W4Mo3Cr4VSi鋼噴油泵柱塞熱處理質(zhì)量的控制

李振華

摘要：本文從金相組織、TiN鍍層和熱處理變形等方面對W4Mo3Cr4VSi鋼柱塞的質(zhì)量進(jìn)行試驗(yàn)研究、觀察和測量。試驗(yàn)結(jié)果表明：W4Mo3Cr4VSi鋼柱塞的最佳淬火溫度為1140～1160℃，淬火晶粒度10～10.5級。TiN鍍層的表面硬度達(dá)2400HV1，鍍層與基體的結(jié)合強(qiáng)度級別為HF-2。淬火油的狀態(tài)、淬火入油方式、油淬時間均影響柱塞的淬火變形，采用軸向垂直入靜油淬冷1.5min可將柱塞的徑向變形量控制在0.4mm以內(nèi)。柱塞熱處理后的軸向平均伸長量為0.474mm，但散差達(dá)0.28mm。

Abstract： In this paper， the quality of W4Mo3Cr4VSi steel plunger was studied， observed and measured from the aspects of metallographic structure， TiN coating and heat treatment deformation. The results show that the optimum quenching temperature of W4Mo3Cr4VSi steel plunger is 1140～1160℃ and the quenched grain size is 10～10.5. The surface hardness of TiN coating is 2400HV1， and the bonding strength of TiN coating and substrate is HF-2. The quenching deformation of the plunger is affected by the state of the quenching oil， the injection mode of the quenching oil and the quenching time. The radial deformation of the plunger can be controlled within 0.4mm by using the axial vertical injection of the static oil for 1.5min. After heat treatment， the average axial elongation of the plunger is 0.474mm， but the dispersion is 0.28mm.

關(guān)鍵詞：W4Mo3Cr4VSi鋼;柱塞;TiN鍍層;淬火變形

Key words： W4Mo3Cr4VSi steel;plunger;TiN plating;quenching distortion

中圖分類號：TG713? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）20-0138-04

0? 引言

柱塞偶件是噴油泵中最精密的偶件之一，由柱塞和柱塞套組成。其工作原理為凸輪通過頂桿驅(qū)動柱塞在柱塞套內(nèi)往復(fù)運(yùn)動，完成噴油泵吸油和泵油的過程，其作用除了要使燃油增壓，還要精確地控制供油量和噴射時間。柱塞偶件的質(zhì)量對燃油噴射系統(tǒng)各工況的供油均勻性、噴油泵泵端噴射壓力、系統(tǒng)的可靠性以及柴油機(jī)燃油工作過程和性能指標(biāo)有很大的影響，直接影響到柴油機(jī)的正常工作和可靠性[1]。當(dāng)前油機(jī)主要向低速大功率方向發(fā)展，為滿足柱塞在高頻、高壓及一定環(huán)境溫度下工作的要求，柱塞必須具有高硬度、高耐磨性以及較好的尺寸穩(wěn)定性和較高的接觸疲勞強(qiáng)度，這對柱塞選材及熱處理提出了較高的要求。

本文針對某型號柴油機(jī)噴油泵柱塞的熱處理質(zhì)量從金相組織、TiN鍍層和熱處理變形等方面進(jìn)行了研究。

1? 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)用W4Mo3Cr4VSi鋼圓棒料，機(jī)加工成ф31×220mm的某種型號的柱塞，柱塞結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。將熱處理后的柱塞采用DK77型電火花切割機(jī)切成ф31×20mm的金相試樣，試樣經(jīng)磨光、拋光、浸蝕（浸蝕液為5%的硝酸酒精溶液），然后在4XC型金相顯微鏡下觀察其金相組織，并采用HR-150A型洛氏硬度計對其導(dǎo)向外圓表面進(jìn)行硬度測定。采用跳動及長度量具對淬火前后的柱塞導(dǎo)向外圓徑向變形量及總長進(jìn)行測量。試驗(yàn)用W4Mo3Cr4VSi鋼的化學(xué)成分如表1所示。

2? 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 金相顯微鏡觀察

發(fā)展和應(yīng)用高性能高速鋼，節(jié)約寶貴的合金資源、保護(hù)環(huán)境、走可持續(xù)發(fā)展道路，已是世界性發(fā)展趨勢。W4Mo3Cr4VSi鋼是我國自行研制的一種符合我國國情的低合金高速工具鋼，廣泛用于制造各類工具、針閥和柱塞等產(chǎn)品。為了得到W4Mo3Cr4VSi鋼柱塞批量生產(chǎn)的合適熱處理工藝，對比分析了1120℃、1140℃、1160℃和1180℃下的淬火晶粒度。W4Mo3Cr4VSi鋼制柱塞分別從1120℃、1140℃、1160℃和1180℃淬火的晶粒度如圖2所示。參照J(rèn)B/T 9730-2011《柴油機(jī)噴油嘴偶件、柱塞偶件、出油閥偶件金相檢驗(yàn)》中高速鋼淬火后晶粒度評級圖，可判定圖2（a）和圖2（b）的晶粒度為10.5級，圖2（c）的晶粒度為10級，圖2（d）的晶粒度為9.5級。W4Mo3Cr4VSi鋼的淬火晶粒度在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)并沒有隨溫度的提高而迅速粗化，這可能是試驗(yàn)選擇的溫度不太高，組織中保留有一定數(shù)量的殘留碳化物，阻礙晶粒長大之故。由圖2（a）可知，淬火溫度為1120℃時，組織中的殘留的碳化物稍多，說明淬火加熱溫度偏低，碳化物溶解不足，這會影響合金成分作用的充分發(fā)揮。為保證柱塞具有較高的韌性和機(jī)械性能，實(shí)際生產(chǎn)時的最佳淬火溫度為1140～1160℃。

