汽车涡轮增压器涡壳的机遇和挑战

收稿日期:2010 10 15; 修订日期:2010 11 01基金项目:陕西省教育厅产业化项目(09JC09)

作者简介:徐锦锋(1963 ),陕西岐山人,教授.研究方向:凝固技术与

新材料研究.

Email:jinfengxu@x

铸造技术

F OU N DRY T ECH NO LO GY Vo l.31No.11N ov.2010

汽车涡轮增压器涡壳的机遇和挑战

徐锦锋

(西安理工大学材料科学与工程学院,陕西西安710048)

摘要:从降低能耗、减少环境污染以及节约有限资源的社会需求出发,阐述了汽车涡轮增压器技术在汽车工业发展中的迫切需求及巨大的市场潜力,指出了涡轮增压器涡壳在铸造生产过程中所面临的技术难题与挑战。关键词:涡轮增压器;涡壳;铸造工艺

中图分类号:TG255 文献标识码:A 文章编号:1000 8365(2010)11 1522 02

Opportunies and Challenges of Automobile Tubine Housing

XU Jin feng

(School of Material Science and Engineering,Xi an University and Technology,Xi an 710048,China)

Abstract:From a view o f socia l d ema nd s,su ch as redu ction o f en erg y con su m ption a nd en viron m en tal po llution an d sa ving o f lim ited reso u rces,this paper elab ora te d im periou s dem an d s a nd hu g e m arket po ten tial for th e a u to mo tive tu rboch arg er tech no lo gy in th e d eve lopm en t of au tom otive ind u stry an d po in ted o u t ch allen ges an d tech nica l pro blem s fa ced in th e castin g o f tu bin e h ou sing .Key words:Tu rbocharger;Tubine hou sing;Foun dry techn ology

汽车工业是国民经济的支柱产业。降低能耗、减少环境污染以及节约有限的资源是当今汽车工业发展所面临的、重要而急迫解决的问题。提高发动机效率和降低废气排放污染是推动汽车发动机技术发展的核心原动力。涡轮增压器技术是提高发动机效率、降低燃油消耗、减少废气排放的有效手段。世界各国,特别是发达国家十分重视涡轮增压器的开发与应用,这无疑为我国铸造业带来新的发展机遇。然而,随着汽车工业的快速发展,涡轮增压器的工作温度可能达到1050 以上。目前市场上的涡轮增压器基本以普通球铁或高硅钼球铁为主,这类材料生产的产品耐热温度在900 左右,己不再适应现代汽车特别是轿车汽油发动机的高性能要求,必须开发更为先进的涡壳材料及相应的铸造工艺以适应涡轮增压器技术的发展需要。目前,我国铸造产业正面临着前所未有的机遇和挑战。

1 涡轮增压器技术发展带来的机遇

随着汽车尾气排放法规的实施,发达国家要求汽车尾气排放达到欧 、欧V 标准,并不断对汽车发动机进行技术创新。涡轮增压器的应用正好迎合了上述需要。据有关资料显示,2010年全球汽车产量将达到7000万辆以上,其中轿车产量约为3200万辆,加上

维修市场的需求,预计全球涡轮增压器的需求量在8000万台以上。而今,全球的生产能力仅有5000万

台左右,市场缺额巨大。随着各国环境政策实施力度的加大,今后这个缺口将会进一步增大。

目前,我国己有批量投放市场的汽油发动机轿车,如奥迪A61.8T 、Passat 1.8T 、Bora 1.8T 等,通用别克的增压器汽油机轿车也已投放市场。2009年,我国的汽车产量为1319万辆,已超过美国成为全球汽车产量第一大国。2010年,汽车产量预计达1700万辆,其中轿车830万辆,继续领跑全球汽车行业。按照国务院重型发动机100%、中型车80%、轻型车60%、微型车25%、轿车30%比例配套增压器的要求测算,再加上售后维修市场的需要,我国的涡轮增压器的需求量在1200万台左右。若以每年30%~40%的速度递增,未来几年内,我国涡轮增压器的需求市场潜力巨大。上述可知,伴随着涡轮增压器市场需求的日益膨胀,作为涡轮增压器的主体部件!!!涡壳铸件的需求量将随之同步增长,并且具有高科技含量、高附加值和高品质3大特征,必将为铸造行业带来新的活力和发展机遇。

2 涡轮增压器涡壳生产面临的挑战

2.1 蜗壳材质的研发

随着涡轮增压技术的发展,汽油发动机要求涡轮增压器的转速越来越高,废气进气量加大,这必然导致增压器温度的大幅上升,可能达到1150 甚至更高。目前市场上的涡轮增压器基本以普通球铁或高硅钼球

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#铸造技术∃11/2010

徐锦锋:汽车涡轮增压器涡壳的机遇和挑战

铁为主,这类材料生产的产品耐热温度在900 左右,己逐渐不能适应现代汽车特别是轿车汽油发动机的使用要求。耐热钢、高镍球铁涡壳可以使涡轮增压器的耐热温度达到1150 以上,属于高科技含量、高附加值产品,己成为涡轮增压器涡壳的主流发展方向,具有很强的市场竞争力。

