濟(jì)南沃德汽車零部件有限公司（山東 250300）王忠誠(chéng) 孫志剛 王 東

內(nèi)燃機(jī)氣門與挺桿是發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件，在工作過(guò)程中要求其具有最佳的硬度與金相組織，即氣門進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理或固溶時(shí)效處理，挺桿則進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理或淬火+低溫回火，同時(shí)為提高產(chǎn)品的耐磨性與抗腐蝕性，選擇采用氮化或鍍鉻處等表面處理。

一、熱處理工藝流程與設(shè)備

內(nèi)燃機(jī)氣門（以下簡(jiǎn)稱氣門）的熱處理主要工序，主要包括淬火、回火、固溶、時(shí)效、拋丸、調(diào)直、氮化等，熱處理設(shè)備主要為連續(xù)式網(wǎng)帶爐、高溫燃?xì)鉅t、高溫井式爐、氮化爐、拋丸機(jī)等，其主要工藝要求為溫度、時(shí)間、裝爐量等，其中電力消耗大戶為網(wǎng)帶爐、高溫井式爐、鹽浴爐與氮化爐等，其用電量占熱處理車間的90%左右，而氮化部分的消耗主要是氮化用鹽，另外是拋丸用鋼砂等。

挺桿的熱處理主要包括淬火+低溫回火（或高溫回火、氮化等，其中鑄鐵挺桿在鹽浴爐進(jìn)行加熱淬火，鋼制挺桿在網(wǎng)帶爐上加熱淬火與回火，鋼制挺桿全部進(jìn)行氮碳共滲處理。

二、熱處理過(guò)程中節(jié)能降耗的措施

1.鹽浴爐節(jié)能降耗的方法

（1）增大淬火裝爐量，從而提高生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。采用鹽浴爐加熱的氣門與挺桿大多是比較大的產(chǎn)品，因受到爐膛口的限制，氣門裝爐量通常是18～25支，為此設(shè)計(jì)錯(cuò)層工裝，增加了裝爐量。而根據(jù)筒裝挺桿的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，只能采用在圖1的淬火筐垂直擺放，裝爐量為36支，同時(shí)淬火筐的變形比較嚴(yán)重，在裝爐量到25支時(shí)報(bào)廢。為此，設(shè)計(jì)了該類挺桿的專用淬火工裝（見(jiàn)圖2），其具有變形小，裝爐量增加到46支，易于進(jìn)行變形支撐柱的校直，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，碳化物與石墨數(shù)量符合工藝要求等特點(diǎn)，將生產(chǎn)效率提高了28%，按年處理該類挺桿100萬(wàn)支計(jì)算，則節(jié)電與節(jié)鹽5萬(wàn)余元，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。

圖1 筒裝鑄鐵挺桿原淬火工裝

圖2 改進(jìn)后筒裝鑄鐵挺桿淬火工裝

（2）縮短脫氧與交接班時(shí)間，充分利用有效作業(yè)時(shí)間。熱處理生產(chǎn)為每天兩班作業(yè)各12h，兩次交接班前后約3h是非工作時(shí)間，加上每天脫氧一次，則實(shí)際作業(yè)時(shí)間最多在20h。為此采取每天僅交接班一次脫氧一次，則可每天增加有效作業(yè)時(shí)間2h，在生產(chǎn)效率與節(jié)能方面均有提高與改善。

2.連續(xù)式網(wǎng)帶爐節(jié)能降耗的方法

該爐為目前國(guó)內(nèi)外氣門進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理的重要設(shè)備，耐熱鋼網(wǎng)帶既作為淬火加熱工裝，又是傳送工具，氣門與挺桿擺放于網(wǎng)帶上完成整個(gè)加熱過(guò)程。淬火加熱網(wǎng)帶的壽命與電力的消耗是氣門與挺桿熱處理的主要成本部分，一條網(wǎng)帶的使用壽命在8個(gè)月，費(fèi)用為10萬(wàn)元。設(shè)備總功率為550kW，工作時(shí)按400kW計(jì)算，每天消耗9600kW·h，折合電力費(fèi)用為8000元。

