1.5　油泵柱塞副与喷油嘴偶件的热处理工艺与规范

（1）油泵柱塞副与喷油嘴偶件工作条件和性能要求

喷油嘴柱塞偶件由柱塞与柱塞套组成，而喷油嘴偶件由针阀体和针阀组成，它们属于柴油机上的精密偶件，要求尺寸配合精度高、稳定性好。在工作过程中，针阀相对于针阀体作高速滑动摩擦，孔和座受到反复的摩擦和冲击作用，油槽与高压油孔也承受很高的油压作用（达900kgf/mm2）。加上喷油嘴处在燃烧室的顶部，头部要承受较高的温度。从其工作性质来看，其损坏的形式为磨粒磨损使间隙超差，失去原有的精度。

根据针阀体和柱塞偶件的工作特点，要求其具有高的硬度和耐磨性、良好的尺寸稳定性，能耐热和抗接触疲劳，同时要有一定的耐蚀性和抗回火性。在材料的选用上除考虑上述工作条件外，还要求热处理畸变量小，因此一般选用GCr15钢、18Cr2Ni4WA钢，经热处理后可得到高的硬度和稳定的尺寸，GCr15广泛用于柱塞偶件和中、小马力柴油机的针阀偶件，大功率的使用W18Cr4V等高速钢和18Cr2NiWA钢制作针阀体。对于大功率的柴油机的针阀体（图1-93），采用淬透性高的GCr15SiMn钢制造，而大马力高速柴油机和机车柴油机选用25SiMnMo、27SiMnMoVA等钢渗碳后热处理来制作，达到要求的力学性能。对针阀体而言，其形状比较复杂，采用低碳合金结构钢制造只需渗碳处理即可。

（2）喷油嘴柱塞偶件机械加工工艺流程

喷油嘴柱塞偶件是由针阀体和针阀组成，其机械制造工艺路线为：热轧退火棒料→自动机加工→热处理→精密磨削加工→稳定化处理→检验→成品防锈包装。

（3）柴油机针阀体热处理工艺

①常用材料的热处理技术要求和工艺路线　为便于了解其热处理工艺，现将柴油机油泵油嘴常用材料、技术要求和工艺路线等列于表1-78中。

另外，新型材料20CrMoS用于重载车发动机喷油嘴偶件，其呈冷拉退火态供货，显微组织为F+P，硬度为179～239HBW，其各项性能均优于18Cr2NiWA。

②油泵柱塞副和喷油偶件的热处理工艺

a.GCr15钢的热处理工艺。

•技术要求：硬度62～65HRC，马氏体级别小于3级。

•热处理工艺流程：加热→淬火油冷→冰冷处理→低温回火→两次时效。

•热处理工艺参数：在盐浴炉中840～860℃加热，160～170℃的硝盐中分级冷却，在-70～-60℃时冷处理30～40min，工件升到室温后放入150～170℃温度的硝盐浴中回火2～4h，随后在130℃温度进行两次时效处理，每次4～6h。低温回火可使淬火马氏体转变为回火马氏体，残余奥氏体发生转变，起到减小淬火应力和保持尺寸稳定的作用，对GCr15钢而言在160℃左右回火即可。具体热处理工艺曲线见图1-94。

在工艺中采用冰冷处理的目的是减少残余奥氏体的数量，稳定组织尺寸。淬火温度不能过高，否则会使Ms点明显下降，造成残余奥氏体的数量的增多，为了减少畸变，可在150～180℃进行分级淬火，具体工艺见图1-95。

在热处理过程中需要注意以下几点。

分级温度和时间：温度低于150℃将提高残余奥氏体的数量，使冰冷处理的效果降低；保持时间应依据零件的大小而定，一般为2～5min，原则是确保内外温度的一致，时间过长则又会造成残余奥氏体的数量的增多，在钢的Ms点盐浴中冷却零件截面十分均匀地形成马氏体组织，因此不会形成过大的残余应力。其特点是减轻零件开裂的倾向、零件的畸变和残余应力小，有利于提高零件的内在质量，需要注意分级淬火的温度、保温时间以及从淬火槽中取出的工艺流程，它对残余奥氏体的量有直接的影响。具体工艺见图1-96。

分级后的冷却：资料介绍，冷却方式与残余奥氏体的数量有很直接的关系，分级后如采用水冷、油冷或空冷，只有快速的水冷才能最大限度地减少残余奥氏体的数量。

如采用淬火油冷，应严格控制淬冷油温和停留时间，如油温过高或时间过短，零件未能冷透将使内部的残余奥氏体的数量增多，会造成硬度不足或尺寸的不稳定，影响零件的热处理质量。

b.GCr15SiMn钢的热处理工艺。

•技术要求：热处理后整体硬度为62～65HRC。

•真空热处理工艺。

一般而言，较大功率的柴油机的针阀体采用GCr15SiMn钢制造，但采用GCr15钢的热处理工艺处理的工件，其寿命仅为几十个小时，在实际生产中采用真空油淬热处理，寿命提高到2000h以上。

