雙金屬復合鑄造工藝在壓縮機機架開發(fā)中的應用

□劉軒彤 □沈建芳 □褚 瑾

上海日立電器有限公司 上海 201206

雙金屬復合鑄造工藝在壓縮機機架開發(fā)中的應用

□劉軒彤 □沈建芳 □褚 瑾

上海日立電器有限公司 上海 201206

采用復合重力鑄造工藝制備了碳鋼-球墨鑄鐵雙金屬復合材料機架，確定了復合重力鑄造的工藝參數(shù)。通過熔合區(qū)材料力學性能測試、金相分析等技術(shù)手段，測試了機架在剪切力下的力學性能，并觀察得到雙金屬鑄件界面組織特征。結(jié)果表明兩種材料形成良好的冶金結(jié)合，能夠滿足機架在應用中的強度要求。

碳鋼；球墨鑄鐵；壓縮機；鑄造

1 研究背景

隨著科技的不斷進步與人們生活水平的提高，家用空調(diào)產(chǎn)品已經(jīng)成為生活中不可缺少的家電產(chǎn)品?？照{(diào)壓縮機作為空調(diào)系統(tǒng)的核心，業(yè)界對其性能與噪聲方面的要求越來越高。傳統(tǒng)壓縮機上缸蓋與殼體在通過點焊接獲得機架時因受熱變形的影響，曲軸孔、殼體和電動機定子三者之間的同軸度不能較好地保持，造成運轉(zhuǎn)時電動機氣隙不均勻，電磁力作用在定轉(zhuǎn)子的氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力波和脈動力波，使定子產(chǎn)生振動。輻射形成的電磁聲是產(chǎn)生較大噪聲振動的主要原因之一[1]。根據(jù)相關(guān)標準規(guī)定，以等效A聲級計量，居民住宅區(qū)晝間噪聲不得超過50 dB，夜間噪聲不得超過40 dB[2]，而現(xiàn)在壓縮機的噪聲水平維持在50.5～65 dB范圍內(nèi)，可見有必要開發(fā)一種上缸蓋與殼體不通過焊接而獲得機架的工藝方法，一次裝夾通過加工精度保證三者之間的同軸度，使電動機定轉(zhuǎn)子間的氣隙均勻化，從而降低壓縮機運轉(zhuǎn)時的振動噪聲。

綜合國內(nèi)外研究情況，通過雙金屬復合工藝，使用兩種不同材料生產(chǎn)一體型零部件是一種既經(jīng)濟又便捷的方法，將金屬液澆鑄到預制好的另一種金屬上，通過不同金屬間原子擴散形成連續(xù)金屬熔合區(qū)，使兩種物理、化學、力學性能不同的金屬在界面上實現(xiàn)冶金結(jié)合。一般來說，雙金屬可以是鋁和低碳鋼[3]、鋁和銅[4]、鋁和鎂[5]、灰口鑄鐵和銅[6]等，主要應用于零部件綜合性能要求較高的汽車剎車轂[7]、軋機軋輥[8]、輸送管道[9]等領(lǐng)域。筆者從壓縮機機架的實際情況出發(fā)，對球墨鑄鐵和碳鋼雙金屬一體型機架的鑄造工藝與復合界面的特征、界面組織及其力學性能進行了研究。

