□劉軒彤 □沈建芳 □褚 瑾

上海日立電器有限公司 上海 201206

雙金屬?gòu)?fù)合鑄造工藝在壓縮機(jī)機(jī)架開(kāi)發(fā)中的應(yīng)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(fù)合重力鑄造工藝制備了碳鋼-球墨鑄鐵雙金屬?gòu)?fù)合材料機(jī)架，確定了復(fù)合重力鑄造的工藝參數(shù)。通過(guò)熔合區(qū)材料力學(xué)性能測(cè)試、金相分析等技術(shù)手段，測(cè)試了機(jī)架在剪切力下的力學(xué)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(jī)架在應(yīng)用中的強(qiáng)度要求。

碳鋼；球墨鑄鐵；壓縮機(jī)；鑄造

1 研究背景

隨著科技的不斷進(jìn)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。空調(diào)壓縮機(jī)作為空調(diào)系統(tǒng)的核心，業(yè)界對(duì)其性能與噪聲方面的要求越來(lái)越高。傳統(tǒng)壓縮機(jī)上缸蓋與殼體在通過(guò)點(diǎn)焊接獲得機(jī)架時(shí)因受熱變形的影響，曲軸孔、殼體和電動(dòng)機(jī)定子三者之間的同軸度不能較好地保持，造成運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)電動(dòng)機(jī)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(dòng)力波，使定子產(chǎn)生振動(dòng)。輻射形成的電磁聲是產(chǎn)生較大噪聲振動(dòng)的主要原因之一[1]。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，以等效A聲級(jí)計(jì)量，居民住宅區(qū)晝間噪聲不得超過(guò)50 dB，夜間噪聲不得超過(guò)40 dB[2]，而現(xiàn)在壓縮機(jī)的噪聲水平維持在50.5～65 dB范圍內(nèi)，可見(jiàn)有必要開(kāi)發(fā)一種上缸蓋與殼體不通過(guò)焊接而獲得機(jī)架的工藝方法，一次裝夾通過(guò)加工精度保證三者之間的同軸度，使電動(dòng)機(jī)定轉(zhuǎn)子間的氣隙均勻化，從而降低壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的振動(dòng)噪聲。

綜合國(guó)內(nèi)外研究情況，通過(guò)雙金屬?gòu)?fù)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(jì)又便捷的方法，將金屬液澆鑄到預(yù)制好的另一種金屬上，通過(guò)不同金屬間原子擴(kuò)散形成連續(xù)金屬熔合區(qū)，使兩種物理、化學(xué)、力學(xué)性能不同的金屬在界面上實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合。一般來(lái)說(shuō)，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(yīng)用于零部件綜合性能要求較高的汽車(chē)剎車(chē)轂[7]、軋機(jī)軋輥[8]、輸送管道[9]等領(lǐng)域。筆者從壓縮機(jī)機(jī)架的實(shí)際情況出發(fā)，對(duì)球墨鑄鐵和碳鋼雙金屬一體型機(jī)架的鑄造工藝與復(fù)合界面的特征、界面組織及其力學(xué)性能進(jìn)行了研究。

2 試驗(yàn)方法

壓縮機(jī)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(hào)無(wú)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(jiàn)表1。采用固液熱熔方法試制機(jī)架時(shí)，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(dá)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(dá)到完全熔化所需要熱量的20%，固液接觸界面即可實(shí)現(xiàn)完全冶金結(jié)合。因此，為保證澆鑄時(shí)鋼圈具有足夠的熱量，需要對(duì)20號(hào)碳鋼在馬弗爐內(nèi)進(jìn)行預(yù)熱。在空氣介質(zhì)溫度高于500℃時(shí)，鋼圈會(huì)被氧化，表面脫碳嚴(yán)重，氧化層嚴(yán)重阻礙雙金屬的熔合。根據(jù)文獻(xiàn)[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(hù)劑，其中無(wú)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(hù)原理為在878℃熔融成玻璃狀黏稠液體保護(hù)膜，保護(hù)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(fù)鹽，澆鑄鐵水時(shí)會(huì)自行剝落并上浮?？梢?jiàn)，預(yù)熱溫度的控制對(duì)熔合區(qū)的形成至關(guān)重要：溫度過(guò)低，原子能量不足，擴(kuò)散能力差；溫度過(guò)高，造成防氧化劑失效，材料表面生成氧化層阻礙擴(kuò)散進(jìn)行。試制中所使用的馬弗爐溫度上限1 000℃，同時(shí)考慮到K型熱電偶的測(cè)量誤差，試制預(yù)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(dá)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(huì)阻礙兩種金屬的熔合。

表1 球墨鑄鐵與20號(hào)碳鋼成分

球墨鑄鐵鐵水在立式合模澆鑄機(jī)線上澆鑄完成，澆鑄溫度約為1 360℃。圖1所示為一體化機(jī)架的鑄造工藝示意圖。將預(yù)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(yù)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(shí)間，為保證鑄件圓度，不進(jìn)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(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試機(jī)架力學(xué)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(jī)架鑄造工藝圖

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 機(jī)架力學(xué)性能分析

為測(cè)試熔合區(qū)力學(xué)性能，采用對(duì)上缸蓋施加壓力的方式判斷切應(yīng)力強(qiáng)度。將機(jī)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(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上，從反面，即氣缸平面施加壓力進(jìn)行測(cè)試，設(shè)備及裝夾如圖2所示。

