隋志維，孟紅霞

（思科普壓縮機(天津)有限公司，天津 301700）

全封閉活塞式制冷壓縮機錳系磷化工藝

隋志維*，孟紅霞

（思科普壓縮機(天津)有限公司，天津 301700）

全封閉活塞式制冷壓縮機由活塞、連桿、曲軸、汽缸、平衡塊等零件組成。曲軸和氣缸一般為鑄鐵材質(zhì)，活塞和連桿為粉末冶金材料，平衡塊由沖壓+電阻焊工藝制造。曲軸、活塞、連桿及平衡塊需要進行錳系磷化加工。受零件組成材料的性質(zhì)、加工精度及制冷系統(tǒng)的工程需求等的限制，制冷壓縮機的磷化不同于常規(guī)磷化工藝。介紹了全封閉活塞式制冷壓縮機錳系磷化工藝的特點，分析了磷化工藝失效的原因，提出了故障處理對策和工藝維護措施。

制冷壓縮機；錳系磷化；故障；工藝維護

1 前言

在機械制造領域中，磷化工藝是一種應用廣泛的重要表面處理工藝。磷化是在特定溫度下鋼鐵材料通過在特定成分的化學溶液中發(fā)生反應生成磷化膜層的工藝過程。錳系磷化是指生成的膜層中以錳的磷酸鹽為主要成分的磷化工藝。錳系磷化層晶粒精細，排列整齊，和基材緊密結(jié)合。錳系磷化層可以提高零件的可運行性，使零件表面可承受更強的壓力、更耐磨，減少傳輸中的噪音。

基于以上特點，錳系磷化工藝被廣泛應用于機械制造領域。制冷壓縮機制造是其應用領域之一。全封閉活塞式制冷壓縮機是廣泛應用于食品保鮮、室溫調(diào)節(jié)、工業(yè)制冷等領域的一種重要機械產(chǎn)品，其核心功能總成之一是氣缸–活塞總成。該總成的主要作用是通過曲軸的轉(zhuǎn)動帶動活塞–連桿組件在氣缸內(nèi)往復運動，改變制冷劑的物理狀態(tài)，驅(qū)動制冷劑在制冷系統(tǒng)中的循環(huán)利用。

本文結(jié)合生產(chǎn)實踐，根據(jù)磷化工藝和壓縮機產(chǎn)品特點，闡述了全封閉活塞式制冷壓縮機錳系磷化工藝，分析了常見的問題，提出了處理對策和工藝維護方法。

2 錳系磷化工藝在制冷壓縮機生產(chǎn)中的應用

壓縮機在出廠時，氣缸–活塞總成內(nèi)沒有冷凍機油，為了避免干摩擦，構(gòu)成該總成的各運動部件需要通過錳系磷化來提高其短期的耐磨性能。在壓縮機啟動后不久，冷凍機油被泵入該總成，這時磷化膜的疏松結(jié)構(gòu)充分吸收了冷凍機油，在各個部件之間形成了一層由磷酸鹽和冷凍機油構(gòu)成的復合潤滑膜層，進一步改善了壓縮機的工作性能，并保證了運動部件的壽命。

制冷壓縮機需要進行錳系磷化的零件有：活塞、連桿、曲軸和平衡塊。

2. 1 制冷壓縮機零件磷化工藝特點

常規(guī)磷化工藝流程[1]包括：化學脫脂─熱水洗─水洗─酸洗─水洗─磷化─水洗─鈍化(后處理)─水洗─干燥。壓縮機由于受其零件組成材料、加工精度及制冷系統(tǒng)的工程需求等的限制，不能照搬常規(guī)的磷化工藝：

(1) 壓縮機零件組成材料復雜，如曲軸和氣缸材料一般為鑄鐵，活塞和連桿則為粉末冶金材料，平衡塊則是由沖壓及電阻焊形成。常規(guī)磷化工藝中的酸洗工藝不能用于粉末冶金材料，因為粉末冶金材料在微觀下呈多孔狀，酸液進入顆粒間的孔隙后，會導致零件深度腐蝕而報廢；酸洗工藝對于焊接件也存在技術風險，酸液可能進入焊縫，破壞電阻焊的焊點，造成焊點腐蝕失效。

(2) 氣缸–活塞總成的配合公差在10 μm以內(nèi)，酸洗工藝會破壞零件的表面狀態(tài)，使公差無法滿足要求。為了保證公差要求，磷化前需要采用特殊的表調(diào)工藝以控制膜厚，保證制造公差。

