CN103334035A - 一种涡轮增压器压气机背盘及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种涡轮增压器压气机背盘及其制备方法，属于合金材料技术领域。该涡轮增压器压气机背盘主要成分及其质量百分比为：Si：6.0％-8.0％、Cu：1.3％-1.8％、Mg：0.3％-0.5％、Mn：0.1％-0.35％、Ti：0.1％-0.35％、Sr：0.01％-0.022％、Fe：0.001％-0.20％，其他杂质元素总含量≤0.1％，余量为铝。其制备方法包括配料，熔炼，变质、除渣、除气精炼，金属型重力铸造和热处理。本发明涡轮增压器压气机背盘配伍合理，工艺简单，机械性能高，切削加工性能好，符合主机配套要求的安全性及可靠性。

Description

一种涡轮增压器压气机背盘及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种涡轮增压器，尤其涉及一种涡轮增压器压气机背盘及其制备方法，属于铝合金材料技术领域。

背景技术

目前汽车涡轮增压器压气机背盘多采用铸铁件，但铸铁件重量大，不易与铝合金蜗壳相配。在纯铝中加入其它金属或者非金属，可以配制出铸造用的铝合金。铸造铝合金因其热膨胀系数小、热传导性好、热裂倾向小、流动性好等一系列优点，铸造铝合金可用于涡轮增压器压气机背盘。

涡轮增压器压气机背盘是涡轮的重要部件，随着汽车涡轮增压技术的广泛应用，对其结构、机械性能要求和使用寿命有了更高的要求。

现有技术中用于汽车涡轮增压器压气机背盘的铝合金多采用压力铸造，其产品不能用于固溶处理来提高产品各类机械性能，产品的强度及硬度达不到使用性能的要求，容易引起背盘开裂等问题，在使用性能上存在着隐患。如中国专利申请文件(公开号：CN 102764873A)中公开一种涡轮增压器气机壳的低压铸造工艺，其中铝合金原料为ZAlSi7Mg(ZL101)铸造铝合金，其铸造铝合金各成分的重量百分比为：Si6.5-7.5％，Mg0.25-0.45％，Fe0.5％，Zn0.3％，Mn0.35，Al余量，其低压铸造工艺步骤为：先制芯，然后在浇注温度700-740℃、充气压力1-3.8MPa的条件下低压铸造，接着清理铸件，在535-545℃时进行溶体化，时效保温2-3h，在水温为50-80℃下淬火，接着在195-205℃进行人工时效，保温2-3h，空气冷却，最后对铸件进行后处理的喷丸光整、机加工、去油清洗。该方法的后处理繁琐，需要在1-3.8Mpa的充气压力以及浇注温度较高的条件下进行，才可制得机械性能较好的涡轮增压器压气机壳。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中存在的上述不足，提供一种机械性能高的涡轮增压器压气机背盘。

本发明的目的通过以下技术方案实现，一种涡轮增压器压气机背盘，所述涡轮增压器压气机背盘为铝合金，该涡轮增压器压气机背盘的成分及其质量百分比为：Si：6.0％-8.0％、Cu：1.3％-1.8％、Mg：0.3％-0.5％、Mn：0.1％-0.35％、Ti：0.1％-0.35％、Sr：0.01％-0.022％、Fe：0.001％-0.20％，其他杂质元素总含量≤0.1％，余量为铝。

本发明以ZL111铝合金为研究对象，通过大量实验在基体合金基础上添加了0.01％-0.022％元素Sr，可改善涡轮增压器压气机背盘合金凝固租住中α-Al枝晶相和共晶硅的形貌，提高涡轮增压器压气机背盘的力学性能，加入微量的Sr，可在其变质后使粗大硅相由板片状转变为细小的球状，提高涡轮增压器压气机背盘的抗拉强度和延伸率。此外，本发明在传统ZL111铝合金的基础上降低了Si的含量，将Si控制在6.0％-8.0％，减少Si对合金引起的脆性，使该涡轮增压器压气机背盘具有极好的熔炼和铸造工艺性能。

