汽車渦輪增壓器耐熱鋼渦殼殼型疊箱真空吸鑄工藝研究

紀(jì)漢成

（科華控股股份有限公司，江蘇常州 213354）

近20年來，隨著人們保護(hù)環(huán)境和節(jié)約能源意識的增強(qiáng)，對汽車的節(jié)能減排要求越來越高。渦輪增壓技術(shù)既是減少廢氣排放的有效措施，又可提高發(fā)動機(jī)功率、節(jié)約能源，從而被越來越多地應(yīng)用到汽車發(fā)動機(jī)中。作為汽車發(fā)動機(jī)附屬部件的渦輪增壓器同時要求輕量化設(shè)計，而渦殼作為增壓器三大件之一，是重點(diǎn)減重節(jié)能項目。鑄件薄壁化是現(xiàn)代鑄造技術(shù)的發(fā)展方向，是產(chǎn)品輕量化發(fā)展的前提，在汽車領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)渦殼鑄件的薄壁化具有重要的意義[1]。

隨著汽車渦輪增壓技術(shù)的發(fā)展，汽油發(fā)動機(jī)要求渦輪增壓器的轉(zhuǎn)速越來越高，廢氣進(jìn)氣量加大，這必然導(dǎo)致增壓器渦殼工作溫度加大 (達(dá)1100℃以上)，這對渦輪增壓器渦殼所采用的耐高溫材料提出極高要求。目前市場上的渦輪增壓器渦殼的材質(zhì)以中高硅鉬球鐵、高鎳球鐵為主，這類材料耐熱溫度在800～900℃，己逐漸不適應(yīng)新型節(jié)能型汽油發(fā)動機(jī)的技術(shù)質(zhì)量要求。故此，應(yīng)用新型耐熱鋼材料替代耐高溫鑄鐵生產(chǎn)汽車渦輪增壓器渦殼已成為汽車制造業(yè)的發(fā)展方向和汽車結(jié)構(gòu)輕量化、發(fā)動機(jī)小型化的必然選擇[2]。

據(jù)了解，目前國內(nèi)外耐熱鋼渦殼主要采用殼型減壓線生產(chǎn)。由于耐熱鋼渦殼的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，質(zhì)量輕，壁厚厚薄不均，鑄件質(zhì)量要求極高，不允許有任何鑄造缺陷；且耐熱鋼材質(zhì)的凝固收縮大，鋼液流動性差，鑄造工藝性能差，鑄件易產(chǎn)生氣孔、夾渣、縮孔縮松等鑄造缺陷。采用重力鑄造生產(chǎn)耐熱鋼渦殼，澆注溫度高，需要補(bǔ)縮的冒口較多較大，鑄件成品率低，工藝出品率低，生產(chǎn)成本高。

本文主要論述采用殼型疊箱真空吸鑄工藝技術(shù)生產(chǎn)耐熱鋼渦殼，其工藝技術(shù)的關(guān)鍵是殼型疊箱造型工藝[3]+真空充型+反重力補(bǔ)縮，克服了重力鑄造及單箱吸鑄生產(chǎn)工藝缺點(diǎn)，提高了生產(chǎn)效率及鑄件成品率，滿足了大批量自動化、產(chǎn)業(yè)化的要求。本疊箱吸鑄工藝技術(shù)研究處于國際領(lǐng)先水平，有遠(yuǎn)大的發(fā)展前景，可產(chǎn)生很好的經(jīng)濟(jì)效益。

1　耐熱鋼渦殼產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及技術(shù)要求

此耐熱鋼渦殼牌號為奧氏體耐熱鋼GX40Cr-NiSi25-20，材料號為1.4848，其化學(xué)成分見表1。耐熱鋼渦殼毛坯重量5.8kg,輪廓外形尺寸230mm×150mm×150mm,鑄件主要壁厚4mm,最大壁厚20mm,鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，呈雙流道三維曲面流線結(jié)構(gòu)，鑄件質(zhì)量要求高，不允許有任何鑄造缺陷[4]，要經(jīng)過熒光PT、RT探傷檢測，氣壓試驗：0.5MPa，2min不得有泄露等現(xiàn)象。耐熱鋼渦殼見圖1。

表1　GX40CrNiSi25-20化學(xué)成分　ωB/%

圖1　耐熱鋼渦殼毛坯圖

2　耐熱鋼渦殼的鑄造難點(diǎn)

（1）整體耐熱鋼渦殼結(jié)構(gòu)復(fù)雜，表面質(zhì)量要求高，呈雙流道三維流線曲面薄壁結(jié)構(gòu)，鑄造工藝設(shè)計具有一定的復(fù)雜性，要采用多單元曲面分型及6個砂芯組芯而成，外殼與砂芯、砂芯與砂芯間配合的準(zhǔn)確度控制高。