從以上分析可見(jiàn)，充分利用工作時(shí)間，將淬火產(chǎn)品集中進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)，減少啟爐的頻次，增加裝爐量。原來(lái)采用的是氣門水平擺放在網(wǎng)帶上加熱方式（見(jiàn)圖3），此方式耗能高、產(chǎn)能低、生產(chǎn)率低且勞動(dòng)強(qiáng)度大。而采用了垂直加熱方式（見(jiàn)圖4與圖5）則增加了裝爐量，圖6為挺桿進(jìn)入回火爐的情況，作業(yè)效率提高了100%，同時(shí)在交接班時(shí)間仍繼續(xù)作業(yè)，則將有效作業(yè)時(shí)間每班增加了1.5h，充分利用網(wǎng)帶爐工作特點(diǎn)，避免了設(shè)備工作但無(wú)產(chǎn)品淬火和電力浪費(fèi)的問(wèn)題，節(jié)電效果顯著。同時(shí)產(chǎn)品淬火后變形量明顯低于井式爐淬火產(chǎn)品變形量與水平擺放氣門的變形量，為實(shí)現(xiàn)小氣門的垂直加熱與節(jié)能，也為氣門調(diào)直的測(cè)量基準(zhǔn)一致奠定了基礎(chǔ)，生產(chǎn)效率提高了25%，在淬火前進(jìn)行切割是合理的工藝優(yōu)化，值得推廣。

淬火油的消耗也占熱處理部分成本，氣門本身帶出的油較少，而鋼制挺桿因有內(nèi)孔，個(gè)別為盲孔，淬火后孔內(nèi)的淬火油帶出較多，故采用人工將其放倒流出淬火油可解決該問(wèn)題。

3.高溫井式爐的節(jié)能降耗方法

高溫井式爐是進(jìn)行大型氣門淬火加熱的主要設(shè)備，氣門垂直穿在三層淬火架網(wǎng)片上，每爐加熱時(shí)間為1h，考慮到馬氏體耐熱鋼氣門的奧氏體化溫度為980～1040℃，實(shí)際設(shè)定加熱溫度要求為（1040±10）℃，而熱爐裝爐最低降到940℃左右，實(shí)際保溫時(shí)間在30min以上，而將保溫時(shí)間縮短為20min，金相檢查表明，晶粒度與碳化物符合要求，回火后硬度等符合工藝要求。

圖3 在網(wǎng)帶上水平擺放的氣門

圖4 在網(wǎng)帶爐上整齊垂直擺放的氣門

圖5 在網(wǎng)帶上淬火加熱垂直擺放鋼制挺桿

圖6 在網(wǎng)帶上回火的鋼制挺桿

根據(jù)氣門的長(zhǎng)度不同設(shè)計(jì)4層淬火工裝，可提高生產(chǎn)效率25%，節(jié)能電力效果明顯。另外，淬火后控干凈氣門與淬火架上的淬火油，可減少油的消耗。

4.拋丸節(jié)能降耗的方法

氣門與挺桿回火后表面存在氧化皮、鹽渣等，需要進(jìn)行拋丸處理，為氣門調(diào)直與機(jī)械加工做好準(zhǔn)備。拋丸使用的鋼砂成本較高，為此根據(jù)氣門的熱處理與表面要求等特點(diǎn)進(jìn)行分類拋丸：對(duì)于熱處理后全加工的氣門拋丸時(shí)間縮短到15～20min；對(duì)于熱處理毛坯面不加工的產(chǎn)品和需要氮化處理的產(chǎn)品按工藝要求拋丸；對(duì)于桿桿焊產(chǎn)品則取消拋丸處理。

因某種氣門數(shù)量較少或剩余部分氣門，沒(méi)有達(dá)到規(guī)定的裝量，可將兩種氣門混裝拋丸；因挺桿內(nèi)孔容易積存鋼砂，采取拋丸結(jié)束后倒盤方式，控干凈鋼砂。

采用在吸塵器管道處加擋板的方式，避免因吸力過(guò)大，將碎小的鋼砂吸走，否則造成鋼砂過(guò)度的無(wú)為消耗，同時(shí)根據(jù)產(chǎn)品的表面質(zhì)量要求，合理進(jìn)行鋼砂直徑的選擇。

