CN103946407B - 合金铸铁和采用该合金铸铁的旋转活塞的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种合金铸铁，以及采用该合金铸铁制造用于回转式压缩机的旋转活塞的方法。该合金铸铁由以重量计3.0～3.5％的碳(C)、2.2～2.4％的硅(Si)、0.5～1.0％的锰(Mn)、0.1～0.3％的磷(P)、0.06～0.08％的硫(S)、0.7～1.0％的铬(Cr)、0.6～1.0％的铜(Cu)、和由铁和不可避免的杂质形成的剩余物组成，其中形成以体积计3～8％的斯氏体结构。

Description

合金铸铁和采用该合金铸铁的旋转活塞的制造方法

技术领域

本发明涉及一种合金铸铁和采用该合金铸铁制造用于回转式压缩机的旋转活塞的方法。

背景技术

通常，压缩机包括一在机壳内部空间产生驱动动力的驱动马达，和一联接于驱动马达且压缩制冷剂的压缩装置(compression unit)。根据制冷剂压缩方法，压缩机可以分为多种类型。例如，就回转式压缩机的情况来说，该压缩装置包括一形成压缩空间的汽缸(cylinder)，一将汽缸的压缩空间分成一吸气室和一排气室的叶片，多个用于支撑叶片并与汽缸一起形成压缩空间的承载部件，和一通过转动安装在汽缸内的旋转活塞(rolling piston)。

叶片被插入到汽缸的叶片槽里，并且由于叶片的端部被固定于旋转活塞的外周部而将压缩空间分成两部分。在压缩过程中，叶片持续地在叶片槽内滑动。这里，叶片应当具有高强度和高耐磨性(abrasion resistance)，因为它需要持续地接触高温和高压的制冷剂，并且与旋转活塞和轴承保持连接状态以防止制冷剂泄露。

如同叶片一样，旋转活塞也需要具有高耐磨性，因为它通过线性接触(linearly-contacting)叶片同时接触汽缸的内周表面来进行滑动运动。

发明内容

技术问题

然而，传统的旋转活塞有以下问题。首先，由于传统旋转活塞是由硬度(HRC)为30～40的灰口铸铁制成，当压缩机长时间工作时，它可能会磨损。这可能导致制冷剂的泄露。特别是，诸如HFC的新制冷剂替代了因破坏臭氧层而被停止使用的CFC，其具有比CFC更差的润滑功能。再者，由于压缩机因采用用于降低能源消耗的变频器(inverter)而具有较高的驱动速度或较高的驱动压力，旋转活塞需要比传统旋转活塞具有更高的耐磨性。

为了提高耐磨性，传统的旋转活塞是采用通过将多种类型元素添加到灰口铸铁而获得的合金铸铁来制造的。更具体地说，将Mo、Ni、Cr等添加到灰口铸铁以提高耐磨性或硬度。然而，Mo，Ni，Cr等的高成本相当于合金铸铁的原料成本的40％，可能导致制造成本增加。

技术方案

因此，本发明的一个目的是为了提供用于以比现有技术更低的成本制造旋转活塞的合金铸铁。

本发明的另一个目的是为了提供一种以比现有技术相更低的成本制造旋转活塞的方法。

为了达到这些和其他的优点以及根据本发明的目的，如在本文中具体体现的和广义描述的，本发明提供一种合金铸铁，其由以重量计3.0～3.5％的碳(C)、2.2～2.4％的硅(Si)、0.5～1.0％的锰(Mn)、0.1～0.3％的磷(P)、0.06～0.08％的硫(S)、0.7～1.0％的铬(Cr)、0.6～1.0％的铜(Cu)、和由Fe和不可避免的杂质形成的剩余物组成，其中形成以体积计3～8％的斯氏体结构。

该合金铸铁可以经历包括淬火和回火在内的热处理。可以如下实施淬火：使合金铸铁在900±10℃保持90～150分钟，然后油冷该合金铸铁至50～90℃，然后使该合金铸铁在50～90℃保持5～7小时。

