一种阀片用复合钢及其制造方法与流程

1.本发明涉及阀片用复合钢及其制备技术领域，具体涉及一种具有阻尼功能的阀片用复合钢及制造方法。


背景技术：

2.压缩机在各行各业有着广泛的应用，如空调和冰箱产品、冷链用全封、半封闭活塞式压缩机，汽车空调压缩机以及重卡用刹车系统空气压缩机、工业活塞往复式压缩机和医疗呼吸机用无油压缩机以及各式真空泵。压缩机被称为家电和汽车的心脏，而作为压缩机吸放气的阀片被形象地称作心脏瓣膜。阀片用料的寿命要求很高，至少与设备的设计同寿命，有的甚至要求达到30年，因此，它的性能要求高，高强度、高硬度、高耐磨性、高疲劳、高耐蚀性能、宽工作温度等。阀片钢主要有碳钢和不锈钢两大类，其中要求较高的压缩机多使用高强度马氏体不锈钢阀片，能够满足阀片用钢的使用要求，即抗拉强度达到1720～1880mpa，延伸率≥5％。
3.随着使用要求的提高，人们越来越注意到压缩机运行过程中的振动，振动会引起噪音，有害的振动可能导致材料疲劳性能下降，使压缩机在短时间内失效。而压缩机的振动主要来源之一是由阀片在吸排气过程中与阀板之间高频冲击产生的。而目前市场上流通的阀片用不锈钢都不具备减振降噪的功能。
4.降低振动噪声的方法有三种，系统减振、结构减振和材料减振，对于压缩机气阀而言，阀片材料减振是一个快速有效的方法。采用高阻尼合金制作阀片，减少振动和噪音、阻碍其传播，以及降低共振峰值应力等。由于这种合金存在大量的内耗，结构的自由振动会很快地衰减、脉冲应力也会显著降低和耗散，从而达到减振和降噪效果。这种能量的内耗一般采用比阻尼(衰减系数)s.d.c来表征，s.d.c值超过20％的材料称为高阻尼材料。表1中列出了一些金属材料在室温时的阻尼特性和机械性能，其中fe-13％cr合金是比较好的阻尼材料，它的s.d.c值高达80％，但是它的抗拉强度只有426mpa左右，显然达不到不锈钢阀片钢的性能要求。马氏体不锈钢在退火态的s.d.c值约为8％，阻尼性不佳；抗拉强度约为640mpa，达不到不锈钢阀片钢的性能要求。其他铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢的性能与退火态马氏体的性能相近，阻尼性不佳且抗拉强度不够。而常规的阀片用不锈钢是热处理后的马氏体不锈钢，其抗拉强度和延伸率都达到了阀片钢的要求，但是s.d.c值只有5％左右。
5.显然，目前很难找到一款具有阻尼功能的阀片用不锈钢。
6.基于上述情况，本发明提出了一种具有阻尼功能的阀片用复合钢及制造方法，可有效解决以上问题。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种阀片用复合钢及其制造方法。本发明采用常用高强度马氏体不锈钢与阻尼材料复合，两侧为高强度马氏体不锈钢，具有高强、高硬、高耐磨、高疲劳、高耐蚀性能；中心为阻尼材料，具有良好的阻尼性能和延伸性能，两种材料复合以后，新
材料既具有常规阀片钢的各种性能，同时具备了阻尼功能。新材料的抗拉强度达到1720～1880mpa，延伸率≥5％，同时比阻尼s.d.c值≥20％。
8.为解决以上技术问题，本发明提供的技术方案是：
9.一种阀片用复合钢，所述阀片用复合钢为三层结构，其中两侧表面为高强度马氏体不锈钢，中间为阻尼材料；
10.所述高强度马氏体不锈钢对称分布在所述阻尼材料的两侧表面上。
11.所述高强度马氏体不锈钢的成分组成以质量％计含有，
12.c：0.40～0.55％、
13.si：≤0.60％、
14.mn：≤0.80％、
15.s：≤0.005、
16.p：≤0.025、
17.cr：12.5～14.0％、
18.mo：≤1.50％，
19.其余为fe和不可避免的杂质元素；
20.所述阻尼材料为fe-13％cr合金。
21.所述fe-13％cr合金是指“cr含量为13wt％的fe-cr合金”。
22.所述阻尼材料占所述阀片用复合钢(复合材料)的厚度比例为10％～15％。
23.本发明的阀片用复合钢采用常用高强度马氏体不锈钢与阻尼材料复合，两侧为高强度马氏体不锈钢，具有高强、高硬、高耐磨、高疲劳、高耐蚀性能；中心为阻尼材料，具有良好的阻尼性能和延伸性能，两种材料复合以后，本发明的具有阻尼功能的阀片用复合钢经过热处理后，抗拉强度达到1720～1880mpa；延伸率≥5％，同时比阻尼s.d.c值≥20％；既具有常规阀片钢的各种性能，同时具备了阻尼功能。
