貝氏體等溫淬火工藝在GCr15鋼制柱塞套上的應(yīng)用

姜躍華

（無錫威孚高科技集團(tuán)股份有限公司，江蘇 無錫 214031）

貝氏體等溫淬火工藝在GCr15鋼制柱塞套上的應(yīng)用

姜躍華

（無錫威孚高科技集團(tuán)股份有限公司，江蘇 無錫 214031）

介紹了油泵柱塞套淬火工藝的發(fā)展，并對GCr15制柱塞套采用馬氏體等溫分級淬火與貝氏體等溫淬火工藝進(jìn)行了比較，根據(jù)GCr15柱塞套的技術(shù)要求，給出了貝氏體等溫淬火工藝執(zhí)行過程中的要素控制方法，為柱塞套的熱處理生產(chǎn)提供了控制依據(jù)。

柱塞套；GCr15；貝氏體；等溫淬火；過程控制

柱塞偶件是柴油燃油噴射系統(tǒng)中三對偶件之一，主要作用是通過柱塞在柱塞套中的運(yùn)動(dòng)形成高壓油［1］。隨著燃油噴射系統(tǒng)產(chǎn)品的發(fā)展，泵端壓力的提高，對柱塞套的機(jī)械性能要求也隨之提高，柱塞套的熱處理工藝也在不斷發(fā)展和進(jìn)步。

1 柱塞套淬火工藝的發(fā)展

我公司最初的產(chǎn)品I號泵和A型泵的柱塞套的材料是GCr15，采用的工藝為保護(hù)氣氛淬油工藝。當(dāng)產(chǎn)品發(fā)展到PL泵、PW泵以及PW2000泵時(shí)，柱塞套材料是滲碳鋼20CrMn，采用的工藝為滲碳后淬油工藝。

在制造BOSCH許可證產(chǎn)品PS7100噴油泵并進(jìn)行柱塞偶件國產(chǎn)化時(shí)，結(jié)合現(xiàn)有的設(shè)備水平，我們開發(fā)了GCr15馬氏體等溫分級淬火。該工藝選用科潤KR468等溫分級淬火油，在愛協(xié)林VKES4／1爐中可控保護(hù)氣氛下加熱保溫。

當(dāng)在制造滿足國四的CPN2.2共軌泵柱塞偶件時(shí)，開發(fā)了與BOSCH同等設(shè)備與工藝水平的GCr15貝氏體等溫淬火。該工藝選用一定配比的熔鹽作為淬火介質(zhì)，在意大利吉埃菲貝氏體生產(chǎn)線上進(jìn)行，主爐為可控保護(hù)氣氛，零件淬火轉(zhuǎn)移是在氮?dú)獗Ｗo(hù)下進(jìn)行，生產(chǎn)線為全自動(dòng)設(shè)備。

2 馬氏體等溫分級淬火與貝氏體等溫淬火工藝比較

2.1 馬氏體等溫分級淬火工藝及特點(diǎn)

馬氏體等溫淬火是指工件奧氏體化后淬入低于Ms點(diǎn)以下50～100℃的熱浴中等溫保持，待內(nèi)外層均溫后取出空冷，以獲得馬氏體的淬火方法。

與GCr15常規(guī)油淬工藝相比，柱塞套由于尺寸較大，采用馬氏體等溫分級淬火可以減輕零件開裂傾向，以及減少零件的畸變及殘留應(yīng)力。工藝曲線見圖1。

圖1 GCr15馬氏體等溫分級淬火工藝曲線Fig.1 Martempering curve of GCr15steel

2.2 貝氏體等溫淬火工藝件特點(diǎn)

貝氏體等溫淬火是指將鋼制工件加熱奧氏體化后，淬火熱?。ㄏ觖}、金屬浴或流態(tài)爐）中，保溫足夠時(shí)間，使全部或部分奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橄仑愂象w組織，隨后空冷到室溫的熱處理工藝。等溫淬火后可獲得高強(qiáng)度與高塑性的良好配合，而且內(nèi)應(yīng)力極小，有利于減小淬火變形和防止淬裂，經(jīng)常應(yīng)用于軸承的熱處理。