可以如下实施回火：使该合金铸铁在250±10℃保持150～210分钟，然后在空气中冷却该合金铸铁至室温。

回火后的合金铸铁的洛氏硬度(Rockwell hardness)可以为45～55。

为了实现这些和其他的优点以及根据本发明的目的，如在本文中具体化和广义描述的，本发明还提供一种制备用于回转式压缩机的旋转活塞的方法，该方法包括：熔炼步骤，其中制备熔融金属，所述熔融金属由3.0～3.5％的碳(C)、2.2～2.4％的硅(Si)、0.5～1.0％的锰(Mn)、0.1～0.3％的磷(P)、0.06～0.08％的硫(S)、0.7～1.0％的铬(Cr)、0.6～1.0％的铜(Cu)和由铁和不可避免的杂质形成的剩余物组成；浇铸步骤，其中将该熔融金属倒入模具(mold)中并冷却，由此制备其中形成以体积计3～8％的斯氏体结构的半制品；磨削步骤，其中将冷却后的半制品磨削成指定的形状；和热处理步骤，其中对磨削后的半制品进行热处理以达到45～55的硬度。

热处理步骤可以包括淬火和回火。可以如下实施淬火：使合金铸铁在900±10℃保持90～150分钟，然后油冷该合金铸铁至50～90℃，然后使该合金铸铁在50～90℃保持5～7小时。并且，可以如下实施回火：使合金铸铁在250±10℃保持150～210分钟，然后在空气中冷却该合金铸铁至室温。

发明有益效果

本发明可以具有以下优点。

本发明的旋转活塞可以通过将昂贵的Ni、Cr和Mo的量降到最低或者通过不包括Ni、Cr和Mo而以低成本制造，并且可以具有足够的机械性能。

特别是，当将适量的Cu加入到铸铁中，可以提高切割性能，并且抗张强度和耐磨性可以得到进一步改善。

附图说明

图1是具有根据本发明的一个实施方式的合金铸铁制成的旋转活塞的回转式压缩机的剖视图；

图2是图1的回转式压缩机的压缩部件的横剖视图；

图3A到3C是示出了根据本发明第一实施方式的合金铸铁的基体结构的照片；

图4A到4C是示出了根据本发明第二实施方式的合金铸铁的基体结构的照片；

图5A到5C是示出了根据本发明第三实施方式的合金铸铁的基体结构的照片；

图6A到6C是示出了根据本发明第四实施方式的合金铸铁的基体结构的照片；

图7A到7C是示出了根据本发明第五实施方式的合金铸铁的基体结构的照片；

图8A到8C是示出了根据本发明第六实施方式的合金铸铁的基体结构的照片。

具体实施方式

现在将详细参考本发明的优选实施方式，其示例在附图中示出。在不偏离本发明的精神或范围的情况下，可以对本发明做各种修改和变形，这一点对于本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，意图使本发明涵盖了本发明的修改和变形，前提是这些修改和变形在所附权利要求和它们的等同方案的范围内。

现在将参照附图，对根据一实施方式的排水装置和具有该排水装置的冷冻机给出详细说明。

下文中，将对根据本发明的合金铸铁的优选实施方式作更详细地说明。首先，将参照图1和图2示意性地说明具有由合金铸铁制成的旋转活塞的回转式压缩机。

如图1和图2所示，回转式压缩机包含安装在密封容器10中的发动机部件20和压缩部件30。压缩部件30包括汽缸31、上轴承32、下轴承33、旋转活塞34、叶片35等。标号21表示定子，22表示转子，23表示转动轴，SP表示吸入管，以及DP表示排放管。

旋转活塞34另外还包括铬(Cr)和铜(Cu)，以及形成一般灰口铸铁的元素碳(C)、硅(Si)、锰(Mn)、磷(P)、硫(S)和铁(Fe)，使得其硬度(HRC)能在约为45～55的范围内。下文中，将对每一种元素进行说明。