24.应用本发明的阀片用复合钢材料制作的阀片，可以有效提高空调、冰箱、冷链制冷系统等压缩机的寿命，降低失效率，同时降低振动和噪音水平，提高舒适度；也可以有效提高重卡、高铁等刹车系统用空气压缩机的可靠性，提高安全性能。同时在一些需要减振降噪的场合，也有较大的应用前景。
25.本发明还提供一种所述的阀片用复合钢的制造方法，包括下列步骤：
26.a、选择符合所述高强度马氏体不锈钢成分组成要求的钢板坯；
27.b、将所述高强度马氏体不锈钢与阻尼材料复合成坯，其中所述高强度马氏体不锈钢对称复合在所述阻尼材料的两侧，得到复合坯：
28.优选的，步骤b中，复合前用铣、磨的方法将待复合的界面处理平整、光滑，并全部露出金属色，然后用丙酮或酒精进行清洗，复合后的复合坯的侧面用焊接的方法闭封。
29.这样能够更好地保证后续加热时没有空气进入而氧化复合界面。
30.c、将复合坯热轧成卷带：将所述复合坯加热至1150～1230℃，然后保温至所述复合坯的内外温度均匀一致，然后利用热轧设备轧制成热轧钢卷，得到复合钢卷；热轧的压下率大于4：1；
31.即如果热轧后的厚度如果是4mm，那么热轧前的复合坯厚度就不少于16mm，经过热轧后的钢带就是复合钢卷了，复合界面是冶金结合不会发生开裂了。
32.优选的，步骤c中，采用电炉或气氛炉将所述复合坯加热至1150～1230℃。
33.优选的，步骤c中，所述复合坯加热升温速率为3～5℃/min。
34.d、将步骤c热轧得到的所述复合钢卷进行球化退火，球化退火温度为800～850℃；
35.这里球化退火后的钢带是软态的，具有良好的塑性，方便后续的加工。
36.e、将步骤d退火后的复合钢卷进行酸洗；
37.优选的，步骤e中，酸洗工艺按高强马氏体不锈钢进行。
38.这样酸洗后的钢带表面没有氧化皮，可以进行冷轧加工。
39.f、将步骤e酸洗后的复合钢卷冷轧成合适阀片用的钢带；
40.优选的，从热轧退火酸洗后的卷冷轧到合适的厚度，即步骤c到步骤f之间，或重复步骤f且在重复的步骤f之间，进行至少一次(一次或多次)中间退火，中间退火的温度均为750～800℃。
41.优选的，步骤f中，所述钢带的厚度为0.15mm～1.20mm。
42.g、将步骤f冷轧后的钢带进行切边，得到阀片用钢带；
43.冷轧后的钢带进行切边，把复合坯时焊接在边部的焊接材料去掉，这样剩下的材料就全是复合材料了。在实际应用中可根据需要省略该步骤。
44.h、将步骤g切边后的阀片用钢带进行热处理，得到所述阀片用复合钢，加热的温度为1030～1080℃。
45.本发明所述阀片用复合钢其他的生产工艺可以参考常规阀片钢的热处理工艺。
46.本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
47.本发明的阀片用复合钢采用常用高强度马氏体不锈钢与阻尼材料复合，两侧为高强度马氏体不锈钢，具有高强、高硬、高耐磨、高疲劳、高耐蚀性能；中心为阻尼材料，具有良好的阻尼性能和延伸性能，两种材料复合以后，本发明的具有阻尼功能的阀片用复合钢经过热处理后，抗拉强度达到1720～1880mpa；延伸率≥5％，同时比阻尼s.d.c值≥20％；既具有常规阀片钢的各种性能，同时具备了阻尼功能。
48.应用本发明的阀片用复合钢材料制作的阀片，可以有效提高空调、冰箱、冷链制冷系统等压缩机的寿命，降低失效率，同时降低振动和噪音水平，提高舒适度；也可以有效提高重卡、高铁等刹车系统用空气压缩机的可靠性，提高安全性能。同时在一些需要减振降噪的场合，也有较大的应用前景。
49.本发明的阀片用复合钢中，
50.1)采用三层结构，两侧对称分布的为高强度马氏体不锈钢，中心为阻尼材料。阀片钢的化学成分重量百分比为：c：0.40～0.55％，si：≤0.60％，mn：≤0.80％，s：≤0.005，p≤0.025，cr：12.5～14.0％，mo：≤1.50％，其余为fe及不可避免的杂质。马氏体不锈钢的碳含量相对普通阀片钢更高，因而这种成分的材料热处理后的抗拉强度也高于常规阀片钢的抗拉强度，可以达到≥2000mpa，同时延伸率仍可保持在≥3％。高的抗拉强度，可以弥补中心低强度的阻尼材料对抗拉强度的降低的影响。
