CN112576507A - 一种压缩机活塞的制造方法、压缩机活塞 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种压缩机活塞的制造方法、压缩机活塞，该制造方法包括：对基材进行加工以形成活塞半成品，其中，所述基材为铁基粉末冶金材料或者不含镍铬钼的灰铸铁；对所述活塞半成品进行热处理，其中，所述热处理包括碳氮共渗处理和低温回火处理，或者，渗碳淬火处理和低温回火处理；对热处理后的所述活塞半成品进行加工以形成活塞成品。通过上述方式，本申请能够开发出一种成本较低且满足耐磨性要求的活塞。

Description

一种压缩机活塞的制造方法、压缩机活塞
技术领域
本申请涉及压缩机技术领域，特别是涉及一种压缩机活塞的制造方法、压缩机活塞。
背景技术
活塞是旋转式压缩机关键零部件之一，活塞的转动能够带动气缸内两个容腔内制冷剂的容积变化。由于活塞与滑片先端始终相抵，因此活塞要求具有高的耐磨性、气密性和小的热膨胀系数。传统的活塞使用含有镍铬钼元素的灰铸铁，且一般通过降低或者去除镍铬钼灰铸铁中的镍铬钼元素以及通过改善热处理过程来提高活塞表面的耐磨性。
本申请的发明人在长期研究过程中发现，传统的含有镍铬钼元素的灰铸铁本身成本较高，且后续为了提高其耐磨性的过程会进一步增加其成本。因此，有必要开发出一种成本较低且满足耐磨性要求的活塞。
发明内容
本申请主要解决的技术问题是提供一种压缩机活塞的制造方法、压缩机活塞，能够开发出一种成本较低且满足耐磨性要求的活塞。
为解决上述技术问题，本申请采用的一个技术方案是：提供一种压缩机活塞的制造方法，包括：对基材进行加工以形成活塞半成品，其中，所述基材为铁基粉末冶金材料或者不含镍铬钼的灰铸铁；对所述活塞半成品进行热处理，其中，所述热处理包括碳氮共渗处理和低温回火处理，或者，渗碳淬火处理和低温回火处理；对热处理后的所述活塞半成品进行加工以形成活塞成品。
其中，当所述基材为所述不含镍铬钼的灰铸铁材料时，所述不含镍铬钼的灰铸铁材料的化学成分包括：碳C：3.0％～3.6％，硅Si：1.4％～2.6％，锰Mn：0.4％～1.0％，磷P：≤0.20％，硫S：≤0.20％，其余部分为铁Fe，其中，上述百分比为质量百分比；或者，当所述基材为所述铁基粉末冶金材料时，所述铁基粉末冶金材料的化学成分包括铁Fe、碳C、以及合金元素，所述合金元素包括铜Cu、镍Ni、钼Mo、铬Cr中至少一种，其中，碳C：0.6％-1.2％，铜Cu：≤2.5％，镍Ni：≤2.1％，钼Mo：≤1.0％，铬Cr：≤2.4％，其余部分为铁Fe，其中，上述百分比为质量百分比。
其中，当所述基材为所述不含镍铬钼的灰铸铁材料时，对基材进行加工以形成活塞半成品的步骤，包括：对所述不含镍铬钼的灰铸铁材料的铸件进行打磨加工以形成所述活塞半产品；或者，当所述基材为所述铁基粉末冶金材料时，对基材进行加工以形成活塞半成品的步骤，包括：将所述铁基粉末冶金材料通过模具烧结压制成所述活塞半成品，其中，烧结压制的所述活塞半成品的密度为6.7cm2/g-7.5cm2/g。
其中，热处理后所述活塞半成品以及所述活塞成品的表面硬度位于50±3HRc范围内。
其中，当所述基材为所述不含镍铬钼的灰铸铁材料时，热处理后所述活塞半成品的金相组织包括：回火马氏体、片状石墨、均匀分布的碳化物及残余奥氏体组织；或者，当所述基材为所述铁基粉末冶金材料时，热处理后所述活塞半成品的金相组织包括：回火马氏体、碳化物及残余奥氏体组织。