在真空炉内830～850℃加热，保温60min，冲入高纯氮气（99.999％以上）到炉压400托入油冷却，其工艺曲线见图1-97。

c.25SiMnMoVA钢的热处理。

•技术要求。整体硬度为62～65HRC。

•渗碳处理。渗碳在强碳势的渗碳剂中进行，一般采用中孔堵塞的固体渗碳处理，也可采用煤油和甲醇进行气体渗碳。采用低的820～830℃或中孔堵塞的860～880℃气体渗碳工艺。采用CO2红外仪或氧探头控制炉内气氛的方法，可确保渗碳质量，目前国内外已经推广真空渗碳工艺，具有渗碳质量好、工件变形小、环境无污染、生产方便、使用寿命长、劳动条件好等优点，因此具有良好的经济效益和社会效益。

•热处理工艺。在920℃渗碳保温结束后油冷，于240～280℃的油炉或硝盐炉中回火。另一种工艺为910℃加热在280℃的硝盐炉中分级冷却，10～20min转油冷。回火在260～280℃温度下进行。第二种工艺可获得最佳的冲击韧性，寿命得到大幅度提高。

d.18Cr2Ni4WA钢针阀体的热处理工艺。

•技术要求：热处理后硬度62～66HRC。

•工艺流程为：渗碳→随罐空冷→冰冷处理→低温时效，或渗碳→高温回火→淬火→冰冷处理→四次回火。

•具体热处理工艺。固体渗碳后随罐空冷进行冰冷处理，具体工艺见图1-98，热处理后的硬度大于58HRC。渗碳后重新加热淬火的工艺规范见图1-99。

e.W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2钢制针阀体的热处理工艺见图1-100、图1-101。处理后的硬度后62～66HRC，变形小，内孔无堵塞。如有条件最好在真空炉中淬火，这样可实现零件的无氧化加热，事实证明可明显提高其使用寿命。

（4）针阀体热处理工艺分析与实施要点

①加热设备的选择　针阀体的热处理分为分级淬火和普通淬火，它们是热处理的常用工艺方法，但盐浴加热存在以下几个问题。

a.考虑到在加热盐浴过程中脱氧不及时，或挖渣不彻底，往往会造成表面脱碳，或有贫碳现象，影响使用寿命。

b.盐浴淬火后工件表面存积残盐，尤其是细小喷孔，容易被残盐堵塞，故清洗十分困难，同时容易锈蚀，必须采用热水淬火。如采用超声波清洗则效果更好，具体见图1-102。

基于以上两点，采用氮基保护气氛完成对工件的加热是比较合理的，另外对高速工具钢和轴承钢采用真空淬火，提高零件产品的内在质量，同时保证硬度均匀、畸变小。轴承钢既可采用油冷也可以进行高压气冷等热处理工艺。

②冰冷处理　为了确保将产品内部的残余奥氏体量降至最低，提高工件的耐磨性和尺寸在工作过程中的稳定性，在淬火后马上进行冰冷处理（-70℃左右）。事实证明无论渗碳钢、低合金钢或高速工具钢，在淬火后停留1h将会使残余奥氏体稳定化效果明显增长，而回火后再进行冰冷处理，会造成耐磨性的下降。冰冷处理通常采用干冰作为冷却介质，在密闭的容器内完成。

需要注意的是：如果渗碳淬火后出现头部的断裂，则表明断裂源于头部内孔并向外扩展，这与渗碳后碳化物聚集区域的碳浓度高、而靠近表面处碳浓度梯度很陡有关。淬火过程中零件形成马氏体和较多的残留奥氏体，而冷处理时大量残留奥氏体转变为马氏体，造成表层存在较大的残余应力（组织应力）。另外，在淬火过程中，阀体内腔狭小以及头部小油孔不利于淬火介质的流动，冷却效果差，必然造成头部的外表面冷却快，而内孔冷却慢，故形成了一定的内应力（热应力），正是由于上述各种内应力的综合作用和内孔处应力的集中叠加作用，内孔处裂纹迅速扩展，造成了针阀体的断裂。因此，为避免出现断裂，在实际的热处理过程中，应采取以下措施：a.降低渗碳碳势和渗层的碳浓度，即将新旧渗碳剂的比例降低；b.渗碳温度从910℃降低到880～890℃，时间适当缩短，可有利于减少热应力，使晶粒较细；c.合理控制冷处理和回火工艺操作，适当延长回火时间，消除残留应力。

③尺寸的稳定化处理　为了消除热处理后的磨削加工应力对零件尺寸稳定性的影响，通常在粗磨加工后进行1～3次的低温回火，每次时间为4～6h，这样处理后的零件的加工应力得到了很好的消除，同时尺寸的变化控制在最小的范围。不同的材料采用的稳定化处理工艺与参数见表1-79。

（5）针阀体的热处理质量检验

针阀体的热处理质量检验包括硬度、金相组织、变形量等，具体可参见有关章节。

（6）针阀体的热处理常见缺陷与对策

针阀体的热处理缺陷分析与对策见表1-80。