CN102387882A - 生产废气汽轮增压器用汽轮的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种借助金属注塑生产废气汽轮增压器用汽轮的方法，该方法包括如下步骤：(a)提供含有金属粉末和粘合剂材料的原料，(b)提供包括要生产的汽轮的阴模的工具以金属注塑该汽轮，(c)将由粘合剂材料构成的旋转对称性芯引入方法步骤(b)中提供的工具的阴模并且使芯取向使得该芯与要生产的汽轮的旋转轴对称性取向，(d)借助在该芯周围金属注塑方法步骤(a)中提供的原料而生产生坯，(e)进行粘合剂去除步骤以从生坯去除粘合剂而获得呈汽轮形式的模塑体，和(f)烧结该模塑体。
Description
本发明涉及一种借助金属粉末注塑生产内燃机中废气汽轮增压器用减重汽轮的方法。
内燃机用汽轮增压器包括设置在内燃机废气料流中且通过轴与内燃机进气管道中的压缩机连接的废气汽轮。汽轮机使内燃机废气料流旋转并驱动压缩机轮。压缩机轮使该内燃机的进气管道中压力增加使得在进气阶段过程中与在吸气机(suction engine)的情况下相比较大量气体进入气缸。结果，更多氧可用于燃烧相应更大量的燃料。暴露于废气料流的“热”侧的具有复杂几何形状的汽轮通常由耐高温材料通过精密浇铸而生产且与轴通过摩擦焊接而连接。将压缩机轮例如借助螺杆连接而安装在轴的相反端。在汽轮增压器的操作过程中，轴与两个轮一起达到了至多约300000rpm的极高旋转速度。为了实现汽轮增压器的非常快速的反应，旋转部件的惯性应非常低。
与降低汽轮增压器组件重量有关的一个文献为日本首次公布JP2007-120409。该文献公开了汽轮的修整并由此节省材料而降低重量。修整的汽轮借助精密浇铸方法而生产。然而，缺点在于所述精密浇铸方法复杂且昂贵。
金属粉末铸塑(MIM)已知为一种大量生产金属组件，尤其是具有与最终尺寸接近的该类组件的方法。MIM方法允许具有复杂形状的小至中等尺寸的部件廉价且自动地大量生产。
MIM方法包括借助粘合剂使具有球形或不规则形态的金属粉末(该粉末的粒度通常小于100μm)增塑而得到原料。原料的均化在捏合机中进行，随后将原料引入注塑机中。将部分粘合剂(例如合适的蜡)在加热区域中熔融以得到熔体。然后，螺杆将熔体传送至可分离的模具中。在模具的填料完成之后，将熔体再固化并可将组件从模具中去除。粘合剂的去除借助在烧结之前的粘合剂去除步骤进行。取决于粘合剂，将粘合剂以各种方式从该组件中去除。
在粘合剂去除的情况下，通常区分热粘合剂去除(粘合剂经由气相熔出或分解)、溶剂萃取和催化粘合剂去除。粘合剂去除步骤之后为其中借助扩散方法而实现的组件稠化至大于95％，优选甚至大于98％的理论密度的烧结步骤。
在废气汽轮增压器组件的生产中迄今为止均没有使用金属粉末注塑，因为该方法对取代精密浇铸的常规生产方法并不具有足够经济性。
本发明目的是提供一种生产内燃机废气汽轮增压器用汽轮的新经济性方法，借助该方法废气汽轮增压器用减重汽轮可以以简单方式而生产。
该目的通过一种借助金属粉末注塑生产废气汽轮增压器用汽轮的方法实现，该方法包括如下步骤：
(a)提供含有金属粉末和粘合剂的原料，
(b)提供包括要生产的汽轮的阴模的工具以金属粉末注塑该汽轮，
(c)将包含粘合剂的旋转对称性芯引入工艺步骤(b)中提供的工具的阴模并且排列该芯使得该芯绕着要生产的汽轮的旋转轴对称性排列，
(d)通过在该芯周围金属粉末注塑工艺步骤(a)中提供的原料而生产生坯(green body)，
(e)进行粘合剂去除步骤以从生坯去除粘合剂并同时去除该芯以获得呈汽轮形式的模塑体，和
(f)烧结该模塑体。