(1)碳(C)：3.0～3.5％

铸铁中的碳以石墨(笔铅)或以表示为Fe3C的碳化物的形式存在。大多数的碳以碳化物的形式存在。通常，少量的碳以碳化物形式应用，这导致难以实现片状石墨结构。因此，为获得均匀的片状石墨结构，碳的量被设定为等于或大于3.0％。当碳的量增大时，凝固点降低。这有利于改善铸造性能(castability)，但因过多的石墨沉淀量而导致高脆性和对抗张强度的不良影响。即，当碳饱和度(Sc)为约0.8～0.9时，抗张强度最大。因此，通过将碳(C)的最大量设定为3.5％可以获得大的抗张强度。

(2)硅(Si)：2.2～2.4％

硅是一种促进石墨化的元素，其以分解的方式将碳化物沉淀为笔铅。即，硅的添加提供与增加碳量相同的效果。更进一步地，硅帮助在铸铁中存在的细石墨结构生长成为片状石墨结构。长成的片状石墨结构通过镁或球化剂等生成为球状石墨。然而，当硅被大量地添加到铸铁时，硅通过增强铸铁的基体结构也用于提高抗张强度。即，如果Si/C增加，石墨的量减少。并且，随着基体结构被高硅加强，抗张强度得到提高，当将孕育剂加入到熔融金属时这种效果得到更清楚地展现。从这个角度看，硅的量被定为介于2.2～2.4％的范围内。

(3)锰(Mn)：0.5～1.0％

锰是一种用于加速形成阻止碳的石墨化的白口铸铁的元素，其用于稳定结合碳(combined carbon)(即，渗碳体)。更进一步地，锰在实现铸铁的珠光体型基体结构时是有效的，因为它阻止铁素体的沉淀并且实现细珠光体。特别是，锰与铸铁中所含的硫结合，从而生成硫化锰。硫化锰浮到熔融金属的表面，并且作为炉渣被去除或被凝固。然后，硫化锰作为非金属夹杂物保留在铸铁中，从而阻止硫化铁的生成。即，锰也起到中和硫的危害的作用。为了加速形成珠光体型铸铁以及为了除去硫，锰的量被确定为介于0.5～1.0％的范围内。

(4)铬(Cr)0.7～1.0％

铬是一种阻止石墨化的元素，并且当其被大量地添加到合金铸铁时导致白口铁。并且，铬过度地增大硬度从而降低机械加工性(machinability)。另一方面，铬稳定碳化物并且增强耐热性。因此，将0.7～1.0％的铬添加到铸铁以增强机械性能和耐热性。更进一步地，铬增强淬火性能，且在共晶转变(eutectictransformation)的过程中稳定珠光体铸铁。

特别是，由于铬在密度等方面具有与钼相似的特性，它能够被用作钼的取代剂。因此，通过用便宜的铬替代昂贵的钼，可以降低材料成本同时得到相似的物理性质。

(5)铜(Cu)：0.6～1.0％

铜是一种能够使得石墨具有厚且短的形状、能够减少D和E型过冷石墨、并且能够加速A-型片状石墨的元素。进一步地，铜通过实现细珠光体，通过加速珠光体的形成和缩短珠光体之间的距离，提高结构的均匀性，并减少产品的质量差异。铜通过增加熔融金属的流动性并降低剩余应力来增强铸造性能。

铜使结构紧凑，并提高铸铁的抗张强度、硬度等。铜增强淬火作用，并且改善切割性能。当铸铁含有约0.3％的碳时，这些效果被显著地展现出来。当将铬一起添加到铸铁中，可以得到更优良的效果。即，铜的加速石墨化的特性和铬的稳定化特性被中和了，这提高了抗张强度和硬度，并且使得薄的铸件被更有效地孕育。