2 試驗方法

壓縮機殼體有一定的耐壓要求，因此外層殼體材料選用外徑117 mm、厚度5 mm的20號無縫鋼圈，上缸蓋材料采用FCD550球墨鑄鐵，球墨鑄鐵與碳鋼成分見表1。采用固液熱熔方法試制機架時，需要保證在接觸界面產(chǎn)生有效的冶金結(jié)合，這就要求固體表面溫度達到材料固相線以上。研究顯示[10]，如果碳鋼吸收的熔化潛熱達到完全熔化所需要熱量的20%，固液接觸界面即可實現(xiàn)完全冶金結(jié)合。因此，為保證澆鑄時鋼圈具有足夠的熱量，需要對20號碳鋼在馬弗爐內(nèi)進行預熱。在空氣介質(zhì)溫度高于500℃時，鋼圈會被氧化，表面脫碳嚴重，氧化層嚴重阻礙雙金屬的熔合。根據(jù)文獻[11]介紹，工業(yè)生產(chǎn)中常使用硼砂、硼酸、氯化物等作為防護劑，其中無水硼砂有助熔的作用，作為最常用的鋼鐵防氧化劑使用，其防護原理為在878℃熔融成玻璃狀黏稠液體保護膜，保護工件表面，而且能使工件表面已有的氧化物熔于熔融態(tài)硼砂中，產(chǎn)生硼酸的復鹽，澆鑄鐵水時會自行剝落并上浮?？梢?，預熱溫度的控制對熔合區(qū)的形成至關(guān)重要：溫度過低，原子能量不足，擴散能力差；溫度過高，造成防氧化劑失效，材料表面生成氧化層阻礙擴散進行。試制中所使用的馬弗爐溫度上限1 000℃，同時考慮到K型熱電偶的測量誤差，試制預熱定在900～950℃，結(jié)合金相圖，此溫度下鋼圈組織為完全奧氏體，溫度達到后保溫1 h，使奧氏體均勻化。涂抹硼砂之前需要將鋼圈表面清理干凈，否則鋼圈上的雜質(zhì)會阻礙兩種金屬的熔合。

表1 球墨鑄鐵與20號碳鋼成分

球墨鑄鐵鐵水在立式合模澆鑄機線上澆鑄完成，澆鑄溫度約為1 360℃。圖1所示為一體化機架的鑄造工藝示意圖。將預熱完畢的鋼圈放入覆膜砂燒制而成的殼型中，蓋好上端蓋，隨后將殼型整體放入黏土砂制成的砂箱中，從預留在上端蓋上的澆鑄口完成鐵水澆鑄，以保證澆鑄速率與均勻性。澆鑄完畢后，砂箱在空氣中緩慢冷卻一段時間，為保證鑄件圓度，不進行滾筒落砂，而由人工打破砂箱將鑄件取出。用噴砂處理去除表面氧化層后，采用英斯特朗3382萬能試驗機測試機架力學性能。線切割后拋光獲得熔合區(qū)截面，采用徠卡DMI 5000M金相顯微鏡觀察雙金屬熔合區(qū)的界面形態(tài)與結(jié)構(gòu)。

圖1 一體化機架鑄造工藝圖

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 機架力學性能分析

為測試熔合區(qū)力學性能，采用對上缸蓋施加壓力的方式判斷切應力強度。將機架曲軸孔突起部分切掉，保持上缸蓋懸空，將其整體放置在萬能試驗機上，從反面，即氣缸平面施加壓力進行測試，設備及裝夾如圖2所示。

圖2 力學性能測試示意圖

萬能試驗機的最大壓力為100 kN，為保護設備，測試時將施加力上限設置為90 kN，當壓力達到此值時機器自動停機。圖3為力學測試結(jié)果，壓力在20 kN以下時呈拋物線狀，原因為壓頭與機架間有若干毛刺或突起，兩者沒有充分接觸，壓力逐漸增大后將這些突起壓平，此過程中壓頭遇到的阻力小，下降行程較大，造成壓縮位移變化率大；當壓力到達20 kN后，壓頭與機架充分接觸，機架此時完整承受壓頭壓力，發(fā)生完全彈性變形，壓縮位移與壓縮載荷呈直線關(guān)系；當壓力到達預設值時，機器停機。測試過程中機架僅發(fā)生彈性變形，上缸蓋和殼體沒有發(fā)生塑性變形，更沒有脫落，因此認為機架的力學強度較好。

圖3 力學性能測試結(jié)果

3.2 球墨鑄鐵-鋼金相組織分析

球墨鑄鐵與鋼未腐蝕之前的熔合區(qū)金相組織如圖4所示，中間細線為兩種材料的分界線，將左右分成不同區(qū)域。線左邊部分為20號碳鋼殼體，右邊部分為球墨鑄鐵上缸蓋，黑色點狀物為石墨球。顯微下兩組織界面較平直地相互熔合為一體，未觀察到裂紋或間隔。

圖4 球墨鑄鐵和鋼未腐蝕前熔合區(qū)金相組織（50倍）

碳對球墨鑄鐵鑄造性能和球化效果有較大影響，含碳量高，析出的石墨數(shù)量多，圓整度增加。圖5展示了近熔合區(qū)和遠離熔合區(qū)的球墨鑄鐵金相組織，由于大部分碳元素在凝固時擴散至熔合區(qū)形成珠光體，因此靠近熔合區(qū)的球墨鑄鐵組織中石墨球數(shù)量較少，圓整度較差。