柱塞套的貝氏體等溫淬火工藝見圖2。

圖2 GCr15貝氏體等淬火工藝曲線Fig.2 Bainite hardening curve of GCr15steel

2.3 GCr15貝氏體等溫淬火的優(yōu)點(diǎn)

GCr15采用下貝氏體等溫淬火主要有如下優(yōu)點(diǎn)：

2.3.1 擴(kuò)大了GCr15鋼應(yīng)用范圍

一般地GCr15鋼馬氏體淬火時(shí)有效壁厚在12mm以下，但下貝氏體等溫淬火時(shí)由于硝鹽冷卻能力強(qiáng)，同時(shí)采用攪拌、加水等措施，有效壁厚可擴(kuò)大至28mm左右。貝氏體的強(qiáng)度、硬度、塑性及韌性都較好，尤其是下貝氏體的綜合性能更為優(yōu)越［2］。

2.3.2 硬度穩(wěn)定、均勻性好

由于下貝氏體轉(zhuǎn)變是一個(gè)緩慢過程，一般GCr15鋼需4h，柱塞套在硝鹽中長時(shí)間等溫，表面心部組織轉(zhuǎn)變幾乎同時(shí)進(jìn)行，因此硬度穩(wěn)定、均勻性好，一般GCr15鋼下貝氏體淬火后硬度在60～64HRC，均勻性≤1HRC，不像馬氏體淬火時(shí)壁厚稍大一些就出現(xiàn)硬度低、軟點(diǎn)、均勻性差等問題。

2.3.3 減少淬火、磨削裂紋

油淬火時(shí)馬氏體組織脆性大，為使淬火后獲得高硬度常采取強(qiáng)冷卻措施，結(jié)果導(dǎo)致淬火微裂紋；由于馬氏體淬火后表面為拉應(yīng)力，在磨加工時(shí)磨削應(yīng)力的疊加使整體應(yīng)力水平提高，易形成磨削裂紋，造成批量廢品。而下貝氏體淬火時(shí)，由于下貝氏體組織比馬氏體組織韌性好得多，同時(shí)表面形成高達(dá)-400～-500MPa的壓應(yīng)力，極大地減小了淬火裂紋傾向；在磨加工時(shí)表面壓應(yīng)力抵消了部分磨削應(yīng)力，使整體應(yīng)力水平下降，大大減少了磨削裂紋。

2.3.4 柱塞套使用壽命提高

對于承受大沖擊載荷等，經(jīng)馬氏體淬火后使用時(shí)主要失效形式為：使用過程中受沖擊柱塞套開裂，而等溫淬火柱塞套由于沖擊韌性好、表面壓應(yīng)力，開裂傾向性大大減小。因此，經(jīng)等溫淬火后比馬氏體淬火后平均壽命及可靠性提高。

2.3.5 不需要做拉伸試驗(yàn)

柱塞套如果采用馬氏體等溫分級淬火，每一爐必須做拉伸試驗(yàn)以判斷該爐零件是否正常，而貝氏體等溫淬火則不需要做拉伸試驗(yàn)，因?yàn)闈M足了金相與硬度要求的情況下，柱塞套的強(qiáng)度與韌性也得到了滿足。

2.3.6 殘余奧氏體量少

采用了貝氏體等溫淬火后，柱塞套的殘余奧氏體量控制在2%以下，而如果采用馬氏體等溫分級淬火，殘余奧氏體量達(dá)10%。

3 柱塞套貝氏體等溫淬火后的技術(shù)要求

3.1 芯部（不含表面層的橫截面）

3.1.1 指標(biāo)

下貝氏體，貝氏體針長≤25μm。

心部硬度745±60HV10或者HV1（測3點(diǎn)取平均值）。

用X射線照片測定，殘余奧氏體量≤3%。

3.1.2 允許偏差

少量的珠光體，連續(xù)的貝氏體其總量可達(dá)10%（估計(jì)值）。

用金相法檢查允許存在零星的殘余奧氏體斑點(diǎn)。

3.1.3 不允許存在的偏差

馬氏體（檢查馬氏體：在230°C／1h下回火，最大硬度降允差為30HV10）。

3.2 表面層（熱處理前切削加工）

3.2.1 允許偏差

氧化（內(nèi)部氧化）最大為15μm。

氧化層（外部氧化）最大為6μm。

C含量在最大深度為40μm時(shí)：0.7%～1.1%（光譜分析法-ARL）。

貧碳最大為800μm。

增碳最大為60μm（無廢鋼碳化物，無網(wǎng)狀碳化物）。

游離碳化物在氧化作用的范圍內(nèi)。

用金相法檢查允許存在零星的殘余奧氏體斑點(diǎn)。

3.2.2 不允許存在的偏差

表面層狀態(tài)（例如：軟加工前的層疊，表面殘留物，零件潮濕，銹蝕或有鹽分，酸蝕痕跡或銹跡）。

磨削缺陷：二次淬火區(qū)，回火區(qū)大于7μm。

4 柱塞套貝氏體等溫淬火的過程控制

雖然柱塞套貝氏體等溫淬火是在比較先進(jìn)的全自動(dòng)生產(chǎn)線上進(jìn)行，但是要滿足上述技術(shù)要求，并保持穩(wěn)定的質(zhì)量，必須要有嚴(yán)格的過程控制能力進(jìn)行保證。

