涡轮增压器铸件

涡轮增压器铸件用于高性能发动机时需要材料与构件行为相适应，尤其当需要减少废气排放，提高发动机性能时。随着产品尺寸和表现能力的提升，对这些高应力铸件的要求也会增加。

涡轮增压器基本由两个主要部件组成：

涡轮机壳体中的涡轮机叶轮会从排放的气体中吸取能量，并通过传动轴以机械形式将其传至压缩机。涡轮机叶轮可达到每分钟160000至300000的转速。在火花点火发动机中，涡轮机壳体必须承受温度高达1050℃的排放气体。涡轮机叶轮、旁路风门和隔热罩也会达到相应的高温。隔热罩可防止热量渗入轴承箱。通常，在关闭发动机后，轴承箱可采用水冷方式降温，以防止有害的升温。在该铸件中，密闭空间里共包含了四种不同的媒介：

• 高温废气
• 冷空气
• 用于降温的水
• 温度不能过高的油

在铸造业中，“废气涡轮增压器”组件有三个部分主要采用的是浇铸工艺：

• 涡轮机壳体
  • 在柴油发动机中：通常是高合金球墨铸铁类型，如D2和D5。
  • 火花点火发动机中由于工作温度很高：奥氏体铸钢，镍铬含量高。
• 轴承箱
  • 通常由灰铁制成
• 涡轮机叶轮
  • 高度抗热的镍基合金在真空中熔化后浇铸而成

涡轮机壳体

涡轮机壳体非常重要，因为它需要承受极高的热应力，同时由于其尺寸、复杂度和材料的影响，涡轮机壳体也是增压器中最贵的组件。工程师需面对薄弱的壳壁，组件内部具有高温度梯度的精密结构，以及运行时频繁的温度转换。而且，现在的涡轮增压器还需和排气总管一起制造成组合件。在全负荷情况下，整个铸件将暴露在极高的热应力和机械应力下。事实上，它会变得极其炽热。要满足这些需求，生产商必须拥有多年的经验，并使用最新的设计和模拟方法。

涡轮机壳体可用的浇铸方式和材料

铸件的砂芯采用壳型砂或使用不同的冷芯盒配方制成，相关的外模则由膨润土结砂制成。这是传统的砂铸方式。
如今，大部分涡轮机壳体都采用了球墨铸铁（品质GJSA-XNiSiCr 35-5-2，如耐蚀高镍铸铁D5 S）。根据专业文献记载，这种含有球状石墨的奥氏体铸铁具有高达850℃的工作温度。在某些特定情况下，甚至还能承受900℃的高温。
随着小型化的发展，现在的发动机所需承载全负荷的比例和热流密度都将有所增加。因此在决定发动机的使用寿命时还需考虑这些因素。

然而，在当今的发动机设计概念中，废气的温度也已普遍升高到了1050℃。在这样的背景下，涡轮增压器的设计必须进行相应的调整，而且还需使用高质量的新材料。抗热铸铁的材料和性能与石油化工不同，非常适合在此使用。但要运用到体积明显较小的组件和涡轮增压器精细的薄壁上时，经验也无法发挥作用。在此，还需考虑到新材料的价格。抗热的奥氏体铸钢主要用在废气温度达到1050℃的情况中。这种材料含有较高比例的镍和铬，在稳定性和抗热振性上有很好的表现。

与D5 S不同，在铸造这种材料时整体温度还要高出200℃到300℃左右，这也是为什么铸造材料会更加困难的原因之一。这同时也意味着在为这些涡轮增压器造型和制芯时需要高质量的粘合剂，高抗热的涂料，或许还要用到特殊的添加剂和型砂。在铸钢过程中还需使用冷芯盒工艺来造型，以避免高温下材料和膨润土结砂发生反应。

浇冒口系统的设计也已明显变得更加复杂，在浇铸完成后，需要以尽量方便的手段从铸件上除去这部分组件。这就需要用于铸造材料的高质量过滤器能以尽可能稳定的方式运作。由于组件尺寸和浇口区域较小，因而必须保证冒口的最佳效率。

然而，对工程师来说，最大的挑战还在于必须以尽可能小的废弃率和高产能来实现生产。模板必须设计成可用同一个模具浇铸尽量多的铸件。
为了使模具的使用最优化，必须以尽可能精密和对称的方式进行覆盖，以确保浇铸完成后铸件可得到抛丸，并能用浇口技术以尽可能高效的方式将其脱模。在确定冒口的位置和类型时，需确保冒口颈在模具上的高度相同，且它们和组件的接触面最小。无论在铸钢还是铸铁中，使用的材料都是高合金，因此，为控制成本，在设计冒口时需确保能以最高效的方式去除冒口，并将返工量降到最低。