(6)磷(P)：0.1～0.3％

磷形成Fe3P化合物，并且与铁素体和渗碳体(碳化铁)一起以三元共晶斯氏体(ternary eutectic steadite)存在。Fe3P容易被过度冷却(over-cooled)，然后导致在模具中形成硬石。因此，随着磷的量的增加，脆性增大且抗张强度急剧地降低。特别是，如果磷的量超过0.3％，Fe3P以连续的网的形式分布。这可能导致晶间结构(intercrystalline structure)变得不均匀，并降低机械性能。因此，磷的量被设定为0.1～0.3％，从而使Fe3P以不连续的网或岛(island)的形式分布。在这种构型下，可以防止机械性能降低。

(7)硫(S)：0.06～0.08％

当硫被大量地添加到铸铁中时，熔融金属的流动性降低，收缩量增加，并且有可能出现收缩孔或裂缝。因此，优选合金铸铁含有少量的硫。然而，当硫的量为0.1％或更少时，不会造成这些问题。因此，硫的量被控制在介于0.06～0.08％的范围内。

上述的元素可以互相混合，由此来生产根据本发明的合金铸铁。该合金铸铁可以用于制造压缩机的旋转活塞。在下文中，将对制造压缩机的旋转活塞的工艺进行说明，旋转活塞是由所述合金铸铁制成的。

(1)熔炼(Smelting)

以适当比例选择上述元素来配制原材料。然后，将制得的原材料放入一中频感应炉中，然后加热使其完全被熔化。然后，熔炼原材料。

(2)孕育(Inoculation)

将孕育剂引入到在熔炼步骤中熔炼的熔融金属中。孕育用于通过生成尽可能多的石墨核心来加速石墨化，以及用于通过均匀地分布石墨来增加强度。钡硅合金(FeSi72Ba2)被用作孕育剂。这里，FeSi72Ba2的添加量是熔融金属质量的0.4～1.0％。

(3)浇铸(Casting)

将在孕育步骤中孕育的熔融金属放入一预制铸型中以具有所需的腔体。这里，浇铸是通过使用树脂覆膜砂(resin-coated sand)的壳型铸造工艺或熔模工艺(investment mold process)来实施的。冷却的旋转活塞半制品含有具有片状结构的石墨和碳化物，并且斯氏体的量被设定为按体积计3～8％。该斯氏体具有非常硬的结构，这有利于增强硬度和耐磨性。然而，如果合金铸铁中含有过多的斯氏体，机械加工性大大降低且脆性增加。因此，控制每种元素的含量以使斯氏体的体积比在上述范围之内。

(4)磨削(Grinding)

磨削在浇铸步骤中获得的旋转活塞半制品，由此加工成所需的形状。

(5)热处理(Thermal Processing)

热处理可以包括淬火和回火。

-淬火(Quenching)：采用能够控制空气温度的电阻炉将磨削后的旋转活塞半制品在900±10℃保持90～150分钟。然后将磨削后的旋转活塞半制品油冷至50～90℃，然后在50～90℃保持5～7小时。

-回火(Tempering)

将已被完全淬火的半制品在250±10℃保持150～210分钟，然后在空气中冷却至室温。

与合金铸铁中含有钼和镍的情况相比，斯氏体未均匀地分布在本发明的合金铸铁中。为了均匀地分布斯氏体，增加淬火和回火的温度。

(6)精磨(Fine grinding)和抛光(polishing)

对在热处理中经淬火和回火的旋转活塞进行精磨和抛光，由此具有最终的形状和所需的表面质量。

(7)硫化(Sulphurizing)

对在精磨和抛光过程中获得的旋转活塞进行硫化处理，由此使其表面上具有一厚度为0.005～0.015mm的硫化层。该硫化层与旋转活塞中存在的片状石墨一起用于增强旋转活塞的润滑性能和耐磨性。

通过以在上述范围内的不同含量将上述元素制造成6个样品，在下表1中示出。

表1

[表1]