4.1 溫度控制要求

（1）熱電偶由專業(yè)廠家提供并具有出廠鑒定證書，使用前由計(jì)量員檢查和鑒定。

（2）每3個(gè)月使用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶對爐溫進(jìn)行測量1次（相當(dāng)于系統(tǒng)精確測試SAT），誤差最多在± 5℃以內(nèi)。

（3）淬火爐熱電偶每6個(gè)月強(qiáng)制更換，鹽槽與回火爐熱電偶每12個(gè)月強(qiáng)制更換。

（4）每年1次溫度均勻性調(diào)查（TUS），淬火爐公差為±7℃，回火爐公差為（-2，＋5）℃。

（5）每2小時(shí)檢查并記錄1次溫度。

4.2 碳勢控制要求

（1）使用規(guī)定品牌的進(jìn)口氧探頭。

（2）每6個(gè)月進(jìn)行一次碳勢檢定（可以使用箔片稱重法或光譜法）。

（3）氧探頭12個(gè)月強(qiáng)制更換。

（4）確定氮?dú)馀c甲醇的通入量，比例控制在1.1∶1左右，使CO的含量在20%左右。

4.3 淬火介質(zhì)控制要求

（1）淬火介質(zhì)的舔加確保KNO3與NaNO2比例為1∶1，每半年測定一下兩者的比例。

（2）確保淬火前的零件無油、鐵屑及其他雜質(zhì)從而污染鹽浴。

（3）每年對淬火介質(zhì)進(jìn)行1次冷卻特性測試，確保最快冷速在85℃／s以上。

4.4 爐壓控制要求

（1）爐壓作為監(jiān)控項(xiàng)，以確保爐膛的密封裝置無大的漏氣，從而保證爐內(nèi)氣氛以及防止空氣的侵入。

（2）加熱爐爐壓控制在200Pa以上，淬火室爐壓控制在100Pa以上。

（3）每次開爐檢查爐門的密封性，通氣氛后用火把測試。

4.5 多點(diǎn)驗(yàn)證

（1）驗(yàn)證的目的是為了確保爐內(nèi)各點(diǎn)零件均滿足技術(shù)要求，一般采用15點(diǎn)法（如圖3所示）。檢測項(xiàng)目為各項(xiàng)技術(shù)要求。

圖3 多點(diǎn)驗(yàn)證位置（15點(diǎn)法）Fig.3 Picture of 15points for validation

（2）該驗(yàn)證通常每6個(gè)月1次，在加熱爐每次修理后也需進(jìn)行15點(diǎn)驗(yàn)證。

5 結(jié) 論

（1）對于GCr15鋼制柱塞套，采用貝氏體等溫淬火工藝取代馬氏體等溫分級淬火工藝，零件容易淬透，不易發(fā)生開裂，畸變小，柱塞套的強(qiáng)韌性得到提高，能承受更高的油壓。

（2）貝氏體等溫淬火工藝的過程控制非常重要，需對溫度、碳勢、鹽浴等影響零件質(zhì)量的要素進(jìn)行嚴(yán)格控制。

（3）定期用15點(diǎn)法檢查爐內(nèi)不同位置零件的檢驗(yàn)結(jié)果，從而驗(yàn)證設(shè)備及工藝的穩(wěn)定性。

［1］ 李康.柴油汽車噴油泵原理、保養(yǎng)及維修［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，1993.

［2］ 倪洪濤.貝氏體等溫淬火在模具處理中的應(yīng)用［J］.模具工業(yè)，1993（11）：45-47.

The Application of Austempering Technology for Barrel Made of GCr15

JIANG Yuehua
（Wuxi Weifu High-Technology Group Co.Ltd.，Wuxi 214031，China）

It is introduced about the quench technology of pump barrel.And the two technologies are compared between the martempering and the austempering.According to the technics requirements，the key control methods are given in the execution during the austempering.And according them we can produce high quality barrels in the heat-treatment production.

barrel；GCr15；bainite；austempering；process control

TG 156.3

A

1671-7880（2012）01-0069-04

2011-12-02

姜躍華（1974— ），男，江蘇建湖人，高級工程師，工程碩士，主要從事熱處理工藝開發(fā)與車間管理工作。