铜元素是一种提高铝合金的抗拉强度、耐力及延伸性必不可少的元素。铜元素与铝元素一样具有面心立方结构，铜的熔点为1084.5℃。铜和铝的晶格常数相差很大，但铜能溶于铝，因此在涡轮增压器压气机背盘中加入铜元素后，铝的点阵发生很大的畸变，产生很显著的强化作用。随着铜含量的提高，涡轮增压器压气机背盘的强度急剧升高而延伸率剧烈下降。在涡轮增压器压气机背盘的铝合金中含有1.0％以上的铜，可使效果更加明显。若铜含量超过1.8％，会导致延伸性下降。本发明为保证加工性能以及较优良的延伸率，经过大量实验，将铜含量控制在1.3％-1.8％。

涡轮增压器压气机背盘中镁与硅共存，在经过热处理以后以Mg2Si的状态析出，可提高涡轮增压器压气机背盘的抗拉强度和硬度等机械性能。但是若镁的含量少于0.3％，所述效果就会较小。相反地，若镁含量过高，超过0.5％，其伸长率就会下降。因此，本发明将镁含量控制在0.3％-0.5％。

锰元素在涡轮增压器压气机背盘的铝合金中，部分溶入基体，可细化材料组织，提高再结晶温度，增强涡轮增压器压气机背盘的耐热性。锰含量过高时，会在浇注时生成粗大的结晶物，降低延伸性。同时，锰元素还可以中和铝合金中铁的有害作用。为了阻止过多的锰晶粒粗化，本发明将涡轮增压器压气机背盘铝合金中的锰含量控制在0.1％-0.35％之间。

涡轮增压器压气机背盘中钛元素作为过渡族元素，在平衡条件下几乎不固溶于铝，可通过使铸件的晶粒细化来强化基体和晶界，从而使涡轮增压器压气机背盘具有优良的综合力学性能。若钛含量少于0.1％，所述的效果较小，相反地，若钛含量超过0.35％，会生成粗大的化合物，使涡轮增压器压气机背盘的延伸性下降。本发明选取的钛元素含量需要合理选取，不能无限扩大其含量，因为铁元素含量过高会引起铸件产生裂纹，使铸件产生脆性，而钛元素需要与铁元素配合才能达到增强铝合金高温性能的效果。故本发明将钛元素控制在0.1％-0.35％之间。

在上述涡轮增压器压气机背盘的铝合金成分中杂质元素主要是碳、硫等有害杂质元素。

进一步优选，所述涡轮增压器压气机背盘的成分及其质量百分比为：Si：6.0％、Cu：1.8％、Mg：0.3％，Mn：0.35％、Ti：0.1％、Sr：0.022％、Fe：0.01％，其他杂质元素中单项杂质元素含量≤0.03％，杂质元素总含量≤0.1％，余量为铝。

进一步优选，所述涡轮增压器压气机背盘的成分及其质量百分比为：Si：7.0％、Cu：1.3％、Mg：0.5％、Mn：0.2％、Ti：0.35％、Sr：0.020％、Fe：0.015％，其他杂质元素中单项杂质元素含量≤0.03％，杂质元素总含量≤0.1％，余量为铝。

进一步优选，所述涡轮增压器压气机背盘的成分及其质量百分比为：Si：8.0％、Cu：1.5％、Mg：0.4％、Mn：0.1％、Ti：0.2％、Sr：0.015％、Fe：0.008％，其他杂质元素中单项杂质元素含量≤0.03％，杂质元素总含量≤0.1％，余量为铝。

本发明的目的还在于提供一种简单的制备上述涡轮增压器压气机背盘的方法，所述的制备方法包括以下步骤：

S1、配料：按照上述各元素成分的质量百分比配料。

S2、熔炼：先加入一半的铝锭，待铝锭完全熔化后加入硅、铜和剩余的铝锭，待硅和铜完全熔化后加入添加剂，合金全部熔化后调整铝液温度至690～720℃时压入镁片，将熔炼后的铝液搅拌均匀。

S3、变质、除渣、除气精炼：将熔炼后的铝液先后用锶进行变质处理、除渣和除气精炼，精炼后静置。

S4、金属型重力铸造：将模具先进行预热，再将静置后的铝液调至浇注所需的温度，浇注温度为690-720℃，模具温度为300-350℃，开模时间为180-220s。

S5、热处理：对浇注铸件进行热处理，热处理包括固溶处理和时效处理，其中固溶处理温度为500-540℃，保温4-8小时后立即进行淬火处理，时效处理温度为160-180℃，保温4-8小时后自然冷却得涡轮增压器压气机背盘。

