1.概述

缸體的材料為12CrNi3A，柱塞的材料為18Cr2Ni4WA。在柱塞泵工作過程中，柱塞在缸體中高速轉(zhuǎn)動并往復(fù)運動，對柱塞的外表面和缸體內(nèi)表面的耐磨性和硬度要求***，對兩零件的心部要求硬度相對較低。柱塞高低壓槽薄壁處若硬度過高，在高速運轉(zhuǎn)過程中極易斷裂，如圖1所示。缸體錐滾輪軸和高低壓孔連接孔通過法蘭與泵殼連接，其形位公差要求嚴(yán)格，如圖2所示。因此，柱塞缸體這兩個零件的熱處理工藝和加工路線極為重要。

圖1  柱塞

圖2  缸體

2.解決思路

碳氮共滲是將C、N原子滲入零件表面，提高零件材料的耐磨性和疲勞強度；淬火是將鋼加熱到臨界溫度以上，保溫一段時間，然后很快放入淬火劑中，使其溫度驟然降低，以大于臨界冷卻速度的速度急速冷卻，而獲得以馬氏體為主的不平衡組織的熱處理方法。淬火能增加鋼的強度和硬度，因此對柱塞和缸體進行淬火處理、對配合表面進行碳氮共滲處理，可以得到理想的效果。

通常情況下碳氮共滲工序排在機加工之后磨削工序之前，但是為了對零件非滲層特征進行保護，必須涂抹保護介質(zhì)，這些介質(zhì)經(jīng)過熱處理后可能粘附在零件表面，從而將雜質(zhì)顆粒帶入產(chǎn)品中，影響柱塞和缸體的配合。另外，碳氮共滲是一個熱處理過程，可能會對零件的形位公差和尺寸精度造成影響，從而導(dǎo)致產(chǎn)品裝配困難，因此將碳氮共滲工序置于機加工之前。

碳氮共滲一般伴隨著淬火，零件非滲層硬度達到40~45HRC，在機加工過程中加工難度極大、加工速度慢，經(jīng)常導(dǎo)致斷***，極大地降低了加工效率?；鼗鹗菍⒁呀?jīng)淬火的鋼重新加熱到一定溫度，再用一定方法冷卻，其目的是***淬火產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，降低硬度和脆性，以取得預(yù)期的力學(xué)性能。為了探究回火處理、淬火處理等對碳氮共滲試塊硬度及滲層的影響，分別取缸體、柱塞試塊進行試驗。碳氮共滲后與碳氮共滲+回火后零件硬度對比如圖3、圖4所示。

圖3 柱塞試塊碳氮共滲和碳氮共滲+回火后硬度對比

其中，碳氮共滲后表面硬度為58HRC，心部硬度為444HV；回火條件：650～700℃，真空度1.33×10-1～1.33×10-2，保溫2h，隨爐冷卻***500℃，油冷；碳氮共滲+回火后表面硬度為43.7HRC，心部硬度為267.2HV。

圖4 缸體試塊碳氮共滲和碳氮共滲+回火后硬度對比

其中，碳氮共滲后表面硬度為60.4HRC，心部硬度為392HV；回火條件：650～700℃，真空度1.33×10-1～1.33×10-2，保溫2h，隨爐冷卻***500℃，油冷；碳氮共滲+回火后表面硬度為2***3HRC，心部硬度為207.75HV。

由圖3、圖4可知，碳氮共滲+回火處理后零件硬度明顯降低，達到了可正常機加工的范圍。而缸體柱塞整體要求硬度較高，因此在粗加工后進行淬火+冷處理來提高零件硬度。冷處理是指將淬火鋼繼續(xù)冷***室溫以下，使在室溫尚未轉(zhuǎn)變的殘留奧氏體繼續(xù)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的一種熱處理操作，冷處理的目的是盡量減少淬火鋼中的殘留奧氏體。精加工時，由于去量較小，雖然加工難度有所增加，但尚可接受。碳氮共滲與碳氮共滲+回火+冷處理的硬度對比如圖5、6所示。

圖5 柱塞試塊碳氮共滲和碳氮共滲+回火+淬火+冷處理后硬度對比

其中，碳氮共滲后表面硬度為58HRC，心部硬度為444HV；回火條件：650～700℃，真空度1.33×10-1～1.33×10-2，保溫2h，隨爐冷卻***500℃，油冷；淬火條件：850～860℃，真空度1.33×10-1～1.33×10-2，保溫1h，油冷；冷處理條件：用2h將溫度降低***-70℃，保溫2h，將溫度加熱***30℃，保溫1h，烘干；碳氮共滲+回火后表面硬度為63.5HRC，心部硬度為446.7HV。

圖6 缸體試塊碳氮共滲和碳氮共滲+回火+淬火+冷處理后硬度對比

其中，碳氮共滲后表面硬度為60.4HRC，心部硬度為392HV；回火條件：650～700℃，真空度1.33×10-1～1.33×10-2，保溫2h，隨爐冷卻***500℃，油冷；淬火條件：850～860℃，真空度1.33×10-1～1.33×10-2，保溫1h，油冷；冷處理條件：用2h將溫度降低***-70℃，保溫2h，將溫度加熱***30℃，保溫1h，烘干；碳氮共滲+回火后表面硬度為65.2HRC，心部硬度為446.7HV。

由圖5、圖6可知，碳氮共滲零件經(jīng)過回火+淬火+冷處理后表面硬度反而增加，這是因為冷處理使室溫尚未轉(zhuǎn)變的殘留奧氏體繼續(xù)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，馬氏體量增加，其體心立方體晶格結(jié)構(gòu)比奧氏體的面心立方晶格結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，因此試塊硬度增加。

（a）柱塞試塊金相組織              （b）柱塞試塊碳氮共滲金相組織

（c）柱塞試塊過渡層金相組織          （d）柱塞試塊基體金相組織

圖7 柱塞金相組織

（a）缸體試塊金相組織      （b）缸體試塊碳氮共滲層金相組織   （c）缸體試塊基體金相組織

圖8 缸體金相組織

圖7、圖8分別為碳氮共滲+回火+淬火+冷處理后柱塞、缸體試塊金相組織。由圖7、圖8可以看出柱塞滲層厚度約為844um，缸體滲層厚度約為786μm，與只進行碳氮共滲后廠家***的滲層厚度0.844mm相比，幾乎差別不大。因此回火、淬火、冷處理對碳氮共滲層的影響不大，工藝路線可以這樣執(zhí)行。

3.結(jié)語

（1）碳氮共滲之后，回火可以降低柱塞、缸體的硬度，便于加工，提高了加工效率。

（2）碳氮共滲+回火+淬火+冷處理可以將柱塞、缸體零件硬度重新升到只進行碳氮共滲狀態(tài)，并且略有超越，效果更為理想。

（3）碳氮共滲之后對缸體、柱塞零件進行回火、淬火、冷處理對碳氮共滲層的影響不大。