熱處理對針閥體用4Cr5MoSiV1鋼組織及性能的影響

韓俊剛， 邵志文， 宋運坤， 陳小虎， 丁博遠， 顧嬌嬌

(1. 中國兵器科學研究院寧波分院， 浙江 寧波 315103；2. 中國北方發動機研究所， 天津 300412)

噴油器是柴油機結構中少數精密器件之一，其性能是保證柴油機具有長使用壽命的關鍵。隨著柴油機噴射系統噴射壓力的不斷提高，對燃油噴射系統中的針閥偶件也提出了更高的性能要求[1-3]。其中，針閥體是針閥偶件的關鍵部件，擔負著燃油噴射系統最重要的任務——噴油。因此，針閥體的性能直接影響噴射系統的服役表現，進而也影響了柴油機整體的功效、經濟性和使用壽命。

隨著燃油噴射系統的改進和噴射壓力的提高，制備針閥體所需的材料也在不斷發展。起初，針閥體是由GCr15鋼制備的，然而此材料制備的針閥體存在回火穩定性差、韌性不足等缺點[4]。為了克服以上缺點，研究人員隨后開發了18Cr2Ni4WA、25SiCrMoVA滲碳鋼作為針閥體制備材料，而這兩種材料機加工性能與耐蝕性能較差，也不適用于大規模應用[5-6]。目前，在普通的共軌噴油系統中，主要采用德國鋼種18CrNi8鋼制備針閥體[7]。但是，隨著高壓共軌噴油器系統的發展，為了進一步提高針閥體的耐高溫穩定性與耐蝕性能，開發性能更優的針閥體材料是當前研究的關鍵和難點。4Cr5MoSiV1鋼作為典型的模具鋼材料，其具有高淬透性、熱處理畸變小、優異的耐熱疲勞性、高強韌性、高溫耐磨性以及良好的機加工性能等[8]，是制備高壓共軌噴油器系統針閥體的優選材料之一，然而目前很少有關于針閥體用4Cr5MoSiV1鋼相關的研究報道。

因此，本文以針閥體用4Cr5MoSiV1鋼為對象，研究了不同熱處理工藝對其顯微組織與力學性能的影響，為高性能針閥體材料的研發提供技術支撐。

1 試驗材料與方法

試驗選用的針閥體材料分別為淬火+低溫回火和淬火+中溫回火的4Cr5MoSiV1鋼(低溫回火態和中溫回火態)。其中，淬火溫度為1020 ℃，低溫回火溫度為200 ℃，中溫回火溫度為400 ℃。從兩種不同熱處理后針閥體樣件上進行本體取樣，進行顯微組織觀察與力學性能分析，取樣位置與取樣示意圖如圖1所示。

圖1 針閥體本體取樣示意圖(a)取樣示意圖；(b)非標拉伸試樣尺寸圖Fig.1 Sampling diagram in the needle valve body(a) sampling diagram; (b) dimensions of the non-standard tensile specimen

化學成分檢測采用紅外碳硫儀、滴定管和等離子體光譜儀。顯微組織試樣采用體積分數為2%硝酸酒精溶液腐蝕，并在奧林巴斯光學顯微鏡和FEI Quanta FEG 250場發射掃描電鏡上觀察。顯微硬度測試采用顯微硬度計，加載載荷0.98 N，加載時間15 s，每個試樣測試7個點，并取其平均值。拉伸試驗在LN w+b 20KN拉伸試驗機上進行，拉伸速率為3×10-3mm/s，每個熱處理條件測試3個平行試樣，并采用掃描電鏡觀察拉伸后試樣斷口的微觀形貌。

2 結果分析與討論

2.1 化學成分

4Cr5MoSiV1鋼低溫回火態針閥體以及中溫回火態針閥體的化學成分檢測結果如表1所示。通過表1可以發現，低溫回火態針閥體和中溫回火態針閥體各元素的含量差別很小；此外，低溫回火態針閥體和中溫回火態針閥體各元素含量均在GB/T 1299—2014《工模具鋼》成分范圍內，并且P、S含量相對較低。