从合金的应用到熔炼再到模具的浇铸，整个熔炼过程需保持尽可能高的一致性。所有规格保持完全一致是避免结构问题和诸如气泡、针孔、缩松和缩孔等铸件缺陷的基本要求。
由于熔炼过程中的原料经常发生改变，且高敏材料在熔炼过程中所处的环境也经常改变，这是导致废品增多的一个重要原因。为避免这个问题，除了需要精确地设定基本结构、石墨形态（尤其是GJS）及其尺寸和分布，还必须确保在熔炼过程中选择经过反复测试验证的高品质处理材料。

涡轮机壳体生产过程中的另一个重要议题是防止脉纹的形成，该缺陷通常发生在涡轮机内部砂芯的分型面上或连接区域内。想要清洁这些部位非常困难，而且只能用一些特殊的工具完成。
除了选择粘合剂和涂料，使用石英砂也是一种常见的方法。添加剂在保证铸造无脉纹铸件上起着决定性的作用。添加剂的种类及所添加的量都会对结果产生关键的影响。

现在的涂料通常为水性涂料，想要保证涡轮机内部干净、光滑的表面，必须使用高质量的涂料。由于组件的公差非常小，因此涂料必须具备极佳的流变性能，且其配方应能避免砂芯和铸件交界处的结构退化。

在制芯时，从粘合剂的分解产物中会生成浇铸气体。因此，需保证尽量少用粘合剂，并使用合适的砂芯通气孔控制排气量。
此外，无论在球墨铸铁还是铸钢中，都需要使用补缩系统。对充型和凝固过程的模拟可作为选择冒口类型及其位置的参考基础。EXACTCAST™迷你隔片砂芯冒口不仅体积小，而且拥有最佳的铸模性能，并可保证与铸件的接触面积也相应缩小。一个与过滤器共同作用的不耐压浇注系统可防止充型过程震荡，并降低产生气泡缺陷和冷隔的风险。一般而言，造型时会膨润土造型材料。膨润土结砂中的水分、氟和氮含量尤其会对铸件质量产生巨大的负面影响。为避免产生针孔的风险，应使用无氟EXACTCAST™冒口，且水分和氮含量需尽可能低。此外，还应尽量连续使用可形成光泽碳的材料，决不能频繁更换。如果使用的是铸钢，也应使用化学粘合的造型材料来生产外模，以保证性能的一致性，且能有效地应对浇铸时的高温。

涡轮机叶轮

涡轮机叶轮是涡轮增压器中受到应力最大的组件。这里的温度也可高达1050℃，且加在组件上的纯粹机械力将使其处于极高的应力作用下。这些涡轮机叶轮主要由高强度的镍基合金熔炼而成。从熔炼到浇铸的整个过程都在真空环境下进行。

轴承箱

轴承箱和涡轮机外壳之间的连接对整个废气涡轮增压器的使用寿命有着巨大的影响。这里会产生最大的温度梯度。由于所需消耗的热量明显增加，废气温度会更高，因而该区域的水冷系统也需要新的改良。轴承箱本身通常由灰铁用砂铸法浇铸而成。在生产铸件时需保证高产能和低返工。同样，在这种情况下制芯时也需要使用不同的有机制芯法。外模由膨润土造型材料制成。

涡轮增压器铸件的系统解决方案

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浇铸模拟是一种用来模拟浇铸时发生在模型中的不同物理过程的工具。主要指的是充型、凝固和冷却时应力形成这三个过程。模拟这些物理过程是为了快速而有效地检查浇铸和冷却过程，避免缩孔和缩松，将残余应力和形变最小化，并减少模型和样件的数量。亚世科化学设计服务小组经常在开发过程中和客户一起使用该工具，从模拟结果中寻找下一步的解决方案。每一个项目都是为了获得与规格要求相符的高质量铸件。无论在制芯和造型过程以及熔炼操作中，还是在孕育处理、浇铸、充型和过滤中，合作都能带来明显的协同效应。从中我们可以找到并实践能提高整个生产流程效率的方法。最终，这意味着批量生产和特定产品生产的可能性