金属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]
 

金属射出成形（MIM）技術は、他の従来技術で加工することが困難な材料を、構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。バスフ社独自の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、タービン室内の熱排気ガス流によって推進されるタービンと、冷気側に位置する圧縮インペラにある。圧縮羽根車は低い温度に耐えるだけで、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、タービン室の高温排気ガスには、タービンに高温に耐える良質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で生産されており、理論的には、タービンはMIM技術で製造することができる。

金属射出成形（MIM）技術は、以前からターボチャージャ部品に応用されていた。MIMは材料の選択と設計の自由度の面で明らかな優位性があるため、近年MIM技術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、技術の最適化、部品構造、金型設計に関する多くの仕事がある。タービンの中心領域に材料が蓄積されすぎると、縮孔の現象を引き起こす可能性がある。これは、冷却中に体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属、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。現代シミュレーション技術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。

金型と溶融体の温度に加えて、射出速度（cm 3/s）をさらに調整することで、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。設定条件下では、部品は1.1 s内で満たされます。色温度図は、充填中の時間による溶融物の変化を示している。青の領域は最初に塗りつぶされ、最後は赤の領域です。金型内または離型後の部品の冷却過程を観察することにより、欠陥領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冷却した後の凝固圧力断面図である。中央の大きな青色領域は、冷却終了時の圧力が非常に低いことを示し、隣接する領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、青色領域内の材料冷却による体積収縮は、収縮孔の発生を引き起こす。図4は、冷却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。

脱芯（Lost core）技術

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合剤は酸性環境下で脱脂炉で分解され、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脱脂中に除去されるにつれて、複雑な中空構造を有する部品を得ることができる。

図5の断面図は、射出成形プロセスにおいて、コアを埋め込むことにより、本来の中空内部構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、特定の中空構造が形成される。

図6は、タービン欠陥領域に対する脱芯技術の改善効果を示している。カラーストライプは、各領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の冷却を経て完全に硬化した。

通常のMIMプロセスに比べて、脱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状にすることができ、内部構造はタービンの実際の大きさと荷重に応じて調整することができ、同時にこの技術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。

 

焼結プロセス

金属射出成形技術の最後のステップは焼結であり、この過程で残りの接着剤が除去され、部品のサイズが収縮して小さくなる。焼結の温度は使用する合金の融点よりやや低く、過程中にサイズが大きく変化する。

MIM部品の収縮特性は、金型形状、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、特に幾何構造が複雑な部品に対しては、数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）までの焼結温度では、複雑な形状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、カンチレバー構造、収縮による摩擦力などが共通して変形すると、状況はさらに複雑になる。

多くの深い基礎研究は、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収縮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果は図8を参照。図には、2つの加熱速度（左側座標）におけるCatamold 310 N材料の一定時間経過後の収縮（右側座標）を示している。明らかに、異なる加熱速度は異なる収縮率をもたらし、焼結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、左側にはクロスリンクのガイド羽根が表示され、線は焼結時の位置を示している。右側の対比は焼結前後の部品を示し、部品の形状や位置の変化が明らかに見える。

焼結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は焼結時に発生する収縮を示している。色温度図は領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域を表し、ジャーナルからガイド羽根に移行する黄色部分は収縮が最も小さい領域を表す。

比較のために、ガイドブレードの平放焼結過程もシミュレーションした。シミュレーションの結果、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℃までの高温に耐えることが必要である。MIMの重要な利点は、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、高温で高強度を持つことであり、図11は高温作用1000 h後の異なる材料の破断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造は非常に均一であり、精密鋳造部品の微細構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、この材料の焼結は一般的な焼結環境（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中に酸化するのを防止し、収縮の効果的な制御を実現できることが分かった。

室温での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数年間、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勢を見せ続けるだろう。

金属射出成形技術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技術の成形における潜在力はまだ発掘されていない。

射出成形と焼結過程のシミュレーション技術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技術は高耐熱材料の使用に十分な保証を提供する。MIM超高温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造を有し、その室温での機械的性質は精密鋳造部品をも超えている。