其中，当所述基材为所述不含镍铬钼的灰铸铁材料时，未热处理的所述活塞半成品的金相组织为珠光体和铁素体，其中，珠光体中均匀分布有片状石墨；或者，当所述基材为所述铁基粉末冶金材料时，未热处理的所述活塞半成品的金相组织包括珠光体、铁素体和渗碳体。
其中，所述碳氮共渗处理或所述渗碳淬火处理中，处理温度为820℃～930℃，和/或，碳势为0.8％～1.2％，和/或，处理时间为3小时～5小时。
其中，所述低温回火处理中，处理温度为180℃～220℃，和/或，处理时间为2.5小时～3.5小时。
为解决上述技术问题，本申请采用的另一个技术方案是：提供一种压缩机活塞，所述压缩机活塞采用上述任意一种所述的制造方法而制成。
其中，所述压缩机活塞应用在旋转式压缩机。
本申请的有益效果是：本申请压缩机活塞的形成材料为不含镍铬钼的灰铸铁或者铁基粉末冶金材料，其经碳氮共渗处理和低温回火处理，或者，渗碳淬火处理和低温回火处理后，表面硬度提高，进而可以达到与原有的镍铬钼铸铁活塞相当的耐磨性；且当压缩机活塞的形成材料为不含镍铬钼的灰铸铁时，直接通过上述热处理过程来提高活塞表面的耐磨性，省略去除灰铸铁中镍铬钼元素的步骤，从而可以降低制备压缩机活塞的成本；当压缩机活塞的形成材料为铁基粉末冶金材料时，粉末冶金材料加工形成活塞半成品的过程较为简单，能够简化工艺，从而可以降低制备压缩机活塞的成本。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。其中：
图1为本申请压缩机活塞的制造方法一实施方式的流程示意图；
图2为本申请压缩机活塞一实施方式的结构示意图；
图3为旋转式压缩机的压缩机构一实施方式的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性的劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
请参阅图1，图1为本申请压缩机活塞的制造方法一实施方式的流程示意图，该制造方法包括：
S101：对基材进行加工以形成活塞半成品，其中，基材为铁基粉末冶金材料或者不含镍铬钼的灰铸铁。
具体地，灰铸铁是指具有片状石墨的铸铁，主要成分包括铁、碳、硅、锰、硫、磷等，本申请所提供的基材为不含镍铬钼的灰铸铁，例如，牌号为HT250、HT200、HT150等的灰铸铁；其中，牌号为HT250的Φ30mm试样的最低抗拉强度为250Mpa，HT200的Φ30mm试样的最低抗拉强度为200Mpa，HT150的Φ30mm试样的最低抗拉强度为150Mpa。在本实施例中，不含镍铬钼的灰铸铁材料的化学成分包括：碳C：3.0％～3.6％(例如，3.2％、3.4％等)，硅Si：1.4％～2.6％(例如，1.8％、2.0％、2.2％等)，锰Mn：0.4％～1.0％(例如，0.6％、0.8％等)，磷P：≤0.20％，硫S：≤0.20％，其余部分为铁Fe，其中，上述百分比为质量百分比。上述组成中碳元素可以促进石墨化，其在铸件中可以以自由碳(石墨)和渗碳体两种形式存在，可以提高灰铸铁的力学性能。硅元素可以促进石墨化，对灰铸铁有固溶强化的作用。锰元素可以与灰铸铁中的硫元素结合，以降低硫元素的影响。磷元素、硫元素一般为灰铸铁中的不可避免的杂质性元素，其含量需要控制。上述化学成分的不含镍铬钼的灰铸铁所形成的压缩机活塞的硬度较高，耐磨性能较好。
在本实施例中，当基材为不含镍铬钼的灰铸铁材料时，上述步骤S101对基材进行加工以形成活塞半成品的步骤，包括：对不含镍铬钼的灰铸铁材料的铸件进行打磨加工以形成活塞半产品，打磨加工可以采用现有技术中自动化机械打磨设备进行。上述加工方式工艺过程较为简单。