圖5 球墨鑄鐵金相組織

使用經(jīng)酒精稀釋的硝酸溶液對打磨好的材料進行腐蝕，鑄件不同組織對硝酸的反應速率不一，相鄰的晶界能夠顯示出來。圖6為酒精硝酸溶液腐蝕后的熔合區(qū)金相組織。在雙金屬的碳原子擴散及熱量轉(zhuǎn)移影響下，兩種金屬在界面處產(chǎn)生了不同組織的熔合及擴散層，其中中間黑色部分為寬度約200 μm的珠光體組織，該組織形成機理為：鋼圈在900℃預熱下，組織全部轉(zhuǎn)變?yōu)樘荚厝苋毽?鐵中所形成的固溶體，即奧氏體；鐵素體的溶碳能力比奧氏體小很多，奧氏體最大溶碳量為2.11%（1 148℃），而鐵素體的最大溶碳量為0.021 8%（727℃）。結(jié)合金相圖，預熱溫度必須高于平衡狀態(tài)奧氏體固相線，使碳原子能夠自由擴散至奧氏體內(nèi)；在該溫度附近，鐵原子難以擴散，而碳原子有足夠的能量進行長程擴散，當鐵液接觸鋼圈內(nèi)壁后，其帶來的熱量進一步增強碳原子的擴散能力；另一方面，由于在砂箱內(nèi)冷卻，鑄件整體保溫效果較好，碳原子擴散時間得到保證，因此含碳量較高的鑄鐵內(nèi)碳原子逐漸沿著鋼圈表面擴散至內(nèi)部；隨著溫度下降，過冷奧氏體冷卻到非平衡狀態(tài)滲碳體固相線溫度，發(fā)生共析分解，轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體與滲碳體有機結(jié)合的層片狀珠光體組織。擴散區(qū)左側(cè)大片白色組織為鐵素體，其內(nèi)部彌散分布的灰色組織為珠光體，為典型的20號碳鋼。奧氏體冷卻至非平衡狀態(tài)下奧氏體固相線溫度時，鐵素體開始析出，隨著溫度降低，該過程持續(xù)進行，直到溫度降至非平衡狀態(tài)下滲碳體固相線后，具有共析成分的奧氏體開始轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。由于鑄件隨砂箱冷卻，溫度降低較慢，因此沒有生成含有索氏體、托氏體及貝氏體的組織。擴散區(qū)右側(cè)為白色鐵素體包圍的內(nèi)部為球形石墨的球墨鑄鐵。

圖6 球墨鑄鐵和鋼腐蝕后熔合區(qū)金相組織

圖7展示了熔合區(qū)右側(cè)的球墨鑄鐵組織，白色細條狀組織為鑄鐵激冷生成的滲碳體白口組織，其余白色塊狀組織為鐵素體，中間可見層片狀灰色珠光體組織，黑色球狀及蠕蟲狀組織為石墨。圖8為球墨鑄鐵共晶階段動力學曲線[12]，其中曲線1和1’為石墨析出開始和結(jié)束線，2和2’為碳化鐵析出開始和結(jié)束線，3和3’為碳化鐵慢冷時分解開始和結(jié)束線。當冷卻速度較小時（v1），可見其與曲線1和1’有兩個交點，即石墨能夠析出并長大，一般在砂箱內(nèi)的冷卻速度不可能接近v1，實際生產(chǎn)的冷卻速度在v2與v3之間時，不經(jīng)過石墨析出線，而是與曲線2和2’相交，即滲碳體碳化鐵會析出。鐵水澆入后，即便鋼圈進行高溫預熱，接觸后也相當于對鐵水進行激冷，使鑄件表面形成斷口，形貌呈白色，組織主要為滲碳體的冷硬層。同時，碳原子擴散至熔合區(qū)后，靠近熔合區(qū)的球墨鑄鐵組織碳含量降低，當碳殘余量低于石墨球化所需要的臨界值后，會發(fā)生球化衰退，金相組織為少量厚片狀或團狀石墨。隨著后續(xù)傳熱速度降低，鑄件內(nèi)部靠近基體側(cè)石墨析出量逐漸增加，球墨形態(tài)較為完整。

