基于CB/T 4178—2013 標(biāo)準(zhǔn)的高壓共軌鍛件技術(shù)創(chuàng)新

趙昌德，鄭世念，許 峰

（金馬工業(yè)集團(tuán)股份有限公司，山東 日照 276826）

高壓共軌鍛件是經(jīng)機加工成品后裝配于高壓共軌噴射式供油系統(tǒng)中的關(guān)鍵零件。高壓共軌鍛件要求具有高強度、耐高壓等綜合機械性能指標(biāo)，達(dá)到低噪聲、低能耗、高效率、低排放的環(huán)保要求。我公司以高起點做起，打破國外的技術(shù)壟斷，研發(fā)了該項具有完全自主產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)，面向市場提供了各品種規(guī)格的具有先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的、高質(zhì)量高壓共軌鍛件產(chǎn)品。代表性產(chǎn)品如圖1 所示。

圖1 高壓共軌鍛件

1 超越船標(biāo)中同類標(biāo)準(zhǔn)的主要創(chuàng)新項目

1.1 應(yīng)用范圍創(chuàng)新

鍛件應(yīng)用范圍突破了船舶柴油機領(lǐng)域等限制，擴(kuò)大到所有柴油發(fā)動機領(lǐng)域，更趨向于高端或商用柴油發(fā)動機領(lǐng)域。

1.2 引用文件

增加鍛件熱處理技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，詳見3.3.

1.3 原材料

強化了材料表面要求，規(guī)定原材料表面交貨狀態(tài)為GB/T 3207—2008 銀亮鋼。

1.4 要求

1.4.1 尺寸

船標(biāo)規(guī)定：外徑允差，粗加工后共軌鍛件外徑±2 mm，實際長度長向允差0～50 mm；未規(guī)定其他要求。

本創(chuàng)新項目鍛件則規(guī)定：長度允許偏差±1 mm，周向允許偏差，尺寸公差范圍明顯小于船標(biāo)。

1.4.2 牌號、化學(xué)成分

化學(xué)成份與船標(biāo)準(zhǔn)對比如表1 所示。

1.4.3 力學(xué)性能

鍛件力學(xué)性能與國家標(biāo)準(zhǔn)對比如表2 所示。

表1 化學(xué)成份與船標(biāo)準(zhǔn)對比表（單位：%）

表2 鍛件力學(xué)性能與國家標(biāo)準(zhǔn)對比表

1.4.4 低倍組織

船標(biāo)規(guī)定：鍛件的橫截面酸浸低倍組織上不應(yīng)有目視可見的縮孔、裂紋、晶間裂紋、白點、氣泡、翻皮和夾雜等缺陷。鍛件的低倍組織不應(yīng)有超過GB/T 1979—2001 中1 級的一般點狀偏析和邊緣狀偏析。R 類鍛件不應(yīng)有超過GB/T 1979—2001 中1 級的錠形偏析、一般疏松和中心疏松；S 類鍛件不應(yīng)有超過GB/T 1979—2001 中2 級的錠形偏析、一般疏松和中心疏松。

本項目鍛件除了滿足上述要求外，另外規(guī)定：剖面硬度HV10，金相組織為珠光體+鐵素體，無馬氏體，貝氏體總量小于等于5%，脫碳層深度小于等于0.4 mm。

1.4.5 其他項目

如果超聲波檢測適用于本項目產(chǎn)品，另外增加磁粉探傷檢測技術(shù)要求。

2 增補船標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)中未規(guī)定的主要創(chuàng)新項目

2.1 尺寸

直線度小于等于1.1 mm；錯移量小于等于0.4 mm。

2.2 表面質(zhì)量要求

非加工表面的缺陷小于等于0.4，加工表面缺陷小于等于0.6，表面粗糙度為F 級。

2.3 明確鍛件檢測位置

2.3.1 尺寸位置檢測

直線度檢測位置如圖2 所示，以兩V 形塊水平支撐共軌鍛件，檢測A、B、C 三處；再分別轉(zhuǎn)動鍛件±90°，檢測A、B、C 環(huán)面所對應(yīng)的三處位置。

