CN103382537A

CN103382537A - 一种涡轮增压器压气机蜗壳

Info

Publication number: CN103382537A
Application number: CN2013102538739A
Authority: CN
Inventors: 沈宏林; 李丹平; 高明灯; 黄诚
Original assignee: NINGBO KEDA BRAKE MANUFACTURE CO Ltd
Current assignee: NINGBO KEDA SEIKO TECHNOLOGY Co.,Ltd.
Priority date: 2013-06-14
Filing date: 2013-06-14
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2033-06-14
Also published as: CN103382537B

Abstract

本发明涉及一种涡轮增压器压气机蜗壳，属于合金材料技术领域。该涡轮增压器压气机蜗壳主要由以下质量百分比的成分组成：Si：6.5％-7.5％、Mg：0.25％-0.45％、Ti：0.12％-0.15％、La：0.4％-0.7％、Mn：≤0.35％、Cu：≤0.2％、Zn：≤0.3％、Fe：≤0.2％、Sn：≤0.01％、Pb：≤0.03％，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蜗壳配伍合理，使涡轮增压器压气机蜗壳机械性能高，切削加工性能好，满足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蜗壳

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蜗壳，属于合金材料技术领域。

背景技术

目前汽车发动机多采用涡轮增压器技术用来提高汽车的发动机性能和降低尾气的排放。现有国内涡轮增压器已经逐渐从大车型到小车型、从柴油机到汽油机上逐步发展，但作为涡轮重要部件的涡轮增压器压气机蜗壳设计制造仍未得到提高，导致涡轮增压器无法发挥最大的作用，不能满足其结构、机械性能逐渐提高的要求。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

本发明针对现有技术的缺陷，提供一种铝合金材料配伍合理，机械性能较好的涡轮增压器压气机蜗壳。

本发明的上述目的可以通过以下技术方案得以实施：一种涡轮增压器压气机蜗壳，所述涡轮增压器压气机蜗壳由以下质量百分比的成分组成：Si：6.5％-7.5％、Mg：0.25％-0.45％、Ti：0.12％-0.15％、La：0.4％-0.7％、Mn：≤0.35％、Cu：≤0.2％、Zn：≤0.3％、Fe：≤0.2％、Sn：≤0.01％、Pb：≤0.03％，其他杂质元素总含量≤0.6％，余量为铝。

本发明以ZL101A为研究对象，在基体合金的基础上添加了0.4％-0.7％稀土La。在涡轮增压器压气机蜗壳中，共晶硅呈小片状或者针状，形态差异较大，各种尺寸的共晶硅交织在一起，而且相当数量共晶硅尺寸都在50μm以上。当加入0.2％的La时，局部地方共晶硅形态开始发生变化，一些长针状共晶硅开始向点状或者蠕虫状转变。进一步增大稀土La的含量，共晶硅逐渐变短变小，当La的加入量达到0.6％时，共晶硅全部转变为细小点状且均匀分布，此时点状共晶硅尺寸在2μm-10μm。加入稀土La后，合金晶粒明显细化，而且柱状晶逐渐减少，晶粒向细小等轴晶转变。经实验研究，当稀土加入量为0.6％时细化效果达到最佳，晶粒全部为细小等轴晶且分布均匀，平均晶粒尺寸为1mm。经实验研究，La在0.4％-0.7％之间，随着稀土La含量的不断增加，合金抗拉强度与伸长率都呈增大的趋势。

本发明在ZL101A的基础上还调整了Ti、Mn、Zn的含量，使材料配伍更加合理，从而细化了晶粒，强化了合金组织，使涡轮增压器压气机蜗壳综合性能较高。

在涡轮增压器压气机蜗壳中加入一定的镁，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蜗壳的抗拉强度和硬度等机械性能。但是若镁的含量少于0.25％，所述效果就会较小。相反地，若镁含量过高，超过0.45％，其伸长率就会下降。因此，本发明将镁含量控制在0.25％-0.45％。

钛元素作为过渡族元素，在涡轮增压器压气机蜗壳中，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蜗壳具有优良的综合力学性能。若钛含量少于0.12％，所述的效果较小。相反地，若钛含量超过0.15％，会生成粗大的化合物，使涡轮增压器压气机蜗壳的延伸性下降。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ZL101A中钛元素从0.08％-0.20％提高至0.12％-0.15％之间。