铁基粉末冶金材料的原料为粉末状铁粉以及合金钢粉，铁基粉末冶金材料具有传统熔铸工艺所无法获得的独特的化学组成和物理、力学性能，具有材料的孔隙度可控，材料组织均匀、无宏观偏析，可一次成型等优点。在本实施例中，铁基粉末冶金材料的化学成分包括：铁Fe、碳C、以及合金元素，合金元素包括铜Cu、镍Ni、钼Mo、铬Cr中至少一种，其中，碳C：0.6％-1.2％(例如，0.8％、1.0％等)，铜Cu：≤2.5％(例如，1.2％、1.8％、2.0％等)，镍Ni：≤2.1％(例如，0％、1.0％、2.0％等)，钼Mo：≤1.0％(例如，0、0.5％等)，铬Cr：≤2.4％(例如，0、1.0％、2.0％等)，其余部分为铁Fe，其中，上述百分比为质量百分比。
上述组成中一部分碳元素可以溶入铁中形成间隙式固溶体起到固溶强化作用，且能够减少金属氧化物的数量，改善力学性能，一部分形成游离石墨，起到润滑的作用。合金元素可以起到固溶强化的作用，且合金元素熔点较低，在铁基粉末冶金烧结过程中，能够先熔化，产生瞬时液相，起到润滑、促进烧结的作用。上述化学成分的铁基粉末冶金材料所形成的压缩机活塞的硬度较高，耐磨性能较好。
在本实施例中，当基材为铁基粉末冶金材料时，上述步骤S101对基材进行加工以形成活塞半成品的步骤，包括：将铁基粉末冶金材料通过模具烧结压制成活塞半成品，其中，烧结压制的活塞半成品的密度为6.7cm2/g-7.5cm2/g(例如，6.9cm2/g、7.1cm2/g、7.3cm2/g等)。具体地，可以先将合金元素粉末、碳粉、铁粉按照预设重量百分比混合均匀；然后将混合均匀后的原料放入钢制模具中，通过模压成形的方式将原料压制成活塞半成品；接着将活塞半成品放入烧结炉内进行烧结，烧结过程中可以通氮气进行保护。上述通过压制烧结形成半成品的方式，无需传统铸锻件粗加工(即打磨)这一过程，因此具有节省材料，简化工艺，降低成本的优势。
S102：对活塞半成品进行热处理，其中，热处理包括碳氮共渗处理和低温回火处理，或者，渗碳淬火处理和低温回火处理。
具体地，碳氮共渗处理是向活塞半成品表面同时渗入碳、氮的化学表面热处理工艺，氮与碳同时扩散到活塞半成品中形成含氮的渗碳层，以提高活塞半成品表面的硬度，进而提高其耐磨性。具体碳氮共渗处理过程可以为：将待处理的活塞半成品放入渗碳炉内，进行碳氮共渗处理，在处理温度为820℃～930℃(例如，840℃、860℃、900℃等)，碳势为0.8％～1.2％(例如，0.9％、1.0％等)的条件下，处理3小时～5小时(例如，4小时等)。
渗碳淬火处理是向活塞半成品表面渗入碳的化学表面热处理工艺，以提高活塞半成品表面的硬度，进而提高其耐磨性。具体渗碳淬火处理过程可以为：将活塞半成品置入具有活性渗碳介质中，在处理温度为820℃～930℃(例如，840℃、860℃、900℃等)，碳势为0.8％～1.2％(例如，0.9％、1.0％等)的条件下，处理3小时～5小时(例如，4小时等)。
由于经过碳氮共渗或者渗碳淬火高温处理工艺，活塞半成品内部会出现内应力，塑性和韧性有所降低，为了进一步提高活塞半成品的综合性能，在上述碳氮共渗处理或者渗碳淬火处理之后对活塞半成品进行低温回火处理，低温回火工艺过程包括：将碳氮共渗处理或者渗碳淬火处理后的活塞半成品再加热到适当处理温度，保温若干时间，然后缓慢或快速冷却。在本实施例中，上述低温回火处理的处理温度为180℃～220℃，例如，190℃、200℃、210℃等；和/或，处理时间为2.5小时～3.5小时，例如，3小时等。此外，上述进行低温回火处理的次数可以为一次或者多次等。
