金屬粉末射出成形自動車用ターボチャージャ部品の製造方法

 

発売日：[2024/4/25]
 

金屬射出成形（MIM）技術(shù)は、他の従來技術(shù)で加工することが困難な材料を、構(gòu)造が複雑な部品に製造することができる。この特性は、高性能ターボ過給機部品を製造するための理想的な方法となる。バスフ社獨自のCatamoldプロセスは、ターボチャージャMIM部品の開発過程に存在する一連の重要な難題を解決するのに役立つ。

ターボチャージャMIM部品

ターボ過給機の核心は、タービン室內(nèi)の熱排気ガス流によって推進されるタービンと、冷気側(cè)に位置する圧縮インペラにある。圧縮羽根車は低い溫度に耐えるだけで、アルミニウム製羽根車の性能は完全に要求を満たすことができる。一方、タービン室の高溫排気ガスには、タービンに高溫に耐える良質(zhì)な鋼材を使用することが求められている。タービンは一般的に精密鋳造技術(shù)で生産されており、理論的には、タービンはMIM技術(shù)で製造することができる。

金屬射出成形（MIM）技術(shù)は、以前からターボチャージャ部品に応用されていた。MIMは材料の選択と設(shè)計の自由度の面で明らかな優(yōu)位性があるため、近年MIM技術(shù)で製造された部品は大量に使用され、その性能もすでに実際の使用の中で証明されている。

直面する課題

MIM技術(shù)は一定の進歩を遂げたが、要求が厳しい部品を製造するには、技術(shù)の最適化、部品構(gòu)造、金型設(shè)計に関する多くの仕事がある。タービンの中心領(lǐng)域に材料が蓄積されすぎると、縮孔の現(xiàn)象を引き起こす可能性がある。これは、冷卻中に體積収縮が発生したためです。金型に溶融材料を充填する場合（精密鋳造では溶融金屬、MIMでは溶融フィード）、両方のプロセスにこのような欠陥が発生する可能性がある?，F(xiàn)代シミュレーション技術(shù)を利用してこの問題を詳細に分析することができる。例えば、MIM射出成形プロセスは、適切なソフトウェアを用いて正確に予測される。図1はタービンシミュレーション型充填の効果を示しており、この部品は円錐形ゲートを採用しており、溶融フィードはそれを通じて部品に注入される。

金型と溶融體の溫度に加えて、射出速度（cm 3/s）をさらに調(diào)整することで、充填プロセスを非常にリアルにシミュレーションすることができます。図1及び図2は、タービン充填型の経時変化の過程を示す。設(shè)定條件下では、部品は1.1 s內(nèi)で満たされます。色溫度図は、充填中の時間による溶融物の変化を示している。青の領(lǐng)域は最初に塗りつぶされ、最後は赤の領(lǐng)域です。金型內(nèi)または離型後の部品の冷卻過程を観察することにより、欠陥領(lǐng)域の溶融凝固の微細な過程を探知することができる。図3は、タービンを金型中で40 s冷卻した後の凝固圧力斷面図である。中央の大きな青色領(lǐng)域は、冷卻終了時の圧力が非常に低いことを示し、隣接する領(lǐng)域では材料が硬化しているため、より多くの溶融物が入り込むのを阻止しています。したがって、青色領(lǐng)域內(nèi)の材料冷卻による體積収縮は、収縮孔の発生を引き起こす。図4は、冷卻時間後に硬化していない材料が正孔をもたらすという問題を明確に示している。

脫芯（Lost core）技術(shù)

Catamoldプロセスでは、射出成形が完了すると、ポリホルムアルデヒド結(jié)合剤は酸性環(huán)境下で脫脂爐で分解され、部品から迅速に除去される。

ポリオキシメチレンアルデヒドを用いてコアを射出成形し、次いでフィードを用いてコアの周囲でカプセル化すれば、ポリオキシメチレンアルデヒドコアが脫脂中に除去されるにつれて、複雑な中空構(gòu)造を有する部品を得ることができる。

図5の斷面図は、射出成形プロセスにおいて、コアを埋め込むことにより、本來の中空內(nèi)部構(gòu)造を形成する方法を示している。射出成形後にコアが除去されるにつれて、特定の中空構(gòu)造が形成される。

図6は、タービン欠陥領(lǐng)域に対する脫芯技術(shù)の改善効果を示している。カラーストライプは、各領(lǐng)域が凝固するのに必要な時間を表します。この部品はコア以外の部分が27 sの冷卻を経て完全に硬化した。

通常のMIMプロセスに比べて、脫芯法は部品の生産効率を著しく向上させる。これは、理論的には、モールドコアは任意の形狀にすることができ、內(nèi)部構(gòu)造はタービンの実際の大きさと荷重に応じて調(diào)整することができ、同時にこの技術(shù)はタービンの重量を大幅に低減することができるからである。

 

焼結(jié)プロセス

金屬射出成形技術(shù)の最後のステップは焼結(jié)であり、この過程で殘りの接著剤が除去され、部品のサイズが収縮して小さくなる。焼結(jié)の溫度は使用する合金の融點よりやや低く、過程中にサイズが大きく変化する。

