柱塞套貝氏體等溫淬火工藝制定與過程控制

王 衛(wèi)

（江陰市正佳熱處理有限公司，江蘇 無(wú)錫 214400）

柱塞偶件是柴油燃油噴射系統(tǒng)中三對(duì)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］。柱塞套是噴油泵的重要組成部分，要求其有良好的密封性能，因此柱塞套加工精度要求高，工藝較復(fù)雜。柱塞套常規(guī)的工藝流程為：原材料（GCr15鋼）球化退火→車削加工→鹽浴淬火（50%NaCl＋50%KCl，840℃，16min）→油冷→冷處理（-70℃，1.5h）→回火（160℃，5h）→粗磨→時(shí)效（140℃，5h）→研磨。柱塞套采用這種馬氏體淬火＋低溫回火后，發(fā)現(xiàn)其變形開裂傾向比較大，也常在磨加工時(shí)產(chǎn)生磨削裂紋。隨著燃油噴射系統(tǒng)產(chǎn)品的發(fā)展、泵端壓力的提高，對(duì)柱塞套的力學(xué)性能要求也隨之提高，為了提高其力學(xué)性能，筆者對(duì)柱塞套采用貝氏體等溫淬火工藝，并就柱塞套貝氏體等溫淬火工藝的制定及其過程控制進(jìn)行了探索和研究。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

柱塞套采用的材料是GCr15鋼，其化學(xué)成分見表1。

1.2 試驗(yàn)方法

柱塞套的等溫淬火在網(wǎng)帶式連續(xù)硝鹽等溫淬火生產(chǎn)線進(jìn)行，淬火介質(zhì)為一定配比的熔鹽，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。試驗(yàn)方案為：柱塞套經(jīng)350℃預(yù)熱后分別在840℃、850℃、860℃、870℃進(jìn)行淬火加熱，然后分別在210℃、220℃、230℃、240℃等溫冷卻。

表1 GCr15鋼的化學(xué)成分［2］

在HRS-150數(shù)顯洛氏硬度計(jì)檢測(cè)硬度，在4XC金相顯微鏡上觀察其金相組織。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 淬火加熱溫度對(duì)柱塞套硬度的影響

每個(gè)淬火加熱溫度、每個(gè)等溫溫度分別選擇三個(gè)不同位置放置柱塞套進(jìn)行等溫淬火試驗(yàn)，然后再進(jìn)行硬度檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見表2。

表2 柱塞套貝氏體等溫淬火后的硬度（HRC）

由表2可知，隨著淬火溫度的升高，GCr15鋼柱塞套在相同等溫溫度淬火后的硬度略有下降，其主要原因是：加熱溫度的提高使奧氏體的穩(wěn)定性得到了提高，Ms點(diǎn)下降，淬火后殘余奧氏體量增加，使淬火后的硬度下降。但淬火加熱溫度的提高，一方面浪費(fèi)了能源，另一方面也會(huì)使零件的晶粒長(zhǎng)大，不利于零件綜合性能的提高。綜合考慮各種因素，確定GCr15鋼柱塞套的的淬火加熱溫度為850℃。

2.2 等溫溫度對(duì)柱塞套硬度的影響

由表2可知，等溫溫度在210℃、220℃時(shí)，柱塞套的硬度略高一些。其主要原因是等溫溫度越低，組織中馬氏體所占的比例越高、殘余奧氏體所占比例越少，零件的硬度越高。為了減少柱塞套淬火內(nèi)應(yīng)力，適宜在Ms點(diǎn)附近的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行等溫淬火，其主要原因是：在這個(gè)溫度等溫時(shí)，奧氏體的穩(wěn)定性比較好，在發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變之前有充分的時(shí)間使零件內(nèi)外溫度趨于一致，可以有效減少組織應(yīng)力和熱應(yīng)力。所以，柱塞套的等溫溫度可以選擇在230℃。

同時(shí)，由表2可知，在相同等溫淬火條件下，爐中不同位置的柱塞套的硬度相差不多，硬度均勻性好，同爐零件的硬度均勻性≤1HRC。其主要原因是：等溫淬火時(shí)，零件是在恒溫下發(fā)生轉(zhuǎn)變的，爐中零件的轉(zhuǎn)變同時(shí)性比較好，組織比較均勻，硬度也比較均勻、穩(wěn)定。

2.3 等溫時(shí)間對(duì)組織的影響

圖1 850℃加熱、230℃等溫淬火后的組織

對(duì)應(yīng)于每個(gè)淬火加熱溫度、每個(gè)等溫溫度分別等溫1h、2h、4h。然后觀察其組織轉(zhuǎn)變情況。試驗(yàn)表明，在柱塞套等溫1h后即有貝氏體形成，說(shuō)明貝氏體轉(zhuǎn)變已經(jīng)開始，隨著等溫時(shí)間的延長(zhǎng)，針狀組織逐漸增多，說(shuō)明貝氏體組織的量隨著轉(zhuǎn)變時(shí)間的延長(zhǎng)而增多。而且下貝氏體組織均為互成交角的黑色針狀組織，貝氏體片條之間存在未轉(zhuǎn)變的殘留奧氏體。等溫4h后基本完成了下貝氏體轉(zhuǎn)變過程，所以，柱塞套的等溫時(shí)間確定為4h。圖1是柱塞套經(jīng)850℃淬火加熱、230℃等溫1h、2h、4h后得到的組織。