锰元素在涡轮增压器压气机蜗壳中，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蜗壳的耐热性。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，还可以中和铝合金中铁的有害作用。为了阻止晶粒粗化，本发明将涡轮增压器压气机蜗壳中的锰含量控制在0.35％以内。

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，因此加入铜元素后，铝的点阵发生很大的畸变，能产生很显著的强化作用。随着铜含量的提高，强度急剧升高而延伸率剧烈下降。若在涡轮增压器压气机蜗壳中铜含量超过0.2％，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0.2％以内。

在涡轮增压器压气机蜗壳中加入一定的Zn和Cu，可以通过形成η-MgZn₂、CuMgAl₂与Al₂Cu化合物的弥散分布来提高蜗壳的强度，还可以产生一定的时效强化，在涡轮增压器压气机蜗壳中添加锌还能提高铝液的流动性，增强热脆性，能在一定程度上有效地提高涡轮增压器压气机蜗壳的强度。

铁是涡轮增压器压气机蜗壳中的杂质，少量的铁却能防止在浇注时铝液烧粘在模具上。但若铁元素的含量大于0.2％，容易生成粗大的结晶物，以FeAl₃、Fe₂Al₇和Al-Si-Fe的片状或针状组织存在于涡轮增压器压气机蜗壳中中，降低机械性能，使铸件变脆。

Sn、Pb均不能超过规定量，其他杂质元素主要是碳、硫等有害杂质元素。

作为优选，所述的涡轮增压器压气机蜗壳由以下质量百分比的成分组成：Si：7.0％、Mg：0.45％、Ti：0.13％、La：0.5％、Mn：0.31％、Cu：0.18％、Zn：0.25％、Fe：0.14％、Sn：0.007％、Pb：0.015％，其他杂质元素总含量≤0.3％，余量为铝。

作为优选，所述的涡轮增压器压气机蜗壳由以下质量百分比的成分组成：Si：7.5％、Mg：0.25％、Ti：0.12％、La：0.7％、Mn：0.30％、Cu：0.18％、Zn：0.25％、Fe：0.15％、Sn：0.008％、Pb：0.013％，其他杂质元素总含量≤0.3％，余量为铝。

作为优选，所述的涡轮增压器压气机蜗壳由以下质量百分比的成分组成：Si：6.5％、Mg：0.3％、Ti：0.14％、La：0.4％、Mn：0.30％、Cu：0.18％、Zn：0.2％、Fe：0.13％、Sn：0.009％、Pb：0.016％，其他杂质元素总含量≤0.4％，余量为铝。

其中，制备上述涡轮增压器压气机蜗壳的方法包括以下步骤：

S1、配料：按照涡轮增压器压气机蜗壳所需的各元素成分及其质量百分比配料。

S2、熔炼：先加入一半的铝锭，待铝锭完全熔炼后加入硅、铜、稀土La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510-550℃，保温6-10小时后立即进行淬火处理，时效处理温度为170-200℃，保温6-10小时后自然冷却得涡轮增压器压气机蜗壳。

在上述的涡轮增压器压气机蜗壳的制备方法中，步骤S2中所述的熔炼温度为670-750℃，熔炼时间为60-80min。

作为优选，步骤S2中所述的熔炼温度为700℃，熔炼时间为70min。

在上述的涡轮增压器压气机蜗壳的制备方法中，步骤S3中所述的精炼温度为700-750℃。其中，采用锶(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。

作为优选，步骤S3中所述的精炼温度为730℃。

在上述的涡轮增压器压气机蜗壳的制备方法中，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。

在上述的涡轮增压器压气机蜗壳的制备方法中，步骤S5中所述的固溶温度为530℃，固溶时间为8小时，时效处理的时效温度为185℃，时效时间为8小时。

在上述的涡轮增压器压气机蜗壳的制备方法中，步骤S5中所述的淬火处理的水温为55-65℃。

作为优选，步骤S5中所述的淬火处理的水温为60℃。

本发明的涡轮增压器压气机蜗壳具有如下优点：

1、本发明的涡轮增压器压气机蜗壳在ZL101A的基础上控制了Ti、Zn、Mn的含量，添加了稀土元素La，达到材料配伍合理，细化晶粒，增强涡轮增压器压气机蜗壳的机械性能，使涡轮增压器压气机蜗壳可在200℃以下的环境使用。