(3) 壓縮機內(nèi)不能引入強氧化性物質(zhì)或化學性質(zhì)不穩(wěn)定的物質(zhì)，否則整個制冷系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性都會受到破壞，而制冷劑和冷凍機油出現(xiàn)異常，會導致整個系統(tǒng)癱瘓。同時，由于壓縮機產(chǎn)品在食品保鮮設備上應用廣泛，按照歐盟標準，不能采用強氧化性物質(zhì)或化學性質(zhì)不穩(wěn)定的物質(zhì)，重金屬化合物更是被嚴格禁止使用。因此，鈍化工藝需要進行謹慎定義，只能選用穩(wěn)定性很好的無環(huán)境危害性的材料。

2. 2 制冷壓縮機磷化工藝流程

壓縮機生產(chǎn)中應用的錳系磷化工藝流程包括：預脫脂─脫脂─水洗─表調(diào)─錳系磷化─水洗─鈍化─干燥。各步驟工藝參數(shù)見表1。

表1 磷化工藝參數(shù)Table 1 Phosphating process parameters

2. 2. 1 工藝說明

2. 2. 1. 1 預脫脂

該步驟除按工藝需求采用比較強力的脫脂劑外，為了充分去除粉末冶金材料孔隙中的污物，同時采用較大功率的超聲波裝置來強化脫脂作用。

2. 2. 1. 2 脫脂

該工序旨在在上一步驟基礎上對工件進行更深入的表面凈化。鑄鐵、沖壓零件、粉末燒結(jié)材料的表面在微觀上存在微小的坑洞或溝紋，又或在顆粒間存在縫隙，這些地方一般都會存在污染物。在進行磷化工藝之前，應采用深層脫脂工藝加強材料表面的凈化程度。

2. 2. 1. 3 脫脂后水洗

用于去除表面上的殘留脫脂液及脫脂劑與污染物。

2. 2. 1. 4 表調(diào)

表調(diào)劑使用 Chemetall公司的 GARDOLENE V 6560 A 和GARDOBOND-ADDITIVE H 7149 (均為粉劑)，在配槽時需少量多次、以小容器(如燒杯)配制，充分與水混合溶解后才能加入槽體，最后注水達到設定的工藝濃度。表調(diào)的原理是通過物理吸附在基材表面形成細小的結(jié)晶核，使單位面積的晶體個數(shù)有所增加，從而使晶體在生長過程中更加緊密，晶體之間的互相制約控制了反應的程度，使磷化膜更致密、均勻，并達到控制磷化膜厚的目的。

2. 2. 1. 5 錳系磷化

首先是酸蝕反應。酸與基材表面反應，基材表面被中和，由于過飽和及歧化反應，可溶性磷酸鹽轉(zhuǎn)變?yōu)椴蝗苄缘牧姿猁}而成膜。反應式如下[2]54：

嚴格來說，該成膜反應只在無鐵的溶液中才發(fā)生。因為錳系磷化槽液含大量的不溶性鐵，實際生成的膜層可視為如(Mn,Fe)5H2(PO4)4·4H2O的結(jié)構(gòu)[2]87。

以上反應式表明，隨著反應的進行，游離酸升高，導致成膜反應速度降低，體系狀態(tài)出現(xiàn)波動。為了保持磷化過程槽液穩(wěn)定，需控制體系中的總酸和游離酸?？偹岫葋碓从诹谆褐辛姿猁}、硝酸鹽和酸所離解出的 H+的總和[1]。總酸度過高，會使膜層過??；總酸度過低，會使膜層疏松粗糙。游離酸主要反映磷化液中游離磷酸的含量。磷酸促使鋼鐵溶解，形成更多的晶核，使膜層結(jié)晶細致。游離酸度高，反應速度快，大量析氫，使界面晶核形成困難，膜層結(jié)晶粗大，疏松多孔；游離酸度低，導致磷化膜變薄甚至局部缺失。因此，須按磷化液的特性控制好總酸度和游離酸度。本工藝總酸和游離酸度比例一般控制在3∶1左右。

