金属粉末注射成型汽车涡轮增压器部件造作新工艺

 

颁布日期：[2026/9/14]
 

金属注射成型(MIM)技术能够将那些难以用其它传统工艺加工的资料，造作成结构复杂的零件。这一个性使其成为出产高机能涡轮增压器零件的梦想步骤。巴斯夫公司怪异的Catamold 工艺，能够援手解决涡轮增压器MIM零件的开发过程中存在的一系列关键性难题。

涡轮增压器MIM零件

涡轮增压器的主题在于涡轮室内由热废气流推动的涡轮，以及位于冷空气一侧的压缩叶轮。压缩叶轮只需耐受较低的温度，铝造叶轮机能就能齐全满足要求。而涡轮室的高温废气则要求涡轮使用耐高温优质钢材。涡轮通常用精密铸造工艺出产，理论上，涡轮能够用MIM工艺造作。

金属注射成型(MIM)技术在较早以前就曾被利用在涡轮增压器零件上。由于MIM在资料选择和设计自由度方面优势显著，近年来MIM技术造作的零件被大量使用，其机能也已经在现实使用中得到了证明。

面对的挑战

只管MIM技术获得了肯定的进取，但要造作出那些要求近乎刻薄的零件，依然有大量有关工艺优化、零件结构和模具设计方面的工作。当涡轮的中心区域资料累积过多时，可能导致缩孔的景象。这是由于冷却过程中出现了体积收缩。当模具中注满熔融资料时(精密铸造中为熔融金属，MIM中为熔融喂料)两种工艺都存在出现这种缺点的可能性。而利用现代模仿技术能够对这一问题进行具体的分析。例如，借助适当的软件精确预测MIM注射成型过程。图1显示的就是涡轮模仿充模的成效，这个零件选取了一个圆锥形浇口，熔融喂料通过它注入到零件中。

除了模具和熔体温度以表，通过对注射速度(cm3/s)的进一措施节，可能极度真实地模仿出充模过程。图1和图2显示的是涡轮充模随功夫变动的过程。在设定前提下，零件在1.1s内被填满。色温图显示的是充模过程中熔体随功夫的变动。蓝色区域首先被填充，最后是红色区域。通过观察零件在模具中或脱模后的冷却过程，能够探知缺点区域熔体凝固的轻微过程。图3为涡轮在模具中冷却40s后的凝固压力截面图。中央较大的蓝色区域暗示冷却实现时压力极度低，而相邻的区域中资料已经固化，从而阻止了更多熔体进入。因而，蓝色区域内由于资料冷却引起的体积收缩导致了缩孔的产生。图4明显地展示了这一问题，冷却功夫过后仍未固化的资料造成了空穴。

失芯(Lost core)技术

在Catamold 工艺流程中，注射成型实现后，聚甲醛粘结剂在酸性环境下于脱脂炉中产生分化，从而被急剧地从零件中去除掉。

若是吓酌聚甲醛注塑一个模芯，而后喂料在模芯周围进行包塑，那么随着聚甲醛模芯在脱脂过程中被去除，就可能得到拥有复杂中空结构的零件。

图5的剖面图显示了若何在注射成型工艺中，通过嵌入模芯，使得正本的实心部件形成一个中空内部结构。随着模芯在注射成型之后被去除，将会形成一个特定的中空结构。

图6显示了失芯技术对涡轮缺点区域的改善成效。彩色条纹代表各区域凝固所需的功夫。该部件除模芯以表的部门经过27s的冷却后齐全固化。

与通常MIM工艺相比，失芯法使得零件出产效能显著提高。这是由于，在理论上，模芯能够做成任何状态，内部结构能够凭据涡轮的现实大幼和载荷进行调整，同使剽项技术还能够大大降低涡轮的沉量。