2、本发明的涡轮增压器压气机蜗壳机械性能高、切削加工性能好、抗拉强度达295MPa，伸长率4％，布氏硬度90HBS，韧性比传统材料高25％，使涡轮增压器压气机蜗壳满足主机配套要求的安全性及可靠性。

3、本发明的涡轮增压器压气机蜗壳材料配伍合理，因此制备本发明的涡轮增压器压气机蜗壳的工艺流程简单，不需要在低压和高温环境下进行。

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。

实施例一：

配料：涡轮增压器压气机蜗壳的成分及其质量百分比为：Si：7.0％、Mg：0.45％、Ti：0.13％、La：0.5％、Mn：0.31％、Cu：0.18％、Zn：0.25％、Fe：0.14％、Sn：0.007％、Pb：0.015％，其他杂质元素总含量≤0.3％，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530℃，保温8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185℃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蜗壳。

经过上述制备方法得到的涡轮增压器压气机蜗壳的机械性能见表一。

实施例二：

配料：涡轮增压器压气机蜗壳的成分及其质量百分比为：Si：7.5％、Mg：0.25％、Ti：0.12％、La：0.7％、Mn：0.30％、Cu：0.18％、Zn：0.25％、Fe：0.15％、Sn：0.008％、Pb：0.013％，其他杂质元素总含量≤0.3％，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添加剂，合金全部熔化后调整铝液温度至690℃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，再将经过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510℃，保温6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170℃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蜗壳。

实施例三：

配料：涡轮增压器压气机蜗壳的成分及其质量百分比为：Si：6.5％、Mg：0.3％、Ti：0.14％、La：0.4％、Mn：0.30％、Cu：0.18％、Zn：0.2％、Fe：0.13％、Sn：0.009％、Pb：0.016％，其他杂质元素总含量≤0.3％，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添加剂，合金全部熔化后调整铝液温度至720℃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，再将经过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550℃，保温10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200℃时进行时效处理，保温10小时后自然冷却得涡轮增压器压气机蜗壳。

表2：涡轮增压器压气机蜗壳的机械性能

表1中，对比例为代号为ZL101A的铝合金力学性能。ZL101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蜗壳的力学性能较ZL101A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295MPa，伸长率4％，布氏硬度90HBS，韧性比传统高。

Claims

1.一种涡轮增压器压气机蜗壳，其特征在于，所述涡轮增压器压气机蜗壳由以下质量百分比的成分组成：Si：6.5％-7.5％、Mg：0.25％-0.45％、Ti：0.12％-0.15％、La：0.4％-0.7％、Mn：≤0.35％、Cu：≤0.2％、Zn：≤0.3％、Fe：≤0.2％、Sn：≤0.01％、Pb：≤0.03％，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。

2.根据权利要求1所述的涡轮增压器压气机蜗壳，其特征在于，所述涡轮增压器压气机蜗壳由以下质量百分比的成分组成：Si：7.0％、Mg：0.45％、Ti：0.13％、La：0.5％、Mn：0.31％、Cu：0.18％、Zn：0.25％、Fe：0.14％、Sn：0.007％、Pb：0.015％，其他杂质元素总含量≤0.3％，余量为铝。

3.根据权利要求1所述的涡轮增压器压气机蜗壳，其特征在于，所述涡轮增压器压气机蜗壳由以下质量百分比的成分组成：Si：7.5％、Mg：0.25％、Ti：0.12％、La：0.7％、Mn：0.30％、Cu：0.18％、Zn：0.25％、Fe：0.15％、Sn：0.008％、Pb：0.013％，其他杂质元素总含量≤0.3％，余量为铝。

4.根据权利要求1所述的涡轮增压器压气机蜗壳，其特征在于，所述涡轮增压器压气机蜗壳由以下质量百分比的成分组成：Si：6.5％、Mg：0.3％、Ti：0.14％、La：0.4％、Mn：0.30％、Cu：0.18％、Zn：0.2％、Fe：0.13％、Sn：0.009％、Pb：0.016％，其他杂质元素总含量≤0.3％，余量为铝。