貝氏體等溫淬火工藝在GCr15鋼制柱塞套上的應用

姜躍華

（無錫威孚高科技集團股份有限公司，江蘇 無錫 214031）

貝氏體等溫淬火工藝在GCr15鋼制柱塞套上的應用

姜躍華

（無錫威孚高科技集團股份有限公司，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行了比較，根據GCr15柱塞套的技術要求，給出了貝氏體等溫淬火工藝執行過程中的要素控制方法，為柱塞套的熱處理生產提供了控制依據。

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中三對偶件之一，主要作用是通過柱塞在柱塞套中的運動形成高壓油［1］。隨著燃油噴射系統產品的發展，泵端壓力的提高，對柱塞套的機械性能要求也隨之提高，柱塞套的熱處理工藝也在不斷發展和進步。

1 柱塞套淬火工藝的發展

我公司最初的產品I號泵和A型泵的柱塞套的材料是GCr15，采用的工藝為保護氣氛淬油工藝。當產品發展到PL泵、PW泵以及PW2000泵時，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許可證產品PS7100噴油泵并進行柱塞偶件國產化時，結合現有的設備水平，我們開發了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，在愛協林VKES4／1爐中可控保護氣氛下加熱保溫。

當在制造滿足國四的CPN2.2共軌泵柱塞偶件時，開發了與BOSCH同等設備與工藝水平的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，在意大利吉埃菲貝氏體生產線上進行，主爐為可控保護氣氛，零件淬火轉移是在氮氣保護下進行，生產線為全自動設備。

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

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

與GCr15常規油淬工藝相比，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

貝氏體等溫淬火是指將鋼制工件加熱奧氏體化后，淬火熱浴（硝鹽、金屬浴或流態爐）中，保溫足夠時間，使全部或部分奧氏體轉變為下貝氏體組織，隨后空冷到室溫的熱處理工藝。等溫淬火后可獲得高強度與高塑性的良好配合，而且內應力極小，有利于減小淬火變形和防止淬裂，經常應用于軸承的熱處理。

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點

GCr15采用下貝氏體等溫淬火主要有如下優點：

2.3.1 擴大了GCr15鋼應用范圍

一般地GCr15鋼馬氏體淬火時有效壁厚在12mm以下，但下貝氏體等溫淬火時由于硝鹽冷卻能力強，同時采用攪拌、加水等措施，有效壁厚可擴大至28mm左右。貝氏體的強度、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越［2］。

2.3.2 硬度穩定、均勻性好

由于下貝氏體轉變是一個緩慢過程，一般GCr15鋼需4h，柱塞套在硝鹽中長時間等溫，表面心部組織轉變幾乎同時進行，因此硬度穩定、均勻性好，一般GCr15鋼下貝氏體淬火后硬度在60～64HRC，均勻性≤1HRC，不像馬氏體淬火時壁厚稍大一些就出現硬度低、軟點、均勻性差等問題。

2.3.3 減少淬火、磨削裂紋

油淬火時馬氏體組織脆性大，為使淬火后獲得高硬度常采取強冷卻措施，結果導致淬火微裂紋；由于馬氏體淬火后表面為拉應力，在磨加工時磨削應力的疊加使整體應力水平提高，易形成磨削裂紋，造成批量廢品。而下貝氏體淬火時，由于下貝氏體組織比馬氏體組織韌性好得多，同時表面形成高達-400～-500MPa的壓應力，極大地減小了淬火裂紋傾向；在磨加工時表面壓應力抵消了部分磨削應力，使整體應力水平下降，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，經馬氏體淬火后使用時主要失效形式為：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、表面壓應力，開裂傾向性大大減小。因此，經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

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，因為滿足了金相與硬度要求的情況下，柱塞套的強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10%。

3 柱塞套貝氏體等溫淬火后的技術要求

3.1 芯部（不含表面層的橫截面）

3.1.1 指標

下貝氏體，貝氏體針長≤25μm。

心部硬度745±60HV10或者HV1（測3點取平均值）。

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，連續的貝氏體其總量可達10%（估計值）。

用金相法檢查允許存在零星的殘余奧氏體斑點。

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：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，無網狀碳化物）。

游離碳化物在氧化作用的范圍內。

用金相法檢查允許存在零星的殘余奧氏體斑點。

3.2.2 不允許存在的偏差

表面層狀態（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，回火區大于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的全自動生產線上進行，但是要滿足上述技術要求，并保持穩定的質量，必須要有嚴格的過程控制能力進行保證。

4.1 溫度控制要求

（1）熱電偶由專業廠家提供并具有出廠鑒定證書，使用前由計量員檢查和鑒定。

（2）每3個月使用標準熱電偶對爐溫進行測量1次（相當于系統精確測試SAT），誤差最多在± 5℃以內。

（3）淬火爐熱電偶每6個月強制更換，鹽槽與回火爐熱電偶每12個月強制更換。

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

（5）每2小時檢查并記錄1次溫度。

4.2 碳勢控制要求

（1）使用規定品牌的進口氧探頭。

（2）每6個月進行一次碳勢檢定（可以使用箔片稱重法或光譜法）。

（3）氧探頭12個月強制更換。

（4）確定氮氣與甲醇的通入量，比例控制在1.1∶1左右，使CO的含量在20%左右。

4.3 淬火介質控制要求

（1）淬火介質的舔加確保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、鐵屑及其他雜質從而污染鹽浴。

（3）每年對淬火介質進行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）爐壓作為監控項，以確保爐膛的密封裝置無大的漏氣，從而保證爐內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 多點驗證

（1）驗證的目的是為了確保爐內各點零件均滿足技術要求，一般采用15點法（如圖3所示）。檢測項目為各項技術要求。

圖3 多點驗證位置（15點法）Fig.3 Picture of 15points for validation

（2）該驗證通常每6個月1次，在加熱爐每次修理后也需進行15點驗證。

5 結 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，不易發生開裂，畸變小，柱塞套的強韌性得到提高，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、鹽浴等影響零件質量的要素進行嚴格控制。

（3）定期用15點法檢查爐內不同位置零件的檢驗結果，從而驗證設備及工藝的穩定性。

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

［2］ 倪洪濤.貝氏體等溫淬火在模具處理中的應用［J］.模具工業，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與車間管理工作。