本发明方法可简单且廉价地生产废气汽轮增压器用汽轮，其具有限定的内部结构的中空空间。限定中空空间的内部结构由在工艺步骤(e)中进行的粘合剂去除步骤中去除芯而形成。这可经济性地生产汽轮，其迄今为止以固体组件借助精密浇铸作为中空组件而大量制造，由此可在汽轮增压器中实现显著的重量降低。该重量降低导致反应更快，燃料需求更低和内燃机效率增加以及显著节省材料。此外，与现有技术中已知的精密浇铸方法相比，本发明方法可以以特别精细的设计生产废气汽轮增压器用汽轮，其壁厚为0.1-1mm。
对本发明而言，术语“原料”通常指包含可烧结金属或陶瓷粉末和粘合剂且适合用于金属粉末注塑的组合物。该类组合物对本领域熟练技术人员已知。对本发明而言，术语“金属粉末”指粉状金属或粉状金属合金或其混合物。作为可以以粉末形式包含在原料中的金属，可提及例如铁、钴、镍、铬、钛、钼、铌和铝；合金例如为镍基合金或钛基合金。合金优选为镍基合金，其可例如以商品名
713获得；这些合金包含74重量％镍，12.5重量％铬，4.2重量％钼，2重量％铌，6重量％铝，0.8重量％钛和0.12重量％碳。在镍基合金的情况下，同样优选可以以商品名
718获得的合金。该基础合金包含50-55重量％镍，17-21重量％铬，＜24重量％铁，2.8-3.3重量％钼，4.8-5.5重量％铌，0.2-0.8重量％铝，0.7-1.1重量％钛和小于0.08重量％碳。在镍基合金的情况下，同样优选
90。
90包含小于0.13重量％碳，2-3重量％钛，1-2重量％铝，小于1.5重量％铁，15-21重量％钴，18-21重量％铬，余量为镍。镍基合金更优选
X。
X为包含0.05-0.15重量％碳，小于0.5重量％铝，0.5-2.5重量％钴，8-10重量％钼，17-20重量％铁，20-23重量％铬，余量的镍的合金。其他合适的合金为包含约15重量％铬，约10重量％铁，5重量％钼，2重量％钛、铌和镍的合金。金属粉末在原料中的比例可在宽范围内变化且通常基于原料为40-70体积％，优选45-60体积％。
本文合适的“粘合剂”原则上为由现有技术已知且适合用于金属粉末注塑的所有体系。粘合剂在原料中的比例可在宽范围内变化且通常基于原料为10-60体积％，优选30-50体积％。合适的粘合剂通常为热塑性树脂，例如聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯和乙烯-乙酸乙烯基酯共聚物。该类粘合剂可通过例如在3-8小时内加热至300-500℃的温度而从生坯中去除。此时，粘合剂热解离。其他合适的粘合剂为可通过用溶剂萃取而从生坯中去除的那些。基于聚甲醛的粘合剂同样适合且通过在含气态酸的氛围下处理生坯而去除。在这些方法中使用的酸通常为质子性酸，即在与水反应时解离为质子(水合)和阴离子的酸。
在本发明优选实施方案中，原料包含如下组分：
A)40-90体积％可烧结的粉状金属或粉状金属合金或其混合物，
B)10-60体积％的如下组分的混合物：
B1)基于B)为80-98重量％，尤其是85-98重量％的聚甲醛均聚物或共聚物，和
B2)2-20重量％，尤其是2-15重量％聚烯烃或聚烯烃混合物。
聚甲醛均聚物或共聚物对本领域熟练技术人员本身已知且描述于文献中。该均聚物通常通过优选在合适催化剂存在下聚合甲醛或三
烷而制备。除了重复单元-OCH2-外，优选的聚甲醛共聚物还包含至多50mol％，优选0.1-20mol％，特别优选0.3-10mol％的如下重复单元：
其中R1-R4各自相互独立地为氢原子、C1-C4烷基或卤素取代的具有1-4个碳原子的烷基，且R5为CH2-、-CH2-O-、被C1-C4烷基或C1-C4卤代烷基取代的亚甲基或相应的氧基亚甲基且n为0-3。可有利地将这些基团通过环醚的开环引入共聚物中。优选的环醚为下式(II)的那些：
