压缩机零件铸造工艺分析与研究

肖建忠

摘 要：压缩机广泛应用于石油、化工、电力各部门，其质量的优劣将直接影响到国民经济发展。为此，从组成压缩机的零部件方面着手，分析与研究气缸套、活塞、气缸等的铸造工艺，以求生产出合格的压缩机，为企业提高经济效益作出应有的贡献。

关键词：气缸套；活塞；气缸；铸造工艺

中图分类号：TB 文献标识码：A 文章编号：1672-3198（2015）14-0216-02

随着石油、化工的高速发展，压力能的应用日趋广泛，使得压缩机在国民经济的各个部门成为必不可少的关键设备之一，在我国工厂、矿山的压缩空气生产车间大多采用往复活塞式压缩机。而往复活塞式压缩机是由机体、气缸、活塞等零部件有机组成的，任何一零部件质量的好坏都将对压缩空气的供应和设备安全经济运行起着决定性的作用。下面从气缸套、活塞、气缸的铸造工艺出发，分析与研究现行铸造工艺产生缺陷的原因，提出解决的途径，以求生产出合格的产品，提高企业的经济效益。

1 气缸套铸造工艺分析与研究

国产系列压缩机从50～170系列均采用气缸套结构。一方面气缸套与活塞、汽阀等形成可以变化的工作容积，完成气体的剩气膨胀、吸气、压缩和排气过程。另一方面它还对活塞的往复运动起导向作用。所以气缸套是压缩机上的一个重要零件。

气缸套采用的材質为QT700-2，缸套镜面不允许有任何铸造缺陷，缸套平均壁厚为20mm，其内径从45mm到800mm，长度从300到1000mm，水压试验压力0.6MPa，保压30min，不允许渗漏。

1.1 现行工艺方案在生产过程中存在的问题

气缸套的浇注系统是顶雨淋浇注系统，干型浇注，由于采用树脂砂工艺生产，该浇注系统仍然沿用，加工后发现气缸套存在镜面缩松以及密封止口平面处缩松等缺陷。

1.2 原因分析

目前的球墨铸铁凝固理论认为，球墨铸铁的共晶转变需要在一个较大的温度区间内才能完成，凝固过程中存在相当宽的固液两相区，在共晶凝固的中后期共晶团之间会包含有少量的残余液体，当这些残余液体进一步凝固时，便会形成微小的间隙，即“晶间缩松”，由于球墨铸铁是糊状凝固，故凝固后期的晶间微小间隙得不到外来液体的补缩，极易形成晶间缩松，同时由于树脂砂的保温性能好，延长了球墨铸铁铁液的凝固速度，不能缩小共晶转变的温度区间。

1.3 采取的措施

（1）保证铸型的紧实度，球墨铸铁在凝固过程中也有有利因素，即石墨球的长大，形成石墨化膨胀，膨胀力通过不太结实的外壳作用在铸型上，如果铸型刚度大于膨胀力就能束缚石墨化膨胀，这不仅限制了铸件的尺寸变大，还使共晶团更加致密，从而减小乃至消除晶间缩松。

（2）采用金属型覆砂工艺，降低树脂砂的保温性能，缩小球墨铸铁晶间转变的温度区间，实现铸件收缩和膨胀完全叠加。

（3）密封止口处是气缸套的热带，采用外冷铁，减小热节。

采取上述措施后，生产了各种规格的气缸套共60件，其中气缸套镜面有缩松缺陷共6件，取得显著技术经济效益。

2 活塞铸造工艺分析与研究

活塞组与汽阀、气缸等组成一个可变的工作容积，随着活塞组不断地往复运动将使工作容积发生周期变化，以完成对工质气体的剩气膨胀、吸气、压缩和排气过程。所以活塞组是压缩机上的一个重要零件。

活塞是一密闭的空心圆柱体，只在活塞的上、下面各留存四个直径为38mm的出砂孔。铸件材质为HT250，重325kg，不允许焊接和修补，且在0.6MPa压力下做水压试验，历时30min不得渗漏，还要求在圆柱面上不得有裂纹或孔洞。顶面硬度197-241HB。

