韩俊刚， 邵志文， 宋运坤， 陈小虎， 丁博远， 顾娇娇

(1. 中国兵器科学研究院宁波分院， 浙江 宁波 315103；2. 中国北方发动机研究所， 天津 300412)

喷油器是柴油机结构中少数精密器件之一，其性能是保证柴油机具有长使用寿命的关键。随着柴油机喷射系统喷射压力的不断提高，对燃油喷射系统中的针阀偶件也提出了更高的性能要求[1-3]。其中，针阀体是针阀偶件的关键部件，担负着燃油喷射系统最重要的任务——喷油。因此，针阀体的性能直接影响喷射系统的服役表现，进而也影响了柴油机整体的功效、经济性和使用寿命。

随着燃油喷射系统的改进和喷射压力的提高，制备针阀体所需的材料也在不断发展。起初，针阀体是由GCr15钢制备的，然而此材料制备的针阀体存在回火稳定性差、韧性不足等缺点[4]。为了克服以上缺点，研究人员随后开发了18Cr2Ni4WA、25SiCrMoVA渗碳钢作为针阀体制备材料，而这两种材料机加工性能与耐蚀性能较差，也不适用于大规模应用[5-6]。目前，在普通的共轨喷油系统中，主要采用德国钢种18CrNi8钢制备针阀体[7]。但是，随着高压共轨喷油器系统的发展，为了进一步提高针阀体的耐高温稳定性与耐蚀性能，开发性能更优的针阀体材料是当前研究的关键和难点。4Cr5MoSiV1钢作为典型的模具钢材料，其具有高淬透性、热处理畸变小、优异的耐热疲劳性、高强韧性、高温耐磨性以及良好的机加工性能等[8]，是制备高压共轨喷油器系统针阀体的优选材料之一，然而目前很少有关于针阀体用4Cr5MoSiV1钢相关的研究报道。

因此，本文以针阀体用4Cr5MoSiV1钢为对象，研究了不同热处理工艺对其显微组织与力学性能的影响，为高性能针阀体材料的研发提供技术支撑。

1 试验材料与方法

试验选用的针阀体材料分别为淬火+低温回火和淬火+中温回火的4Cr5MoSiV1钢(低温回火态和中温回火态)。其中，淬火温度为1020 ℃，低温回火温度为200 ℃，中温回火温度为400 ℃。从两种不同热处理后针阀体样件上进行本体取样，进行显微组织观察与力学性能分析，取样位置与取样示意图如图1所示。

图1 针阀体本体取样示意图(a)取样示意图；(b)非标拉伸试样尺寸图Fig.1 Sampling diagram in the needle valve body(a) sampling diagram; (b) dimensions of the non-standard tensile specimen

化学成分检测采用红外碳硫仪、滴定管和等离子体光谱仪。显微组织试样采用体积分数为2%硝酸酒精溶液腐蚀，并在奥林巴斯光学显微镜和FEI Quanta FEG 250场发射扫描电镜上观察。显微硬度测试采用显微硬度计，加载载荷0.98 N，加载时间15 s，每个试样测试7个点，并取其平均值。拉伸试验在LN w+b 20KN拉伸试验机上进行，拉伸速率为3×10-3mm/s，每个热处理条件测试3个平行试样，并采用扫描电镜观察拉伸后试样断口的微观形貌。

2 结果分析与讨论

2.1 化学成分

4Cr5MoSiV1钢低温回火态针阀体以及中温回火态针阀体的化学成分检测结果如表1所示。通过表1可以发现，低温回火态针阀体和中温回火态针阀体各元素的含量差别很小；此外，低温回火态针阀体和中温回火态针阀体各元素含量均在GB/T 1299—2014《工模具钢》成分范围内，并且P、S含量相对较低。

表1 针阀体用4Cr5MoSiV1钢的化学成分(质量分数，%)Table 1 Chemical composition of the 4Cr5MoSiV1 steel for needle valve body (mass fraction, %)

2.2 显微组织

低温回火态针阀体和中温回火态针阀体不同放大倍数下的显微组织与SEM组织分别如图2和图3所示，由图2(a～c)和图3(a～c)可以发现，针阀体经淬火+低温回火后，其显微组织主要为黑色针状马氏体组织和大量的析出碳化物；由图2(d～f)和图3(d～f) 可以发现，针阀体经淬火+中温回火后，其组织中的针状形态已经消失，且在基体上分布有析出的粒状碳化物颗粒，是典型的回火托氏体组织。

图2 针阀体用4Cr5MoSiV1钢的光学显微组织(a～c)低温回火态；(d～f)中温回火态Fig.2 Optical microstructure of the 4Cr5MoSiV1 steel for needle valve body(a-c) low temperature tempered; (d-f) medium temperature tempered

图3 针阀体用4Cr5MoSiV1钢的SEM显微组织(a～c)低温回火态；(d～f)中温回火态Fig.3 SEM images of the 4Cr5MoSiV1 steel for needle valve body(a-c) low temperature tempered; (d-f) medium temperature tempered

低温回火态针阀体和中温回火态针阀体的显微组织明显不同，这是由不同温度回火造成的。两种针阀体经完全淬火处理后，其全部组织均为针状和板条状淬火马氏体。针阀体经低温回火后，淬火马氏体会发生部分分解而形成ε-碳化物，但其组织仍保持着针状马氏体形态[9]，称为回火马氏体；针阀体经中温回火热处理后，淬火马氏体完全分解为ε-碳化物，且部分ε-碳化物进一步回溶至基体铁素体中，并伴随有片层Fe3C的析出，是典型的珠光体组成成分，而由于该组织中铁素体和Fe3C的片层间距很小，通常称此组织为回火托氏体[10]。