圖2 直線度檢測位置示意圖

位置限定如圖3 所示，檢測同一面柱頭端面圓中心的位置度。

圖3 位置度檢測位置示意圖

2.3.2 機械性能檢測位置限定

硬度檢測位置如圖4 所示。內(nèi)部剖面硬度檢測位置在D-D 剖面中內(nèi)圓圈處，測量點位于軸線距離表面5 mm，均勻檢驗3～6 個點；表面硬度一般設(shè)定于鍛件兩端和中間位置處，設(shè)置3～5 處檢測點。

圖4 硬度檢測位置示意圖

2.4 流線檢測

共軌流線取樣方法為鍛件從分模面縱向線切割取樣。流線制作方法參考ASTM E34 要求：流暢，無異常斷裂、變形。

2.5 拉伸試棒加工

拉伸試棒按DIN50125 加工，試棒規(guī)格為?8×40 mm，一般在圓柱體中心取樣。

2.6 特殊的制備工藝技術(shù)方法

2.6.1 鍛造模具制備工藝技術(shù)

預(yù)鍛模具軌體的型腔相互連通；預(yù)鍛上模的底表面沿著垂直于軌體型腔軸線垂直的方向上，在配管的型腔的兩端有阻料凸臺，凸臺高5～8 mm。

預(yù)鍛上模的底表面沿著垂直于軌體型腔軸線垂直的方向上，配管的型腔的兩端形成與凸臺相配合的阻料凹槽，凹槽深7～10 mm，阻料凸臺和阻料凹槽構(gòu)成阻料結(jié)構(gòu)，兩者間隙為2～3 mm，長度80～200 mm 不等。阻料凸臺、凹槽構(gòu)成鎖料裝置，削減了坯料在模具表面處和平行流動性，有效提高坯料在模具型腔內(nèi)的填充能力，提升了鍛造材料的綜合利用率。

2.6.2 鍛造加熱溫度參數(shù)控制

為防止材料過熱、減小表面脫碳層厚度，設(shè)定鍛造加熱溫度為1 070～1 120 ℃；另一方面，一次加熱后未能實現(xiàn)鍛造的原材料還可以進(jìn)行二次加熱，進(jìn)行鍛造。規(guī)定坯料加熱過程自動分選，過熱坯料強制報廢。

2.6.3 鍛造余熱熱處理工藝技術(shù)

設(shè)計研發(fā)了鍛造余熱熱處理專用設(shè)備，控制入線擺放方式和分區(qū)工藝參數(shù)，保證產(chǎn)品內(nèi)在的強韌性、耐磨性、抗疲勞等。

2.6.4 表面處理細(xì)化技術(shù)要求

按規(guī)定數(shù)量將工件裝入掛架，控制裝入量小于等于140 kg，鋼丸規(guī)格為0.8～1 mm，拋丸時間25～35 min，拋丸結(jié)束后，操作者使用膠皮手套逐件手工取出，同時按檢驗規(guī)范要求100%目測工件的清理情況，將氧化皮、銹跡、油污等清除干凈，整個工件呈現(xiàn)金屬色，表面無明顯碰傷、漏噴等。

3 核心創(chuàng)新內(nèi)容

綜上所述，核心創(chuàng)新內(nèi)容主要表現(xiàn)在以下三方面。

3.1 高壓共軌鍛件材料創(chuàng)新

在現(xiàn)有船標(biāo)基礎(chǔ)上，微量添加了Cr、Mo、V 等元素，使用了特定的合金鋼材料，在材料基礎(chǔ)方面確保了產(chǎn)品機械綜合性能，從根本上改變了現(xiàn)有船標(biāo)技術(shù)性能一般的現(xiàn)狀。

3.2 高壓共軌鍛造模具的設(shè)計創(chuàng)新

鍛造模具選用高強韌性、高耐磨性和抗熱疲勞的材料制作，模具鋼的化學(xué)成分以及質(zhì)量百分比如下：C 為0.38～0.42 wt%，Cr 為8.8～10.2 wt%，Si 為0.35～0.40 wt%，Mn為0.75～0.90 wt%，Ni 為0.32～0.40 wt%，Mo 為0.08～0.12 wt%，V 為0.40～0.45 wt%，N 為0.005～0.012 wt%，Al 為0.010～0.025 wt%，B 為0.20～0.25 wt%，P≤0.030 wt%，S≤0.025 wt%，余量為Fe 和不可避免的雜質(zhì)。

