压缩机阀片是影响压缩机寿命和可靠性的重要部件之一。阀片的疲劳断裂使用寿命不足 ,将会导致压缩机的非正常停机 ,同时还会造成其他零件的损坏。如何提高阀片寿命 ,始终是国内外压缩机行业乃至材料领域的重要课题<1,2 > ,但至今仍未得到彻底的解决。本文对阀片的失效原因进行了分析 ,并对阀片渗氮工艺的合理性等进行分析讨论。1 阀片的材料和工艺失效分析的是 30 Cr Mn Si A钢制阀片。它为 170缸径普通制冷压缩机阀片 ,其厚度为 1.5 mm,制造工艺过程为 :落料→冷平→热平→车内孔、外圆→粗磨平面→淬、回火→磨内孔、外圆→半精磨平面→倒角→精磨平面→离子渗氮→漆油包装。其热处理工艺见表 1。表 1 阀片的热处理工艺淬火温度 /℃回火温度 /℃氮化温度 /℃氮化时间 / min860～ 880 390～ 41 0 4 2 0～ 460 90～ 1 2 02 断口分析失效阀片的统计结果表明 ,阀片多以断裂的形式失效。阀片断裂部位的外观特征呈两种典型的几何形貌 :一是开口朝向阀片边缘的“V”型断口 (图 1a) ,二是近似“ ”型断口 (图 1b)。“V”型断口多产生于小直径阀片上 ,典型者如外圆直径为 98的阀片。而“ ”型断口多产生于大直径阀片上 ,典型者如外圆直径为 2 13的阀片。图 2 a、b分别为两种类型的 SEM断口照片 ,“V”型和“ ”型的断口形貌都是由平坦区和粗糙区两部分组成。平坦区呈从阀片表面向厚度方向延伸的半月型 ,在该区域上可见到海滩或贝纹状花样 ,粗糙区域呈纤维状。由此可以判断阀片的断裂形式为疲劳断裂。(a)“V”型断口阀片 (b)“I”型断口阀片图 1 断裂阀片外观图 2 “V”型 ( a)、“ ”型 ( b)断口扫描电镜照片阀片的疲劳裂纹产生于阀片边缘的棱角处或其附近与阀座的接触侧面和非接触侧面。在产生于接触侧面的情况下 ,疲劳裂纹也并非都发生于接触撞击部位 ,有一些是发生于环状接触区域的外圈等非接触撞击部位。由此可知 ,阀片为接触撞击疲劳破坏和弯曲疲劳破坏。有关的研究认为<3> ,撞击疲劳主要是由撞击引起的拉应力造成的 ,弯曲疲劳主要是以阀片直径为轴的弯曲应力造成的。因此 ,由前述阀片的断裂部位的外观特征可知 ,撞击疲劳的断裂方式为“V”型断裂 ,弯曲疲劳的断裂方式为“I”型断裂。同时 ,撞击疲劳对小直径阀片的影响较大 ,而大直径阀片以弯曲疲劳为主。另外 ,未发现一个断裂面上两平面同时相对出现疲劳裂纹的现象 ,这说明这种拉应力或弯曲载荷不是对称地发生于阀片的两侧 ,而是倾向于拉应力发生在阀片的一侧 ,或为单向弯曲载荷。3 离子渗氮阀片的组织性能分析3.1 渗氮层深度及力学性能分析表 2为压缩机实际工作时间不足 4 5 0 0 h而早期失效的 4 0片阀片的渗氮层深和表面硬度检查结果。渗氮层深用金相法检查 ,表面硬度用 1.5 kg超声波表面洛氏硬度计检查。结果表明 ,渗层在 0～ 2 0 μm之间及90～ 12 0μm之间的阀片失效几率较高 ,分别为 4 2 .5 %～ 37.5 % ,而渗层在 30～ 80 μm的阀片失效几率较低 ,为 2 0 %。实际生产中 ,每炉离子渗氮的阀片中渗氮层深度在 30～ 80 μm的约占总数的 10 %。因此 ,如果在具有相同渗氮层深度的阀片的范围内作比较 ,层深在30～ 80μm的阀片的失效比例较高。表 2 早期失效 40片阀片中不同渗氮层深度阀片的失效几率渗氮层深度 δ/ μm 0～ 2 0 30～ 50 60～ 80 90～ 1 2 0失效阀片数 /片 1 7 4 4 1 5失效几率 / % 4 2 .5 1 0 1 0 37.5平均表面硬度 / HRC 48.6 58.861 .5 63.4δ/阀片厚 /‰ 1 3 2 0～ 33 40～ 53 60～ 80 由上述结果可知 ,渗氮层深在 30～ 80 μm的阀片具有稳定长久的寿命。此氮化层范围内的阀片的平均表面硬度为 5 9～ 62 HRC。氮化层深度与阀片厚度比在2 0‰～ 5 0‰。而对于氮化层深度在 0～ 2 0 μm的阀片 ,其平均表面硬度为 4 8.6HRC ,与心部硬度 (平均为4 3.1HRC)相差无几 ,同时 ,氮化层深度与阀片厚度之比也仅为 13‰左右。而对于氮化层深度在 90～ 12 0μm的阀片其平均表面硬度为 63.4 HRC,氮化层深度与阀片厚度之比在 60‰～ 80‰的范围。为进行脆性比较 ,进行了 4 5°范围的反复弯折法试验 ,结果如表 3。氮化层深为 90～ 12 0μm的阀片的弯折次数明显少于氮化层深为 30～ 80 μm的阀片 ,且表面崩裂现象严重 ,明显呈脆性。