本发明合理设计合金材料中合金元素的添加时间，先将硅和铜加到铝合金溶液中，使铝将硅和铜包容后熔化，避免硅和铜被氧化。而后加入添加剂，降低熔炼温度，避免因温度过高对其他合金元素产生烧损。由于镁的熔点较低，过早加入或熔化时间过长会导致镁合金元素被氧化或烧损。从而保证制备得到涡轮增压器压气机背盘具有强度高、塑性好等综合性能。本发明利用锶作为铝液的长效变质剂使用，在铝液中变质效果可持续10小时以上，重熔3次后变质仍有效。

本发明在制造工艺上采用金属型重力铸造工艺，所生产的铸件机械性能高、抗蚀性能和硬度都有所提高，铸件的精度和表面光洁度比普通砂型铸件高且品质和尺寸稳定。

本发明采用将固溶处理和时效处理结合的T6热处理，通过热处理温度及保温时间的良好搭配来实现固溶处理中得到Mg、Si元素分布均匀的过饱和铝合金固溶体，得到细小、球化的共晶Si相，以及时效处理均匀析出Mg₂Si强化相的目的。

在上述涡轮增压器压气机背盘的制备方法中，步骤S2中，所述的添加剂为锰添加剂和钛添加剂。采用锰、钛添加剂可降低锰和钛的熔炼温度，避免因温度过高而产生对其他合金元素的烧损，尤其是使镁合金的起燃温度达到750℃，防止镁的氧化和燃烧造成镁的缺损，从而提高铝合金的材料性能，提高涡轮增压器压气机背盘的综合性能。

在上述涡轮增压器压气机背盘的制备方法中，步骤S2中，所述的熔炼温度为670-750℃，熔炼时间为60-80min。

在上述涡轮增压器压气机背盘的制备方法中，步骤S3中，所述的精炼温度为700-750℃。在该制备方法中，通过除气工艺以消除涡轮增压器压气机背盘合金铸造过程中吸气和晶粒粗大的不良影响。作为优选，本发明采用0.01％-0.022％锶(Sr)进行变质处理，通入氮气旋转除气进行精炼，精炼后静置5-8min。经变质处理的铝合金生产出的涡轮增压器压气机背盘，改善了组织性能，提高了耐蚀能力，其寿命比ZL111铝合金生产的涡轮增压器压气机背盘提高了2倍以上。

在上述涡轮增压器压气机背盘的制备方法中，步骤S4中，所述的浇注温度为700℃，模具温度为330℃，开模时间为200s。若浇注温度过低，会导致铸件产生气孔、冷隔、浇不足和缩孔缺陷，故金属型铸造的浇注温度比砂型铸造条件高30-50℃，以保证铝液充满铸型。若浇注温度过高，又会使铸件冷却缓慢，铸件组织粗大、力学性能下降。此外，浇注速度要先慢后快再慢，在浇注过程中尽量保证液流的平稳。

在上述涡轮增压器压气机背盘的制备方法中，步骤S5中，所述的固溶温度为520℃，固溶时间为6小时，时效处理温度为175℃，时效时间为6小时。

在上述涡轮增压器压气机背盘的制备方法中，步骤S5中，所述的淬火处理在水温为55-65℃的水槽中进行。

涡轮增压器压气机背盘铝合金在淬火加热过程中，固溶强化相溶入铝固溶体中，在淬火快速冷却时，固溶体来不及析出，得到过饱和固溶体，因此提高涡轮增压器压气机背盘的强度、硬度、韧性和塑性。经研究可知，经过热处理后，原来细小片状的共晶体硅相在淬火加热时聚集和球化，变成圆形或椭圆形的颗粒沿晶界析出，其中冷却速度越快，析出相越细，从而提高涡轮增压器压气机背盘的耐高温性能。

本发明的涡轮增压器压气机背盘具有如下优点：

1、本发明的涡轮增压器压气机背盘在ZL111铝合金的基础上添加了Sr，并控制了Si、Fe的含量，细化晶粒，提高涡轮增压器压气机背盘的机械性能，使其可在200℃以下的环境使用。