MIM部品の収縮特性は、金型形狀、長期生産安定性、材料ロット差異及び加工窓の影響を受ける。安定した収縮率を得るためには、金型の生産、特に幾何構(gòu)造が複雑な部品に対しては、數(shù)回の最適化過程を経て、寸法を補正する必要があります。これらの寸法変化は事前に予知することが困難なものもあり、射出成形や焼結(jié)の過程で形成される可能性がある。

1200℃~ 1450℃（材料の種類による）までの焼結(jié)溫度では、複雑な形狀の部材が変形しやすいことは想像に難くない。この変形は、多くの場合、適切な部品設(shè)計とプロセス制御によって回避できる。

しかし、肉厚、カンチレバー構(gòu)造、収縮による摩擦力などが共通して変形すると、狀況はさらに複雑になる。

多くの深い基礎(chǔ)研究は、発生する可能性のある変形や収縮の違いを事前に予測することができ、それによってできるだけ金型を適切に修正することによって除去することができるようにするためである。

ターボ過給機ガイド羽根のモデリング

図7は、焼結(jié)シミュレーション中に使用されるターボ過給機のガイドブレードを示す。シミュレーションソフトウェアを使用すると、最も変形しやすい領(lǐng)域を見分けることができます。ここではBarriereで記述した焼結(jié)モデルを用いた。このモデルでは、MIM部品で発生する肉眼的に見える?yún)Эsをクリープとみなし、粘弾性材料の特性に基づいて記述する。シミュレーション中、関連膨張計試験の結(jié)果は図8を參照。図には、2つの加熱速度（左側(cè)座標）におけるCatamold 310 N材料の一定時間経過後の収縮（右側(cè)座標）を示している。明らかに、異なる加熱速度は異なる?yún)Эs率をもたらし、焼結(jié)中に発生した他の反応に加えて、部品が変形する可能性がある。

図9において、左側(cè)にはクロスリンクのガイド羽根が表示され、線は焼結(jié)時の位置を示している。右側(cè)の対比は焼結(jié)前後の部品を示し、部品の形狀や位置の変化が明らかに見える。

焼結(jié)モデルと材料の収縮特性に基づいて、部品の空間方向の収縮を計算することができます。そこで、図10は焼結(jié)時に発生する?yún)Эsを示している。色溫度図は領(lǐng)域収縮が小さくなる傾向をはっきり示している。軸方向に沿った収縮を考慮すると（図9）、紺色は収縮度が最も大きい領(lǐng)域を表し、ジャーナルからガイド羽根に移行する黃色部分は収縮が最も小さい領(lǐng)域を表す。

比較のために、ガイドブレードの平放焼結(jié)過程もシミュレーションした。シミュレーションの結(jié)果、部品の開発過程で異方性収縮を考慮し、適切な措置を講じることが可能になった。

原材料

MIMタービンの製造に関わるもう1つのコア問題は、適切な材料を得ることができるかどうかである。これらの材料には、高荷重で1080℃までの高溫に耐えることが必要である。MIMの重要な利點は、精密鋳造では加工が難しい材料を利用して部品を製造できることです。

超耐熱合金は2003年からMIM技術(shù)に応用され、広く知られている。ターボ過給機のインペラ材料の選択において、1つの基本的な要求は、高溫で高強度を持つことであり、図11は高溫作用1000 h後の異なる材料の破斷強度値を示している。

超微細粉末を用いた製造により、MIM超耐熱合金部品の微細構(gòu)造は非常に均一であり、精密鋳造部品の微細構(gòu)造とは大きく異なる。Inconel 713 Cは、ターボチャージャ部品の製造によく用いられる超耐熱合金であり、MIM材料としても開発されている。

アルミニウムとチタンの含有量が比較的に高いため、この材料の焼結(jié)は一般的な焼結(jié)環(huán)境（水素、窒素）ではまったく行われない。しかし、保護ガスとしてアルゴンガスを使用することで、これらの元素が焼結(jié)中に酸化するのを防止し、収縮の効果的な制御を?qū)g現(xiàn)できることが分かった。

室溫でのMIM部品と精密鋳造サンプルの機械的強度の直接比較（付表）は、Catamoldプロセスを採用することで優(yōu)れた材料性能を得ることができることを証明した。

まとめ

ターボ過給機市場は今後數(shù)年間、ガソリンエンジンのターボ過給機応用が徐々に増加していることが理由の1つとして強い成長態(tài)勢を見せ続けるだろう。

金屬射出成形技術(shù)はターボ過給機用の複雑な部品を生産する有効な方法の一つであることが証明されたが、MIM技術(shù)の成形における潛在力はまだ発掘されていない。

射出成形と焼結(jié)過程のシミュレーション技術(shù)の応用の発展に伴い、部品開発過程における製品最適化ステップをさらに減少させることが可能になった。MIM技術(shù)は高耐熱材料の使用に十分な保証を提供する。MIM超高溫合金などの耐熱材料を用いて製造された部品は非常に均一なミクロ構(gòu)造を有し、その室溫での機械的性質(zhì)は精密鋳造部品をも超えている。