编号	C	Si	Mn	P	S	Cr	Cu
								1	3.0	2.25	0.5	0.1	0.06	0.7	0.6
2	3.1	2.4	0.6	0.15	0.06	0.7	0.7
								3	3.2	2.3	0.7	0.2	0.07	0.8	0.8
4	3.3	2.4	0.8	0.25	0.07	0.8	0.9
								5	3.4	2.2	0.9	0.25	0.08	0.9	0.9
6	3.5	2.35	1.0	0.3	0.08	1.0	1.0

表1中，各含量都是以重量(％)表示。下文中，将对被制成含有这些元素的每一个样品测量的物理性质进行说明。

实施方式1

浇铸后的旋转活塞的硬度高达98HRB。然而，经过热处理后的硬度为49HRC，且抗张强度为293MPa。参见图3A，在实施方式1的结构中沉淀的石墨是约80％的A-型石墨，其中片状石墨是平滑弯曲的且是均匀分布的。通常，A-型片状石墨是A～E型石墨中最优良的。因此，可以看出在实施方式1中旋转活塞具有优良的物理性质。

参见图3B，可以看出斯氏体的含量约为3％。参见图3C，可以看出实施方式1的基体结构是马氏体。

从这些结果中，可以看出实施方式1的旋转活塞与由合金铸铁制成的且硬度为30-40的传统旋转活塞相比具有更优良的硬度和耐磨性。更进一步地，本发明的旋转活塞具有与含有Ni、Mo和Cr且硬度为约46～56的旋转活塞相似的功能。

实施方式2

浇铸后的硬度高达98HRB。然而，经过热处理后的硬度为50HRC，且抗张强度为298MPa。参见图4A，在实施方式2的结构中沉淀的石墨是约90％的A-型石墨，其中片状石墨是平滑弯曲的且是均匀分布的。因此，可以看出在实施方式2中旋转活塞也具有优良的物理性质。

参见图4B，可以看出斯氏体的含量约为3.5％。参见图4C，可以看出实施方式2的基体结构是马氏体。

还可以看出实施方式2的旋转活塞与由合金铸铁制成的传统旋转活塞相比具有更优良的硬度和耐磨性。更进一步地，本发明的旋转活塞具有与含有Ni、Mo和Cr的旋转活塞相似的功能。

实施方式3

浇铸后的硬度高达100HRB。然而，经过热处理后的硬度为51HRC，且抗张强度为300MPa。参见图5A，在实施方式3的结构中沉淀的石墨是约95％的A-型石墨，其中片状石墨是平滑弯曲的且是均匀分布的。因此，可以看出在实施方式3中旋转活塞也具有优良的物理性质。

参见图5B，可以看出斯氏体的含量约为4％。参见图5C，可以看出实施方式3的基体结构是马氏体。

还可以看出实施方式3的旋转活塞与由合金铸铁制成的传统旋转活塞相比具有更优良的硬度和耐磨性。更进一步地，本发明的旋转活塞具有与含有Ni、Mo和Cr的旋转活塞相似的功能。

实施方式4

浇铸后的硬度高达101HRB。然而，经过热处理后的硬度为52HRC，且抗张强度为305MPa。参见图6A，在实施方式4的结构中沉淀的石墨是约85％的A-型石墨，其中片状石墨是平滑弯曲的且是均匀分布的。因此，可以看出在实施方式4中旋转活塞也具有优良的物理性质。

参见图6B，可以看出斯氏体的含量约为4.5％。参见图6C，可以看出实施方式4的基体结构是马氏体。

还可以看出实施方式4的旋转活塞与由合金铸铁制成的传统旋转活塞相比具有更优良的硬度和耐磨性。更进一步地，本发明的旋转活塞具有与含有Ni、Mo和Cr的旋转活塞相似的功能。

实施方式5

浇铸后的硬度高达102HRB。然而，经过热处理后的硬度为52HRC，且抗张强度为310MPa。参见图7A，在实施方式5的结构中沉淀的石墨是约90％的A-型石墨，其中片状石墨是平滑弯曲的且是均匀分布的。因此，可以看出在实施方式5中旋转活塞也具有优良的物理性质。