2、本发明的涡轮增压器压气机背盘机械性能高、切削加工性能好、抗拉强度达325MPa，伸长率8％，布氏硬度100HBS，韧性比传统材料高25％，使涡轮增压器压气机背盘满足主机配套要求的安全性及可靠性。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

实施例1：

配料：涡轮增压器压气机背盘的成分及其质量百分比为：Si：6.0％、Cu：1.8％、Mg：0.3％、Mn：0.35％、Ti：0.1％、Sr：0.022％、Fe：0.01％，其他杂质元素中单项杂质元素含量≤0.03％，杂质元素总含量≤0.1％，余量为铝，按照上述各元素成分的质量百分比配料。

熔炼：先加入一半的铝锭，待铝锭完全熔化后加入硅、铜和剩余的铝锭，待硅和铜完全熔化后加入0.35％锰添加剂和0.1％钛添加剂，合金全部熔化后调整铝液温度至700℃时压入镁片，将熔炼后的铝液搅拌均匀。

变质、除渣、除气精炼：向熔炼后的铝液中添加0.022％的Sr进行变质处理，除渣后通入氮气旋转除气在温度为730℃时进行精炼，精炼后静置7min。

金属型重力铸造：将模具先进行预热，再将静置后的铝液调至浇注所需的温度，浇注温度为700℃，模具温度为330℃，开模时间为200s。

热处理：对浇注后的铸件进行热处理，热处理包括固溶处理和时效处理，其中固溶处理温度为520℃，保温6小时后立即在水温为60℃的水槽中进行淬火处理，接着在温度为175℃时进行时效处理，保温6小时后自然冷却得涡轮增压器压气机背盘。

经过上述制备方法得到的涡轮增压器压气机背盘的机械性能见表一。

实施例2：

配料：涡轮增压器压气机背盘的成分及其质量百分比为：Si：7.0％、Cu：1.3％、Mg：0.5％、Mn：0.2％、Ti：0.35％、Sr：0.020％、Fe：0.015％，其他杂质元素中单项杂质元素含量≤0.03％，杂质元素总含量≤0.1％，余量为铝，按照上述各元素成分的质量百分比配料。

熔炼：先加入一半的铝锭，待铝锭完全熔化后加入硅、铜和剩余的铝锭，待硅和铜完全熔化后加入0.2％锰添加剂和0.35％钛添加剂，合金全部熔化后调整铝液温度至670℃时压入镁片，将熔炼后的铝液搅拌均匀。

变质、除渣、除气精炼：向熔炼后的铝液中添加0.020％的Sr进行变质处理，除渣后通入氮气旋转除气在温度为700℃时进行精炼，精炼后静置8min。

金属型重力铸造：将模具先进行预热，再将静置后的铝液调至浇注所需的温度，浇注温度为690℃，模具温度为300℃，开模时间为180s。

热处理：对浇注后的铸件进行热处理，热处理包括固溶处理和时效处理，其中固溶处理温度为540℃，保温4小时后立即在水温为55℃的水槽中进行淬火处理，接着在温度为160℃时进行时效处理，保温8小时后自然冷却得涡轮增压器压气机背盘。

经过上述制备方法得到的涡轮增压器压气机背盘的机械性能见表一。

实施例3：

配料：涡轮增压器压气机背盘的成分及其质量百分比为：Si：8.0％、Cu：1.5％、Mg：0.4％、Mn：0.1％、Ti：0.2％、Sr：0.015％、Fe：0.008％，其他杂质元素中单项杂质元素含量≤0.03％，杂质元素总含量≤0.1％，余量为铝，按照上述各元素成分的质量百分比配料。

熔炼：先加入一半的铝锭，待铝锭完全熔化后加入硅、铜和剩余的铝锭，待硅和铜完全熔化后加入0.1％锰添加剂和0.2％钛添加剂，合金全部熔化后调整铝液温度至750℃时压入镁片，将熔炼后的铝液搅拌均匀。

变质、除渣、除气精炼：向熔炼后的铝液中添加0.015％的Sr进行变质处理，除渣后通入氮气旋转除气在温度为750℃时进行精炼，精炼后静置5min。

金属型重力铸造：将模具先进行预热，再将静置后的铝液调至浇注所需的温度，浇注温度为720℃，模具温度为350℃，开模时间为220s。

热处理：对浇注后的铸件进行热处理，热处理包括固溶处理和时效处理，其中固溶处理温度为500℃，保温8小时后立即在水温为65℃的水槽中进行淬火处理，接着在温度为180℃时进行时效处理，保温4小时后自然冷却得涡轮增压器压气机背盘。