烧结工艺

金属注射成型技术的最后一个步骤是烧结，在这个过程中，渣滓的粘结剂将被去除，零件的尺寸会收缩变幼。烧结的温度稍低于所用合金的熔点，过程中尺寸会产生较大的变动。

MIM零件的收缩个性，受模具状态、持久出产不变性、资料批次差距以及加工窗口的影响。为了得到不变的收缩率，模具的出产，尤其对几何结构复杂的零件还必要经过几轮优化过程，对尺寸进行校对。这些尺寸变动有的是难以提前预知的，可能在注射成型或烧结的过程中形成。

不难设想，在高达1200℃~1450℃(凭据分歧资料种类)的烧结温度下，状态复杂的部件很容易产生变形。这种变形在好多情况下能够通过适当的零部件设计和工艺节造得以预防。

然而，当壁厚、悬臂结构以及由于收缩产生的摩擦力等原因共同导致变形时，情况会变得越发复杂。

很多深刻的基础钻研都是为了可能事先预测可能出现的变形以及收缩差距，从而尽可能地通过对模具进行适当批改，而加以解除。

涡轮增压器导向叶片的建模

图7显示的是烧结模仿过程中使用的涡轮增压器的导向叶片。 借助模仿软件，可分辨出最易产生变形的区域。这里选取了Barriere所描述的烧结模型。该模型中，将MIM零件产生的肉眼可见的收缩视为蠕变，并依照粘弹性资料的个性进行描述。模仿过程中，有关膨胀计试验的了局见图8。图中显示了Catamold 310N资料在两种加热速度(左侧坐标)下经过一按功夫后的收缩情况(右侧坐标)。很显著，分歧的加热速度会导致分歧的收缩率，加上烧结过程中产生的其它反映，会导致零件产生变形。

图9中，左侧显示的是交叉链接的导向叶片，线条批示的是烧结时所处的地位。右侧对比显示了烧结前后的零件，能够显著地看到零件的状态和地位的变动。

以烧结模型和资料的收缩个性为基础，能够推算出零件在空间方向上的收缩。因而，图10显示了烧结时产生的收缩情况。色温图明显标了然区域收缩变幼的趋向Ｋ伎佳刂嵯蚴账(图9)，深蓝色代表收缩水平最大的区域，从轴颈向导向叶片过渡的黄色部门代表收缩最幼的区域。

为了进行对比，对导向叶片的平放烧结过程也进行了模仿。模仿得出的了局，使得在零件的开发过程中就思考并采取适当的措施解除各向异性收缩成为可能。

原资料

MIM涡轮的造作涉及到的另一个主题问题是能否获得相宜的资料。这些资料要求可能在高载荷的情况下耐受高达1080℃的高温。MIM的关键优势在于它能够利用精密铸造难以加工的资料造作零件。

超耐热合金从2003年起头就被利用于MIM技术，并广为人知。在涡轮增压器叶轮资料的选择上，一个根基要求是，在高温下拥有高强度，图11显示的是高温作用1000h后，分歧资料的断裂强度值。

由于选取超细粉末出产，MIM超耐热合金零件的微观结构十吩旖均，与精密铸造的零件的微观结构大不一样。Inconel 713 C是一种时时被用来造作涡轮增压器零件的超耐热合金，也被开发成为MIM资料。

由于铝和钛的含量相对较高，这种资料的烧结在常见的烧结环境(氢气、氮气)下底子无法进行。然而，钻研发现，使用氩气作为；て，能够预防这些元素在烧结过程中产生氧化，并实现对收缩的有效节造。

室温下MIM零件和精密铸造样品的机械强度直接对比(附表)，证了然选取Catamold 工艺能够获得优异的资料机能。

总结

涡轮增压器市场将在未来几年内持续出现出强劲的增长态势，其中一个原因是汽油发起机涡轮增压器利用的逐步增长。

金属注射成型技术已经证明是出产涡轮增压器用复杂零件的有效步骤之一，然而MIM技术在成型方面的潜力还亟待挖掘。

随着注射成型和烧结过程模仿技术利用的发展，使进一步削减零件开发过程中的产品优化步骤成为可能。MIM技术为高耐热资料的使用提供了充分保障。选取MIM超高温合金等耐热资料造作的零件拥有十吩旖均的微观结构，其室温下的机械机能甚至超过了精密铸造零件。