3.4柴油机针阀体的热处理
1.工作条件和技术要求
喷油器柱塞偶件由柱塞与柱塞套组成，而喷油器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，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900MPa)。加上喷油器处在燃烧室的顶部，头部要承受较高的温度。从工作性质来看，其损坏的形式为磨粒磨损使间隙超差，失去原有的精度。
2.材料的选用
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耐回火性。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钢广泛用于柱塞偶件和中、小功率柴油机的针阀偶件，大功率的使用W18Cr4V等高速工具钢和18Cr2NiWA钢制作针阀体。大功率柴油机的针阀体采用淬透性高的GCr15SiMn钢制造，而大功率高速柴油机和机车柴油机选用25SiMn2MoV、37SiMn2MoV等钢渗碳后热处理来制作针阀体，达到要求的力学性能。针阀体的形状比较复杂，采用低碳合金结构钢制造时只需进行渗碳处理。
3.柴油机针阀体的热处理工艺
（1)常用材料的技术要求 油泵油嘴偶件常用材料与技术要求见表3-49。
表3-49油泵油嘴偶件常用材料与技术要求
另外新型材料20CrMoS用于重型载货汽车发动机喷油器偶件，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 油泵柱塞副和喷油偶件使用的材料不同，采用的热处理工艺不同。机械加工工艺流程为热轧退火→切料→机械加工→热处理→精加工→稳定化处理→成品。
1)GCr15钢的热处理技术要求为硬度62～65HRC，马氏体级别小于3级。热处理流程为淬火加热→油中冷却→冰冷处理→回火→两次时效处理。工艺参数为840～860℃盐浴加热，在160～170℃的硝盐中分级冷却，在－60～－70℃温度下冷处理30～40min，工件升到室温后放入150～170℃温度下，回火2～4h，随后在130℃温度时效两次，每次4～6h。低温回火可使淬火马氏体转变为回火马氏体，残留奥氏体发生转变，起到减小淬火应力和保持尺寸稳定的作用。GCr15柱塞副和针阀体的热处理工艺如图3-54所示。
采用冷处理的目的是减少残留奥氏体的数量，稳定组织尺寸。淬火温度不能过高，否则会使Ms点明显下降，造成残留奥氏体的数量增多，为了减少畸变，可在150～180℃进行分级淬火。马氏体分级淬火工艺曲线如图3-55所示。在热处理过程中需要注意以下几点。
图3-54 GCr15柱塞副和针阀体的热处理工艺
图3-55 马氏体分级淬火工艺曲线
①分级温度和时间。温度低于150℃将提高残留奥氏体的数量，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2～5 min，原则是确保内外温度一致，时间过长又会造成残留奥氏体的数量增多，在钢的Ms点盐浴中冷却零件的截面十分均匀地形成马氏体组织，因此不会形成过大的残留应力。分级淬火的特点是减轻零件开裂的倾向，零件的畸变和残留应力小，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，这些对残留奥氏体数量有直接的影响，如图3-56所示。
②分级后的冷却。资料介绍冷却方式对残留奥氏体的数量有很直接的影响，分级后可采用水冷、油冷或空冷，只有快速的水冷才能最大限度地减少残留奥氏体的数量。
③如采用淬火油冷，则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残留奥氏体的数量增多，会造成硬度不足或尺寸的不稳定，影响零件的热处理质量。
2)GCr15SiMn钢的热处理技术要求为硬度达到62～65HRC。其热处理工艺如下:较大功率的柴油机的针阀体采用GCr15SiMn钢制造，图3-57所示为它的外形尺寸。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40kPa入油冷却，其工艺曲线如图3-58所示。
图3-56 分级淬火温度和时间对GCr15残留奥氏体数量的影响
1—850℃分级淬火保持5min 2—850℃分级淬火保持3min
图3-57 较大功率柴油机针阀体
图3-58 GCr15SiMn钢针阀体真空热处理工艺曲线
3)25SiMnMoVA钢的热处理技术要求为硬度62～65HRC。工艺流程为渗碳→淬火→回火。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，其具有渗碳质量好、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。
第一种热处理工艺为920℃渗碳保温结束后油冷，于240～280℃的油炉或硝盐炉中回火。第二种工艺为910℃加热在280℃的硝盐炉中分级冷却，约10～20min转油冷。回火在260～280℃的温度下进行。第二种工艺可获得最佳的冲击韧度，寿命得到大幅度提高。
（3)18Cr2Ni4WA钢针阀体的热处理工艺 其技术要求为硬度62～66HRC。基本工艺流程为渗碳→随罐空冷→冷处理→低温时效。另外也可采用渗碳→高温回火→淬火→冰冷处理→四次回火的工艺流程。
固体渗碳后随罐空冷进行冰冷处理的工艺如图3-59所示，热处理后的硬度大于58HRC。渗碳后重新加热的热处理工艺如图3-60所示。
图3-59 18Cr2Ni4WA钢针阀体固体渗碳后随罐空冷进行冰冷处理的工艺
（4)W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2钢针阀体的热处理工艺 两针阀体的热处理工艺曲线分别如图3-61和图3-62所示，热处理后的硬度为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。
图3-60 18Cr2Ni4WA钢针阀体渗碳后重新加热的热处理工艺
图3-61 W18Cr4V钢针阀体的热处理工艺曲线
图3-62 W6Mo5Cr4V2钢制针阀体的热处理工艺曲线
4.热处理工艺分析与操作要点
1)针阀体淬火分为分级淬火和普通淬火两种，目前国内外多数企业对偶件的加热是在盐浴炉中进行的，其存在下列问题:在盐浴加热过程中脱氧不及时，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；盐浴淬火后工件表面存积残盐，清洗十分困难，必须采用热水清洗。针对以上两点，尤其是对于细小喷孔，容易被残盐堵塞，采用氮基保护气氛完成对工件的加热比较合理，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采用高压气冷等热处理工艺。
2)冰冷处理是为了确保产品的残留奥氏体量降至最低，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、低合金钢还是高速工具钢，淬火后停留1h均会使残留奥氏体稳定化效果明显改善，而回火后再进行冰冷处理，则会造成耐磨性降低。
3)尺寸的稳定化处理是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。对不同材料采用的稳定化处理工艺参数见表3-50。
表3-50柱塞副和针阀体尺寸稳定化处理工艺参数
图3-63 头部断裂的针阀体的宏观形貌
4)需要注意的是如果渗碳淬火后出现针阀体头部的断裂，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。淬火过程中零件中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留应力（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冷却介质的流动，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（图3-63)。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: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；渗碳温度从910℃降低到880～890℃，时间适当缩短，这样有利于减小热应力，使晶粒较细；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。
5.针阀体热处理的常见缺陷与对策
（表3-51)
表3-51针阀体热处理的常见缺陷与对策