经过上述制备方法得到的涡轮增压器压气机背盘的机械性能见表1。

表1：涡轮增压器压气机背盘的机械性能

表1中，对比例为代号为ZL111的铝合金力学性能。ZL111铝合金采用的标准为GB/T 1173-1995。

由表一可以看出，本发明的涡轮增压器压气机背盘的力学性能较ZL111铝合金有较大提高，其机械性能较高、切削加工性能较好、抗拉强度达325MPa，伸长率8％，布氏硬度100HBS，韧性比传统材料高25％，且能在200℃以下的环境使用，满足涡轮增压器压气机背盘符合主机配套要求的安全性及可靠性。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种涡轮增压器压气机背盘，该涡轮增压器压气机背盘的成分及其质量百分比为：Si：6.0％-8.0％、Cu：1.3％-1.8％、Mg：0.3％-0.5％、Mn：0.1％-0.35％、Ti：0.1％-0.35％、Sr：0.01％-0.022％、Fe：0.001％-0.20％，其他杂质元素总含量≤0.1％，余量为铝。

2.根据权利要求1所述的涡轮增压器压气机背盘，其特征在于：所述的涡轮增压器压气机背盘的成分及其质量百分比为：Si：6.0％、Cu：1.8％、Mg：0.3％、Mn：0.35％、Ti：0.1％、Sr：0.022％、Fe：0.01％，其他杂质元素总含量≤0.1％，余量为铝。

3.根据权利要求1所述的涡轮增压器压气机背盘，其特征在于：所述的涡轮增压器压气机背盘的成分及其质量百分比为：Si：7.0％、Cu：1.3％、Mg：0.5％、Mn：0.2％、Ti：0.35％、Sr：0.020％、Fe：0.015％，其他杂质元素总含量≤0.1％，余量为铝。

4.根据权利要求1所述的涡轮增压器压气机背盘，其特征在于：所述的涡轮增压器压气机背盘的成分及其质量百分比为：Si：8.0％、Cu：1.5％、Mg：0.4％、Mn：0.1％、Ti：0.2％、Sr：0.015％、Fe：0.008％，其他杂质元素总含量≤0.1％，余量为铝。

5.一种如权利要求1所述的涡轮增压器压气机背盘的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1、配料：按照上述各元素成分的质量百分比配料；

S2、熔炼：先加入一半的铝锭，待铝锭完全熔炼后加入硅、铜和剩余的铝锭，待硅和铜完全熔炼后加入添加剂，合金全部熔炼后调整铝液温度至690-720℃时压入镁片，将熔炼后的铝液搅拌均匀；

S3、变质、除渣、除气精炼：将熔炼后的铝液先后用锶进行变质处理、除渣和除气精炼，精炼后静置；

S4、金属型重力铸造：将模具先进行预热，再将静置后的铝液调至浇注所需的温度，浇注温度为690-720℃，模具温度为300-350℃，开模时间为180-220s；

S5、热处理：对浇注后的铸件进行热处理，热处理包括固溶处理和时效处理，其中固溶处理温度为500-540℃，保温4-8小时后立即进行淬火处理，时效处理温度为160-180℃，保温4-8小时后自然冷却得涡轮增压器压气机背盘。

6.根据权利要求5所述的涡轮增压器压气机蜗壳的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述的熔炼温度为670-750℃，熔炼时间为60-80min。

7.根据权利要求5所述的涡轮增压器压气机背盘的制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述的精炼温度为700-750℃。

8.根据权利要求5所述的涡轮增压器压气机背盘的制备方法，其特征在于，步骤S4中，所述的浇注温度为700℃，模具温度为330℃，开模时间为200s。

9.根据权利要求5所述的涡轮增压器压气机背盘的制备方法，其特征在于，步骤S5中，所述的固溶温度为520℃，固溶时间为6小时，时效处理的时效温度为175℃，时效时间为6小时。

10.根据权利要求5所述的涡轮增压器压气机背盘的制备方法，其特征在于，步骤S5中，所述的淬火处理的水温为55-65℃。