧化皮。圖1是氣門經熱加工后所得SEM形貌照片。由圖1可知:40Cr鋼氣門表面氧化層疏松、多孔。圖2是氣門熱加工樣品在酸洗前的X射線衍射譜圖。由圖2可知:表面氧化皮主要由 Fe2O3相組成,少量α-Fe相來源于脫碳層的衍射。圖3是氣門經熱加工后滾筒酸洗前的金相照片。為防止金相樣品在磨制過程中發生氧化皮脫落或倒角,采用夾片保護。由圖3（a）可知:氧化皮厚度大約在20～30μm之間,厚度不均,孔隙較多,比較疏松,孔隙自表面穿透至氣門基體。氧化皮疏松與相結構有關,因為Fe2O3相比Fe3O4相疏松。圖3（b）是圖3（a）經質量分數為4%的硝酸溶液浸蝕后所得的金相照片。圖3（a）中灰黑色的氧化皮在圖3（b）中已變成深黑色,內部組織難以辨別;氣門基體組織是經調質處理的回火索氏體,在氧化皮與基體之間,有一條淺灰色的脫碳層（箭頭所指位置）,厚度在25～35μm之間。

圖1 氧化皮表面SEM形貌

圖2 滾筒酸洗前氣門的XRD譜圖

圖3 氣門熱加工后的金相照片

上述分析結果表明:經熱加工后,氣門表面不僅覆蓋有氧化皮,而且在氧化皮下面還有脫碳層。對于疏松的Fe2O3氧化皮,化學酸洗和噴丸都可以將其去除。而對于脫碳層,采用普通的化學酸洗無法將其去除;而采用噴丸時,需經過足夠長的時間,經鋼丸反復撞擊,脫碳層變形能力不斷降低而產生微裂紋,最終才以碎片的形式被逐層剝去。

滾筒酸洗可有效去除氧化皮和脫碳層,其去除機理是化學浸蝕與機械磨擦的共同作用。這種作用在去除脫碳層時具有突出的優點:滾筒酸洗時,砂粒的機械磨擦作用可迅速去除最外層已被腐蝕的舊表面,使新鮮表面裸露在酸液中,這樣可快速不斷地深入,最終將整個脫碳層完全去除。

2.2 噴丸后氣門表面質量

圖4是噴丸后氣門表面的SEM形貌照片。圖4（a）中箭頭所指是因噴丸而引起的表面折疊,圖4（b）中箭頭所指為噴丸引起的裂紋。在一定條件下,微裂紋發展成為疲勞源,所以噴丸常常增加氣門在服役中疲勞失效的傾向,導致氣門過早失效。

圖4 噴丸后氣門表面SEM圖

圖5是噴丸后氣門截面金相照片。圖5（a）中箭頭A所指是噴丸造成的折疊,折疊尖角處就具有微裂紋效應。圖5（b）是圖5（a）經質量分數為4%的硝酸溶液浸蝕后的金相組織,氣門表面的氧化皮和脫碳層已被去除,從表面到心部都是均勻的回火索氏體組織,噴丸對氣門表面造成的微裂紋如箭頭B所指,這類微裂紋,用熒光探傷檢測不出來。

圖5 噴丸后氣門截面金相照片

由上述分析可知:（1）噴丸可以去除氧化皮和脫碳層;（2）噴丸后氣門表面會產生折疊及微裂紋。根據噴丸去除氧化皮及脫碳層的機理可知產生折疊及微裂紋的原因是:（1）大量鋼丸以不同的速度和角度撞擊氣門表面,同時不同鋼丸重復撞擊氣門表面的同一地方,引起表面不均勻變形,一些區域變形蓋壓在另一區域而形成折疊,折疊處即氣門的應力集中點而產生疲勞裂紋;（2）噴丸采用的新鋼丸一般呈球形,但在反復使用中,破碎難免,鋼丸的碎片尖角使氣門表面直接產生微裂紋。

