一種渦輪增壓器殼體的鑄造工藝優(yōu)化

馬寶祥

摘要：本文探究了一種渦輪增壓器殼體的鑄造方法。澆注系統(tǒng)設(shè)置有直澆道，其進液口位于上箱，直澆道出液口位于下箱中部。直澆道出液口連接有圓弧形橫澆道，其外側(cè)兩端對稱設(shè)置有第一內(nèi)澆道，弧頂處對稱設(shè)置有第二內(nèi)澆道;直澆道、橫澆道、第一內(nèi)澆道和第二內(nèi)澆道的橫截面積比例為5：4：2：1。在上箱內(nèi)對應鑄件熱節(jié)的位置設(shè)置有頂冒口和壓邊冒口;在中箱內(nèi)對應鑄件冷卻水腔外側(cè)的位置做出排氣溢流冒口;鑄件的油腔芯由激冷砂和石英砂組成的混合砂打制。本文提供的渦輪增壓器殼體鑄造方法，經(jīng)批量生產(chǎn)驗證，工藝穩(wěn)定，最終綜合成品率可達98%以上。

關(guān)鍵詞：渦輪增壓器;工藝優(yōu)化;澆注系統(tǒng);原砂;缺陷防治

1產(chǎn)品背景

近年來，隨著大型機械裝備的迅猛發(fā)展，市場對大功率內(nèi)燃機的需求日益增多，與之配套的渦輪增壓器市場潛力巨大。我公司為滿足市場需求，開發(fā)了一款大功率內(nèi)燃機渦輪增壓器殼體。同時意在以此為契機，全面實現(xiàn)同類產(chǎn)品的國產(chǎn)化，打破該領(lǐng)域技術(shù)長期被歐美國家壟斷的現(xiàn)狀。該渦輪增壓器殼體材料性能控制要求苛刻，產(chǎn)品需要具備長期耐受高溫、震動等惡劣運行環(huán)境的能力。本文所述的渦輪增壓器殼體，集成了高溫燃氣腔、冷卻水腔和滑油腔，用大流量寬接觸面的冷卻水腔同時冷卻燃氣高溫腔和滑油腔，壓氣端和渦輪端有導氣孔連通，結(jié)構(gòu)緊湊復雜，截面變化大，壁厚差懸殊。具有此結(jié)構(gòu)特征的鑄件，在生產(chǎn)過程中容易產(chǎn)生缺陷，且存在尺寸易變形，材料組織性能易疲勞的隱患。因此，保證產(chǎn)品尺寸精度，控制材料缺陷，使得成品呈現(xiàn)：尺寸精準、剛性好、強度高、性能穩(wěn)定的最終特性，是此產(chǎn)品的研發(fā)制造過程中最大難點。

2性能參數(shù)及結(jié)構(gòu)概述

我公司開發(fā)的渦輪增壓器殼體鑄件單重360KG，材質(zhì)為特種耐熱鑄鐵，性能要求十分苛刻，鑄件本體和附鑄試棒都需滿足以下要求：抗拉強度（σb）：250-300MPa（且絕不允許>300MPa），硬度（HB）：190-220。要求珠光體含量大于90%。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜，外形尺寸為700*700*400mm，主要由高溫氣腔、冷卻水腔和油腔組成，各空腔形狀不一，相互嵌套，空腔之間的壁厚面積大而壁薄，且與外形輪廓尺寸相差懸殊。另外，整只鑄件內(nèi)外表面皆不允許存在任何形式的焊補，成品需對各腔分別進行0.6MPa 的氣密性試驗，不允許任何滲漏、冒泡現(xiàn)象。這意味著對鐵液熔煉及澆注系統(tǒng)適應性和穩(wěn)定性提出了較高的要求。