其中R1-R5和n如上所定义。仅通过实例可提及氧化乙烯、1，2-氧化丙烯、1，2-氧化丁烯、1，3-氧化丁烯、1，3-二
烷、1，3-二氧戊环和二氧杂环庚环作为环醚和线性低聚缩甲醛或聚缩甲醛如聚二氧戊环或聚二氧杂环庚环作为共聚物。
适合作为组分B1)的其他聚合物为氧基亚甲基三聚体，其例如通过使三
烷，如上所述的环醚之一，与第三个单体，优选下式(III)的双官能化合物反应而制备：
其中Z为化学键、-O-或-ORO-(R＝C1-C8亚烷基或C3-C8环烷基)。优选的该类单体为乙二醇二缩水甘油醚、二环氧甘油醚和缩水甘油醚和甲醛、二
烷或三
烷以2∶1的摩尔比的二醚，以及衍生自2mol缩水甘油醚化合物和1mol具有2-8个碳原子的脂族二醇的二醚，例如乙二醇、1，4-丁二醇、1，3-丁二醇、环丁-1，3-二醇、1，2-丙二醇和环己-1，4-二醇的二缩水甘油醚，仅仅为一些实例。
制备上述均聚物和共聚物的方法对本领域熟练技术人员已知且描述于文献中，使得这里的其他细节是多余的。优选的聚甲醛均聚物和共聚物具有的熔点为至少150℃，分子量(重均)为5000-150000，优选7000-60000。
组分B2)包含聚烯烃或其混合物。作为聚烯烃可提及具有2-8个碳原子，尤其是2-4个碳原子的那些及其共聚物。特别优选聚乙烯和聚丙烯及其共聚物，这对本领域熟练技术人员已知且可例如以商品名
和
由BASF SE市购。
作为组分C)，在本发明方法中使用的粘合剂可包含0-6体积％，优选1-5体积％的分散剂。本文可仅仅通过实例提及平均分子量为200-600的低聚聚氧化乙烯、硬脂酸、硬脂酰胺、羟基硬脂酸、脂肪醇、脂肪醇磺酸酯以及氧化乙烯和氧化丙烯的嵌段共聚物。
此外，粘合剂可还包含常规添加剂和加工助剂，其有利地影响混合物在成型过程中的流变性能。
原料通常通过优选在双螺杆挤出机中在优选150-220℃，尤其是170-200℃的温度下熔融组分B)而生产。随后，将金属粉末A)以所需量引入处于相同范围的温度下的粘合剂(组分B))的熔融料流中。
在本发明方法的工艺步骤(b)中，提供了包括要生产的汽轮的阴模的工具。根据本发明，这适合用于金属粉末注塑汽轮。该类工具对本领域熟练技术人员已知且不必须就此更详细地描述。该工具通常为允许芯去除的工具。
在提供了包括要生产的汽轮的阴模的工具之后，将旋转对称性芯在本发明方法的工艺步骤(c)中引入该工具的阴模中。旋转对称性芯为辅助件，借助其将中空空间结构引入汽轮中。根据本发明，该芯以使得其绕着要生产的汽轮的旋转轴对称性存在的方式排列在阴模中。“绕着旋转轴对称性”指该芯以使得其不可能由于其排列而引起产生的汽轮不平衡的方式排列在阴模中。该芯包含以上定义的粘合剂或由如上所定义的粘合剂构成，由此将其在汽轮生产过程中在进行本发明方法且留下对旋转轴对称性排列的中空空间结构之后完全由汽轮去除。根据本发明通用实施方案，将该芯在合适的调节设备上引入该工具并固定。该调节设备可例如为将该芯固定在其上的栓或杆。然后，可将构成该芯的粘合剂或粘合剂组分扩散出在粘合剂去除步骤过程中调节设备在生坯中留下的中空空间。
在本发明方法的工艺步骤(d)中，将在工艺步骤(a)中提供的原料注入该芯周围的阴模以产生生坯。常规的螺杆或活塞注塑机可用于进行工艺步骤(d)中的注塑。原料的成型通常在60-200℃的温度下和300-2000巴的注射压力下在具有的温度为60-150℃的工具中进行。这产生了具有要生产的汽轮的结构并包含由粘合剂构成的芯的生坯。