参见图7B，可以看出斯氏体的含量约为5％。参见图7C，可以看出实施方式5的基体结构是马氏体。

还可以看出实施方式5的旋转活塞与由合金铸铁制成的传统旋转活塞相比具有更优良的硬度和耐磨性。更进一步地，本发明的旋转活塞具有与含有Ni、Mo和Cr的旋转活塞相似的功能。

实施方式6

浇铸后的硬度高达103HRB。然而，经过热处理后的硬度为53HRC，且抗张强度为308MPa。参见图8A，在实施方式6的结构中沉淀的石墨是约95％的A-型石墨，其中片状石墨是平滑弯曲的且是均匀分布的。因此，可以看出在实施方式6中旋转活塞也具有优良的物理性质。

参见图8B，可以看出斯氏体的含量约为6％。参见图8C，可以看出实施方式6的基体结构是马氏体。

还可以看出实施方式6的旋转活塞与由合金铸铁制成的传统旋转活塞相比具有更优良的硬度和耐磨性。更进一步地，本发明的旋转活塞具有与含有Ni、Mo和Cr的旋转活塞相似的功能。

在下表2示出了上述结果。

表2

[表2]

如上述，根据各个实施方式的旋转活塞具有比由合金铸铁制成的传统旋转活塞的硬度和耐磨性更优良的硬度和耐磨性，并且具有增强的抗张强度。更进一步地，根据各个实施方式的旋转活塞具有与含有昂贵的Ni、Mo和Cr的旋转活塞相似的功能。因此，本发明的旋转活塞可以以低成本制造。

Claims (3)

1.一种合金铸铁，以重量计，其包含：

3.0～3.5％的碳(C)；

2.2～2.4％的硅(Si)；

0.5～1.0％的锰(Mn)；

0.1～0.3％的磷(P)；

0.06～0.08％的硫(S)；

0.7～1.0％的铬(Cr)；

0.6～1.0％的铜(Cu)；和

由铁和不可避免的杂质形成的剩余物，

其中形成3～8vol％的斯氏体结构和马氏体基体结构，

其中，该合金铸铁经历包括淬火和回火在内的热处理，

其中，如下实施所述淬火：使合金铸铁在900±10℃保持90～150分钟，然后油冷该合金铸铁至50～90℃，然后使该合金铸铁在50～90℃保持5～7小时，并且

其中，如下实施所述回火：使合金铸铁在250±10℃下保持150～210分钟，然后在空气中冷却该合金铸铁至室温。

2.根据权利要求1所述的合金铸铁，其中，回火后的合金铸铁的洛氏硬度为45～55。

3.一种制造用于回转式压缩机的旋转活塞的方法，该方法包括：

熔炼步骤，其中制备熔融金属，所述熔融金属按重量计包含3.0～3.5％的碳(C)、2.2～2.4％的硅(Si)、0.5～1.0％的锰(Mn)、0.1～0.3％的磷(P)、0.06～0.08％的硫(S)、0.7～1.0％的铬(Cr)、0.6～1.0％的铜(Cu)和由铁和不可避免的杂质形成的剩余物；

浇铸步骤，其中将熔融金属倒入磨具中并冷却，由此制备其中形成3～8vol％的斯氏体结构的半制品；

磨削步骤，其中将冷却后的半制品磨削成指定的形状；和

热处理步骤，其中对磨削后的半制品进行热处理以得到马氏体基体结构并达到45～55的洛氏硬度，

其中所述热处理步骤包括淬火和回火，

其中，如下实施所述淬火：使合金铸铁在900±10℃保持90～150分钟，然后油冷该合金铸铁至50～90℃，然后使该合金铸铁在50～90℃保持5～7小时，并且

其中，如下实施所述回火：使合金铸铁保持在250±10℃达150～210分钟，然后在空气中冷却该合金铸铁至室温。