这可能是因为其表面硬表 3 45°反复弯折法试验结果氮化层深度δ/μm 0～ 2 0 30～ 50 60～ 80 90～ 1 2 0弯折次数 /次 1 2～ 1 4 8～ 1 0 7～ 83～ 4表面崩裂现象无无轻微严重度较高而且氮化层深度与阀片厚度比较大的缘故。而氮化层深度在 0～ 2 0μm的阀片 ,虽然其韧性较好但其表面硬度太低 ,这是疲劳寿命低的主要原因之一。图 3为渗氮层深 5 0 μm的阀片表层的残余应力分布。离子渗氮可使阀片表面产生一定深度的残余压应力层 ,其深度与渗氮层深度相对应 ,表面残余压应力约达70 0 MPa。这对提高阀片的疲劳寿命也是十分有益的。但是 ,当渗层较薄时存在残 图 3 阀片表层残余应力分布余应力的层深也很薄 ,根据 (渗氮层深 5 0 μm)报道 ,当残余应力层深小于 2 0μm时 ,对阀片疲劳寿命的增加作用很小 <4 > 。3.2 相结构分析图 4为阀片表面的 X射线相结构分析结果。渗氮层为 30 μm时 ,阀片的表层相结构为ε(Fe2 -3N ) +α(N ) ;渗氮层达 60 μm以上时 ,阀片的表层相结构为ε(Fe2 -3N) +γ′(Fe4 N) +α(N) ,并且随渗层 图 4 阀片表面 X射线衍射谱的增厚 ,ε相和 γ′相增加 ,α相减少。其中 ,γ′(Fe4 N)具有高的硬度 ,因此它的数量的过度增加容易导致阀片的表面硬度过高。4 结论(1)阀片失效的主要形式是疲劳断裂 ,撞击疲劳对小直径阀片影响较大 ,大直径阀片以弯曲疲劳为主。(2 )对厚度为 1.5 mm的阀片 ,渗氮层深以 30～ 80μm为益 ,这样可显著提高其使用寿命。当渗氮层深度小于 2 0μm或大于 90μm时 ,将造成阀片疲劳寿命降低 ,故必须严格控制渗氮工艺 ,以防渗层不足或过渗压缩机阀片的失效分析与离子渗氮工艺@温爱玲$大连铁道学院机械工程系!辽宁大连116028
@戴连森$大连冰山集团!辽宁大连116033
@杜鹃$大连冰山集团!辽宁大连116033离子渗氮;;制冷阀片;;疲劳;;微观结构;;硬度从断口形貌、渗氮层组织相结构、性能和残余应力的角度出发,对离子渗氮表面强化的3 0 Cr Mn Si A压缩机阀片进行了失效分析。结果表明,阀片的损坏主要以疲劳断裂为主;渗氮层太薄或过渗氮时都将导致阀片过早的疲劳失效;阀片的渗氮层最佳深度为3 0～80 μm。<1> SoedelW.Design and mechanics of compressor valves
.西安:西安交通大学出版社,1984.
<2> 邬振耀.制冷与空调-原理、结构、调试、维修.上海:上海交通大学出版社,1991.
<3> DusilR.Fatigue fractureBehavior ofImpactLoaded compressorValves.Proceedings of the1978PurdueCompressorTechnol-ogyConference.WestL afayette,Indiana,USA,1978.
<4> MikkelsenN J.StraedeC A.Enhanced wear resistance of produc-tion tools and steel samplesby implantation ofnitrogen and carbonions.Surface&CoatingsTechnology,1992,51(1-3):1522 相结构分析图 4为阀片表面的 X射线相结构分析结果。渗氮层为 30 μm时 ,阀片的表层相结构为ε(Fe2 -3N ) +α(N ) ;渗氮层达 60 μm以上时 ,阀片的表层相结构为ε(Fe2 -3N) +γ′(Fe4 N) +α(N) ,并且随渗层 图 4 阀片表面 X射线衍射谱的增厚 ,ε相和 γ′相增加 ,α相减少。其中 ,γ′(Fe4 N)具有高的硬度 ,因此它的数量的过度增加容易导致阀片的表面硬度过高。4 结论(1)阀片失效的主要形式是疲劳断裂 ,撞击疲劳对小直径阀片影响较大 ,大直径阀片以弯曲疲劳为主。(2 )对厚度为 1.5 mm的阀片 ,渗氮层深以 30～ 80μm为益 ,这样可显著提高其使用寿命。当渗氮层深度小于 2 0μm或大于 90μm时 ,将造成阀片疲劳寿命降低 ,故必须严格控制渗氮工艺 ,以防渗层不足或过渗压缩机阀片的失效分析与离子渗氮工艺@温爱玲$大连铁道学院机械工程系!辽宁大连116028
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@杜鹃$大连冰山集团!辽宁大连116033离子渗氮;;制冷阀片;;疲劳;;微观结构;;硬度从断口形貌、渗氮层组织相结构、性能和残余应力的角度出发,对离子渗氮表面强化的3 0 Cr Mn
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