5.液體氮碳共滲節(jié)能降耗的方法

（1）根據(jù)氮化爐的大小，設(shè)計(jì)不同的工裝，盡可能增大裝爐量。根據(jù)井式爐爐膛的大小不同，目前設(shè)計(jì)的氮化罐分為大小兩種，根據(jù)氣門高度不同進(jìn)行不同層高間距氮化架的設(shè)計(jì)，只要層與層之間的氣門或挺桿無(wú)接觸，便于進(jìn)行清理即可，為此小爐子設(shè)計(jì)了3～7層氮化工裝，大氮化爐則為10層，目前同樣的產(chǎn)品，大氮化架的產(chǎn)量是小氮化架的5～6倍，提高生產(chǎn)效率500%以上。圖7與圖8為氣門氮化架實(shí)物照片，可以看出二者的差異較大，目前大氮化爐逐漸代替了小氮化爐，并為生產(chǎn)能力的提升奠定了良好的基礎(chǔ)。

（2）設(shè)計(jì)專用控鹽裝置，節(jié)約氮化與氧化用鹽。氣門與挺桿氮化架為分層的立體架，垂直穿在或放在網(wǎng)格上，出爐后的產(chǎn)品與氮化架上沾附不少的鹽浴，尤其是盤部帶有底窩的氣門，帶出的鹽浴則更多。這包括氮化鹽與氧化鹽，由于氮化用鹽價(jià)格較高，因此如何控制鹽的消耗成為氮化工序另一項(xiàng)重要工作。

為此根據(jù)氮化架與產(chǎn)品的裝爐方式，在爐體側(cè)面設(shè)計(jì)了支撐架與隔板，具體見(jiàn)圖9與圖10，控出的鹽浴全部落入爐內(nèi)與擋板上，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行檢查，每氮化架控出的鹽約3kg，按每天生產(chǎn)16爐計(jì)算，則可控出的氮化鹽與氧化鹽達(dá)到48kg，該鹽仍可繼續(xù)使用，可節(jié)約1000元，按月計(jì)算則節(jié)省3萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。

圖7 穿架整齊的大型氮化架

圖8 大小氮化架的實(shí)景對(duì)比

圖9 氮化架進(jìn)行控鹽實(shí)景

圖10 專用控鹽架與擋板

（3）進(jìn)行鹽浴的合理?yè)圃c補(bǔ)充。氮化鹽與氧化鹽在工作過(guò)程中，各自發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其產(chǎn)生的鹽渣（既有氮碳共滲后反應(yīng)的產(chǎn)物碳酸鹽，也有氣門與挺桿以及氮化架上的氧化皮與臟物等）沉積在爐罐的底部或在鹽浴中，需要定期撈渣與清理，以保持鹽浴的清潔，并補(bǔ)充消耗的氮化鹽或氧化鹽等。通常要求每班工作完畢后進(jìn)行降溫?fù)圃?，?dāng)?shù)癄t與氧化爐停爐后重新啟爐時(shí)，在480℃的低溫下進(jìn)行一次徹底的底部挖渣，這是最為有效的鹽浴清潔手段。

另外，對(duì)于氮化架與氮化片進(jìn)行拋丸處理，可清理干凈沾附其上的鹽與鹽渣以及銹蝕等，同時(shí)可有效維護(hù)鹽浴的清潔，不會(huì)造成鹽浴的早期老化與成分的降低，實(shí)踐證明效果顯著。

（4）通氣管合理使用，減少鹽浴的空消耗。氮化鹽浴在工作過(guò)程中，為了提高鹽浴的穩(wěn)定性與溫度的均勻性，采用罐內(nèi)加通氣管的方式，如果氮化爐內(nèi)無(wú)產(chǎn)品而仍通氣，一則造成鹽浴本身的消耗，二則造成鹽浴氰酸根成分的下降，三則造成鹽浴的早期老化。

三、防止氮化爐罐漏鹽的措施與改善作業(yè)環(huán)境

1.防止氮化罐漏鹽的措施

液體氮碳共滲罐通常采用純鈦或不銹鋼板制造，這是因?yàn)榈^(guò)程中的氫根與氰酸根分解出活性氮原子與碳原子，與鐵結(jié)合為Fe(C、N)2～3。將氮化罐放于井式電阻爐中進(jìn)行罐外加熱，氮化罐內(nèi)外雙控溫作業(yè)。