3原工藝方案闡述

（1）?????? 澆注系統(tǒng)及造型方案：

如圖1所示，采用傳統(tǒng)鑄造工藝進行生產(chǎn)，水平放置，大法蘭面向上并添加7mm 加工余量，以降低此面發(fā)生缺陷的風險。采用由上至下，依次包括上箱、中箱和下箱的分型方案。澆口從大開口位置分上下兩層注入。在大圓盤法蘭上均勻安放φ80瓶頸冒口6只，以對整個鑄件進行補縮。造型工藝：選用目數(shù)為50-100的擦洗烘干平潭海砂，配合酚醛派普樹脂自硬方案打制坭芯，另外內(nèi)部埋入隨形芯骨，芯骨周圍纏繞纖維通氣管并于芯頭處引出，即強化坭芯強度，亦保證排氣通暢。坭芯制出后入窯烘烤，溫度參數(shù)為210±10℃*（保溫3h）以達到終強度。外模方案采用鑄鋼砂配合改性水玻璃吹二氧化碳硬化。坭芯及外模皆使用醇基石墨涂料，且施行“首次浸透，二次拉光”操作方法。

（2）?????? 配料及熔煉方案：

配料組分：生鐵（30%）;廢鋼（42%）;回爐料（25%）;石墨增碳劑（1%）;孕育劑（0.8%）;錳鐵（0.6%）;銅（0.6%）。熔煉溫度為1530℃;鐵水出爐溫度為1450℃;澆注溫度設(shè)定為1390～1400℃，澆注過程保證鐵水連續(xù)而穩(wěn)定，澆注時間為32±5s。為確保孕育效果，熔煉初期加入0.08%的硫化亞鐵進行增硫處理，鐵水出爐時加入0.8%的72%孕育硅鐵隨鐵液一并沖入澆包內(nèi)。澆注完成后轉(zhuǎn)置，于型腔內(nèi)空冷至少24h 后打箱。

對于按此工藝生產(chǎn)的試件，進行了多次實體解剖，發(fā)現(xiàn)普遍存在氣孔、脈紋及夾渣等鑄造缺陷（位置如圖2中所示）：

（1）?????? 發(fā)現(xiàn)在“A”處排氣不暢，有很大風險形成包氣，經(jīng)壁厚檢查獲知，該處有包氣情況發(fā)生時，普遍壁厚僅剩2～4mm，，在試壓時會出現(xiàn)泄漏情況，嚴重的甚至直接穿透（標準壁厚應為10mm）。

（2）?????? “A”處經(jīng)內(nèi)窺設(shè)備觀察，在鑄件油腔內(nèi)部發(fā)現(xiàn)脈紋、粘砂，后續(xù)清理帶工作繁瑣且不能徹底清除。嚴重的更有坭芯斷裂，造成整只鑄件的報廢情況。此部位為鑄件關(guān)鍵部位，根據(jù)技術(shù)條件可知，此種情況的表面質(zhì)量無法接受。

（3）?????? 冷卻水腔下方的端面夾層處“B”由于鐵水的多路匯流，大平面鐵水上升速度慢、動能小，易在此處產(chǎn)生氣孔、冷隔及夾渣等缺陷。

4缺陷原因分析

（1）?????? “A”處上端壁厚較厚，但鐵水進液空間卻不大，鐵水流動至此處時，液面上升速度快，且溫度較初澆時有較大幅度降低，鐵水流動性有所削弱，導致型腔內(nèi)氣體難以及時排出。

（2）?????? “A”處壁厚大而結(jié)構(gòu)曲折，此處砂芯從與鐵水接觸后至完全凝固這一階段所承受的溫度壓力大，原砂發(fā)生二次相變，致使坭芯表面出現(xiàn)裂紋。鐵水在凝固過程中的收縮，對坭芯表面產(chǎn)生壓力，更會放大相變裂紋的危害，嚴重的導致坭芯斷裂，造成鑄件報廢。