51.2)三层结构的中心采用阻尼材料，厚度中心加入比例为10％～15％的fe-13％cr合金，这种材料的抗拉强度达到426mpa；延伸率28％，比阻尼s.d.c值≥80％。这种材料抗拉强度较低、延伸率较高，它的加入会使复合后的材料强度明显下降、延伸率升高，因此严格规定其在复合层中的比例。设计其比例为10％～15％时，可以使复合后材料的强度达到
1720～1880mpa，延伸率≥5％，同时比阻尼s.d.c值≥20％。阻尼材料比例过高，则强度不足；阻尼材料比例过低，则延伸率不足、比阻尼值达不到20％。
52.3)将三层结构复合坯按照热轧工艺热轧轧成卷带，加热温度为1150～1230℃。高碳马氏体不锈钢在1150～1230℃范围内是全奥氏体组织，而fe-13％cr合金在此温度下是全铁素体组织，由于碳在铁素体中的固溶度非常低，而在奥氏体中的固溶度比较大，这样碳化物就会留在奥氏体中，这样就可以相对保持两种材料在高温下的独立性。两种材料在1150～1230℃范围内都有良好的热加工性能，组合成坯后仍有良好的可加工性。另外三层对称结构也使材料在加工中的变形不均匀。
53.4)球化退火时，采用球化退火温度为800～850℃。经过退火后高碳马氏体不锈钢的组织转变为铁素体 球形碳化物；而fe-13％cr合金在此温度下退过火后仍是全铁素体组织。这样材料就软化方便冷轧加工了。
54.5)在钢带从热轧退火酸洗后的卷冷轧到合适的厚度，即步骤c到步骤f之间，进行至少一次(一次或多次)中间退火，中间退火的温度为750～800℃。此温度下退火材料只发生回复再结晶，不发生相变，使材料组织均匀细小。
55.6)按常规的阀片钢热处理工艺对冷轧后的复合阀片进行热处理，但加热的温度为1030～1080℃。在此加热温度下可以使高强度马氏体不锈钢的组织充分奥氏体化，进而保证材料在热处理后有足够的强度；同时保证晶粒均匀细小，进而保证材料在热处理后有良好的韧性。
56.本发明的制造方法工艺简单，操作简便，节省了人力和设备成本。
57.表1是常用不锈钢和本发明的阀片用复合钢金属材料在室温时的阻尼特性和机械性能：
58.表1金属材料在室温时的阻尼特性和机械性能
59.附图说明
60.图1为本发明阀片用复合钢的截面结构示意图。
61.其中，1为高强度马氏体不锈钢，2为阻尼材料。
具体实施方式
62.为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明的优选实施方案进行描述，但是不能理解为对本专利的限制。
63.下述实施例中所述试验方法或测试方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂
和材料，如无特殊说明，均从常规商业途径获得，或以常规方法制备。
64.一种阀片用复合钢，所述阀片用复合钢为三层结构，其中两侧表面为高强度马氏体不锈钢，中间为阻尼材料；
65.优选的，所述高强度马氏体不锈钢对称分布在所述阻尼材料的两侧表面上。
66.所述高强度马氏体不锈钢的成分组成以质量％计含有，
67.c：0.40～0.55％、
68.si：≤0.60％、
69.mn：≤0.80％、
70.s：≤0.005、
71.p：≤0.025、
72.cr：12.5～14.0％、
73.mo：≤1.50％，
74.其余为fe和不可避免的杂质元素；
75.所述阻尼材料为fe-13％cr合金。
76.优选的，所述阻尼材料占所述阀片用复合钢(复合材料)的厚度比例为10％～15％。
77.本发明还提供一种所述的阀片用复合钢的制造方法，包括下列步骤：
78.a、选择符合所述高强度马氏体不锈钢成分组成要求的钢板坯；
79.b、将所述高强度马氏体不锈钢与阻尼材料复合成坯，其中所述高强度马氏体不锈钢对称复合在所述阻尼材料的两侧，得到复合坯：
80.优选的，步骤b中，复合前用铣、磨的方法将待复合的界面处理平整、光滑，并全部露出金属色，然后用丙酮或酒精进行清洗，复合后的复合坯的侧面用焊接的方法闭封。
81.c、将复合坯热轧成卷带：将所述复合坯加热至1150～1230℃，然后保温至所述复合坯的内外温度均匀一致，然后利用热轧设备轧制成热轧钢卷，得到复合钢卷；热轧的压下率大于4：1；
