1.5　油泵柱塞副與噴油嘴偶件的熱處理工藝與規范

（1）油泵柱塞副與噴油嘴偶件工作條件和性能要求

噴油嘴柱塞偶件由柱塞與柱塞套組成，而噴油嘴偶件由針閥體和針閥組成，它們屬于柴油機上的精密偶件，要求尺寸配合精度高、穩定性好。在工作過程中，針閥相對于針閥體作高速滑動摩擦，孔和座受到反復的摩擦和沖擊作用，油槽與高壓油孔也承受很高的油壓作用（達900kgf/mm2）。加上噴油嘴處在燃燒室的頂部，頭部要承受較高的溫度。從其工作性質來看，其損壞的形式為磨粒磨損使間隙超差，失去原有的精度。

根據針閥體和柱塞偶件的工作特點，要求其具有高的硬度和耐磨性、良好的尺寸穩定性，能耐熱和抗接觸疲勞，同時要有一定的耐蝕性和抗回火性。在材料的選用上除考慮上述工作條件外，還要求熱處理畸變量小，因此一般選用GCr15鋼、18Cr2Ni4WA鋼，經熱處理后可得到高的硬度和穩定的尺寸，GCr15廣泛用于柱塞偶件和中、小馬力柴油機的針閥偶件，大功率的使用W18Cr4V等高速鋼和18Cr2NiWA鋼制作針閥體。對于大功率的柴油機的針閥體（圖1-93），采用淬透性高的GCr15SiMn鋼制造，而大馬力高速柴油機和機車柴油機選用25SiMnMo、27SiMnMoVA等鋼滲碳后熱處理來制作，達到要求的力學性能。對針閥體而言，其形狀比較復雜，采用低碳合金結構鋼制造只需滲碳處理即可。

（2）噴油嘴柱塞偶件機械加工工藝流程

噴油嘴柱塞偶件是由針閥體和針閥組成，其機械制造工藝路線為：熱軋退火棒料→自動機加工→熱處理→精密磨削加工→穩定化處理→檢驗→成品防銹包裝。

（3）柴油機針閥體熱處理工藝

①常用材料的熱處理技術要求和工藝路線　為便于了解其熱處理工藝，現將柴油機油泵油嘴常用材料、技術要求和工藝路線等列于表1-78中。

另外，新型材料20CrMoS用于重載車發動機噴油嘴偶件，其呈冷拉退火態供貨，顯微組織為F+P，硬度為179～239HBW，其各項性能均優于18Cr2NiWA。

②油泵柱塞副和噴油偶件的熱處理工藝

a.GCr15鋼的熱處理工藝。

?技術要求：硬度62～65HRC，馬氏體級別小于3級。

?熱處理工藝流程：加熱→淬火油冷→冰冷處理→低溫回火→兩次時效。

?熱處理工藝參數：在鹽浴爐中840～860℃加熱，160～170℃的硝鹽中分級冷卻，在-70～-60℃時冷處理30～40min，工件升到室溫后放入150～170℃溫度的硝鹽浴中回火2～4h，隨后在130℃溫度進行兩次時效處理，每次4～6h。低溫回火可使淬火馬氏體轉變為回火馬氏體，殘余奧氏體發生轉變，起到減小淬火應力和保持尺寸穩定的作用，對GCr15鋼而言在160℃左右回火即可。具體熱處理工藝曲線見圖1-94。

在工藝中采用冰冷處理的目的是減少殘余奧氏體的數量，穩定組織尺寸。淬火溫度不能過高，否則會使Ms點明顯下降，造成殘余奧氏體的數量的增多，為了減少畸變，可在150～180℃進行分級淬火，具體工藝見圖1-95。

在熱處理過程中需要注意以下幾點。

分級溫度和時間：溫度低于150℃將提高殘余奧氏體的數量，使冰冷處理的效果降低；保持時間應依據零件的大小而定，一般為2～5min，原則是確保內外溫度的一致，時間過長則又會造成殘余奧氏體的數量的增多，在鋼的Ms點鹽浴中冷卻零件截面十分均勻地形成馬氏體組織，因此不會形成過大的殘余應力。其特點是減輕零件開裂的傾向、零件的畸變和殘余應力小，有利于提高零件的內在質量，需要注意分級淬火的溫度、保溫時間以及從淬火槽中取出的工藝流程，它對殘余奧氏體的量有直接的影響。具體工藝見圖1-96。

分級后的冷卻：資料介紹，冷卻方式與殘余奧氏體的數量有很直接的關系，分級后如采用水冷、油冷或空冷，只有快速的水冷才能最大限度地減少殘余奧氏體的數量。

如采用淬火油冷，應嚴格控制淬冷油溫和停留時間，如油溫過高或時間過短，零件未能冷透將使內部的殘余奧氏體的數量增多，會造成硬度不足或尺寸的不穩定，影響零件的熱處理質量。

b.GCr15SiMn鋼的熱處理工藝。

?技術要求：熱處理后整體硬度為62～65HRC。

?真空熱處理工藝。

一般而言，較大功率的柴油機的針閥體采用GCr15SiMn鋼制造，但采用GCr15鋼的熱處理工藝處理的工件，其壽命僅為幾十個小時，在實際生產中采用真空油淬熱處理，壽命提高到2000h以上。