为了由原料去除粘合剂并由生坯去除芯，进行粘合剂去除步骤，即工艺步骤(e)从而获得具有汽轮形状的模塑体。粘合剂去除步骤根据所选粘合剂进行。粘合剂去除步骤的进行可通过本领域熟练技术人员通过例如测定生坯的种类变化而监控。如果使用包含组分A)、B)和任选C)的优选粘合剂，则粘合剂去除步骤通常在20-180℃的温度下在含气态酸的氛围下进行0.1-24小时，优选0.5-12小时。合适的处理用酸为无机酸，其在室温下为气态或至少在处理温度下可汽化。例如可提及氢卤酸和HNO3。合适的有机酸为具有的沸点在大气压力下小于130℃的那些，例如甲酸、乙酸或三氟乙酸或其混合物。其他合适的酸为BF3和其与有机醚类的加合物。所需处理时间非常通常地取决于处理温度和在处理氛围中酸的浓度。如果使用载气，则通常事先通过酸并负载酸。然后将负载的载气达到处理温度，其有利地高于负载温度从而避免酸缩合。优选将酸经由计量设备混入载气并将该混合物加热使得酸不再缩合。
粘合剂去除步骤还可以以两步进行。进行第一步中的处理直到粘合剂的聚甲醛组分B1)已去除至至少80重量％，优选至少90重量。这可容易地由生坯的重量减少而识别。随后，将以这种方式得到的模塑体在250-500℃，优选350-450℃下加热0.1-12小时，优选0.3-6小时，从而基本上去除所有的残留粘合剂。
可将粘合剂去除步骤中不含粘合剂的模塑体以常规方式通过烧结转化成金属模塑体。在烧结过程中，模塑体稠化并收缩而形成具有最终几何性能的组件。在烧结过程中，模塑体因此变得更小，其中各尺寸在空间中在所有三个方向均匀收缩。取决于粘合剂含量，线性收缩通常为10-20％。烧结可在各种保护气体或在减压下进行。工艺步骤f)通常在250-1500℃的温度下进行。烧结时间通常为1-12小时，优选2-5小时。在本发明优选实施方案中，在工艺步骤f)的烧结过程中使用在烧结过程中支撑模塑体以至少主要防止组件变形的固定设备。在本发明实施方案中，该固定设备以心轴形式与组件固定。在本发明特别优选的实施方案中，在烧结过程中，使用一种或多种其材料组成和壁厚与要生产的汽轮的材料组成和壁厚相匹配的固定设备。这保证了在烧结过程中要烧结的模塑体和相应的固定设备稠化和收缩至相同程度。为了避免在烧结过程中组件和固定设备之间的反应或扩散并由此避免组件和固定设备烧结在一起，各固定设备的一个表面至少部分涂覆。涂覆固定装置在其中与要烧结的模塑体接触的至少那些部分的表面。固定设备还可在所有侧均涂覆。当然，所用涂料取决于要烧结的模塑体的材料或材料组成。优选将陶瓷涂料或亚硝酸钛涂料用于固定设备。
在本发明优选实施方案中，工艺步骤(c)中引入的芯包含与含在原料中的相同的粘合剂。这有利于保证芯和含在原料中的粘合剂的去除可在相同工艺步骤中进行。
工艺步骤(c)中引入的旋转对称性芯的尺寸和/或几何形状可在宽范围内变化。芯的尺寸的选择通常使得它的体积为汽轮体积的约5-60％，优选汽轮体积的45-55％。芯的引入和由此得到的中空空间结构得到了可以以简单方式生产且具有与由现有技术已知的汽轮相比显著降低的重量的汽轮。此外，本发明方法允许生产具有可去除的芯的汽轮。
将芯引入具有显著厚度和物质的积累的汽轮的中心区域可避免通常存在的空隙和缺陷。芯的几何形状可由本领域熟练技术人员根据汽轮的几何形状选择。具有锥形几何形状、球形几何形状、椭圆形几何形状、圆柱形几何形状或非常通常旋转对称性几何形状的芯通常是合适的。作为芯，在本发明优选实施方案中，还可选择几何形状近似重现了汽轮的几何形状的芯，由此可获得壁厚的选择使得它们在操作过程中经受在其上作用的力的特别重量优化的汽轮。
在生产本发明汽轮之后，汽轮通常通过摩擦焊接或直接注塑与轴连接并随后平衡。