2.2 表面硬度及鍍層性能

2.2.1 回火表面硬度

柱塞的回火工藝為：560℃三次回火，每次保溫90min。采用HR-150A型洛氏硬度計對柱塞回火后的導(dǎo)向外圓表面進(jìn)行了硬度測試，硬度檢測結(jié)果如表2所示。

從表2可見：W4Mo3Cr4VSi鋼柱塞在試驗(yàn)淬火加熱溫度區(qū)間，回火后的硬度受淬火加熱溫度影響較小。隨著淬火溫度的提高，回火后的硬度也略有上升，但幅度不大，淬火溫度在1140～1180℃區(qū)間硬度均值總共只上升了1.6HRC。

2.2.2 TiN鍍層性能

由于柱塞在使用條件下的失效形式主要為磨損腐蝕失效。為提高柱塞的耐磨性和耐蝕性，延長柱塞的使用壽命，對柱塞表面進(jìn)行了TiN鍍層，鍍TiN后的柱塞實(shí)物如圖3所示，涂層厚度為3μm[2]。

利用ball-on-disc摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)在大氣環(huán)境下測試涂層的磨損性能，摩擦副為軸承鋼GCr15，載荷20N，轉(zhuǎn)速430rpm，摩擦?xí)r間60min，鍍層未磨穿，符合60min鍍層不得磨穿的要求。同時采用HXD-1000TMB數(shù)字式顯微硬度計對TiN涂層的硬度進(jìn)行測試，鍍層硬度為2400HV1，符合鍍層硬度2200～2600HV1的技術(shù)要求。利用Rockwell-C壓痕邊緣的裂紋擴(kuò)展及涂層脫落對附著性能進(jìn)行判定，洛氏硬度計壓入后的形貌如圖4所示。參照德國工程師手冊中的標(biāo)準(zhǔn)VDI3198，用洛氏硬度計壓入法測試膜與基體結(jié)合強(qiáng)度的方法，采用1471N加載，引起壓痕邊緣的膜層破壞，卸載后選用100倍的光學(xué)顯微鏡觀察，評定鍍層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，壓入形貌達(dá)到HF-1～HF-4表示有足夠的結(jié)合強(qiáng)度，而HF-5～HF-6表示結(jié)合強(qiáng)度不夠。參照VDI3198標(biāo)準(zhǔn)圖譜，圖4可評為HF-2。

2.3 徑向變形

鋼件熱處理時，由于加熱和冷卻的不均勻，相變的不等時性，以及組織結(jié)構(gòu)的不均勻性，必然會使鋼件內(nèi)部產(chǎn)生熱處理應(yīng)力，從而導(dǎo)致鋼件的變形[3]。柱塞的典型特點(diǎn)為大長徑比，其變形問題是困擾我公司的一項(xiàng)技術(shù)難題。熱處理應(yīng)力、淬火溫度、淬火方式、冷卻條件、工件結(jié)構(gòu)等均是影響柱塞熱處理變形的因素，理論上凡是能減少熱應(yīng)力和組織應(yīng)力的方法，都可以減少柱塞的變形。從熱處理工藝控制方面來講，通過降低淬火溫度，控制保溫時間和淬火油的攪拌速度，可有效減小柱塞的變形。柱塞由于長徑比較大的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，熱處理時在一定的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力作用下，就可能產(chǎn)生較大的變形。因此，要控制柱塞的熱處理變形，必須制定合適的熱處理工藝以控制熱應(yīng)力和組織應(yīng)力。柱塞徑向變形是指柱塞相對中心孔的變形程度，為了對比靜油淬火及淬火油攪拌對柱塞變形的影響，進(jìn)行了柱塞淬火對比試驗(yàn)，表3為試驗(yàn)柱塞的淬火徑向變形數(shù)據(jù)。

由表3的測量數(shù)據(jù)可以看出，靜油淬火狀態(tài)下50件柱塞中徑向變形量大于0.40mm的占6%，淬火油攪拌狀態(tài)下的50件柱塞中徑向變形量大于0.40mm的占52%，即淬火油的狀態(tài)對柱塞徑向變形有較大的影響。工業(yè)用鋼的熱導(dǎo)率基本是一個定值，因此冷卻烈度值主要取決于鋼與冷卻介質(zhì)之間的熱交換情況，當(dāng)冷卻介質(zhì)攪動或提高流速時，鋼件的熱量帶走的快，冷卻烈度升高。靜油的冷卻烈度為0.25～0.30/cm，強(qiáng)烈攪動的油的冷卻烈度為0.50～0.80/cm。攪拌狀態(tài)下柱塞淬火徑向變形大的原因是淬火油的冷卻烈度大，造成柱塞淬火冷速增加，組織應(yīng)力增大。