2.2 奥氏体基体强化技术

尽管奥氏体耐热钢和高镍奥氏体球铁具有较高的高温性能,但在发动机高速运转和燃油充分燃烧及长时间连续工作条件下,废气所能达到的上限温度可能远高于1150 。从发展的角度出发,对涡壳材质的研发之路任重道远,很有必要在合金中引入高温相形成元素,对奥氏体基体进行强化处理,进一步提高合金的高温性能。

2.3 凝固组织控制技术

不论是耐热钢还是高镍球铁,其基体组织均为奥氏体。奥氏体以枝晶方式生长。粗大枝晶往往造成严重的晶界偏析,于晶界处可形成硬点,影响加工性和刀具寿命;造成石墨成线状排列,组织均匀性下降;形成晶间组织疏松,导致壳体渗漏。因此,通过炉前复合孕育及变质处理,细化奥氏体枝晶,有利于改善凝固组织均匀性,提高涡壳的机械性能。

2.4 高镍球铁球化孕育处理技术

高镍球铁球化处理温度比普通球铁高出50~ 100 。球化过程反应剧烈,镁元素烧损严重,吸收率较低,易形成氧化夹渣(简称黑渣)。同时,稀土元素常常造成石墨球变态。常规球化剂和孕育剂无法满足高镍球铁的生产需要。为了确保球化效果,防止球化和孕育衰退,必须研发无稀土低镁合金球化剂和复合孕育剂,以满足优质高镍球铁的生产需要。因此,控制反应速率,提高Mg的吸收率、减少氧化夹渣是球化过程控制的关键所在。

2.5 铸造工艺优化设计

涡壳质量仅几千克,壁厚较小,三维流线结构使壳体外形不甚规则,表面质量要求极高,属中等复杂小件,铸造工艺设计具有一定的复杂性。表现在:%为了获得完整的型壳,要采用多单元曲面分型;&合金元素含量高,体收缩和线收缩率大,凝固过程很容易形成缩孔、缩松和热裂等铸造缺陷;∋壳型砂发气量大且发气集中,易于形成表面气孔(皮下气孔)缺陷;(充型不平稳,挡(捕)渣效果不佳,可能产生氧化夹杂缺陷。因此,铸造工艺方案设计不仅要关注对热节部位的补缩,还要兼顾平稳充型和除渣去气及防止冷隔、皱皮等缺陷。

2.6 合金液净化技术

在涡壳生产中,为确保成形质量,防止氧化夹杂的产生,常采用过滤网净化铁液。但是,多单元曲面分型常常使过滤网安放位置困难,必须对过滤网的网孔面积和流通量及安放位置进行精心设计和控制。

2.7 保温发热冒口补缩技术

使用保温发热冒口可以有效地提高冒口的补缩效率,防止缩孔、缩松缺陷。同时,大幅度提高工艺出品率,减少合金液消耗,降低生产成本。但是在形腔外形不规则的壳型中如何安置冒口并有效控制发热反应过程,对成形质量影响显著,需要对冒口体积、形状及尺寸按补缩液量的大小进行精心设计。

2.8 壳型冷却速率的控制

壳型与普通砂型的传热过程有着明显的差异。壳型厚度通常在8~25mm。液态金属在冷却凝固过程中,熔体过热热量和结晶潜热的导出主要通过壳型表面向空气中以辐射和对流方式进行传热。因此,壳型铸件的冷却速率要高于砂型铸件。壳型的这种传热特性对合金液的充型过程、凝固过程及成形质量势必带来显著的影响,必须对壳型预热温度和冷却速率进行严格的控制。否则将会产生浇不足、冷隔、皱皮、夹杂和气孔等缺陷。

2.9 铸造工艺出品率的最大化

涡壳件质量虽小,但生产批量很大。当前国内工艺出品率在60%~70%,而耐热钢和高镍球铁中合金元素含量高,收缩倾向大,内外在质量要求高,生产成本远高于普通球铁。要降低涡壳的生产成本,必须在降低废品率的同时最大限度地提高工艺出品率。通过优化铸造工艺设计,使用保温发热冒口,确保单件浇注质量最低,质量差精确到50~100g,即从每件节约50 ~100g量级合金液来提高涡壳生产的竞争力。

2.10 市场的开拓及产品质量的检测

和普通汽车零部件一样,涡轮增压器涡壳也面向两大市场:一是主机配套市场,这取决于主机的发展;二是汽车维修配件市场,它取决于社会汽车保有量和零部件的寿命。然而,不同于其它汽车配件,涡壳件使用环境恶劣,对铸件材质和使用性能要求极高。譬如,铸件材质必须具备高温抗氧化性,高温强度、抗蠕变性和抗疲劳性能,高的组织稳定性和低的热膨胀系数,以及良好的铸造工艺性能和机加工性能等等。生产企业必须具备强大的铸造生产能力和科技开发实力及完善的质量检测保障体系等,方能满足其生产需要。

3 结语

随着人类节能减排意识的增强和相关法规的贯彻,涡轮增压器技术的广泛应用已成为汽车工业发展不可逆转的历史潮流。高科技含量和高附加值涡壳铸件的巨大市场必将为铸造行业带来无与伦比的发展机遇。抓住机遇,做好相关技术基础研发工作,积极的迎接挑战,是我国铸造工作者肩负的重大使命。

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