需要注意的是產(chǎn)品氮化結(jié)束后，粘附在產(chǎn)品與氮化架上的液體氮化鹽會(huì)在運(yùn)動(dòng)工作過(guò)程滴落在整個(gè)工作線上，其中落在氮化罐上部邊緣的鹽一段時(shí)間后會(huì)淌到氮化罐的外壁上，此時(shí)電爐絲直接加熱沾有氮化鹽與罐體，造成上部的罐體受到腐蝕而損壞，無(wú)法繼續(xù)使用，嚴(yán)重的報(bào)廢，而如繼續(xù)使用，則必須降低鹽液面，這將造成裝爐量降低，生產(chǎn)效率明顯降低。罐體具體破壞情況見(jiàn)圖11，可見(jiàn)整個(gè)罐體的上方已經(jīng)腐蝕漏鹽，圖12與圖13為腐蝕局部與清理鹽后的具體情況，可看到罐體上被腐蝕的明顯孔洞。該純鈦氮化罐價(jià)格在8萬(wàn)元，而不銹鋼的也在2萬(wàn)元左右，因此造成氣門與挺桿氮化成本的提高，是氮化工序亟需解決的問(wèn)題。

為防止出現(xiàn)此類嚴(yán)重缺陷，避免爐罐與爐膛受到損壞，要進(jìn)行氮化罐體的內(nèi)外部分的徹底保護(hù)，以杜絕此問(wèn)題的發(fā)生，根據(jù)氮化爐爐口與爐體的外形尺寸，鋪一塊厚5～8mm的圓環(huán)鐵板，鐵板圓周與爐體用螺栓固定在一起，鐵板內(nèi)孔尺寸應(yīng)略大于爐口尺寸，在靠近爐口處焊φ12mm的鋼筋一周，要焊牢且無(wú)縫隙，氮化罐的邊沿壓在其上，可確保氮化鹽不會(huì)流入爐膛中，具體見(jiàn)圖14與圖15，使用幾年來(lái)未發(fā)生罐體與爐膛損壞的事故，改進(jìn)效果十分有效。

圖11 氮化罐體上方被腐蝕的實(shí)物照片

圖12 氮化罐體局部腐蝕淌出的氮化鹽

圖13 將腐蝕部分清理干凈后的空洞形狀

2.設(shè)計(jì)靈活的除塵裝置，徹底改善氮化作業(yè)工作環(huán)境

在液體氮碳共滲正常工作過(guò)程中，鹽浴散發(fā)的氣味較小，但在調(diào)整氮化鹽浴成分時(shí)，添加的再生鹽與基鹽發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生刺激味很濃的氨氣，白色滾滾濃煙彌漫整個(gè)氮化空間，操作者難以忍受此工作環(huán)境，即使佩戴勞保用品仍無(wú)法待在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，這是由于爐口兩側(cè)安裝的吸塵口效果較差，因開口多而抽力很小，煙霧與氣味無(wú)法及時(shí)全部排出，對(duì)工作環(huán)境破壞較大，成為一個(gè)老大難問(wèn)題。

圖14 氮化罐壓在φ12mm鋼筋上（近距離拍攝）

圖15 氮化罐外圓環(huán)鐵板與焊接的鋼筋（側(cè)面拍攝）

圖16 正面觀察吸塵管活動(dòng)裝置

圖17 側(cè)面觀察吸塵管活動(dòng)裝置

經(jīng)對(duì)工作現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行考察與分析，原設(shè)想采用帶輪的推拉式罩形裝置，添加再生鹽時(shí)，將該裝置扣在爐罐口上，但因爐體中間無(wú)多余空間，該裝置不能進(jìn)入要求的區(qū)域，故放棄該方案。最后提出了大膽的設(shè)計(jì)，在不改變?cè)形鼔m管道的前提下就地取材，即在氮化爐蓋上開一個(gè)孔洞，進(jìn)行成分調(diào)整時(shí)將活動(dòng)的吸塵口放在爐蓋孔洞上（見(jiàn)圖16與圖17），正常工作時(shí)，關(guān)閉爐蓋小孔，活動(dòng)吸塵管移動(dòng)在一邊，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)煙霧與氣味，工作環(huán)境得到徹底的改善。