2.3 力学性能

表2为不同热处理工艺下针阀体的维氏硬度测量值，热处理后试样的维氏硬度分布均匀。低温回火态针阀体和中温回火态针阀体的维氏硬度分别为639.4 HV0.1和584.4 HV0.1，低温回火态针阀体的维氏硬度高于中温回火态针阀体的。

表2 不同温度回火态针阀体用4Cr5MoSiV1钢的维氏硬度(HV0.1)Table 2 Vickers hardness values of the 4Cr5MoSiV1 steel for needle valve body tempered at different temperatures (HV0.1)

低温回火态针阀体和中温回火态针阀体的工程应力-应变曲线如图4所示，且其力学性能结果如表3所示。从图4和表3可以发现，低温回火态针阀体和中温回火态针阀体的力学性能波动较小，具有较好的重复性；低温回火态针阀体的抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为1527.7 MPa、1333.6 MPa和23.3%，中温回火态针阀体的抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为1722.0 MPa、1504.3 MPa和29.5%；且中温回火态针阀体的抗拉强度、屈服强度和伸长率比低温回火态针阀体分别提高了12.7%、12.8%和26.6%。

图4 针阀体用4Cr5MoSiV1钢的工程应力-应变曲线(a)低温回火态；(b)中温回火态Fig.4 Engineering stress-strain curves of the 4Cr5MoSiV1 steel for needle valve body(a) low temperature tempered; (b) medium temperature tempered

表3 不同温度回火态针阀体用4Cr5MoSiV1钢的拉伸性能Table 3 Tensile properties of the 4Cr5MoSiV1 steel for needle valve body tempered at different temperatures

低温回火态针阀体和中温回火态针阀体的拉伸断口形貌如图5所示，从图5(a，c)可以发现，两种针阀体试样在拉伸断裂过程中均发生了明显的颈缩行为，因而两种试样的断裂行为表现为韧性断裂[11]。从图5(b，d)可以发现，两种针阀体试样的拉伸断口中都有尺寸不等的韧窝和撕裂棱，相比于中温回火态针阀体中尺寸均匀的韧窝，低温回火态针阀体断口中出现的韧窝分布均匀性较差，并且有明显的撕裂棱出现，因而低温回火态针阀体试样的伸长率低于中温回火态针阀体的。

图5 针阀体用4Cr5MoSiV1钢的拉伸断口形貌(a，b)低温回火态；(c，d)中温回火态Fig.5 Tensile fracture morphologies of the 4Cr5MoSiV1 steel for needle valve body(a,b) low temperature tempered; (c,d) medium temperature tempered

2.4 微观组织与力学性能的关联特性

针阀体的硬度与其微观组织密切相关，经低温回火处理的针阀体组织中包含有大量的马氏体组织，马氏体属于高碳过饱和间隙固溶体，过饱和的碳原子会形成以碳原子为中心的畸变偶极应力场，该应力场与位错产生强烈的交互作用，导致马氏体组织硬度升高；而中温回火处理的针阀体组织中无马氏体组织，因此其硬度相对较低[12]。

4Cr5MoSiV1钢的强度主要由固溶强化、析出强化、位错强化和马氏体相变强化等强化机制综合决定。在不同的热处理状态下，各类强化效果的强化程度不同。在回火热处理过程中伴随有碳原子的扩散发生，碳化物从过饱和α固溶体中逐渐析出、聚集，进而影响针阀体的强度。相比于低温回火，在中温回火状态下，由于回火温度升高，针阀体材料中碳原子的活动能力进一步加强，ε-碳化物进一步形核，且随着碳原子的远距离扩散而长大，ε-碳化物逐渐转变为稳定的Fe3C，发生“离位析出”进而使得位错回复和运动相消导致位错密度下降，然而，碳化物析出所增强的沉淀析出强化作用远大于位错密度下降所损失的位错强化作用，因而使得抗拉强度和屈服强度增加。另一方面，由于中温回火处理后的针阀体组织中包含有片层间距很小的铁素体和Fe3C的极弥散的混合物，这种低硬度相的铁素体和相对高硬度相的Fe3C的组织组合可以获得较好的强韧性匹配[11,13]。

综上所述，针阀体用4Cr5MoSiV1钢通过淬火+中温回火热处理方式，可以获得回火托氏体组织，表现出较好的综合力学性能。

3 结论

1) 针阀体不同温度回火后的组织明显不同，经淬火+低温回火后，针阀体试样组织为回火马氏体和未溶碳化物的复相组织；而经淬火+中温回火后，其组织为回火托氏体和未溶碳化物的复相组织。

2) 随着回火温度的升高，针阀体试样的维氏硬度由639.4 HV0.1降低至584.4 HV0.1，这与热处理后的微观组织密切相关。

3) 相比于淬火+低温回火试样，经淬火+中温回火后试样的抗拉强度、屈服强度和伸长率则分别提高了12.7%、12.8%和26.6%，且拉伸断面韧窝分布更加均匀。经淬火+中温回火热处理后针阀体试样的综合力学性能优于低温回火处理后针阀体试样的。