柱塞套貝氏體等溫淬火工藝制定與過程控制

王 衛

（江陰市正佳熱處理有限公司，江蘇 無錫 214400）

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］。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，工藝較復雜。柱塞套常規的工藝流程為：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→時效（140℃，5h）→研磨。柱塞套采用這種馬氏體淬火＋低溫回火后，發現其變形開裂傾向比較大，也常在磨加工時產生磨削裂紋。隨著燃油噴射系統產品的發展、泵端壓力的提高，對柱塞套的力學性能要求也隨之提高，為了提高其力學性能，筆者對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行了探索和研究。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

柱塞套采用的材料是GCr15鋼，其化學成分見表1。

1.2 試驗方法

柱塞套的等溫淬火在網帶式連續硝鹽等溫淬火生產線進行，淬火介質為一定配比的熔鹽，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。試驗方案為：柱塞套經350℃預熱后分別在840℃、850℃、860℃、870℃進行淬火加熱，然后分別在210℃、220℃、230℃、240℃等溫冷卻。

表1 GCr15鋼的化學成分［2］

在HRS-150數顯洛氏硬度計檢測硬度，在4XC金相顯微鏡上觀察其金相組織。

2 試驗結果與分析

2.1 淬火加熱溫度對柱塞套硬度的影響

每個淬火加熱溫度、每個等溫溫度分別選擇三個不同位置放置柱塞套進行等溫淬火試驗，然后再進行硬度檢測，檢測結果見表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定性得到了提高，Ms點下降，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，一方面浪費了能源，另一方面也會使零件的晶粒長大，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 等溫溫度對柱塞套硬度的影響

由表2可知，等溫溫度在210℃、220℃時，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應力，適宜在Ms點附近的溫度范圍內進行等溫淬火，其主要原因是：在這個溫度等溫時，奧氏體的穩定性比較好，在發生貝氏體轉變之前有充分的時間使零件內外溫度趨于一致，可以有效減少組織應力和熱應力。所以，柱塞套的等溫溫度可以選擇在230℃。

同時，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，零件是在恒溫下發生轉變的，爐中零件的轉變同時性比較好，組織比較均勻，硬度也比較均勻、穩定。

2.3 等溫時間對組織的影響

圖1 850℃加熱、230℃等溫淬火后的組織

對應于每個淬火加熱溫度、每個等溫溫度分別等溫1h、2h、4h。然后觀察其組織轉變情況。試驗表明，在柱塞套等溫1h后即有貝氏體形成，說明貝氏體轉變已經開始，隨著等溫時間的延長，針狀組織逐漸增多，說明貝氏體組織的量隨著轉變時間的延長而增多。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變的殘留奧氏體。等溫4h后基本完成了下貝氏體轉變過程，所以，柱塞套的等溫時間確定為4h。圖1是柱塞套經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℃預熱→850℃淬火加熱→230℃等溫4h后出爐風冷。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 等溫淬火對淬火、磨削裂紋的影響

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

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

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生產線上進行的，但是要保持質量穩定性，必須嚴格控制其生產過程。筆者認為重點控制以下幾個要素。

3.1 嚴格控制溫度

溫度對零件的組織和性能影響非常大，為了確保零件的質量，必須嚴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溫儀器來測量顯示的，所以對熱處理儀表，特別是熱處理測溫用的熱電偶要定期檢查和鑒定，每個季度要使用標準熱電偶測量1次爐溫，使誤差控制在±5℃以內，淬火爐熱電偶每半年要強制更換一次。

3.2 嚴格控制碳勢

為了防止柱塞套在熱處理過程中發生氧化脫碳，必須嚴格控制爐內氣氛，特別是爐內的碳勢。爐內氮氣與甲醇的通入量的比例控制在1.1∶1左右，確保爐內CO的含量在20%左右。建議每半年進行一次碳勢檢定，氧探頭一年強制更換一次。

3.3 嚴格操作規程

為了確保柱塞套精密偶件的熱處理質量，必須嚴格遵守操作規程，在其進行貝氏體等溫淬火前，應先將其充分清洗，然后再在網帶式連續硝鹽等溫淬火生產線上進行等溫淬火，要嚴格執行等溫淬火的工藝規范。

3.4 嚴格控制爐壓

由于柱塞套是在網帶式連續硝鹽等溫淬火生產線上進行等溫淬火的，爐壓就是一個重要的監控項，一定要保證爐內氣氛，避免空氣的侵入。

4 結論

GCr15鋼制柱塞套采用貝氏體等溫淬火工藝，其工藝為：350℃預熱→850℃淬火加熱→230℃等溫4h后風冷。采用貝氏體等溫淬火工藝，零件的硬度均勻性好，淬火內應力小，開裂傾向小。貝氏體等溫淬火工藝的過程控制非常重要，需對溫度、碳勢、操作規程、爐壓等影響零件質量的要素進行嚴格控制。

［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］丁建生.金屬學與熱處理［M］.北京.機械工業出版社，2004：150

［3］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.