家用电冰箱、空调器制冷压缩机阀片材料的改进

家用电冰箱、空调器制冷压缩机阀片材料的改进谭跃飞，刘长生（中南林学院工业学院，中国湖南株洲412006）针对家用电冰箱和空调机中的心脏一一密封式压缩机阀片失效的问题进行了分析和电镜检验之后认为，之所以这种极难更换的阀片在使用中会发生严重变形和断裂，主要是阀片材料的疲劳强度和耐蚀性达不到要求所致。对阀片的工作特点研究后提出，应该采用疲劳强度、弹性和耐磨性均很优良的铍青铜来取代目前的弹簧钢。文中最后还对铍青铜的时效和电化学处理工艺作了阐述。

密封式压缩机；阀片材料；铍锌铜；弹簧钢；电冰箱；空调器TG146TG14241B目前我国家用电冰箱和空调机中制冷压缩机，基本上采用的是全封闭往复式压缩机。为了简化结构、降低制造成本，这类小型压缩机均不设置专门的进排气结构，而是采用厚度为0 1030mm并利用压缩机气缸与进排气管道内的压力差而自动开闭的舌形弹性阀片（即高低压阀片），代替了一般中大型压缩机内靠凸轮机构控制开闭的进排气阀门。

由于这类往复式压缩机电机的转速为2 900r/min，因此阀片每秒钟开闭有48次之多。加上目前阀片材料均采用弹簧钢来制造，在这种频繁的工作过程中，阀片会因金属疲劳而发生变形和破裂。阀片发生变形后，由于阀片和阀体贴合不严，会造成压缩机排气量的减少而引起制冷量的下降；阀片破裂后，会使高低压气体串通，造成制冷效果严重下降甚至不能制冷。

为了减少上述现象的发生，我国这类电冰箱和空调机制造厂家现采用由日本和瑞典进口的弹簧钢来制造阀片。但阀片的变形和破裂还是时有发生。所以，现在一般厂家都将阀片列为易损件，希望当阀片出现故障时，通过更换阀片使压缩机恢复功能。但实际上，要将出厂时已焊接密封起来的全封闭压缩机锯开检查，更换阀片、检验，然后再焊接封闭的过程是十分麻烦的。

由于压缩机阀片的修理过程十分麻烦，修理商根本不愿拆换价格仅为十几圆的阀片，而是将价值600多圆的整台压缩机全部更换。这不仅加重了用户的负担，而且仅因阀片的损坏而导致压缩机报废，损失是比较大的。

昨者简介赠跃「-也湖南安化人alllfc大学i现他微工滂学研究工作脚Sreserved.所以，阀片可靠性不高，一直是威胁压缩机长期可靠运行的一个障碍，必须设法克服它。

1阀片材料的分析与选择11压缩机阀片的失效分析解决一个结构设计合理但容易发生因材料疲劳而失效的零件的方法有两条：①选择疲劳强度更高的材料；②采用新的强化处理（热处理+其他处理）工艺。

对于以上两条措施，资料表明，压缩机制造厂家选用的是优质弹簧钢，并且在目前的技术条件下，其强化处理工艺已是十分先进的了，但阀片的可靠性（主要指耐疲劳性）还是没有得到明显的提高。我们对已失效的阀片进行了显微观察（）。从电镜断口照片可以明显看出断口既有较粗糙的区域，也有比较光滑的区域。显然，比较光滑的区域（光泽区）就是疲劳源，即疲劳裂纹的萌生点。阀片在反复开闭的折叠下由此处产生疲劳裂纹，并在反复张开与闭合的作用下引起裂纹处的微裂纹反复摩擦，最终形成光亮的磨损面。

随着阀片上微裂纹在反复折叠下的不断扩展，微裂纹发展成用放大镜就可看见的宏观裂纹。阀片的粗糙断口处，则是在阀片因存在宏观裂纹后强度严重下降而产生的瞬时断裂。

根据以上分析，我们认为，在压缩机阀片为48次/s的工作条件下，这类优质弹簧钢还是无法完全适应的，还是有较高的失效率。我们认为，优质弹簧钢在这种条件下的失效几率比较高的原因，是弹簧钢本身疲劳强度还不够高这一固有缺点造成的，即弹簧钢本身有限的疲劳强度指标，使它无法承受压缩机中48次/s的高频率的长期反复弯曲变形而断裂。所以，要想使阀片能够在这种压缩机上可靠地工作，必须选用其他材料和处理工艺。

12阀片材料的选择方法在机械设计中有一种很重要的方法一一类比法，即在设计某一重要零件时，若对它的可靠性感到比较棘手，一时难以确定时，可以在相同甚至更为严酷条件下工作的同类零件。若这个被零件的可靠性较高，工作稳定可靠，很少出故障，那么，你设计的零件可以采用它的一些设计参数（包括材料和热处理工艺）。这样，既缩短了设计周期，也节约了不少试验经费。为此，我们采用类比法选择压缩机的阀片材料。

