■ 针对低压铸造涡轮增压器压气机壳体产生的废品率高的问题，通过Magma软件对铸造工艺进行模拟，结合生产实际，确定对浇注系统进行优化改进，消除了铸造缺陷，提升了铸件品质，改善了铸造环境。

关键词：低压铸造；压气机壳体；工艺改进

■ 涡轮增压技术引入汽车后使得燃油燃烧更加充分，从而在不增加油耗的情况下可显著提高发动机的功率和扭矩，降低尾气排放。压气机壳体是涡轮增压器低温端的重要零部件，材质为铝合金。某低排量乘用汽车用涡轮增压器压气机壳，不允许存在裂纹、冷隔、夹杂、孔洞、缩松等缺陷。本课题针对该压气机壳体的低压铸件缺陷问题，进行工艺分析和改善，以达到降低铸件废品率、提高铸造品质的目的。

■ 某涡轮增压器压气机壳体，平均壁厚为3~4 mm，质量为1.3 kg，材质为ZL101合金，其主要成分见表1。

图1 涡轮增压器压气机铝壳

表1 ZL101合金的化学成分

■ 该铸件采用金属型低压铸造，砂芯为覆膜砂材料。低压炉采用坩埚炉（更利于保证铝液的清洁）。该产品单件质量小，考虑生产效率和成本，模具为1模4腔结构；一根升液管与分流盆连接，分流盆上端分4个浇道，分别对4个型腔进行充型，分流盆材质为铸铁。铝合金液浇注温度为700~710 ℃，模具温度为300~350 ℃，充型压力为45 kPa，充型时间为12 s，保压压力为50 kPa，保压时间为30 s。

图2 分流盆结构

■ 实际生产中发现大量铸件特定加工表面出现孔洞类缺陷，缺陷位置见图3。

（a）加工件3D剖视图 （b）产品缺陷展示

图3 缺陷位置和形态

■ 1、产生缺陷原因分析

为进一步分析缺陷种类和形成原因，对缺陷铸件的缺陷部位取样，在光学显微镜下观察，发现孔洞缺陷为缩松、缩孔，并带有氧化夹渣，见图4。在低压浇注中，缩松、缩孔缺陷的产生通常原因是和浇注系统设计或浇注工艺参数设定不合理相关，浇注系统或浇注工艺参数没能形成有效的补缩，导致铸件厚大部位形成缩松、缩孔缺陷。氧化夹渣缺陷的产生通常原因可能为铝液处理不合格，未能有效地除渣。充型过程中，氧化渣最终沿浇注系统进入铸件；也可能是浇注系统设计不合理，导致浇注过程中产生紊流，产生氧化物，最终进入铸件。

（a）缩松 、缩孔 （b）氧化膜

图4 在铸件中的缺陷类型

■ 1.1产品浇注系统和工艺参数分析

从浇注系统结构上来看，缺陷部位是铸件的入水部位，也是铸件结构的厚大部位，该部位下端与浇口盆连接，在产品凝固过程中，是可以获得浇口盆内铝液的补缩的。从浇注工艺参数方面分析，产品的工艺参数经过MAGMA 模拟软件进行凝固模拟，结果显示没有缩松、缩孔缺陷风险产生。

低压铸造取铝水的位置是在坩埚的偏底部，而氧化物一般会浮在铝液表面，因此低压铸造工艺取铝液相对清洁。在生产实践中，使用全新铝合金原材料熔炼，采用精炼设备对铝液进行氮气精炼处理，确保铝液本身的清洁。处理后，采用ALSPEK H测氢仪对铝液进行检测，结果显示氢含量为0.14mL/100g Al。由此可以判断铸件中氧化夹渣不是坩埚中铝液带入，应是在充型过程中，在浇注系统中产生的氧化渣。

■ 1.3生产过程分析

结合生产实际，原有工艺在给定的参数条件下模拟没有缩松显示，实际生产中却出现大量的缺陷件。由此推断，生产过程中，应该存有无法稳定的工艺参数条件。

■ 在低压铸造工艺中，通常可以通过提高保压压力和提高补缩冒口温度来增加系统对铸件的补缩作用，在生产试验中，提高保压压力并没有彻底改善该铸件的缩松问题。

■ 进一步检查浇注系统结构，发现分流盆的容积较大，结构上有足够的补缩容量。分流盆在生产过程中，为了保证内部的铝液温度满足工艺要求，在外部用天然气进行连续加热，目视呈暗红色。实际检测分流盆温度，在530~600 ℃之间。因为分流盆温度低于铝液工艺浇注温度700~710 ℃，由此可以断定，分流盆内的铝液在充型和保压过程中与分流盆间存在温度传递，铝液温度有损失，影响补缩效率。

■ 通过拆解模具，发现分流盆内聚集有大量的氧化物。而分流盆内壁温度低，是导致铝液在内壁结皮，形成了氧化物聚集的主要原因。

■ 分流盆温度不稳定是导致分流盆内铝液温度损失过大，造成补缩不充分和产生氧化物的主要原因。

■ 2、铸造工艺改进与生产验证

从原工艺的分析可以发现，缺陷产生的主要原因是由于分流盆的温度不能得到有效控制所致。因此对浇注系统和浇注装置进行改进优化，取消分流盆结构，用升液管直接与铸件相连接，每个型腔一根独立的升液管。

原升液管及炉盖结构设计，升液管管口有超过20 cm的长度是与炉盖接触的，导致升液管管口部位散热快，铝液温度损失大；通过对升液管和炉盖结构进行改善，使得升液管口部裸露于保温炉内，通过炉内气氛温度对其保温，见图5。

(a) 改善前炉盖结构 (b)改善后炉盖结构

图5 炉盖结构改善对比图

■ 同时，取消分流盆，缩短了升液管到模具型腔的距离，从而从根本上解决了生产过程中，铝液温度偏低而导致的铸件缩孔问题。从模拟结果可以看出，改进后的产品充型过程平稳顺畅；凝固过程按自上而下的顺序凝固，形成有效补缩。

图6改进后的充型过程

图7改进后的凝固过程

■ 采用该工艺生产并取样件做X射线检测，同时在样件上取样做金相分析。可以看出，铸件内在质量非常理想，说明改善去除分流盆工艺方案是非常有效的，从工艺上解决了补缩不稳定和氧化物夹渣问题。

（a） X射线检测 （b） 金相检测

图8 改进工艺后铸件

■ 3、结论

(1) 浇注系统取消了分流盆结构，缩短了铝液与铸件型腔的距离，去除了不确定因素，更利于铸件质量的稳定控制。

(2) 浇注系统取消了分流盆结构，降低了天然气加热分流盆的能耗成本，同时也改善了工作环境的温度。

(3) 通过改进工艺，使铸件品质达到了技术质量要求，废品率控制在4%以内。

本文引用格式：曲家龙. 涡轮增压器压气机壳体低压铸造工艺改进[J].特种铸造及有色合金，2021，41（4）：518-520.

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