Billet compressorwielen

Billet Compressorwielen

Billet (5-assig CNC gefreesd uit massief gesmeed materiaal) ten opzichte van gegoten compressorwielen.

De duurzaamheid van compressorwielen is een belangrijke factor voor toepassingen, waar hoge vermogens worden vereist.

De wens naar meer vermogen en koppel, plus de daar mee gepaard gaande vraag naar hoge turbodrukken, tot een slordige 4,5/5:1 drukverhouding voor tractorpulling toepassingen met een enkele turbo, heeft geleid tot daar uit voortvloeiende hogere turbo rotorsnelheden en daardoor tevens hogere temperaturen, welke tot aan en over de grenzen van de standaard materialen gaan.

Waarom zijn Billet compressorwielen een meerwaarde optie? Lees verder….

Een aluminium gietlegering kan nooit dezelfde duurzaamheid waarborgen als gesmeed aluminium voor turbo compressorwielen.

Gesmede legeringen worden mechanisch bewerkt, waardoor alle oxide verontreinigingen, welke mogelijk aanwezig zijn, worden afgebroken en tevens wordt hierdoor de korrelstructuur sterk verfijnd, met als gevolg verbeterde materiaalsterkte en -eigenschappen.

Er is een aanzienlijk verschil in de korrelgrootte van het materiaal tussen gegoten en gesmede legeringen. Tevens is in geval van gesmeed aluminium de keuze mogelijk voor een andere (laag silicium gehalte) aluminium legering, met een tevens hogere concentratie van andere materiaal versterkende legerings- elementen in het gesmede materiaal, met dus ook sterk verbeterde materiaal eigenschappen, later meer hier over.

De basis eigenschappen van massief gesmeed aluminium zijn meetbaar superieur en duidelijk betrouwbaarder dan een aluminium gietlegering.

Gegoten aluminium compressorwielen raken dikwijls defect door hoge werk-temperaturen (bij hoge turbodruk) en materiaal vervorming. Het compressorwiel vervormd dan, gaat ‘groeien’ en raakt vervolgens de ronding in het compressorhuis.

Bij zodanig hoge turbodrukken draait ook de turbo in- en over zijn maximaal toegestane toerengebied. Zodanig hoge ‘tip’ snelheden van de wielvanen veroorzaken tevens ongewenste extra vibraties en frequenties, in het bijzonder wanneer de rotorsnelheid plotseling wisselt.

Dit kan op zijn beurt resulteren in breuk van een of meer vanen, of wielbreuk, wat dikwijls de totale turbo in een fractie van een seconde vernietigt.

Als compressorwielen van gegoten aluminium falen, is dit meestal het gevolg van metaalmoeheid, welke terug te voeren is tot gietfouten, zoals oxides en andere verontreinigingen. De materiaal eigenschappen van gegoten aluminium zijn minder geschikt voor toepassingen, waar hoge turbodrukken en dus materiaal temperaturen gebruikelijk zijn. Om die reden is een nieuwe methode ontwikkeld om compressorwielen te fabriceren.

De ‘billet’ compressorwielen worden uit  een massieve gesmede aluminium legering 2618-t61 (t61 staat voor ‘hitte behandeld en koud werkend gehard’) vervaardigd door middel van een 5-assig CNC hoge snelheid frees systeem.

Op deze wijze kan dezelfde complexe aerodynamische bladvorm en gladheid van het oppervlak worden bereikt, om een optimale aerodynamische en mechanische werking te garanderen.

Dit betekent ook, dat de wielgeometrie niet afhankelijk is van toleranties en afwijkingen in het gietproces. Verder hoeft geen enkel compromis te worden gemaakt aan het oppervlak van de verfijnde bladvorm.

Naast een betere prestatie, levert dit ook een duidelijke verbetering op van de eigen levensduur, zelfs bij zeer hoge turbodrukken en hoge inlaat temperaturen.

Het in verhouding dure fabricage proces van de 5-assige CNC freestechniek ten opzichte van de kosten van het giet proces, plus het gebruik van de duurdere aluminium gesmede legering welke wordt gebruikt, leiden beiden tot hogere fabricagekosten en dus een hogere prijs.

Echter, de hoge prijs van het billet compressorwiel ten opzichte van de gegoten versie, betaalt zich snel terug in duurzaamheid, verbeterde prestatie en een lange levensduur.

Voor toepassingen, waar met hoge turbodrukken wordt gewerkt, zal het risico om een complete turbo vernietigd te zien worden door breuk van het compressorwiel sterk verminderen, dus het is een investering die het overwegen meer dan waard is.

