分享：压缩机吸气阀片断裂原因

• 魏正龙, 
 
• 伍超群, , 
 
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• 蔡仕锋, 
 
• 周鹏, 
 
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• 刘连花

• 广东省科学院 工业分析检测中心，广州 510650

制冷压缩机是空调系统中主要的能耗设备之一，其性能和质量直接关系到系统的效能[1]。阀片是压缩机的重要组成部件之一[2]，其材料一直被国内压缩机生产企业认为是“卡脖子”问题，科研学者也更加重视压缩机阀片材料的研究工作[3]，阀片的质量对压缩机的使用寿命影响很大[4]。阀片断裂会导致压缩机停机，甚至造成整台压缩机报废，因此压缩机阀片的设计和质量至关重要[5]。

吸气阀片断裂位置主要为头部、腰部或腿部位置。头部位置断裂情况比较复杂，有的裂成多个碎片，有的发生少量变形，边缘形成豁口，有的水平断开等。腰部和腿部位置断裂情况比较类似。某企业生产的吸气阀片在使用过程中发生断裂，断裂发生在吸气阀片的腰部。文中吸气阀片采用碳钢阀片钢加工而成，显微组织中渗碳体细小且均匀分布，硬度为500~640 HV。笔者采用一系列理化检验方法查明了吸气阀片断裂的原因，以避免该类问题再次发生。

1.   理化检验

1.1   宏观观察

断裂吸气阀片宏观形貌如图1所示。由图1可知：吸气阀片断口表面较平整，无明显的塑性变形，呈亮灰色。

图  1  断裂吸气阀片宏观形貌

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1.2   化学成分分析

采用直读光谱仪对断裂吸气阀片进行化学成分分析，结果如表1所示。由表1可知：断裂吸气阀片的化学成分满足技术要求。

Table  1.  断裂吸气阀片的化学成分分析结果

项目	质量分数
	C	Mn	Si	S	P
实测值	1.00	0.40	0.28	0.005 2	0.013
技术要求	0.95~1.05	0.35~0.5	0.2~0.35	≤0.015	≤0.02

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1.3   金相检验

在阀片断裂区附近和正常区处取样，依据GB/T 13298—2015《金属显微组织检测方法》对试样进行金相检验，结果如图2所示。由图2可知：断裂区和正常区的基体组织无明显差异，均为马氏体和均匀分布的细小碳化物，存在少量非金属夹杂物；按照GB/T 10561—2023《钢中非金属夹杂物含量的测定 标准评级图显微检验法》对非金属夹杂物进行评级，结果分别为A1、B0、C0、D1、DS0.5级；腐蚀后基体可见明显的腐蚀点和断续分布的腐蚀条带。

图  2  阀片断裂区附近和正常区处微观形貌

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1.4   硬度测试

按照GB/T 4340.1—2009《金属材料 维氏硬度试验 第1部分：试验方法》，采用维氏硬度计对吸气阀片断裂区和正常区进行显微硬度测试，结果显示断裂区显微硬度平均值为558 HV，正常区显微硬度为560 HV，两处的显微硬度非常接近，且均符合技术要求（500~640 HV）[6]。

1.5   扫描电镜（SEM）及能谱分析

采用SEM对阀片断口表面进行观察，结果如图3所示。由图3可知：断口局部呈台阶状，可见少量贝壳纹，存在表面擦痕，断口上弥散分布着碳化物的小颗粒，伴有韧窝花样，裂纹源处可见明显的细条状孔洞，断口形貌以准解理断裂特征为主。

图  3  断口表面SEM形貌

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对基体组织和裂纹源处的夹杂物进行能谱分析，分析位置如图4所示，分析结果如表2所示。由表2可知：夹杂物主要含有Mn、S元素，为典型的硫化物夹杂物。

图  4  基体组织和裂纹源处夹杂物的能谱分析位置

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Table  2.  基体组织和裂纹源处夹杂物的能谱分析结果

分析位置	质量分数
	S	Mn	Fe
基体组织	2.74	7.86	89.40
裂纹源	0.46	3.64	95.90

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2.   综合分析

目前，大多数制冷压缩机都采用碳钢或不锈钢带加工而成。碳元素质量分数约为1%的阀片钢具有较高的强度和硬度，尤其是在弯曲和冲击应力下，材料具有较高的疲劳强度和耐磨性[7]。一般而言，阀片钢带应无脱碳层，而且必须洁净[8]。该断裂阀片的化学成分符合技术要求，表明原材料无异常。

客户要求碳钢阀片钢的显微组织含有渗碳体，且细小并均匀分布，不得含有对材料性质有影响的杂质。该断裂阀片的显微组织中含有细小的针状回火马氏体，还有少量的残留碳化物，这种组织有利于提高材料的韧性和弹性，在高弹性金属材料（如弹簧钢）中较为常见。如果阀片的组织异常，如晶粒粗大，出现了粗针状的回火马氏体，或者残留碳化物过多或分布不均匀等，就会造成材料的脆性变大，且力学性能下降，导致阀片断裂失效[9-10]。

吸气阀片断裂区和正常区的组织为马氏体和均匀分布的细小碳化物，非金属夹杂物细小，腐蚀后可见大量的腐蚀点，腐蚀点主要为硫化物。断口处可见明显的非金属夹杂物和呈方向性排列的孔洞。大量硫化物夹杂物的存在显著降低了材料的力学性能，硫化物夹杂物处为材料的薄弱部位，夹杂物与基体界面的结合力较弱[11]，在后期的使用过程中，夹杂物处形成裂纹源，在应力的作用下，裂纹不断扩展，最终造成吸气阀片发生脆性疲劳断裂[12]。

3.   结论

吸气阀片组织内部存在明显的腐蚀点，以及呈断续条带状分布的硫化物夹杂物，降低了吸气阀片的力学性能，材料自身的硬度较大，阀片腰部产生应力集中，夹杂物处萌生了微裂纹，在应力作用下，裂纹不断扩展，最终导致吸气阀片发生早期脆性疲劳断裂。