2. 2. 1. 6 磷化后水洗

洗去零件上殘留的磷化液。因磷化液呈強酸性，該工序的重要性在于避免磷化過的零件被殘留磷化液腐蝕，保證磷化層的完整性和質(zhì)量。

2. 2. 1. 7 鈍化

磷化膜層結(jié)構(gòu)呈多孔、疏松狀，鈍化工藝的目的是封閉磷化膜的孔隙，隔絕鋼鐵基體與腐蝕性介質(zhì)的接觸。壓縮機生產(chǎn)采用了含有機緩蝕劑的鈍化液，使磷化后的零件形成一層有機物緩蝕薄膜。而且鈍化液以各類環(huán)保型表面活性劑為主要成分，性質(zhì)穩(wěn)定，對環(huán)境沒有不良影響。

2. 2. 2 不同零件磷化膜厚度的分散度研究

由于制冷壓縮機的氣缸–活塞總成系由多種鋼鐵材料(鑄鐵、粉末燒結(jié)材料、沖壓鋼板)制造而成，各材料在反應中的表現(xiàn)有所不同，因此，所生成的膜層的性狀也有一定的區(qū)別，比如膜層厚度方面就存在較大差異。圖1為磷化工藝中曲軸(鑄鐵材料)與活塞(粉末冶金)不同位置磷化膜厚的分布狀況。

圖1 曲軸與活塞磷化膜厚度分布Figure 1 Thickness distribution of phosphating film on crankshaft and piston, respectively

可以看出，在同一條生產(chǎn)線上、相同工藝條件下，鑄鐵零件的膜厚分散度較大，粉末冶金零件及沖壓零件的膜厚均一性較好。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生是由材料材質(zhì)差異導致的。從制造工藝上來說，粉末冶金材料是由材質(zhì)性質(zhì)相近的粉體材料燒結(jié)而成，工件材質(zhì)均一性更好；而鑄造材料因每批使用的鐵水存在成分差異，鑄造過程的工藝條件也會有一定的差異，故材質(zhì)的均一性沒有粉末冶金材料好。由于鑄鐵材料的膜厚分散度比較大，因此以粉末冶金或沖壓鋼材的磷化膜厚指標為基準控制多種物料共線工況下的錳系磷化工藝運行，是一種比較好的工藝控制辦法。

2. 3 錳系磷化的質(zhì)量檢測與控制

錳系磷化層的常規(guī)質(zhì)量控制指標一般是外觀和膜厚，對于厚層磷化，還要測定單位面積的膜重。正常的錳系磷化層的典型外觀表現(xiàn)為顆粒均勻、色澤均一，顏色由深灰色到黑色，表面晶粒精細。厚度因工藝方法而不同，可從不到1 μm至幾十μm(重錳系磷化)。

磷化層的膜厚可以按照GB/T 6462–1986《金屬和氧化物覆蓋層 橫斷面厚度顯微鏡測量方法》，或采用測厚儀按照GB/T 4956–1985《磁性金屬基體上非磁性覆蓋層厚度測量 磁性方法》或GB/T 4957–1985《非磁性金屬基體上非導電覆蓋層厚度測量 渦流方法》測試。生產(chǎn)實踐中，可采用在機械加工中常用的氣動量儀來檢測零件在磷化前后的直徑，然后通過取差值的1/2得到結(jié)果。該法誤差較小，操作簡便，是一種適用于批量生產(chǎn)的實用方式。

制冷壓縮機對內(nèi)部組成零件表面的潔凈度有很高的要求，殘留物標準為毫克級。因此，磷化后的零件需要按照一定比例抽檢清潔度指標。清潔度的檢測一般是按如下方法：使用高純度有機溶劑沖洗要檢測的零件，根據(jù)“相似相溶”原理，殘留物溶解在溶劑里；將此溶劑真空蒸餾，就可以將殘留物分離出來，再通過分析天平稱量殘留物的質(zhì)量，即可得到零件的殘留物水平。該檢測對儀器、試驗操作有很高的要求，必須在專用實驗室內(nèi)完成。

3 錳系磷化工藝的故障處理及維護

3. 1 故障來源

錳系磷化工藝失效通常產(chǎn)生于前處理不良，表調(diào)故障，錳系磷化槽工藝指標失控，或材料本身故障。

3. 2 故障處理對策

(1) 做好前處理槽液日常檢測與調(diào)整。在目視潔凈度較差的情況下應更換槽液，并應注意前序來料是否有異常。典型的故障案例為：曲軸生產(chǎn)中機加工序在未通知磷化工序的情況下，給工件涂覆厚膜防銹油做工序間防護，而磷化流程中脫脂工序無法去除該種防銹油，造成磷化故障，其故障特征為工件上磷化層呈片狀散布。