圖2 力學(xué)性能測(cè)試示意圖

萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的最大壓力為100 kN，為保護(hù)設(shè)備，測(cè)試時(shí)將施加力上限設(shè)置為90 kN，當(dāng)壓力達(dá)到此值時(shí)機(jī)器自動(dòng)停機(jī)。圖3為力學(xué)測(cè)試結(jié)果，壓力在20 kN以下時(shí)呈拋物線狀，原因?yàn)閴侯^與機(jī)架間有若干毛刺或突起，兩者沒(méi)有充分接觸，壓力逐漸增大后將這些突起壓平，此過(guò)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(dāng)壓力到達(dá)20 kN后，壓頭與機(jī)架充分接觸，機(jī)架此時(shí)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(dāng)壓力到達(dá)預(yù)設(shè)值時(shí)，機(jī)器停機(jī)。測(cè)試過(guò)程中機(jī)架僅發(fā)生彈性變形，上缸蓋和殼體沒(méi)有發(fā)生塑性變形，更沒(méi)有脫落，因此認(rèn)為機(jī)架的力學(xué)強(qiáng)度較好。

圖3 力學(xué)性能測(cè)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(xì)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(hào)碳鋼殼體，右邊部分為球墨鑄鐵上缸蓋，黑色點(diǎn)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(duì)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(yuǎn)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(shí)擴(kuò)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(duì)打磨好的材料進(jìn)行腐蝕，鑄件不同組織對(duì)硝酸的反應(yīng)速率不一，相鄰的晶界能夠顯示出來(lái)。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(kuò)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(kuò)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(jī)理為：鋼圈在900℃預(yù)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(yù)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(kuò)散至奧氏體內(nèi)；在該溫度附近，鐵原子難以擴(kuò)散，而碳原子有足夠的能量進(jìn)行長(zhǎng)程擴(kuò)散，當(dāng)鐵液接觸鋼圈內(nèi)壁后，其帶來(lái)的熱量進(jìn)一步增強(qiáng)碳原子的擴(kuò)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(kuò)散時(shí)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(kuò)散至內(nèi)部；隨著溫度下降，過(guò)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(jī)結(jié)合的層片狀珠光體組織。擴(kuò)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(hào)碳鋼。奧氏體冷卻至非平衡狀態(tài)下奧氏體固相線溫度時(shí)，鐵素體開(kāi)始析出，隨著溫度降低，該過(guò)程持續(xù)進(jìn)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(kāi)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(méi)有生成含有索氏體、托氏體及貝氏體的組織。擴(kuò)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(xì)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(jiàn)層片狀灰色珠光體組織，黑色球狀及蠕蟲(chóng)狀組織為石墨。圖8為球墨鑄鐵共晶階段動(dòng)力學(xué)曲線[12]，其中曲線1和1’為石墨析出開(kāi)始和結(jié)束線，2和2’為碳化鐵析出開(kāi)始和結(jié)束線，3和3’為碳化鐵慢冷時(shí)分解開(kāi)始和結(jié)束線。當(dāng)冷卻速度較小時(shí)（v1），可見(jiàn)其與曲線1和1’有兩個(gè)交點(diǎn)，即石墨能夠析出并長(zhǎng)大，一般在砂箱內(nèi)的冷卻速度不可能接近v1，實(shí)際生產(chǎn)的冷卻速度在v2與v3之間時(shí)，不經(jīng)過(guò)石墨析出線，而是與曲線2和2’相交，即滲碳體碳化鐵會(huì)析出。鐵水澆入后，即便鋼圈進(jìn)行高溫預(yù)熱，接觸后也相當(dāng)于對(duì)鐵水進(jìn)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(shí)，碳原子擴(kuò)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(dāng)碳?xì)堄嗔康陀谑蚧枰呐R界值后，會(huì)發(fā)生球化衰退，金相組織為少量厚片狀或團(tuán)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(dòng)力學(xué)曲線

4 結(jié)論

筆者研究了一種上缸蓋與殼體不通過(guò)焊接而獲得機(jī)架的鑄造工藝方法，澆鑄試驗(yàn)驗(yàn)證了熱熔理論對(duì)于鑄鐵與鋼在壓縮機(jī)機(jī)架開(kāi)發(fā)中應(yīng)用的可能性。根據(jù)對(duì)球墨鑄鐵與20號(hào)鋼熔合區(qū)的金相組織觀察分析，同時(shí)結(jié)合力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，得出結(jié)論。

（1）球墨鑄鐵與20號(hào)碳鋼的雙金屬間形成了過(guò)渡層與擴(kuò)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(huì)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(kuò)散至低濃度的鋼中，形成鐵素體與滲碳體交錯(cuò)的珠光體組織，該組織力學(xué)性能較好，熔合區(qū)達(dá)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(jī)降噪研究[D].天津：天津大學(xué)，2012

[2] 民用建筑隔聲設(shè)計(jì)規(guī)范：GBJ118—1988[S].

[3] 費(fèi)鑄銘，胡文彬，張國(guó)定，等.鋁基復(fù)合材料鑲嵌鑄造工藝[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，1996,6（ 4）:78-82.

[4] 張紅安，陳剛.銅/鋁復(fù)合材料的固-液復(fù)合法制備及其界面結(jié)合機(jī)理[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，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(chē)剎車(chē)轂復(fù)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(fù)合軋輥的液-固結(jié)合界面[J].鋼鐵研究學(xué)報(bào)，2008,20（9）:36-41.

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

[10]張軍.雙金屬?gòu)?fù)合鑄造工藝的研究[D].鄭州：鄭州大學(xué)，2006.

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

[12]中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)鑄造分會(huì).鑄造手冊(cè)：1鑄鐵[M].2版.北京：機(jī)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：?jiǎn)?德）