（3）?????? 上下兩層的澆注形式可令鐵水在型腔內(nèi)的溫度狀態(tài)趨于穩(wěn)定，但鐵水經(jīng)不同高度注入后，其流動狀態(tài)不可控因素增多，匯流時多股鐵水相互沖刷也令注入動能降低且容易產(chǎn)生紊流，初始低溫鐵液不能被及時按設(shè)計預想遷移，導致形成冷隔、氣孔。

5優(yōu)化方案

經(jīng)對鑄件結(jié)構(gòu)及存在的缺陷分析，優(yōu)化此型號渦輪增壓器殼體的鑄造工藝。

注：前期工藝方案已對材料成分和性能多次驗證，達到技術(shù)條件要求，并且穩(wěn)定無波動，因此配料、熔煉工藝沿用原方案實施。

（1）澆注系統(tǒng)：

因渦輪增壓器殼體坭芯數(shù)量眾多，冷卻水腔坭芯壁厚小且受力、受熱情況復雜，澆注系統(tǒng)需避免鐵液對坭芯主體結(jié)構(gòu)的沖刷，降低充型過程中的斷芯、抬芯風險。另外鑒于此產(chǎn)品鑄件主體和澆注系統(tǒng)總質(zhì)量達400余公斤，故沿用底面澆注方案，并設(shè)置分散內(nèi)澆口，如圖2所示：采用由上至下，依次包括上箱、中箱和下箱的分型方案。上箱、中箱、下箱合并形成一個整體的鑄造腔體。為保證鐵液能順利地到達下箱底部以實現(xiàn)對整個鑄型的底注，鑄型內(nèi)設(shè)置有一個采用“J”型陶瓷管制成的直澆道4，直澆道4貫穿上箱、中箱、下箱，中間安放有陶瓷濾網(wǎng)1只，直澆道4的進液口由上箱伸出，直澆道4的出液口位于下箱中部;設(shè)置在鑄件的油腔5側(cè)，在澆注時，如圖3將鑄型對應鑄件高溫氣腔6排氣口一端抬高，使其底面與地面的傾角為15°。底注式傾斜澆注優(yōu)點是整個充型過程鐵液上升平穩(wěn)，使鐵液充型過程趨向?qū)恿鳎欣谛颓粌?nèi)氣體和浮渣的排出，令初始低溫鐵液上升到頂部的厚大平面，避免因紊流產(chǎn)生氣孔、冷隔及夾渣缺陷。

直澆道4的出液口連接橫澆道7，橫澆道7為圓弧形澆道，橫澆道7的外側(cè)兩端對稱設(shè)置第一內(nèi)澆道8，橫澆道7的弧頂處對稱設(shè)置第二內(nèi)澆道9;直澆道4、橫澆道7、第一內(nèi)澆道8和第二內(nèi)澆道9的橫截面積比例為5：4：2：1。第一內(nèi)澆道8在兩側(cè)對稱分布，大部分鐵液從此注入，確保充型速度。第二內(nèi)澆道9為內(nèi)腔位置豎直方向進鐵液，內(nèi)部各個腔液面上升速度先于其它部位，從而保證氣體及夾渣的充分排出。

在中箱內(nèi)對應鑄件冷卻水腔外側(cè)的位置利用補砂芯做出排氣溢流冒口10，以消除冷卻水腔下方的端面夾層處可能產(chǎn)生的氣孔、冷隔及夾渣。在上箱內(nèi)對應鑄件壁厚的位置分別設(shè)置有頂冒口11和壓邊冒口12。