(2) 在表調(diào)槽液檢測中注意其pH是否小于8，同時要注意表調(diào)失效的前兆，如磷化膜層逐漸增厚至制造公差上限，或槽液顏色異常。此時，即使膜層質(zhì)量符合規(guī)范也應立即進行調(diào)整。

(3) 在24 h連續(xù)生產(chǎn)時，錳系磷化槽的檢測間隔一般不應大于10 h，對于消耗槽液成分大的大面積工件，應縮短檢測間隔，并根據(jù)情況及時調(diào)整槽液，注意控制總酸和游離酸的含量及相對比例。另外，由于錳系磷化工藝在95 ～ 100 °C間運行，溶液中的水揮發(fā)速度很快，造成槽液濃度發(fā)生較迅速的變化，需要根據(jù)實際情況掌握補水節(jié)拍，并將補水作業(yè)作為重要的過程要素加以控制。

(4) 對磷化加工前的零件進行檢控，避免有材料缺陷的零件進入磷化線。如通過目檢，挑出銹蝕件。粉末冶金零件由于制造工藝的特殊性，往往無法通過目檢發(fā)現(xiàn)其表面故障，只能通過和原料廠商進行技術溝通和密切配合，以避免質(zhì)量事故的發(fā)生。

3. 3 連桿磷化正常件與異常件微觀形貌分析

連桿在磷化加工后有時會出現(xiàn)無規(guī)律的“紅斑”現(xiàn)象。為了研究錳系磷化在粉末冶金零件上工藝失效的原因，采用SEM–EDS(掃描電鏡和能譜分析)對磷化后外觀正常和外觀異常的磷化連桿進行了分析。外觀正常的磷化連桿掃描電鏡照片及其不同部位的能譜分析和元素分布圖見圖2a、b和c。

圖2 外觀正常的磷化連桿的截面SEM照片及其不同部位的能譜分析和元素分布Figure 2 Cross-sectional SEM images, energy-dispersive spectroscopic analysis, and element distribution in different areas of phosphated connection rod with normal appearance

從圖2a可以看到，隨著掃描采樣區(qū)從樣品內(nèi)部到表層的移動，在 3處可以檢出錳和磷的成分；而從微區(qū)元素分析和元素分布圖(圖2b、c)中可以看出，各類元素的含量隨樣品位置的變化而不同。在基體區(qū)，F(xiàn)e元素的含量最高。從基體向外，有一個厚約5 μm的層，這里鐵的特征譜線和氧的特征譜線最高，所以氧化鐵是主要的成分。再往外，有一個很薄的層，其Mn和P元素的特征譜線開始升高，顯示出磷化層的特征。最外邊是制作樣品的環(huán)氧樹脂層，它的主要成分是碳，所以代表碳元素的特征譜線很高，見圖2b。

外觀異常的磷化連桿(有“紅斑”)的SEM照片和EDS譜圖分別如圖3a、3b所示。從圖3b可以看出，僅檢測到Fe、C、O元素，未發(fā)現(xiàn)Mn元素和P元素，即未檢出錳的磷酸鹽成分。同時，SEM–EDS設備在掃描“1”處時得到了氧原子百分比為55.54%，鐵原子為37.58%，氧和鐵的原子比例為3∶2。按照“紅斑”的外觀特征和元素含量比例，可以判定“紅斑”就是Fe2O3。這表明，工件表面有一定厚度的鐵的氧化物，它在磷化過程中無法去除，因而基材無法進行磷化反應。

圖3 外觀異常的磷化連桿的SEM–EDS分析結(jié)果Figure 3 SEM–EDS analysis results of phosphated connection rod with abnormal appearance

圖4 正常連桿和異常連桿的金相照片F(xiàn)igure 4 Metallographs of normal and abnormal connection rods

國外的原材料供應商對對比樣品的理化分析亦稱異常件上無法檢測到磷化層。圖4為供應商提供的金相顯微照片。如圖所示，外觀正常的連桿的金相照片上可以看到連續(xù)的磷化膜，而外觀帶有“紅斑”的樣品的金相照片上無這一特征。那么，連桿磷化加工后的“紅斑”是怎么產(chǎn)生的呢？因其他共線加工的產(chǎn)品未出現(xiàn)異常，可以排除工藝或設備方面發(fā)生異常的可能性。分析整個物流過程，由于該材料是從國外遠洋運輸而來，包裝中沒有防銹材料，可推定物料在遠洋運輸中部分發(fā)生了銹蝕。責成供應商采用氣相防銹包裝后，該現(xiàn)象大為減少，證明上述分析是正確的。