此外，在本实施例中，当基材为不含镍铬钼的灰铸铁材料时，热处理后活塞半成品的金相组织包括：回火马氏体、片状石墨、均匀分布的碳化物及残余奥氏体组织；当基材为铁基粉末冶金材料时，热处理后活塞半成品的金相组织包括：回火马氏体、碳化物及残余奥氏体组织。
其中，回火马氏体是碳氮共渗或渗碳淬火处理时形成的片状马氏体(晶体结构为面心立方)于回火第一阶段发生分解，其中的碳以过渡碳化物的形式脱溶所形成的、在固溶体基体(晶体结构已变为体心立方)内弥散分布着极其细小的过渡碳化物薄片(与基体的界面是共格界面)的复相组织，具有高的硬度和高的耐磨性，因内应力有所降低，故韧性有所提高。碳化物是指金属或非金属与碳组成的二元化合物，碳化物可以呈颗粒状，且均匀分布在金相组织中，颗粒状的碳化物可以提高活塞半成品的综合力学性能。残余奥氏体组织是在碳氮共渗或渗碳淬火过程中未转变的部分，上述残余的少量奥氏体组织具有一定韧性，以薄膜状或者块状存在于强度较高的回火马氏体之间，能够释放裂纹尖端的应力，增加裂纹扩展所需的能量，可以有效防止裂纹扩展，在一定程度上提高整体强度和韧性。需要说明的是，当热处理工艺中包括碳氮共渗时，所形成的回火马氏体为含氮的回火马氏体。
进一步，在本实施例中，当基材为不含镍铬钼的灰铸铁材料时，未热处理的活塞半成品(即步骤S101中所提供的活塞半成品)的金相组织为珠光体和铁素体，其中，珠光体中均匀分布有片状石墨。在一个具体的应用场景中，上述未经热处理的活塞半成品的金相组织中的铁素体含量小于5％(例如，4％、3％等)，石墨大部分为A型石墨，B型、C型、D型、E型石墨总量小于30％(例如，25％、20％等)；上述含量均为质量百分比。上述铁素体含量和石墨类型的控制可以使得该灰铸铁的强度和硬度相对较高，其耐磨性好。
当基材为铁基粉末冶金材料时，未热处理的活塞半产品(即步骤S101中所提供的活塞半成品)的金相组织包括珠光体、铁素体和渗碳体；其中，铁素体是碳C在α-Fe中的固溶物，渗碳体是碳C与铁Fe结合形成的一种化合物，化学通式为Fe3C，珠光体是铁素体与渗碳体形成的混合物，具有上述金相组织的粉末冶金材料的强度和硬度相对较高，其耐磨性好。
此外，经过上述热处理后的活塞半成品的表面硬度可达50±3HRc(即47HRc～53HRc)，例如，48HRc、50HRc等。该表面硬度与传统的含有镍铬钼元素的灰铸铁的表面硬度相当。
S103：对热处理后的活塞半成品进行加工以形成活塞成品。
具体地，可以对热处理后的活塞半成品进行打磨精加工处理以形成活塞成品。在本实施例中，经过上述打磨精加工处理形成的活塞成品的表面硬度可达50±3HRc(即47HRc～53HRc)，例如，48HRc、50HRc等。该表面硬度与传统的含有镍铬钼元素的灰铸铁的表面硬度相当。
下面以几个具体实施例对本申请所提供的压缩机活塞的制造方法作进一步说明。
实施例一：
首先将牌号为HT250的灰铸铁铸件进行粗加工以形成活塞半成品；然后对该活塞半成品进行碳氮共渗处理/渗碳淬火处理，碳氮共渗处理/渗碳淬火处理的处理温度为900℃，碳势为1.1％，渗碳时间为4小时；接着对该活塞半成品进行低温回火处理，保温温度为200℃，保温时长为3小时；最后，对热处理完毕的活塞半成品进行精加工以形成活塞成品，此时活塞成品的表面硬度为50±3HRc。
实施例二：
首先将铁基粉末冶金材料直接通过磨具烧结成活塞半成品，铁基粉体冶金的化学成分(重量％)如下：C0.8％、Cu1.6％、Fe余量，压制成的活塞半成品密度为7.1cm2/g；然后对该活塞半成品进行碳氮共渗处理/渗碳淬火处理，碳氮共渗处理/渗碳淬火处理的处理温度为880℃，碳势为1.1％，渗碳时间为4小时；接着对该活塞半成品进行低温回火处理，保温温度为200℃，保温时长为3小时；最后，对热处理完毕的活塞半成品进行精加工以形成活塞成品，此时活塞成品的表面硬度为50±3HRc。