Billet compressorwielen zijn beperkt beschikbaar voor bepaalde turbo modellen en inlaat diameters. Gelieve hiervoor ons HX programma te raadplegen, waar deze opties naast de compressorwiel inlaatmaten zijn gemerkt met een ster (*).

Caboturbo zal dit programma in de toekomst geleidelijk uitbreiden, om een nog breder aanbod van billet compressorwielen te kunnen verzorgen.

Enige vergelijkingen tussen Billet en Gegoten materiaal eigenschappen;

Onderstaand zult u een vergelijking aantreffen van de chemische samenstelling van enkele veel gebruikte aluminium gietlegeringen voor compressorwielen, zoals 354 en 413, vergeleken met gesmeed aluminium 2618-t61. Getoond worden de verschillen in percentage van de andere legering elementen:

alloy contents	Al 354	Al 413	Al2618T61
Silicium (Si)	8.6-9.4	11.0-13.0	0.25 max
Ijzer (Fe)	0.2	2.0	0.9-1.3
Koper (Cu)	1.6-2.0	1.0	1.9-2.7
Mangaan (Mn)	0.1	0.35	–
Magnesium (Mg)	0.4-0.6	0.10	1.3-1.8
Nikkel (Ni)	–	0.50	0.9-1.2
Zink (Zn)	0.1	0.50	–
Tin (Sn)	–	0.15	–
Titanium	0.2	–	0.04-0.1
Overige	0.15	0.25
Aluminium restant	87-88 %	83 %	92-94 % (+/-)

 

 Gesmeed aluminium van de legering 2618-t61 bevat hogere concentraties van de elementen koper en magnesium, welke het materiaal aanzienlijk versterken. Tevens is het materiaal te harden om een goede sterkte te waarborgen bij toepassingen waar temperaturen voorkomen tot 300/575 graden C/F. 2618-t61 wordt gewoonlijk gebruikt bij de fabricage van vliegtuigmotoren. 2618-t61 bevat een zeer laag (0.25 % max.) gehalte aan Silicium.

Zoals alle aluminium gietlegeringen, bevatten zowel 354 als 413 een hoog gehalte (8.6-13.0 %) Silicium ter verbetering van de vloeibaarheid en gietbaarheid van deze legeringen. Het grote nadeel is de vorming van hoofdzakelijk Silicium oxides gedurende het gietproces, naast andere giet verontreinigingen. De limiet qua temperatuur voor aluminium gietlegeringen is 240/465 graden C/F.

Dit geeft de indicatie van een temperatuur limiet voordeel voor billet van zo een 25 % ten opzichte van gietwerk. Vermeld dient te worden, dat bij deze waarden door de fabrikant ruime veiligheidsmarges zijn ingebouwd, als limiet voor langdurig continu gebruik op standaard motoren.

Bij Truck- en Tractorpulling toepassingen worden deze temperaturen regelmatig tot zo een 20 % overschreden, de ervaring heeft geleerd, dat deze in verhouding kort durende oververhitting condities in de praktijk geen materiaal problemen hebben opgeleverd. Wat bij gegoten wielen een zelfde patroon vertoont, maar de gegoten wielen falen meestal snel tegen en boven 300 graden C.

Enkele belangrijke Fysische eigenschappen zoals dichtheid, elasticiteit- en buigweerstand, evenals mechanische eigenschappen zoals treksterkte, rek en hardheid van 2618-t61 zijn vergelijkbaar superieur aan welke aluminium gietlegering dan ook.                                  

Als eerder in dit hoofdstuk is vermeld, is de korrelstructuur en -grootte van gesmeed materiaal onmiskenbaar superieur aan de meer poreuze structuur van een gietstuk.

Hierdoor is het gevaar van structuurverschuiving, wat het mechanisme is, waarbij plastische vervorming van metalen bij hogere temperaturen optreedt, binnen zeer acceptabele grenzen gebracht.

Microscopisch onderzoek van deze beide legeringen heeft aangetoond, dat de korrelgrootte van de gesmede legering praktisch 10 maal kleiner is, dan die van de gegoten structuur. De korrels zijn in onderstaande afbeeldingen weergegeven in verschillende kleuren.

Microscopisch gemaakte afbeeldingen van materiaal korrels:

Gesmeed: vergroting 900x	Gegoten: vergroting 100x

                           Foto’s van compressorwielen

Billet wiel HX50	Gegoten wiel HX50