模具材料應(yīng)用獨特的真空爐熱處理工藝技術(shù)。鍛模材料放置于真空熱處理爐內(nèi)加熱至1 030～1 050 ℃后，保溫2 h；接著爐冷至930～950 ℃后保溫2 h，然后在160～200 ℃的淬火硝鹽爐中進(jìn)行冷卻，冷卻時間為1.5～2 h，然后在空氣中自然冷卻至室溫；最后將淬火后的預(yù)鍛上、下模在加熱爐內(nèi)，用200～220 ℃進(jìn)行回火處理，處理時間設(shè)定為6～8 h，爐冷至100 ℃后出爐空冷。

3.3 應(yīng)用可控緩冷熱處理工藝技術(shù)處理高壓共軌鍛件

通過使用專門研制的可控冷卻裝置，并研發(fā)出完備的工藝控制技術(shù)。入線前，按照規(guī)定方式要求擺放工件→控制入線時的溫度→控制急冷區(qū)的工藝參數(shù)→控制均溫區(qū)的工藝參數(shù)→控制緩冷區(qū)的工藝參數(shù)→出線時溫度控制→出線入筐的存放。

控制高壓共軌鍛件入線前的溫度，設(shè)定溫度范圍為800～960 ℃。工件依次進(jìn)入速冷區(qū)、穩(wěn)定區(qū)、緩冷區(qū)等工藝控制區(qū)。急冷區(qū)控制工藝參數(shù)設(shè)定為：爐膛溫度40 ℃，工件溫度由800～960 ℃降至580～640 ℃，時間長度（2.75±0.25）min，引風(fēng)機頻率（35±2）Hz；穩(wěn)定區(qū)控制工藝參數(shù)設(shè)定為：爐膛溫度（40±2）℃，工件溫度降至580～640 ℃降至420～470 ℃，時間長度（2.75±0.25）min；緩冷區(qū)控制工藝參數(shù)設(shè)定為：爐膛溫度（40±2）℃，工件溫度由降至420～470 ℃降至250 ℃以下，時間長度5.5 min，引風(fēng)機頻率（15±1）Hz；出線工件溫度不超過250 ℃，然后自然降至室溫。工藝過程時長可自動調(diào)節(jié)，設(shè)定（11±1）min，以上通過PLC 程序控制工件溫度分步控制，能夠?qū)崿F(xiàn)過程的自動化控制。

4 技術(shù)創(chuàng)新的綜合效果

高壓共軌鍛件所用原材料創(chuàng)新，保證了基礎(chǔ)材料滿足高耐壓、高耐疲勞性的基本要求；鍛造模具采用了含硼的模具鋼，使用了特定阻料技術(shù)制作的特種預(yù)鍛模具型腔，使鍛件獲得了優(yōu)良的鍛造流線，增強了共軌管內(nèi)流體的流動性，大幅提高了鍛件材料填充時的致密性，提高了鍛件材料的利用率，綜合利用率達(dá)75%以上；充分利用了鍛件的余熱，經(jīng)過可控制冷卻熱處理工藝，有序控制熱變與相變，獲得了相對理想的金相組織，保證了高機械性能和強韌性，達(dá)到了節(jié)能環(huán)保的綜合效果。

鍛件設(shè)計的抗拉強度Rm 為980～1 100 MPa，屈服強度Re≥650 MPa，斷后延伸率A≥14%，斷面收縮率Z≥55%.抗拉強度、下屈服強度、沖擊吸收能量三項技術(shù)指標(biāo)性能優(yōu)于船標(biāo)。由于特定化學(xué)元素的添加，本項目產(chǎn)品較國產(chǎn)同類共軌，其耐疲勞性和安全性在同等液壓應(yīng)力下有明顯提高。在超越國家標(biāo)準(zhǔn)的情況下，公司研發(fā)出了三項系列化的關(guān)鍵性發(fā)明專利技術(shù)，加強了自主核心知識產(chǎn)權(quán)的有效保護(hù)力度。由于核心研發(fā)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化應(yīng)用，已成功開發(fā)出9個品種規(guī)格，年產(chǎn)60 萬只，進(jìn)一步拓展了國內(nèi)外市場，提升了產(chǎn)品的競爭優(yōu)勢。