3. 4 磷化工藝的維護

3. 4. 1 常規(guī)維護

制冷壓縮機常規(guī)磷化工藝維護措施見表2。

表2 制冷壓縮機常規(guī)磷化工藝維護措施Table 2 Routine maintenance measures for phosphating of refrigeration compressor

3. 4. 2 特殊維護

為了保證壓縮機零件的清潔度，要經(jīng)常清潔線上設施，去除化學沉積物及金屬碎屑，確保工藝的穩(wěn)定并消除潛在污染源。

需要經(jīng)常對自動線的輸送系統(tǒng)做結(jié)構(gòu)檢查和機電系統(tǒng)檢查，避免出現(xiàn)掉件、中途停車等故障。

生產(chǎn)中所采用的工裝至少每個月檢查一次。工裝的作用主要在于保持零件在槽液中反應時的正確姿態(tài)，從而避免“氣袋”等問題的發(fā)生。工裝檢查的重點在于其結(jié)構(gòu)的可靠性，如經(jīng)過頻繁、反復的磷化反應和長時間承載工件后，工裝是否開焊、發(fā)生結(jié)構(gòu)變形等。出現(xiàn)故障的工裝應立即檢修或下線報廢。

4 結(jié)語

在制冷壓縮機生產(chǎn)中，錳系磷化工藝具有與通用工藝不同的特點，即采用超聲波脫脂和浸漬脫脂相結(jié)合，以專用表調(diào)劑進行表面預處理，并采用有機緩蝕劑作為鈍化處理劑。在工藝質(zhì)量的控制方面要求目檢外觀并控制膜厚和清潔度。工藝故障通常為前處理不良、表調(diào)失效、磷化液指標異常和材料異常。需要注意的是，前處理不良有時是由前序工藝變化導致的，故應當進行加工前檢驗，還要注意避免由于材料本身缺陷造成的磷化加工報廢。如果磷化前原材料質(zhì)量無法在企業(yè)內(nèi)部控制，就需要和供應方協(xié)作解決。錳系磷化工藝和設備需要按工藝要求定期維護，杜絕產(chǎn)生干擾工藝過程的消極因素。因此，需要工藝人員在生產(chǎn)中熟悉相關要求，并準確把握工藝特性，在生產(chǎn)實踐中積累工藝數(shù)據(jù)，使設備運行良好，從而提高生產(chǎn)質(zhì)量。

[1] 《表面處理工藝手冊》編審委員會. 表面處理工藝手冊[M]. 上海: 上海科學技術出版社, 1991: 288-289.

[2] RAUSCH W. Die Phosphatierung von Metallen [M]. 2 Auflage. Saulgau: Leuze Verlage, 1988.

Manganese phosphating process applied to hermetic piston refrigeration compressor /

/ SUI Zhi-wei*, MENG Hong-xia

The hermetic piston refrigeration compressor is composed of piston, connection rod, crankshaft, cylinder, counterweight, etc. Crankshaft and cylinder are normally made of cast iron, piston and connection rod are of powder metallurgy materials, and counterweights are manufactured by stamping plus electric resistance welding process. Crankshafts, pistons, connection rods, and counterweights must be treated by manganese phosphating process. The phosphating process for refrigeration compressor is different from normal phosphating process due to the restriction by the properties of component materials of the parts, machining precision, and engineering requirements of the refrigeration system. In the article, the characteristics of manganese phosphating process for hermetic piston refrigeration compressor were introduced, and the failure causes of phosphating process were analyzed. The countermeasures for common failures and the process maintenance methods were presented.

refrigeration compressor; manganese phosphating; failure; process maintenance

Secop Compressor (Tianjin) Co., Ltd., Tianjin 301700, China

TG178

A

1004 – 227X (2012) 11 – 0043 – 05

2012–05–23

2012–07–18

隋志維（1976–），男，遼寧沈陽人，本科，工程師，主要從事表面處理工藝的生產(chǎn)應用及工藝管理。

作者聯(lián)系方式：(E-mail) suizhiwei@secop.com。

[ 編輯：韋鳳仙 ]