在本发明的一个实施方案中，将工艺步骤(f)获得的汽轮借助金属注塑与轴在另一工艺步骤(g)中连接。
本发明通过以下附图和实施例说明。
图1显示了用于内燃机的废气汽轮增压器用汽轮1的截面图。
显示于图1中的用于内燃机的废气汽轮增压器用汽轮1具有借助本发明方法形成的中空空间结构2。该中空空间结构位于汽轮的中心且绕着汽轮1的旋转轴呈对称性。
实施例
作为原料，使用可注塑造粒材料而生产耐热镍高温合金(DIN 2 4632)的烧结模塑体，这以商品名
N90由BASF SE市购。
将原料在Engel ES80/10热塑注塑机上加工。
机器上的设置如下：
在进行注塑之前，将包含粘合剂并具有约6cm3的体积的芯引入该工具的阴模。
粘合剂去除在110℃下在HNO3氛围中进行。为此使用体积为50L且提供有酸以30ml/h引入且洗涤气流(氮气)为500L/h的Heraeus VT 6060MU2粘合剂去除烘箱。粘合剂去除方法在粘合剂损失基于生坯的起始重量为7.7％之后完成。
烧结在100％氩气氛围下进行。所用氩气为干净且干燥的(99.98％，露点＜-80℃)。烧结循环如下：
室温-5K/分钟-60℃，保持1小时，
600℃-5K/分钟-1325℃，保持3小时，
熔炉冷却。
为了使汽轮实现非常高的密度，将组件在1185℃的温度下在1000巴的压力下保持4小时。
为了进一步优化强度性能，随后进行两步热处理。在步骤1中，将汽轮在减压下在1080℃下在900毫巴的氩气下加热8小时。在步骤2中，在减压下在705℃下在900毫巴的氩气下处理半制品16小时。
这得到体积为7.5cm3且比实心汽轮轻三分之一的汽轮。
Claims (9)
1.一种借助金属粉末注塑生产废气汽轮增压器用汽轮(1)的方法，包括如下步骤：
a)提供含有金属粉末和粘合剂的原料，
b)提供包括要生产的汽轮(1)的阴模的工具以金属粉末注塑所述汽轮(1)，
c)将包含粘合剂的旋转对称性芯引入工艺步骤(b)中提供的工具的阴模并且排列所述芯使得所述芯绕着要生产的汽轮(1)的旋转轴对称性排列，
d)通过在所述芯周围金属粉末注塑工艺步骤(a)中提供的原料而生产生坯，
e)进行粘合剂去除步骤以去除粘合剂并同时去除所述芯以获得呈汽轮(1)形状的模塑体，和
f)烧结所述模塑体。
2.根据权利要求1的方法，其中在工艺步骤(c)中引入包含含在工艺步骤(a)中提供的原料中的粘合剂的芯。
3.根据权利要求1或2的方法，其中在工艺步骤(a)中提供包含如下组分的原料：
(A)40-90体积％可烧结的粉状金属或粉状金属合金或其混合物，
(B)10-60体积％的作为粘合剂的如下组分的混合物：
(B1)80-98重量％的聚乙烯均聚物或共聚物，和
(B2)2-20重量％的聚烯烃或聚烯烃混合物，以及
(C)0-5体积％分散剂。
4.根据权利要求1-3中任一项的方法，其中在工艺步骤(a)中提供包含镍基合金或钛基合金作为金属粉末的原料。
5.根据权利要求1-4中任一项的方法，其中在工艺步骤(f)中将所述模塑体安装在至少一个固定设备中。
6.根据权利要求1-5中任一项的方法，其中在工艺步骤(c)中引入体积为汽轮体积的5-60％的芯。
7.根据权利要求1-6中任一项的方法，其中工艺步骤(e)在20-180℃的温度下进行。
8.根据权利要求1-7中任一项的方法，其中工艺步骤(f)在250-1500℃的温度下进行。
9.一种具有中空空间结构的废气汽轮增压器用汽轮，其绕着汽轮的旋转轴呈对称性且体积为汽轮体积的5-60％。
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