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(xué),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(xué),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(fā)動機氣門氧化皮的效果。結(jié)果表明:氣門經(jīng)熱加工后,同時產(chǎn)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(chǎn)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(fā)動機進氣氣門和排氣氣門的總稱,是發(fā)動機工作過程中密封燃燒室和控制發(fā)動機氣體交換的最重要的零件之一,對發(fā)動機的功率、燃燒、節(jié)能和排放都有影響。氣門承受著高溫、腐蝕、摩擦和反復(fù)機械沖擊載荷共同作用,服役條件惡劣。高速運行的發(fā)動機氣門一旦過早破斷失效,常將整臺發(fā)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(chǎn)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(chǎn)生厚重的氧化皮和脫碳層等缺陷。

目前國內(nèi)外的氣門生產(chǎn)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(dǎo)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(xué)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(xué)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(yōu)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(diào)質(zhì)處理（860℃淬火+520℃回火）—— 噴丸（或化學(xué)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(huán)節(jié)中形成;脫碳層是在熱模鍛之后的空冷過程中形成。調(diào)質(zhì)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(diào)質(zhì)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(chǎn)線上抽取準備噴丸的材質(zhì)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(chǎn)線上抽取已噴丸的40Cr鋼氣門5支,這5支氣門經(jīng)噴丸后,熒光探傷結(jié)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(tài)進行研究。

2 結(jié)果與討論

2.1 氣門熱加工后氧化皮組織和結(jié)構(gòu)

氣門經(jīng)熱加工后目視,表面顯示黑褐色氧化皮。圖1是氣門經(jīng)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(jīng)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(fā)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(jié)構(gòu)有關(guān),因為Fe2O3相比Fe3O4相疏松。圖3（b）是圖3（a）經(jīng)質(zhì)量分數(shù)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(nèi)部組織難以辨別;氣門基體組織是經(jīng)調(diào)質(zhì)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(jié)果表明:經(jīng)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(xué)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(xué)酸洗無法將其去除;而采用噴丸時,需經(jīng)過足夠長的時間,經(jīng)鋼丸反復(fù)撞擊,脫碳層變形能力不斷降低而產(chǎn)生微裂紋,最終才以碎片的形式被逐層剝?nèi)ァ?/p>

滾筒酸洗可有效去除氧化皮和脫碳層,其去除機理是化學(xué)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(yōu)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(zhì)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(fā)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(dǎo)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(yīng)。圖5（b）是圖5（a）經(jīng)質(zhì)量分數(shù)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(chǎn)生折疊及微裂紋。根據(jù)噴丸去除氧化皮及脫碳層的機理可知產(chǎn)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(fù)撞擊氣門表面的同一地方,引起表面不均勻變形,一些區(qū)域變形蓋壓在另一區(qū)域而形成折疊,折疊處即氣門的應(yīng)力集中點而產(chǎn)生疲勞裂紋;（2）噴丸采用的新鋼丸一般呈球形,但在反復(fù)使用中,破碎難免,鋼丸的碎片尖角使氣門表面直接產(chǎn)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(yè)中仍堅持這項傳統(tǒng)的工藝。這是因為噴丸能改變金屬機件表面內(nèi)應(yīng)力分布,使表面處于壓應(yīng)力狀態(tài),以此提高受彎曲循環(huán)應(yīng)力作用的機件抗疲勞能力。但表面壓應(yīng)力狀態(tài)對氣門使用的影響不大,因為氣門在服役時受彎曲循環(huán)應(yīng)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(yīng)力狀態(tài)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(huán)境不容易達到環(huán)保要求。

2.3 滾筒酸洗后氣門表面質(zhì)量

圖6為氣門滾筒酸洗后的表面狀態(tài)。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(jīng)滾筒酸洗的工件表面質(zhì)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(jīng)過滾筒酸洗后氣門的相結(jié)構(gòu),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(jīng)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(jié)構(gòu)

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(jié)生產(chǎn)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(chǎn)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(jié)論

氣門經(jīng)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(xué)浸蝕與機械磨擦的共同作用。經(jīng)滾筒酸洗處理的氣門表面無缺陷、質(zhì)量好、效率高、成本低、酸液的舊廢液可再利用,符合清潔生產(chǎn)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(yè)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