曼機(jī)F173材質(zhì)活塞銷熱處理工藝

南車玉柴四川發(fā)動機(jī)有限公司四分廠 （資陽 641301） 李貴智

我公司為專業(yè)生產(chǎn)內(nèi)燃機(jī)車和船用柴油機(jī)企業(yè)，先后生產(chǎn)過陜柴、鎮(zhèn)柴、280柴油機(jī)等各類型號的活塞銷。與以前各類活塞銷比較，曼機(jī)32/40型號活塞銷在選材、技術(shù)要求、檢測標(biāo)準(zhǔn)方面都更嚴(yán)格，熱處理技術(shù)難度增大，為此我們進(jìn)行了一系列熱處理工藝試驗。

1.曼機(jī)32/40活塞銷材質(zhì)及技術(shù)要求

活塞銷尺寸φ145mm/ φ40mm×260mm，材質(zhì)原為18CrNiMo7-6，后用F173（本溪鋼鐵公司冶煉，陜柴PC機(jī)活塞銷專用料）代替，化學(xué)成分見表1，并與12CrNi2（鎮(zhèn)柴活塞銷材質(zhì)）作比較，冶煉工藝為電弧爐+真空脫氣。

金相試棒φ50mm×50mm，力學(xué)性能試棒φ53mm（活塞內(nèi)外半徑差）×210mm。

表1 化學(xué)成分 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

熱處理技術(shù)要求如下：①心部力學(xué)性能要求見表2。②成品表面碳濃度≤0.85%。③滲碳層至心部的組織應(yīng)均勻過渡，殘留奧氏體≤10%，奧氏體晶粒度5～8級。④硬化層表面硬度60～64HRC，表面硬度必須在每件外徑上檢測三個點（右側(cè)、左側(cè)、中部）。⑤成品硬化層深度1.5～2.0mm，硬度極限值為550HV1。

表2 活塞心部力學(xué)性能要求

2.難點分析及工藝試驗方案

（1）滲碳階段 F173的合金元素主要為Cr和Ni，隨著Cr、Ni含量的提高，強(qiáng)烈降低Ms點，從而使殘留奧氏體量較多，獲得表面硬度較低，最大硬度對應(yīng)的表面碳濃度下降，故要求成品表面碳濃度≤0.85%；但滲碳層中適量的細(xì)小且均勻彌散分布的碳化物能保證活塞高耐磨性，綜合考慮，成品表面碳濃度定為0.75%～0.85%。

活塞銷滲碳層至心部的組織應(yīng)均勻過渡，不能有明顯的斷面，要求擴(kuò)散時間要足夠長，同時初始強(qiáng)滲和擴(kuò)散階段的碳勢不能相差太大，以免出現(xiàn)“低頭”情況。滲碳溫度越高，滲碳速度越快，但溫度過高，將導(dǎo)致奧氏體晶粒度長大。

滲碳設(shè)備為RQT－90－9B井式滲碳爐，配備北京培特公司的HT8002A1C控制系統(tǒng)，采用自適應(yīng)法控制滲碳工藝過程，其滲碳參數(shù)可在電腦控制系統(tǒng)界面中直接設(shè)定。F173不能在電腦中直接找出，通過計算合金系數(shù)，采用相近的12CrNi2代替。

設(shè)定滲碳溫度920℃，允許最高爐氣碳勢1.1%，允許最高表面碳濃度1.0%，最終表面碳濃度0.85%，擴(kuò)散提前系數(shù)（滲碳系統(tǒng)設(shè)定參數(shù)）1.4，滲碳層深度2.0mm，參考碳濃度0.36%。

（2）淬火階段 滲碳淬火后，在每件外徑上檢測3點表面硬度，如果爐內(nèi)氣氛循環(huán)不好，或爐溫溫差大，都將導(dǎo)致產(chǎn)品碳濃度不均勻，達(dá)不到技術(shù)要求。由于活塞銷留量僅為0.3mm，因此為減少活塞銷的變形，同時保證淬火后的硬度均勻性，滲碳裝爐將其垂直平放于滲碳筐內(nèi)，間隔均勻，同時使φ40mm孔內(nèi)的氣氛能夠流通。淬火用由圓鋼焊接制作的圓形淬火筐，活塞銷垂直放入筐內(nèi)，每筐6件，達(dá)到冷卻均勻性。滲碳淬火工藝曲線如圖1所示。