綜上所述，柱塞套等溫淬火的工藝確定為：350℃預(yù)熱→850℃淬火加熱→230℃等溫4h后出爐風(fēng)冷。其工藝曲線如圖2所示。

圖2 柱塞套貝氏體等溫淬火工藝曲線

2.4 等溫淬火對(duì)淬火、磨削裂紋的影響

下貝氏體等溫淬火時(shí)，由于貝氏體的強(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［3］，同時(shí)表面形成了壓應(yīng)力，極大地減小了淬火開裂傾向，在磨加工時(shí)表面壓應(yīng)力又可以抵消部分磨削應(yīng)力，使整體應(yīng)力水平下降，減少了磨削裂紋。若采用油淬的話，淬火內(nèi)應(yīng)力比較大，而且零件表面形成了拉應(yīng)力，磨加工時(shí)在磨削應(yīng)力的疊加作用下，易形成磨削裂紋，造成批量廢品。

通過對(duì)等溫淬火后的柱塞套進(jìn)行質(zhì)量跟蹤，采用上述等溫淬火工藝后，柱塞套淬火開裂發(fā)生率為零。在正常磨削條件下，磨削裂紋發(fā)生率也為零。

3 柱塞套貝氏體等溫淬火的過程控制

柱塞套是精密偶件，對(duì)其變形、性能均勻性的要求比較高，雖然柱塞套貝氏體等溫淬火是在全自動(dòng)生產(chǎn)線上進(jìn)行的，但是要保持質(zhì)量穩(wěn)定性，必須嚴(yán)格控制其生產(chǎn)過程。筆者認(rèn)為重點(diǎn)控制以下幾個(gè)要素。

3.1 嚴(yán)格控制溫度

溫度對(duì)零件的組織和性能影響非常大，為了確保零件的質(zhì)量，必須嚴(yán)格控制好熱處理的溫度，包括淬火加熱溫度和等溫溫度。由于熱處理的溫度都是通過測(cè)溫儀器來(lái)測(cè)量顯示的，所以對(duì)熱處理儀表，特別是熱處理測(cè)溫用的熱電偶要定期檢查和鑒定，每個(gè)季度要使用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶測(cè)量1次爐溫，使誤差控制在±5℃以內(nèi)，淬火爐熱電偶每半年要強(qiáng)制更換一次。

3.2 嚴(yán)格控制碳勢(shì)

為了防止柱塞套在熱處理過程中發(fā)生氧化脫碳，必須嚴(yán)格控制爐內(nèi)氣氛，特別是爐內(nèi)的碳勢(shì)。爐內(nèi)氮?dú)馀c甲醇的通入量的比例控制在1.1∶1左右，確保爐內(nèi)CO的含量在20%左右。建議每半年進(jìn)行一次碳勢(shì)檢定，氧探頭一年強(qiáng)制更換一次。

3.3 嚴(yán)格操作規(guī)程

為了確保柱塞套精密偶件的熱處理質(zhì)量，必須嚴(yán)格遵守操作規(guī)程，在其進(jìn)行貝氏體等溫淬火前，應(yīng)先將其充分清洗，然后再在網(wǎng)帶式連續(xù)硝鹽等溫淬火生產(chǎn)線上進(jìn)行等溫淬火，要嚴(yán)格執(zhí)行等溫淬火的工藝規(guī)范。

3.4 嚴(yán)格控制爐壓

由于柱塞套是在網(wǎng)帶式連續(xù)硝鹽等溫淬火生產(chǎn)線上進(jìn)行等溫淬火的，爐壓就是一個(gè)重要的監(jiān)控項(xiàng)，一定要保證爐內(nèi)氣氛，避免空氣的侵入。

4 結(jié)論

GCr15鋼制柱塞套采用貝氏體等溫淬火工藝，其工藝為：350℃預(yù)熱→850℃淬火加熱→230℃等溫4h后風(fēng)冷。采用貝氏體等溫淬火工藝，零件的硬度均勻性好，淬火內(nèi)應(yīng)力小，開裂傾向小。貝氏體等溫淬火工藝的過程控制非常重要，需對(duì)溫度、碳勢(shì)、操作規(guī)程、爐壓等影響零件質(zhì)量的要素進(jìn)行嚴(yán)格控制。

［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］丁建生.金屬學(xué)與熱處理［M］.北京.機(jī)械工業(yè)出版社，2004：150

［3］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.