柱塞屬于細(xì)長件，根據(jù)文獻(xiàn)柱塞應(yīng)采用軸向垂直油面入油的淬火冷卻方式[4]。為了驗(yàn)證柱塞軸向垂直油面與與軸向平行油面兩種淬冷方式對其徑向變形的影響程度，進(jìn)行了兩種淬冷方式的對比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

由表4的測量數(shù)據(jù)可知，柱塞軸向垂直油面入油淬冷方式下柱塞的徑向變形量均在0.3mm以內(nèi)，軸向平行油面入油淬冷方式下柱塞的徑向變形量在0.3mm以內(nèi)的占50%，徑向變形量大于0.4mm的占13.3%。即柱塞軸向垂直油面入油淬冷方式可較好的控制柱塞的徑向淬火變形，也進(jìn)一步驗(yàn)證了細(xì)長件應(yīng)軸向垂直油面入油淬火。

因?yàn)檫^冷奧氏體在650℃以上時比較穩(wěn)定，故淬火冷卻速度應(yīng)慢些，以降低零件因內(nèi)部溫度差而引起的熱應(yīng)力、防止變形。C曲線“鼻尖”附近，即650～500℃過冷奧氏體最不穩(wěn)定，應(yīng)以大于臨界冷卻速度的淬火冷卻速度快速冷卻，確保過冷奧氏體不致發(fā)生分解而形成珠光體。在300～200℃之間的馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)，應(yīng)緩慢冷卻，因?yàn)榇藴囟葏^(qū)間相變應(yīng)力占主導(dǎo)地位，防止內(nèi)應(yīng)力過大而使零件產(chǎn)生變形，甚至開裂。但截止目前，符合這一特性要求的理想淬火介質(zhì)還未找到。淬火油與空氣相比，在低溫區(qū)的冷卻速度相對較快，為了降低馬氏體在低溫轉(zhuǎn)變區(qū)的相變應(yīng)力，進(jìn)行了柱塞油淬不同時間后轉(zhuǎn)空冷的對比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

由表5的測量數(shù)據(jù)可以看出，油淬3min的情況下，柱塞徑向變形量超過0.4mm的占16.7%，油淬1.5min的情況下，柱塞徑向變形量無超過0.4mm的。油淬由3min縮短為1.5min，柱塞的淬火硬度沒有發(fā)生明顯的變化，符合零件圖規(guī)定的技術(shù)要求。以上數(shù)據(jù)充分說明在保證柱塞淬硬的情況下，適當(dāng)縮短油淬時間，可有效控制柱塞的徑向變形。

2.4 軸向伸長量

柱塞原材料為退火態(tài)，經(jīng)淬火，組織由粒狀索氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殡[針馬氏體，由于比容的增大，必然伴隨著體積的增大。若車加工工序的長度預(yù)留量不合適，必然造成熱處理后出現(xiàn)磨量大或者沒有磨量等質(zhì)量問題。為了給機(jī)加工提供確切的柱塞熱處理長度變化數(shù)據(jù)，進(jìn)行了柱塞軸向伸長量的檢測，具體檢測結(jié)果如表6所示。

由表6測量數(shù)據(jù)可知，試驗(yàn)柱塞熱處理后的軸向伸長量在0.32mm～0.60mm之間，最大偏差達(dá)0.28mm，平均伸長量約為0.474mm。試驗(yàn)柱塞的軸向伸長量散差大造成柱塞磨削時要先進(jìn)行分級，降低了生產(chǎn)效率。為了探索柱塞的軸向伸長規(guī)律，下一步需要從工裝結(jié)構(gòu)、柱塞擺放布置、殘余奧氏體含量等方面進(jìn)行綜合研究。

3? 結(jié)論

①W4Mo3Cr4VSi鋼柱塞的最佳淬火溫度為1140～1160℃，淬火晶粒度10～10.5級。②W4Mo3Cr4VSi鋼柱塞在1140～1180℃區(qū)間，隨淬火溫度的提高，淬火回火后硬度受淬火加熱溫度的影響較小，總共只上升1.6HRC。

②W4Mo3Cr4VSi鋼柱塞TiN鍍層硬度達(dá)2400HV1，鍍層與基體的結(jié)合強(qiáng)度級別為HF-2。④采用軸向垂直入靜油淬冷1.5min可有效控制W4Mo3Cr4VSi鋼柱塞的徑向變形。⑤W4Mo3Cr4VSi鋼柱塞熱處理后的軸向平均伸長量為0.474mm，但最大與最小伸長量散差達(dá)0.28mm，不利于定尺磨削。

參考文獻(xiàn)：

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