（2）整體耐熱鋼渦殼產(chǎn)品的內(nèi)在質(zhì)量要求高，流道內(nèi)腔與F圓及支撐板交匯形成比較大的舌尖熱節(jié)，如果控制不當(dāng)，舌尖處會產(chǎn)生裂紋、縮孔縮松缺陷。

（3）渦殼雙流道的形狀及尺寸要求嚴(yán)，流道內(nèi)腔部位狹窄，形狀過渡大，易產(chǎn)生收縮不均造成尺寸變形，造成流道形態(tài)改變和尺寸超差等缺陷。

（4）耐熱鋼渦殼為奧氏體材質(zhì)，Ni、Cr含量高，鑄造性能較差，流動性低，收縮量較大，鑄件易產(chǎn)生縮孔縮松、氣孔、砂眼夾渣等缺陷。特別是渦殼壁厚減至2.5mm，采用重力鑄造技術(shù)難以實現(xiàn)。

3　原渦殼單箱吸鑄工藝簡介及存在問題

3.1　原單箱吸鑄工藝簡介

圖2　單箱殼型真空吸鑄工藝示意圖

采用重力鑄造生產(chǎn)耐熱鋼渦殼，澆注溫度在1600℃以上，需要補(bǔ)縮的冒口較多較大，鑄件成品率低至50%～60%，工藝出品率低至20%～30%，生產(chǎn)成本高。且生產(chǎn)薄壁2～3mm渦殼即使?jié)沧囟冗_(dá)1700℃，鑄件也難以成型。故此一般的重力澆注方法難以獲得形狀完整的薄壁鑄件,只有采用反重力充填技術(shù)才可使之成形。反重力充填可以提高金屬液的充型能力,增強(qiáng)金屬液對鑄件的補(bǔ)縮效果,獲得平穩(wěn)的液流[5]。

真空吸鑄CLAS法[6]是通過真空系統(tǒng)在殼型鑄型型腔內(nèi)建立真空，把金屬液由下而上地吸入型腔，進(jìn)行凝固成形的反重力鑄造方法。

單箱殼型真空吸鑄工藝如圖2所示。其鋼液吸鑄溫度控制在1500℃以下，需要較少較小的冒口補(bǔ)縮，且可澆鑄薄壁2～3mm的鑄件，鑄件成品率可達(dá)95%以上，工藝出品率達(dá)60%以上，大大降低生產(chǎn)成本。其操作過程為：將組芯合箱好的單箱殼型平穩(wěn)放置到吸鑄室下室中陶瓷定位底座上，上下合室密封，再用氣缸壓緊殼型，開啟真空泵抽真空，吸鑄凝固保壓5～6min后泄壓，落砂清理，切割拋丸研磨，檢驗獲得合格耐熱鋼鑄件。其吸鑄工藝參數(shù)：吸鑄鋼液溫度控制在1480～1550℃，真空度控制在 -45～-75kPa，保壓時間 5～6min。

3.2　存在問題

真空吸鑄工藝技術(shù)的關(guān)鍵是真空充型+反重力補(bǔ)縮技術(shù)，鑄件補(bǔ)縮凝固保壓時間較長，一般控制在5～6min，從殼型放入吸鑄室到泄壓落砂，整個生產(chǎn)周期時間較長（6～7min），生產(chǎn)節(jié)拍較慢，生產(chǎn)效率較低，難以滿足大批量自動化、產(chǎn)業(yè)化的要求。

4　渦殼疊箱吸鑄工藝創(chuàng)新及生產(chǎn)驗證

4.1　疊箱吸鑄工藝創(chuàng)新

如圖3所示，該耐熱鋼渦殼殼型疊箱真空吸鑄砂型，包括含有渦殼型腔的殼型和置于所述型腔的砂芯，其中每模殼型含有六個對稱分布的渦殼型腔，砂型箱中心設(shè)有吸道口并通過內(nèi)吸口與六個型腔連通，每模殼型上下型用螺栓緊固，殼型的定位凸起與定位凹坑配合使殼型定位合疊在一起，合疊的砂型箱吸道口連通構(gòu)成深長吸道口。