圖7 熔合區(qū)右側(cè)球墨鑄鐵金相組織

圖8 球墨鑄鐵共晶階段動力學曲線

4 結(jié)論

筆者研究了一種上缸蓋與殼體不通過焊接而獲得機架的鑄造工藝方法，澆鑄試驗驗證了熱熔理論對于鑄鐵與鋼在壓縮機機架開發(fā)中應用的可能性。根據(jù)對球墨鑄鐵與20號鋼熔合區(qū)的金相組織觀察分析，同時結(jié)合力學試驗結(jié)果，得出結(jié)論。

（1）球墨鑄鐵與20號碳鋼的雙金屬間形成了過渡層與擴散層，獲得了良好的冶金結(jié)合。

（2）涂抹硼砂防止氧化措施較為有效，能夠保證在澆鑄前鋼表面不形成氧化層，不會阻礙雙金屬熔合形成互熔區(qū)。

（3）熔合區(qū)內(nèi)碳原子由高濃度的鑄鐵擴散至低濃度的鋼中，形成鐵素體與滲碳體交錯的珠光體組織，該組織力學性能較好，熔合區(qū)達到了冶金結(jié)合。

（4）熔合區(qū)部分區(qū)域出現(xiàn)了滲碳體白口組織，該組織硬度較高，后續(xù)可能需要采用熱處理工藝改善加工性能。

[1] 魏君泰.空調(diào)壓縮機降噪研究[D].天津：天津大學，2012

[2] 民用建筑隔聲設計規(guī)范：GBJ118—1988[S].

[3] 費鑄銘，胡文彬，張國定，等.鋁基復合材料鑲嵌鑄造工藝[J].中國有色金屬學報，1996,6（ 4）:78-82.

[4] 張紅安，陳剛.銅/鋁復合材料的固-液復合法制備及其界面結(jié)合機理[J].中國有色金屬學報，2008，18（ 3）：414-420.

[5]PAPISK JM,LOFFLER JF,UGGOWITZER PJ.Interface Formation between Liquid andSolid Mg Alloys-An Approach to Continuously Metallurgic Joining of Magnesium Parts[J].Materials Scienceand Engineering:A，2010，527（ 9）：2274-2279.

[6]HEJAZI M M,DIVANDARI M,TAGHADDOSE.Effect of Copper Insert on the Microstructure of Gray Iron Produced viaLost FoamCasting[J].Materials&Design，2009,30（ 4） ：1085-1092.

[7] 陳忠士，傅高升，程超增，等.雙金屬汽車剎車轂復合鑄造工藝的研究[J].鑄造，2012，61（ 1）：101-104，108.

[8] 馮明杰，王恩剛，王俊剛，等.W9Mo3Cr4V/45鋼復合軋輥的液-固結(jié)合界面[J].鋼鐵研究學報，2008,20（9）:36-41.

[9] 涂小慧，蘇俊義，袁軍平，等.雙金屬復合鑄造工藝的研究[J].鑄造技術(shù)，2000（ 6）：30-31.

[10]張軍.雙金屬復合鑄造工藝的研究[D].鄭州：鄭州大學，2006.

[11]黃建洪.鋼鐵零件在氧化氣氛中加熱的防護[J].熱處理,2009，24（ 5）:55-58.

[12]中國機械工程學會鑄造分會.鑄造手冊：1鑄鐵[M].2版.北京：機械工業(yè)出版社，2003.

Compound gravity casting technology was used to produce the frame with bimetallic composite materials i.e.carbon steel and ductile iron,and the processing parameters of compound gravity casting were determined.The mechanical properties of the frame under shear force were tested by means of mechanical properties test and metallographic analysis of the fusion zone.The structure characteristics of the bimetallic castinginterfacewereobtained viaobservation.Theresultsshow that thetwomaterialsformagood metallurgical bondingand can meet thestrength requirementsof theframein theapplication.

Carbon Steel；Ductile Iron；Compressor；Casting

TH122；TG249.9

A

1672-0555（2017）03-005-05

2017年3月

劉軒彤（1986—），男，博士，工程師，主要從事鑄造研究工作

（編輯：啟 德）