表1 針閥體用4Cr5MoSiV1鋼的化學成分(質量分數，%)Table 1 Chemical composition of the 4Cr5MoSiV1 steel for needle valve body (mass fraction, %)

2.2 顯微組織

低溫回火態針閥體和中溫回火態針閥體不同放大倍數下的顯微組織與SEM組織分別如圖2和圖3所示，由圖2(a～c)和圖3(a～c)可以發現，針閥體經淬火+低溫回火后，其顯微組織主要為黑色針狀馬氏體組織和大量的析出碳化物；由圖2(d～f)和圖3(d～f) 可以發現，針閥體經淬火+中溫回火后，其組織中的針狀形態已經消失，且在基體上分布有析出的粒狀碳化物顆粒，是典型的回火托氏體組織。

圖2 針閥體用4Cr5MoSiV1鋼的光學顯微組織(a～c)低溫回火態；(d～f)中溫回火態Fig.2 Optical microstructure of the 4Cr5MoSiV1 steel for needle valve body(a-c) low temperature tempered; (d-f) medium temperature tempered

圖3 針閥體用4Cr5MoSiV1鋼的SEM顯微組織(a～c)低溫回火態；(d～f)中溫回火態Fig.3 SEM images of the 4Cr5MoSiV1 steel for needle valve body(a-c) low temperature tempered; (d-f) medium temperature tempered

低溫回火態針閥體和中溫回火態針閥體的顯微組織明顯不同，這是由不同溫度回火造成的。兩種針閥體經完全淬火處理后，其全部組織均為針狀和板條狀淬火馬氏體。針閥體經低溫回火后，淬火馬氏體會發生部分分解而形成ε-碳化物，但其組織仍保持著針狀馬氏體形態[9]，稱為回火馬氏體；針閥體經中溫回火熱處理后，淬火馬氏體完全分解為ε-碳化物，且部分ε-碳化物進一步回溶至基體鐵素體中，并伴隨有片層Fe3C的析出，是典型的珠光體組成成分，而由于該組織中鐵素體和Fe3C的片層間距很小，通常稱此組織為回火托氏體[10]。

2.3 力學性能

表2為不同熱處理工藝下針閥體的維氏硬度測量值，熱處理后試樣的維氏硬度分布均勻。低溫回火態針閥體和中溫回火態針閥體的維氏硬度分別為639.4 HV0.1和584.4 HV0.1，低溫回火態針閥體的維氏硬度高于中溫回火態針閥體的。

表2 不同溫度回火態針閥體用4Cr5MoSiV1鋼的維氏硬度(HV0.1)Table 2 Vickers hardness values of the 4Cr5MoSiV1 steel for needle valve body tempered at different temperatures (HV0.1)

低溫回火態針閥體和中溫回火態針閥體的工程應力-應變曲線如圖4所示，且其力學性能結果如表3所示。從圖4和表3可以發現，低溫回火態針閥體和中溫回火態針閥體的力學性能波動較小，具有較好的重復性；低溫回火態針閥體的抗拉強度、屈服強度和伸長率分別為1527.7 MPa、1333.6 MPa和23.3%，中溫回火態針閥體的抗拉強度、屈服強度和伸長率分別為1722.0 MPa、1504.3 MPa和29.5%；且中溫回火態針閥體的抗拉強度、屈服強度和伸長率比低溫回火態針閥體分別提高了12.7%、12.8%和26.6%。

圖4 針閥體用4Cr5MoSiV1鋼的工程應力-應變曲線(a)低溫回火態；(b)中溫回火態Fig.4 Engineering stress-strain curves of the 4Cr5MoSiV1 steel for needle valve body(a) low temperature tempered; (b) medium temperature tempered