请参阅图2-图3，图2为本申请压缩机活塞一实施方式的结构示意图，图3为旋转式压缩机的压缩机构一实施方式的结构示意图。该压缩机活塞采用上述任一实施例中的制造方法制成，本申请对于压缩机活塞100的具体外形不作限定，本申请所提供的压缩机活塞100可以应用于旋转式压缩机、往复式压缩机等。
下面以旋转式压缩机为例进行说明。旋转式压缩机一般可用于空调、冰箱等，该旋转式压缩机包括壳体以及位于壳体内的电机部和压缩机构10，其中，电机部用于输出旋转动力，压缩机构10与电机部之间通过曲轴进行运动传递。压缩机构10包括在曲轴的驱动下作偏心回转的活塞100以及与活塞100配合的气缸102，气缸102的内周面与活塞100的外周面之间形成有压缩腔104。气缸102上设置有滑片安装槽(未标示)，滑片安装槽内活动设置有滑片106，滑片106的先端A伸出滑片安装槽且抵持于活塞100的外周面上，以将压缩腔104分隔为吸气腔和排气腔。由于活塞100与滑片106的先端A始终相抵，因此，要求本申请所提供的活塞100的耐磨性较高。
在一个实施方式中，该压缩机活塞100由不含镍铬钼的灰铸铁材料形成，其化学成分包括：碳C：3.0％～3.6％(例如，3.2％、3.4％等)，硅Si：1.4％～2.6％(例如，1.8％、2.0％、2.2％等)，锰Mn：0.4％～1.0％(例如，0.6％、0.8％等)，磷P：≤0.20％，S：≤0.20％，其余部分为铁Fe，其中，上述百分比为质量百分比。或者，该压缩机活塞由铁基粉末冶金材料形成，铁基粉末冶金材料的化学成分包括：铁Fe、碳C、以及合金元素，合金元素包括铜Cu、镍Ni、钼Mo、铬Cr中至少一种，其中，碳C：0.6％-1.2％(例如，0.8％、1.0％等)，铜Cu：≤2.5％(例如，1.2％、1.8％、2.0％等)，镍Ni：≤2.1％(例如，0％、1.0％、2.0％等)，钼Mo：≤1.0％(例如，0、0.5％等)，铬Cr：≤2.4％(例如，0、1.0％、2.0％等)，其余部分为铁Fe，其中，上述百分比为质量百分比。
在另一个实施方式中，该压缩机活塞的表面硬度可达50±3HRc(即47HRc～53HRc)，例如，48HRc、50HRc等。
在又一个实施方式中，当该压缩机活塞由不含镍铬钼的灰铸铁材料制成时，该压缩机活塞的金相组织包括：回火马氏体、片状石墨、均匀分布的碳化物及残余奥氏体组织；当该压缩机活塞由铁基粉末冶金材料制成时，该压缩机活塞的金相组织包括：回火马氏体、碳化物及残余奥氏体组织。
总而言之，本申请压缩机活塞的形成材料为不含镍铬钼的灰铸铁或者铁基粉末冶金材料，其经碳氮共渗处理和低温回火处理，或者，渗碳淬火处理和低温回火处理后，表面硬度提高，进而可以达到与原有的镍铬钼铸铁活塞相当的耐磨性；且当压缩机活塞的形成材料为不含镍铬钼的灰铸铁时，直接通过上述热处理过程来提高活塞表面的耐磨性，省略去除灰铸铁中镍铬钼元素的步骤，从而可以降低制备压缩机活塞的成本；当压缩机活塞的形成材料为铁基粉末冶金材料时，粉末冶金材料加工形成活塞半成品的过程较为简单，能够简化工艺，从而可以降低制备压缩机活塞的成本。
以上所述仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种压缩机活塞的制造方法，其特征在于，包括：
对基材进行加工以形成活塞半成品，其中，所述基材为铁基粉末冶金材料或者不含镍铬钼的灰铸铁；