合疊的砂型箱頂面放置鐵板，便于氣缸壓緊疊箱砂型，防止吸鑄時抬箱。砂型箱底面定位凹坑與吸鑄室定位凸起配合使用完成疊箱真空吸鑄砂型準(zhǔn)備。

4.1.1工藝方法

（1）制殼制芯：將渦殼型腔外殼模具放在冷芯盒制芯機(jī)上制殼，將渦殼型腔砂芯模具放在熱芯盒殼芯機(jī)上制芯。

（2）組芯合箱：冷芯外殼型腔及覆膜砂芯上涂料，人工將覆膜砂芯放在渦殼型腔內(nèi)，用螺栓緊固合箱。

（3）殼型疊箱：將各模殼型通過定位凸起與定位凹坑精準(zhǔn)合疊在一起，在合疊的砂型箱頂面上放置蓋板，便于氣缸壓緊砂型，防止吸鑄時抬箱。

（4）下箱密封：將疊箱砂型通過砂型箱底面定位凹坑與吸鑄室底座定位凸起配合精準(zhǔn)放置在吸鑄室組合的陶瓷定位底座、陶瓷升液管及限位塊上。

（5）吸鑄保壓：開啟真空泵抽真空，吸鑄凝固保壓5～6min后泄壓。

（6）落砂清理：落砂清理，切割拋丸研磨，檢驗獲得合格耐熱鋼鑄件。

4.2　生產(chǎn)驗證

工藝創(chuàng)新，應(yīng)用殼型疊箱吸鑄工藝，成功地解決了目前鑄造行業(yè)所采用的重力澆鑄耐熱鋼渦殼帶來的缺點(diǎn)，及單箱真空吸鑄工藝生產(chǎn)效率低的缺點(diǎn)，并成功地集中了真空除氣、負(fù)壓充型、反重力補(bǔ)縮、疊箱造型等各種工藝優(yōu)勢，其特點(diǎn)是根據(jù)耐熱鋼渦殼結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積質(zhì)量小之特點(diǎn)，采用單箱殼型吸鑄生產(chǎn)6個渦殼，合疊4層，可生產(chǎn)24個鑄件。疊箱吸鑄比單箱吸鑄，在生產(chǎn)節(jié)拍不變的情況下，保證了鑄件質(zhì)量，生產(chǎn)效率提高了4倍，同時亦可實現(xiàn)大批量自動化、產(chǎn)業(yè)化吸鑄生產(chǎn)。

5　分析與研究

真空度是真空吸鑄工藝中直接影響充型性能、鑄件質(zhì)量和吸鑄工藝順利進(jìn)行的重要參數(shù)。試驗和實際應(yīng)用均表明，鑄件吸鑄充型高度H與真空度有如下關(guān)系：H=102Pv/ρ[5]

式中H——鑄件吸鑄充型高度（mm）；

Pv——吸鑄室的負(fù)壓值（kPa）；

ρ——吸鑄合金密度（g/cm3）。

耐熱鋼鋼液密度為7.9g/cm3，吸鑄室最大負(fù)壓值取80kPa，計算鑄件吸鑄充型高度為1033mm?？紤]真空系統(tǒng)各種阻力和密封性能的影響，及鋼液面到疊箱底面的裝配和防護(hù)距離，鑄件充型高度實際數(shù)值應(yīng)低于理論計算值。因此，疊箱的高度以不超過800mm為宜。

根據(jù)耐熱鋼渦殼合箱殼型實際高度、吸鑄鑄件高度及MAGMA反重力模擬分析結(jié)果，選擇合理的疊箱層數(shù)，防止上層渦殼產(chǎn)生吸不足、冷隔等缺陷。

6　結(jié)束語

通過對耐熱鋼渦殼單箱吸鑄工藝進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，采用殼型疊箱真空吸鑄工藝，成功地解決了目前鑄造行業(yè)所采用的重力澆鑄耐熱鋼渦殼帶來的缺點(diǎn)，及真空吸鑄工藝生產(chǎn)效率低的缺點(diǎn)，并成功地集中了真空除氣、負(fù)壓充型、反重力補(bǔ)縮、疊箱造型等各種工藝優(yōu)勢。

根據(jù)耐熱鋼渦殼結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積質(zhì)量又不大之特點(diǎn)，采用單箱殼型吸鑄生產(chǎn)6個渦殼，合疊4層，可生產(chǎn)24個鑄件。疊箱吸鑄比單箱吸鑄，在生產(chǎn)節(jié)拍不變的情況下，保證了鑄件質(zhì)量，生產(chǎn)效率提高了4倍，同時亦可實現(xiàn)自動化、產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。

本疊箱吸鑄工藝技術(shù)研究處于國際領(lǐng)先水平，有遠(yuǎn)大的發(fā)展前景，可產(chǎn)生很好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]曾建民,周堯和.薄壁鑄件及其反重力成形技術(shù)[J].航空精密制造技術(shù),1999（03）:23-24.

[2] 徐錦鋒.汽車渦輪增壓器材料的現(xiàn)狀和發(fā)展[J].鑄造技術(shù),2010（11）:1522-1523.

[3]紀(jì)漢成.汽車剎車支架疊箱鑄造工藝[J].鑄造,2013（09）:913-914.

[4]徐佳瓏.奧氏體耐熱鋼渦殼鑄造工藝研究[J].新技術(shù)新產(chǎn)品,2014（04）:20-25.

[5] 常安國,洪海生.CLA法真空吸鑄工藝[J].中國鑄造設(shè)備與技術(shù),1996（01）:10-14.

[6] 張家俊.負(fù)壓吸鑄新工藝[J].新技術(shù)新工藝,1981（01）:2-5.