3.4柴油機針閥體的熱處理

1.工作條件和技術要求

噴油器柱塞偶件由柱塞與柱塞套組成，而噴油器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，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900MPa)。加上噴油器處在燃燒室的頂部，頭部要承受較高的溫度。從工作性質來看，其損壞的形式為磨粒磨損使間隙超差，失去原有的精度。

2.材料的選用

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耐回火性。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鋼廣泛用于柱塞偶件和中、小功率柴油機的針閥偶件，大功率的使用W18Cr4V等高速工具鋼和18Cr2NiWA鋼制作針閥體。大功率柴油機的針閥體采用淬透性高的GCr15SiMn鋼制造，而大功率高速柴油機和機車柴油機選用25SiMn2MoV、37SiMn2MoV等鋼滲碳后熱處理來制作針閥體，達到要求的力學性能。針閥體的形狀比較復雜，采用低碳合金結構鋼制造時只需進行滲碳處理。

3.柴油機針閥體的熱處理工藝

（1)常用材料的技術要求 油泵油嘴偶件常用材料與技術要求見表3-49。

表3-49油泵油嘴偶件常用材料與技術要求

另外新型材料20CrMoS用于重型載貨汽車發動機噴油器偶件，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 油泵柱塞副和噴油偶件使用的材料不同，采用的熱處理工藝不同。機械加工工藝流程為熱軋退火→切料→機械加工→熱處理→精加工→穩定化處理→成品。

1)GCr15鋼的熱處理技術要求為硬度62～65HRC，馬氏體級別小于3級。熱處理流程為淬火加熱→油中冷卻→冰冷處理→回火→兩次時效處理。工藝參數為840～860℃鹽浴加熱，在160～170℃的硝鹽中分級冷卻，在－60～－70℃溫度下冷處理30～40min，工件升到室溫后放入150～170℃溫度下，回火2～4h，隨后在130℃溫度時效兩次，每次4～6h。低溫回火可使淬火馬氏體轉變為回火馬氏體，殘留奧氏體發生轉變，起到減小淬火應力和保持尺寸穩定的作用。GCr15柱塞副和針閥體的熱處理工藝如圖3-54所示。

采用冷處理的目的是減少殘留奧氏體的數量，穩定組織尺寸。淬火溫度不能過高，否則會使Ms點明顯下降，造成殘留奧氏體的數量增多，為了減少畸變，可在150～180℃進行分級淬火。馬氏體分級淬火工藝曲線如圖3-55所示。在熱處理過程中需要注意以下幾點。

圖3-54 GCr15柱塞副和針閥體的熱處理工藝

圖3-55 馬氏體分級淬火工藝曲線

①分級溫度和時間。溫度低于150℃將提高殘留奧氏體的數量，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2～5 min，原則是確保內外溫度一致，時間過長又會造成殘留奧氏體的數量增多，在鋼的Ms點鹽浴中冷卻零件的截面十分均勻地形成馬氏體組織，因此不會形成過大的殘留應力。分級淬火的特點是減輕零件開裂的傾向，零件的畸變和殘留應力小，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，這些對殘留奧氏體數量有直接的影響，如圖3-56所示。

②分級后的冷卻。資料介紹冷卻方式對殘留奧氏體的數量有很直接的影響，分級后可采用水冷、油冷或空冷，只有快速的水冷才能最大限度地減少殘留奧氏體的數量。

③如采用淬火油冷，則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殘留奧氏體的數量增多，會造成硬度不足或尺寸的不穩定，影響零件的熱處理質量。

2)GCr15SiMn鋼的熱處理技術要求為硬度達到62～65HRC。其熱處理工藝如下:較大功率的柴油機的針閥體采用GCr15SiMn鋼制造，圖3-57所示為它的外形尺寸。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40kPa入油冷卻，其工藝曲線如圖3-58所示。

圖3-56 分級淬火溫度和時間對GCr15殘留奧氏體數量的影響

1—850℃分級淬火保持5min 2—850℃分級淬火保持3min

圖3-57 較大功率柴油機針閥體

圖3-58 GCr15SiMn鋼針閥體真空熱處理工藝曲線

3)25SiMnMoVA鋼的熱處理技術要求為硬度62～65HRC。工藝流程為滲碳→淬火→回火。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，其具有滲碳質量好、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。

第一種熱處理工藝為920℃滲碳保溫結束后油冷，于240～280℃的油爐或硝鹽爐中回火。第二種工藝為910℃加熱在280℃的硝鹽爐中分級冷卻，約10～20min轉油冷。回火在260～280℃的溫度下進行。第二種工藝可獲得最佳的沖擊韌度，壽命得到大幅度提高。

（3)18Cr2Ni4WA鋼針閥體的熱處理工藝 其技術要求為硬度62～66HRC?；竟に嚵鞒虨闈B碳→隨罐空冷→冷處理→低溫時效。另外也可采用滲碳→高溫回火→淬火→冰冷處理→四次回火的工藝流程。

固體滲碳后隨罐空冷進行冰冷處理的工藝如圖3-59所示，熱處理后的硬度大于58HRC。滲碳后重新加熱的熱處理工藝如圖3-60所示。

圖3-59 18Cr2Ni4WA鋼針閥體固體滲碳后隨罐空冷進行冰冷處理的工藝

（4)W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2鋼針閥體的熱處理工藝 兩針閥體的熱處理工藝曲線分別如圖3-61和圖3-62所示，熱處理后的硬度為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。

圖3-60 18Cr2Ni4WA鋼針閥體滲碳后重新加熱的熱處理工藝

圖3-61 W18Cr4V鋼針閥體的熱處理工藝曲線

圖3-62 W6Mo5Cr4V2鋼制針閥體的熱處理工藝曲線

4.熱處理工藝分析與操作要點

1)針閥體淬火分為分級淬火和普通淬火兩種，目前國內外多數企業對偶件的加熱是在鹽浴爐中進行的，其存在下列問題:在鹽浴加熱過程中脫氧不及時，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；鹽浴淬火后工件表面存積殘鹽，清洗十分困難，必須采用熱水清洗。針對以上兩點，尤其是對于細小噴孔，容易被殘鹽堵塞，采用氮基保護氣氛完成對工件的加熱比較合理，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采用高壓氣冷等熱處理工藝。

2)冰冷處理是為了確保產品的殘留奧氏體量降至最低，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、低合金鋼還是高速工具鋼，淬火后停留1h均會使殘留奧氏體穩定化效果明顯改善，而回火后再進行冰冷處理，則會造成耐磨性降低。

3)尺寸的穩定化處理是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。對不同材料采用的穩定化處理工藝參數見表3-50。

表3-50柱塞副和針閥體尺寸穩定化處理工藝參數

圖3-63 頭部斷裂的針閥體的宏觀形貌

4)需要注意的是如果滲碳淬火后出現針閥體頭部的斷裂，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。淬火過程中零件中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留應力（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冷卻介質的流動，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（圖3-63)。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: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；滲碳溫度從910℃降低到880～890℃，時間適當縮短，這樣有利于減小熱應力，使晶粒較細；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。

5.針閥體熱處理的常見缺陷與對策

（表3-51)

表3-51針閥體熱處理的常見缺陷與對策