82.优选的，步骤c中，采用电炉或气氛炉将所述复合坯加热至1150～1230℃。
83.优选的，步骤c中，所述复合坯加热升温速率为3～5℃/min。
84.d、将步骤c热轧得到的所述复合钢卷进行球化退火，球化退火温度为800～850℃；
85.e、将步骤d退火后的复合钢卷进行酸洗；
86.优选的，步骤e中，酸洗工艺按高强马氏体不锈钢进行。
87.f、将步骤e酸洗后的复合钢卷冷轧成合适阀片用的钢带；
88.优选的，从热轧退火酸洗后的卷冷轧到合适的厚度，即步骤c到步骤f之间，进行至少一次(一次或多次)中间退火，中间退火的温度均为750～800℃。
89.优选的，步骤f中，所述钢带的厚度为0.15mm～1.20mm。
90.g、将步骤f冷轧后的钢带进行切边，得到阀片用钢带；
91.h、将步骤g切边后的阀片用钢带进行热处理，得到所述阀片用复合钢，加热的温度为1030～1080℃。
92.实施例：
93.表2中列出了对比例1～3和实施例1～5中高强度马氏体不锈钢的主要化学成分，
其中对比例1和对比例2是没有加入阻尼材料的两种高强度马氏体不锈钢，对比例1是比较典型的阀片用不锈钢。对比例3和实施例1～5中加入了阻尼材料，即将高强马氏体不锈钢与阻尼材料组合成坯，其中高强度马氏体不锈钢对称放在阻尼材料的两侧并轧制成钢板，中心阻尼材料的厚度占复合后坯的厚度比例为10％～15％。表2中列出对比例1～3和实施例1～5的关键生产工艺参数，还列出了阻尼材料在复合钢中的材料中所占的厚度比例。
94.表3中列出了对比例1～3和实施例1～5的典型热处理条件下的加热温度及经过热处理后复合钢的力学性能和s.d.c值，其中s.d.c值的测试方法参照gb/t18258-2000。由表看到，对比例1是比较典型的阀片用不锈钢，经过热处理后抗拉强度为1820mpa、延伸率为6.3％，完全能够满足常规阀片的使用要求，但是如其他高强马氏体一样，阻尼效果仅为5％左右，不具备高阻尼性能。
95.同样对比例2是一款高强度马氏体不锈钢，其含碳量高于对比例1。在同等条件下，对比例2的抗拉强度高于对比例1，而延伸率略低，同样不具备高阻尼性能。这种材料用于与阻尼材料组合成复合钢，其高强度正好弥补阻尼强度的低强度，而低延伸率可由阻尼材料解决。
96.对比例3是用对比例1中的高强马氏体不锈钢与阻尼材料组合，按要求的工艺生产、热处理后抗拉强度低于阀片要求的≥1720mpa的要求；延伸率由常规阀片钢的6％左右提升到8％左右，可见高延性的阻尼材料的加入有利于提升延伸率；阻尼材料的加入使对比例3的比阻尼s.d.c值达到23％，已经属于高阻尼材料。
97.实施例1～5都为复合钢，材料两侧对称分布的是高强度的马氏体不锈钢，中间是阻尼材料fe-13％cr合金，厚度占比为10～15％。其中高碳马氏体不锈钢的化学成分及复合钢的生产工艺条件见表2和表3。从表3中可以看到，按设计要求制造的复合钢的抗拉强度1720～1880mpa；延伸率≥5％，同时比阻尼s.d.c值≥20％，符合阀片钢的使用要求并具备了抗振动阻尼功能。这些复合材料的具体性能会随含碳量的变化及热处理工艺参数的变化有所变化，在本发明设计的工艺条件下都能达到要求。即使过程中出现一些性能有超出要求的趋势，也可以通过热处理工艺的调节来改进。可见，本发明的复合钢完全可以满足阀片的力学性能和抗振阻尼要求。
98.表2对比例1～3和实施例1～5中高强度马氏体不锈钢的主要化学成分及关键工艺参数
[0099][0100][0101]
表3对比例1～3和实施例1～5的典型热处理条件下的加热温度及经过热处理后复合钢的力学性能和s.d.c值
[0102]
牌号热处理加热温度(℃)抗拉强度rm(mpa)延伸率a(％)s.d.c值(％)
对比例1103018206.35对比例2103020154.84对比例3103016708.223实施例1103018407.826实施例2103018455.623实施例3108017707.936实施例4103018455.830实施例5103018526.131
[0103]
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。