（2）坭芯及涂料方案：

在鑄件的油腔芯中加入由激冷砂和石英砂組成的混合砂，混合砂中的激冷砂與石英砂的比例為1：1，石英砂經(jīng)870℃高溫焙燒處理，使其晶格結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，以削弱澆注時原砂的相變傾向，激冷砂的膨脹系數(shù)為石英砂的1/4，在鐵水注入后的高溫環(huán)境下可形成固相燒結(jié)，同時抵消石英砂相變，令坭芯與鐵水之間形成阻隔層，防止鐵水侵入而形成粘砂、脈紋。另外，為進一步降低脈紋的傾向，同時兼顧腔體表面光潔度要求，考慮到此部件油腔表面粗糙度要求為不低于 Ra12.5，且須遵循表面無殘砂、脈紋和高于2mm 披縫的原則。結(jié)合其結(jié)構(gòu)復雜，壁厚差懸殊的特點，普通的醇 / 水基石墨涂料已無法在保證鑄件粗糙度的同時兼顧防脈紋。因此涂料方案采用了兼具浸涂性能優(yōu)秀、涂層強度高、附著力強等特點的 RHEOTECH XL 型高性能水基防脈紋涂料，涂料工藝為手工浸涂，浸涂后以200±10℃*30min 進行烘干，待冷卻后進行表面質(zhì)量整形，完成后配型轉(zhuǎn)序。此涂料方案經(jīng)生產(chǎn)驗證表明，其性能特征可以使出品鑄件油腔達到預期的工藝要求。另外此涂料對于芯體和鐵液有著良好的隔離效果，鑄件出品后經(jīng)過簡單振動敲擊，內(nèi)腔涂料層和砂即可剝離脫落，極大地降低了后期清理工作的勞動強度。

6工藝驗證

1.????? 對產(chǎn)出鑄件進行全尺寸檢查，并加工至成品，確認所有尺寸都已符合圖紙要求。同時通過了上海材料研究所理化檢測中心測試，其理化性能包括抗拉強度、硬度、金相組織等所有檢驗項目均達標。

2.????? 以內(nèi)窺設(shè)備進行內(nèi)腔表面質(zhì)量檢查，觀察到高溫氣腔、冷卻水腔、和油腔均無明顯的冷隔、氣孔、粘砂、脈紋等缺陷。

3.????? 對增壓器殼體高溫氣腔和油腔分別用專用工裝進行密封，將密封好的增壓器殼體浸入煤油中進行氣密性測試。煤油粘度低，較易氣化。腔體內(nèi)充氣壓至0.6MPa，保壓10min，壓力表無變化，且煤油中無氣泡產(chǎn)生，氣密性良好。

7結(jié)論

以上敘述的工藝方案，遵循順序凝固原則，采用底注方式傾斜澆注，配合內(nèi)外分散設(shè)置的內(nèi)澆道，形成自下而上的溫度梯度。自澆注開始直至工序完成，實現(xiàn)了鐵水充型平穩(wěn)迅速，型腔排氣通暢，凝固狀態(tài)穩(wěn)定的設(shè)計預期。優(yōu)質(zhì)的凝固狀態(tài)，有效避免了前期工藝中發(fā)現(xiàn)的氣孔、冷隔等多種材質(zhì)缺陷。

采用激冷砂和石英砂混合，充分利用兩種砂的熱力學性能特點，在鐵水高溫環(huán)境下形變相互補償，配合高溫防脈紋涂料的油腔坭芯方案，殼體內(nèi)腔表面質(zhì)量的到有效改善，符合技術(shù)要求。

在后續(xù)的試制生產(chǎn)過程中，經(jīng)多次解剖驗證獲知，此渦輪增壓器殼體的內(nèi)腔、外形尺寸均可達到設(shè)計要求，材料性能穩(wěn)定。此前油腔內(nèi)存在的脈紋、粘砂現(xiàn)象業(yè)已得到有效解決。大法蘭面處原本存在的氣孔、冷隔、夾渣缺陷亦完全消除。另外，加工至成品后，對渦輪增壓器殼體實行全覆蓋的氣密性實驗。經(jīng)系統(tǒng)的檢測驗證，此型號殼體的綜合成品率可達98%以上。認為上述鑄造工藝可作為批量生產(chǎn)的穩(wěn)定工藝實施。