圖1 活塞銷熱處理工藝曲線

3.試驗結(jié)果與主要問題

滲碳完成后抽取上、中、下3筐試棒作表面碳濃度檢測。由于該活塞銷在后序加工中有0.3mm的磨量，因此先將表層去掉0.2mm，依次取0.2mm厚的鐵屑做剝層試驗，碳濃度值如表3所示。

從表3可見，表面碳濃度為0.78%～0.82%，均勻性很好；碳濃度平緩過渡，無驟然變化。以0.36%為參考碳濃度，滲碳層深度約為2.1mm；經(jīng)淬火、回火以550HV1為極限值做硬度法檢測，滲碳層深度為2.2mm。

表3 剝層試驗碳濃度值 （%）

活塞銷心部力學(xué)性能試棒采用φ60mm×210mm，同爐滲碳處理后加工到φ53mm×200mm，840℃K油淬火、170℃回火后，按GB/T2975－1998標(biāo)準(zhǔn)在1/2半徑處取樣進(jìn)行力學(xué)性能試驗，其結(jié)果見表4，不能達(dá)到心部力學(xué)性能要求。表面硬度59～60.5HRC，也略低于技術(shù)要求。

表4 淬K油心部力學(xué)性能試驗值

4.工藝改進(jìn)及結(jié)果

（1）提高心部力學(xué)性能 從合金元素含量分析， F173材質(zhì)淬透性較差，對力學(xué)性能試棒進(jìn)行金相分析，組織中主要為鐵素體+少量板條狀馬氏體。提高淬火溫度，或采用冷卻能力更快的淬火介質(zhì)，有望獲得更多的板條狀馬氏體組織，是提高力學(xué)性能的兩種辦法。但提高淬火溫度，更多碳化物溶于奧氏體中，淬火得到較多殘留奧氏體，表面硬度值下降，而不能達(dá)到技術(shù)要求。

試用濃度為13%的AQ251作淬火冷卻介質(zhì)，冷卻速度快，淬火變形量較大，且表面易出現(xiàn)淬火裂紋。因此，將淬火溫度下調(diào)為825℃，試驗結(jié)果如表5所示，達(dá)到了心部力學(xué)性能技術(shù)要求。同時，因淬火溫度降低，減少了滲層殘留奧氏體量，表面硬度增加約1.5HRC，達(dá)59～60.5HRC，無損檢測結(jié)果表明無淬火裂紋。

表5 淬AQ251心部力學(xué)性能試驗值

（2）減少變形量 活塞銷原工藝流程為鍛壓→粗車、精車→滲碳、淬火→精加工，熱處理合格的活塞銷轉(zhuǎn)機(jī)加工后變形量較大，約有15%的活塞銷精磨后達(dá)不到成品尺寸而報廢。分析主要原因是鍛件組織不均勻，加之淬火冷卻速度較快，導(dǎo)致變形量較大。為此在鍛壓粗車后增加正火工序，正火溫度稍高于滲碳溫度。增加正火工序后，活塞銷變形量得到很大改善，無變形產(chǎn)生的廢品。

圖2為改進(jìn)后活塞銷熱處理工藝曲線。通過工藝試驗和改進(jìn)，曼機(jī)F173材質(zhì)活塞銷完全滿足了技術(shù)要求，生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定。

圖2 改進(jìn)后活塞銷熱處理工藝曲線

5.結(jié)語

（1）合金元素主要為Cr、Ni的F173材質(zhì)活塞銷將表面碳濃度控制在0.75%～0.85%，是保證表面硬度和金相組織的基礎(chǔ)。

（2）F173材質(zhì)淬透性較差，采用AQ251淬火冷卻介質(zhì)能很好地達(dá)到活塞銷心部力學(xué)性能要求，表面無淬火裂紋，且能提高表面硬度。

（3）鍛壓粗車后增加正火工序能很好地解決活塞銷滲碳、淬火變形大等問題，活塞生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定。

（20120818）