13同类阀片的工作特点我们国家是世界上手提机动工具（如小型内燃凿岩机内燃机园林工具风力灭火机、农药喷洒机等）和摩托车主要生产国之一。这种手提式机动工具多在野外作业，需随时转移作业地区。因此，这些手提式机动工具和摩托车的动力，一般多采用体积小功率大、质量轻的小型单缸二冲程汽油机。为了减轻质量、强化机构，这种小型汽油机与中大型汽油机相比，通常没有专门的进排气机构。1950~ 1960年代制造的小型单缸二冲程汽油机都米用曲轴箱换气式，转速一般为6 000r/nin以下。但随着发动机转速的日益提高，这种曲轴箱换气式的结构在进排气方面的缺点也越来越严重，为此，从1970年代初已逐步改为比较先进的曲轴箱单向阀进气式（原理与制冷压缩机一样，结构相似，阀片的厚度为01~0 2mm，材料为弹簧钢），由于弹簧钢制造的单向阀阀片的变形和破裂的毛病频繁出现，特别当汽油机的转速> 8000r/nin时，阀片每秒钟开闭达100多次，在这种情况下工作，阀片失效（严重变形断裂）的几率增大了许多，可靠性大为降低，使发动机频繁发生故障，几乎抵消了这类曲轴箱单向进气式发动机结构上的优势。

为了解决单向阀阀片易破裂的问题，科研设计人员试用了几种性能优良的飞机上采用的弹性材料，最后确定为铍青铜，其效果好Mde特别是1980年代末，这种汽油机的转速向着更高魅向发展，目前转速最高者已其阀片每秒钟开闭200多次。在这种汽油与空气混合气体中，铍青铜阀片能够可靠地工作1000h左右（发动机的额定寿命）。

14制冷压缩机阀片材料的改进由于铍青铜阀片在单缸二冲程汽油机单向阀上的出色表现，因此，我们认为与单缸二冲程汽油机结构十分相似的制冷压缩机的阀片材料，也可以改用铍青铜（国外如日本、俄罗斯、美国、英国、德国等均生产，国内也批量生产，质量也稳定）。由于这种材料在许多机械性能特别是耐疲劳性能上明显优于弹簧钢，所以在制冷压缩机每秒开闭48次的情况（远小于小型汽油机每秒钟200多次），应能可靠地工作，不易发生疲劳与断裂现象。

铍青铜是以金属铍为基本合金元素的铜基合金，其铍含量为1 5%.铜里含有这少量的一点铍，就使合金的性能发生了很大的变化。指出，铍在铜中的最大溶解度为2 7%，到室温时则降为02%，铍青铜的这一特性使其可以通过淬火和时效处理强化。铍青铜不仅强度、硬度弹性和耐磨性都很高，而且冷、热压力加工性能也很好，可以作为制造各种重要用途的弹性元件。

随着我国改革开放经济政策的实行和大量军工企业的“军转民”，铍青铜不但国内成批生产，同时也有不少进口，价格也大幅度降低。因此，作为优良的弹性金属材料一铍青铜，完全可以在重要的弹性金属元件上采用。

2铍青铜的选择与处理方法铍青铜材料按含铍量从高到低的不同，我国将其定为QBe2 7四种牌号（国外也如此）。一般是含铍量越高，其弹性和疲劳强度也越高，当然成本也越高。考虑到成本和压缩机转速并不很高的实际情况，可选用QBe19作制冷压缩机的阀片材料。

铍青铜材料经热处理后，机械性能会大幅度地提高，所以作为阀片材料的铍青铜带材，需要经过淬火热处理工序。由于铍青铜在730°C时，材料内部的晶粒开始长大，因此淬火温度为（770 10）°C，不可过高。

由于阀片为精密元件，为了提高阀片的稳定性，保持较高的精度和性能，故在淬火之后还应进行一道时效处理。QBel9的时效处理工艺为：320°K4h或340°K（2~ 3）h为了防止很薄的铍青铜板材在加热处理过程中被氧化，时效处理应在真空炉内进行。

经上述处理后，铍青铜的机械性能可得到很大的改善，其中，抗拉强度e为850~ 1250MPa，断面伸长率W为由于铍青铜淬火后仍具有良好的塑性，可进一步保证冷变形的性能，因此，还可采用形变热处理。铍青铜带材的形变热处理包括淬火及压缩率为30%~40%的冷轧两道工序，为了验证这两种热处理效果，对经热处理和形变热处理的两种铍青铜薄片进行1tf次循环荷载试验。试验结果表明，后者材料残余变形量仅为淬火热处理的几分之一。

由于铍青铜带材在冶炼厂出厂时已经过轧制和淬火处理。所以，压缩机制造厂使用这种带材制造阀片时，就不必再进行淬火了，而仅进行冷轧+时效处理即可。

铍青铜阀片本身尺寸就不大，因此，它在制造过程中产生的歪扭变形，将严重影响阀片的最终合格率。为了防止这种歪扭变形在时效过程中的发展，时效处理时应采取专用夹具。铍青铜带片在夹具机械力的作用下展平，材料内部引起变形的残余应力将随时效处理时间延长而减缓，阀片材料最后变得平整而光滑。

由于铍青铜薄板是在夹具的夹持力的作用下进行时效处理的。在时效处理过程中，材料冷轧时产生的内应力随着时间的延长而逐步松弛。然而在夹具夹持力作用下，时效处理结束后，带片中还会保留着一定水平的残余应力。若将这种带片直接加工成压缩机的阀片，阀片在以后的使用中还是会产生一定的变形而影响它的密封性。为了进一步降低材料的应力并使材料组织状态进一步稳定，建议在去掉夹具之后，再将铍青铜带片进行一道稳定化处理。稳定化处理工艺可以分为两个阶段进行：①145CX6h②100°G