在真空爐內830～850℃加熱，保溫60min，沖入高純氮氣（99.999％以上）到爐壓400托入油冷卻，其工藝曲線見圖1-97。

c.25SiMnMoVA鋼的熱處理。

?技術要求。整體硬度為62～65HRC。

?滲碳處理。滲碳在強碳勢的滲碳劑中進行，一般采用中孔堵塞的固體滲碳處理，也可采用煤油和甲醇進行氣體滲碳。采用低的820～830℃或中孔堵塞的860～880℃氣體滲碳工藝。采用CO2紅外儀或氧探頭控制爐內氣氛的方法，可確保滲碳質量，目前國內外已經推廣真空滲碳工藝，具有滲碳質量好、工件變形小、環境無污染、生產方便、使用壽命長、勞動條件好等優點，因此具有良好的經濟效益和社會效益。

?熱處理工藝。在920℃滲碳保溫結束后油冷，于240～280℃的油爐或硝鹽爐中回火。另一種工藝為910℃加熱在280℃的硝鹽爐中分級冷卻，10～20min轉油冷。回火在260～280℃溫度下進行。第二種工藝可獲得最佳的沖擊韌性，壽命得到大幅度提高。

d.18Cr2Ni4WA鋼針閥體的熱處理工藝。

?技術要求：熱處理后硬度62～66HRC。

?工藝流程為：滲碳→隨罐空冷→冰冷處理→低溫時效，或滲碳→高溫回火→淬火→冰冷處理→四次回火。

?具體熱處理工藝。固體滲碳后隨罐空冷進行冰冷處理，具體工藝見圖1-98，熱處理后的硬度大于58HRC。滲碳后重新加熱淬火的工藝規范見圖1-99。

e.W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2鋼制針閥體的熱處理工藝見圖1-100、圖1-101。處理后的硬度后62～66HRC，變形小，內孔無堵塞。如有條件最好在真空爐中淬火，這樣可實現零件的無氧化加熱，事實證明可明顯提高其使用壽命。

（4）針閥體熱處理工藝分析與實施要點

①加熱設備的選擇　針閥體的熱處理分為分級淬火和普通淬火，它們是熱處理的常用工藝方法，但鹽浴加熱存在以下幾個問題。

a.考慮到在加熱鹽浴過程中脫氧不及時，或挖渣不徹底，往往會造成表面脫碳，或有貧碳現象，影響使用壽命。

b.鹽浴淬火后工件表面存積殘鹽，尤其是細小噴孔，容易被殘鹽堵塞，故清洗十分困難，同時容易銹蝕，必須采用熱水淬火。如采用超聲波清洗則效果更好，具體見圖1-102。

基于以上兩點，采用氮基保護氣氛完成對工件的加熱是比較合理的，另外對高速工具鋼和軸承鋼采用真空淬火，提高零件產品的內在質量，同時保證硬度均勻、畸變小。軸承鋼既可采用油冷也可以進行高壓氣冷等熱處理工藝。

②冰冷處理　為了確保將產品內部的殘余奧氏體量降至最低，提高工件的耐磨性和尺寸在工作過程中的穩定性，在淬火后馬上進行冰冷處理（-70℃左右）。事實證明無論滲碳鋼、低合金鋼或高速工具鋼，在淬火后停留1h將會使殘余奧氏體穩定化效果明顯增長，而回火后再進行冰冷處理，會造成耐磨性的下降。冰冷處理通常采用干冰作為冷卻介質，在密閉的容器內完成。

需要注意的是：如果滲碳淬火后出現頭部的斷裂，則表明斷裂源于頭部內孔并向外擴展，這與滲碳后碳化物聚集區域的碳濃度高、而靠近表面處碳濃度梯度很陡有關。淬火過程中零件形成馬氏體和較多的殘留奧氏體，而冷處理時大量殘留奧氏體轉變為馬氏體，造成表層存在較大的殘余應力（組織應力）。另外，在淬火過程中，閥體內腔狹小以及頭部小油孔不利于淬火介質的流動，冷卻效果差，必然造成頭部的外表面冷卻快，而內孔冷卻慢，故形成了一定的內應力（熱應力），正是由于上述各種內應力的綜合作用和內孔處應力的集中疊加作用，內孔處裂紋迅速擴展，造成了針閥體的斷裂。因此，為避免出現斷裂，在實際的熱處理過程中，應采取以下措施：a.降低滲碳碳勢和滲層的碳濃度，即將新舊滲碳劑的比例降低；b.滲碳溫度從910℃降低到880～890℃，時間適當縮短，可有利于減少熱應力，使晶粒較細；c.合理控制冷處理和回火工藝操作，適當延長回火時間，消除殘留應力。

③尺寸的穩定化處理　為了消除熱處理后的磨削加工應力對零件尺寸穩定性的影響，通常在粗磨加工后進行1～3次的低溫回火，每次時間為4～6h，這樣處理后的零件的加工應力得到了很好的消除，同時尺寸的變化控制在最小的范圍。不同的材料采用的穩定化處理工藝與參數見表1-79。

（5）針閥體的熱處理質量檢驗

針閥體的熱處理質量檢驗包括硬度、金相組織、變形量等，具體可參見有關章節。

（6）針閥體的熱處理常見缺陷與對策

針閥體的熱處理缺陷分析與對策見表1-80。