表3 不同溫度回火態針閥體用4Cr5MoSiV1鋼的拉伸性能Table 3 Tensile properties of the 4Cr5MoSiV1 steel for needle valve body tempered at different temperatures

低溫回火態針閥體和中溫回火態針閥體的拉伸斷口形貌如圖5所示，從圖5(a，c)可以發現，兩種針閥體試樣在拉伸斷裂過程中均發生了明顯的頸縮行為，因而兩種試樣的斷裂行為表現為韌性斷裂[11]。從圖5(b，d)可以發現，兩種針閥體試樣的拉伸斷口中都有尺寸不等的韌窩和撕裂棱，相比于中溫回火態針閥體中尺寸均勻的韌窩，低溫回火態針閥體斷口中出現的韌窩分布均勻性較差，并且有明顯的撕裂棱出現，因而低溫回火態針閥體試樣的伸長率低于中溫回火態針閥體的。

圖5 針閥體用4Cr5MoSiV1鋼的拉伸斷口形貌(a，b)低溫回火態；(c，d)中溫回火態Fig.5 Tensile fracture morphologies of the 4Cr5MoSiV1 steel for needle valve body(a,b) low temperature tempered; (c,d) medium temperature tempered

2.4 微觀組織與力學性能的關聯特性

針閥體的硬度與其微觀組織密切相關，經低溫回火處理的針閥體組織中包含有大量的馬氏體組織，馬氏體屬于高碳過飽和間隙固溶體，過飽和的碳原子會形成以碳原子為中心的畸變偶極應力場，該應力場與位錯產生強烈的交互作用，導致馬氏體組織硬度升高；而中溫回火處理的針閥體組織中無馬氏體組織，因此其硬度相對較低[12]。

4Cr5MoSiV1鋼的強度主要由固溶強化、析出強化、位錯強化和馬氏體相變強化等強化機制綜合決定。在不同的熱處理狀態下，各類強化效果的強化程度不同。在回火熱處理過程中伴隨有碳原子的擴散發生，碳化物從過飽和α固溶體中逐漸析出、聚集，進而影響針閥體的強度。相比于低溫回火，在中溫回火狀態下，由于回火溫度升高，針閥體材料中碳原子的活動能力進一步加強，ε-碳化物進一步形核，且隨著碳原子的遠距離擴散而長大，ε-碳化物逐漸轉變為穩定的Fe3C，發生“離位析出”進而使得位錯回復和運動相消導致位錯密度下降，然而，碳化物析出所增強的沉淀析出強化作用遠大于位錯密度下降所損失的位錯強化作用，因而使得抗拉強度和屈服強度增加。另一方面，由于中溫回火處理后的針閥體組織中包含有片層間距很小的鐵素體和Fe3C的極彌散的混合物，這種低硬度相的鐵素體和相對高硬度相的Fe3C的組織組合可以獲得較好的強韌性匹配[11,13]。

綜上所述，針閥體用4Cr5MoSiV1鋼通過淬火+中溫回火熱處理方式，可以獲得回火托氏體組織，表現出較好的綜合力學性能。

3 結論

1) 針閥體不同溫度回火后的組織明顯不同，經淬火+低溫回火后，針閥體試樣組織為回火馬氏體和未溶碳化物的復相組織；而經淬火+中溫回火后，其組織為回火托氏體和未溶碳化物的復相組織。

2) 隨著回火溫度的升高，針閥體試樣的維氏硬度由639.4 HV0.1降低至584.4 HV0.1，這與熱處理后的微觀組織密切相關。

3) 相比于淬火+低溫回火試樣，經淬火+中溫回火后試樣的抗拉強度、屈服強度和伸長率則分別提高了12.7%、12.8%和26.6%，且拉伸斷面韌窩分布更加均勻。經淬火+中溫回火熱處理后針閥體試樣的綜合力學性能優于低溫回火處理后針閥體試樣的。