2.1 现行工艺方案及试制过程中存在的问题

在试制初期采用的工艺方案是：泥芯采用树脂砂制芯，两芯组合后下芯，从小芯头中预留孔来排气，采用朝上排气，浇注系统用顶注式树脂砂外型。生产中发现存在以下问题：

（1）小芯头易损坏。

（2）铸件浇注过程中易呛火。

（3）铸件中心孔上部加工后经常出现缩孔和缩松缺陷。

2.2 原因分析及采取的措施

针对生产中的问题进行分析，其主要原因如下：

（1）小芯头在制芯过程中要紧实，且需放入铁钉以增加强度。由于未紧实或强度不够则会受损。

（2）易呛火则表明泥芯排气不畅或排气通道在高温下受到破坏，铁水进入排气通道，堵死气眼。要保证排气通畅以及采用新型材料形成排气通道，从而保护排气通畅。

（3）中心孔上部加工后常出现缩孔和缩松缺陷，其原因是该处为热节，采取冷铁和冒口工艺，经过铸铁CAE模拟演示以及生产验证，该措施是有效的。

使用改进后的铸造工艺生产活塞6件，金加工后未发现铸造缺陷。

3 气缸体铸造工艺分析与研究

气缸体是压缩机产品的主要部件，材质为QT400，毛坯重量为6.5T（另外一只为8.5T）。采用立做立浇工艺，底注雨淋浇口，树脂砂造型，铸件采用退火消除应力，装炉位置与浇注位置相同，结果铸件出现了严重的穿透性裂纹。

3.1 裂纹产生的原因分析

经过分析发现：气缸体裂纹的产生，一方面是由于冷却凝固过程形成较大铸造应力；另一方面是由于退火过程中各部位升温速度不均形成应力；这两部分应力还存在叠加问题，具体分析如下：

（1）铸件结构壁厚严重不均，下底壁厚106mm，上端面106mm+280mm高的冒口，9只阀孔与缸径间壁厚为70mm左右，而水道与缸径间的壁厚只为38mm-44.5mm，虽然在生产中阀孔的上部安放了冷铁防止产生疏松等缺陷，但在底面厚实部位与散热较快的薄壁部位收缩时间不同，导致铸件形成较大的内应力。其中以阀孔底部铸件中间长度的气腔部分残余应力最大。

（2）开箱时间短，此气缸开箱时间为60小时左右。与常规气缸相同，无形中增加整个铸件的内应力。

（3）铸件热处理退火工艺按常规，导致升温过程太快造成温度分布里外不均匀，薄壁部分加热升温时急剧膨胀，冷却降温时该部分又急剧收缩；厚实部分加热升温缓慢，冷却降温也缓慢，这样退火过程中铸件冷热不均产生的应力就与原来浇注过程中产生的最大铸造应力相叠加。结果造成这些部位出现严重的裂纹。

3.2 消除裂纹的措施

为了防止铸件产生裂纹，应从尽量减少铸造应力和各部位受热均匀两方面入手。具体方法：

（1）严格控制配料：适当提高碳当量到4.64，防止疏松、缩松等缺陷。

（2）缩短由于壁厚悬殊造成凝固时间的先后，在气道和水道泥芯中壁厚不均匀处均安放冷铁，冷铁厚度随铸件壁厚而定，35mm-70mm不等，冷铁间隙15mm-20mm。

（3）气道芯的两处方框窗口处加设加强筋。

（4）增加浇注系统的内浇道数目，同时加大圆角，以保证浇注过程中热量分散均匀。

（5）延长开箱保温时间，由原来的60小时变成90小时。

（6）开箱清砂过程中采取措施防止产生裂纹源。

（7）单独进行退火处理，采取工艺措施，以确保每个部位受热均匀，炉内温差不大于±10℃。

（8）控制退火升温曲线。

经过采取上述措施，生产的气缸体完全消除了裂纹缺陷，并将该经验应用于类似的8.5T的球铁气缸的生产，也成功地解决了此类缺陷，避免了后续生产的铸件报废造成的较大经济损失（此次QT件每吨为7800元）。

综上所述，压缩机零部件大都是通过铸造制造出来的，只要对其铸造工艺多多进行分析与研究，生产出合格产品是不成问题的，那么组装以后的压缩机的质量也就能得到保证。