对所述活塞半成品进行热处理，其中，所述热处理包括碳氮共渗处理和低温回火处理，或者，渗碳淬火处理和低温回火处理；
对热处理后的所述活塞半成品进行加工以形成活塞成品。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，当所述基材为所述不含镍铬钼的灰铸铁材料时，所述不含镍铬钼的灰铸铁材料的化学成分包括：碳C：3.0％～3.6％，硅Si：1.4％～2.6％，锰Mn：0.4％～1.0％，磷P：≤0.20％，硫S：≤0.20％，其余部分为铁Fe，其中，上述百分比为质量百分比；或者，
当所述基材为所述铁基粉末冶金材料时，所述铁基粉末冶金材料的化学成分包括铁Fe、碳C、以及合金元素，所述合金元素包括铜Cu、镍Ni、钼Mo、铬Cr中至少一种，其中，碳C：0.6％-1.2％，铜Cu：≤2.5％，镍Ni：≤2.1％，钼Mo：≤1.0％，铬Cr：≤2.4％，其余部分为铁Fe，其中，上述百分比为质量百分比。
3.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于，当所述基材为所述不含镍铬钼的灰铸铁材料时，对基材进行加工以形成活塞半成品的步骤，包括：对所述不含镍铬钼的灰铸铁材料的铸件进行打磨加工以形成所述活塞半产品；或者，
当所述基材为所述铁基粉末冶金材料时，对基材进行加工以形成活塞半成品的步骤，包括：将所述铁基粉末冶金材料通过模具烧结压制成所述活塞半成品，其中，烧结压制的所述活塞半成品的密度为6.7cm2/g-7.5cm2/g。
4.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，
热处理后所述活塞半成品以及所述活塞成品的表面硬度位于50±3HRc范围内。
5.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，
当所述基材为所述不含镍铬钼的灰铸铁材料时，热处理后所述活塞半成品的金相组织包括：回火马氏体、片状石墨、均匀分布的碳化物及残余奥氏体组织；或者，
当所述基材为所述铁基粉末冶金材料时，热处理后所述活塞半成品的金相组织包括：回火马氏体、碳化物及残余奥氏体组织。
6.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，
当所述基材为所述不含镍铬钼的灰铸铁材料时，未热处理的所述活塞半成品的金相组织为珠光体和铁素体，其中，珠光体中均匀分布有片状石墨；或者，
当所述基材为所述铁基粉末冶金材料时，未热处理的所述活塞半成品的金相组织包括珠光体、铁素体和渗碳体。
7.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，
所述碳氮共渗处理或所述渗碳淬火处理中，处理温度为820℃～930℃，和/或，碳势为0.8％～1.2％，和/或，处理时间为3小时～5小时。
8.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，
所述低温回火处理中，处理温度为180℃～220℃，和/或，处理时间为2.5小时～3.5小时。
9.一种压缩机活塞，其特征在于，所述压缩机活塞采用如权利要求1-8任意一项所述的制造方法而制成。
10.如权利要求9所述的压缩机活塞，其特征在于，所述压缩机活塞应用在旋转式压缩机。
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