雖然噴丸會對機件表面造成損傷（缺陷）,但在機械制造業中仍堅持這項傳統的工藝。這是因為噴丸能改變金屬機件表面內應力分布,使表面處于壓應力狀態,以此提高受彎曲循環應力作用的機件抗疲勞能力。但表面壓應力狀態對氣門使用的影響不大,因為氣門在服役時受彎曲循環應力作用很小,主要是磨損、接觸疲勞失效;此外,排氣氣門服役溫度很高,表面壓應力狀態隨服役溫度的升高很快消失,所以噴丸對氣門無積極的影響,給氣門表面帶來損傷（微裂紋）的可能性卻很大。另外噴丸處理在車間會造成較大的噪音和金屬粉塵,使車間的環境不容易達到環保要求。

2.3 滾筒酸洗后氣門表面質量

圖6為氣門滾筒酸洗后的表面狀態。圖6（a）是在滾筒中酸洗10 min后所得氣門的截面金相組織照片。由圖6（a）可知:經滾筒酸洗的工件表面質量較好,無酸洗凹坑等缺陷。圖6（b）是滾筒酸洗后所得氣門的XRD譜圖。由圖6（b）可知:經過滾筒酸洗后氣門的相結構,譜線峰由α-Fe組成,未見Fe2O3譜線峰,表明氣門表面的氧化皮已經減小到X射線無法探測到的程度。

圖6 氣門滾筒酸洗后的表面結構

由上述分析可知:滾筒酸洗可以快速、有效地去除氣門表面的熱加工氧化皮和脫碳層。同時,酸洗液的廢液可以再利用,符合清節生產要求。

另外,在使用滾筒酸洗法時,還能減少氣門間的相互碰撞,降低噪音,也不產生粉塵,是一種值得推薦的去除氧化皮和脫碳層的新工藝。

3 結論

氣門經熱加工后,表面存在氧化皮和脫碳層缺陷。氧化皮厚度為20～30μm,脫碳層厚度為25～35μm。噴丸處理能去除氧化皮和脫碳層,但會給氣門表面帶來折疊和微裂紋等缺陷,降低氣門的抗疲勞能力。采用滾筒酸洗可以有效地去除氧化皮和脫碳層,其去除機理是化學浸蝕與機械磨擦的共同作用。經滾筒酸洗處理的氣門表面無缺陷、質量好、效率高、成本低、酸液的舊廢液可再利用,符合清潔生產原則。滾筒酸洗是一種比噴丸更佳的去除氧化皮和脫碳層的方法。

[1] Chitralekha S B,Shah S L,Parkash J.Detection and quantification of valve stiction by the method of unknown input estimation[J].Journal of Process Control,2010,20（2）:206-216.

[2] 李文成.機械裝備失效分析[M].北京:冶金工業出版社,2008:540.

[3] 翟麗穎.氣門失效模式分析[J].天津汽車,2006（5）:30-33.

A Study of Descaling Valves by Acid-Washing inRoller

LUO Jian-dong, QIU Wan-qi, ZENGDe-chang

（South China University of Technology,Guangzhou 510640,China）

The descaling effects of auto engine valves after acid-washing in a roller and shot-blasting were investigated by X-ray diffraction,optical microscopy and scan electron microscopy methods.The results show that the surface defects of scale and decarburized layer were found in the valves after hot-working.Both the scale and the decarburized layer can be removed away by shot-blasting,but with scratches,crumples and micro-cracks on the valve surface.However,acid-washing in a roller can quickly remove scale and decarburized layer from valve surface with no surface defects such as scratches,crumples and micro-cracks produced by shot-blasting.Substituting for the shot-blasting,the acid-washing method in a roller can decrease the dust and the noise with recycling utilization of the acid bath.

valve;scale layer;decarburized layer;shot-blasting;acid-washing in roller

TQ 153

A

1000-4742（2011）03-0011-03

2010-08-05