WO2010139571A1 - Verfahren zur herstellung eines läufers eines turboladers - Google Patents

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WO2010139571A1
WO2010139571A1 PCT/EP2010/057143 EP2010057143W WO2010139571A1 WO 2010139571 A1 WO2010139571 A1 WO 2010139571A1 EP 2010057143 W EP2010057143 W EP 2010057143W WO 2010139571 A1 WO2010139571 A1 WO 2010139571A1
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WO
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impeller
shaft
turbocharger
metal powder
injection molding
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PCT/EP2010/057143
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Ralf Böning
Ralph-Maurice KÖMPEL
Günter Münch
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Continental Automotive Gmbh
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    • F05D2230/21—Manufacture essentially without removing material by casting
    • F05D2230/211—Manufacture essentially without removing material by casting by precision casting, e.g. microfusing or investment casting

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a rotor of a turbocharger, wherein the rotor has at least one impeller which is attached to a shaft.
  • Turbochargers generally have a turbine which is arranged in an exhaust gas flow and via a shaft with a
  • Compressor is connected in the intake. On the shaft usually a turbine wheel and a compressor wheel are arranged. The turbine wheel of the turbine is driven by the exhaust gas flow of a connected engine and in turn drives the compressor wheel of the compressor. This increases the
  • Compressor the pressure in the intake manifold of the engine, so that during the intake stroke, a larger amount of air enters the cylinder. This has the consequence that more oxygen is available and a correspondingly larger amount of fuel can be burned.
  • Turbine wheels of turbochargers are usually made of a high-temperature nickel alloy, which is melted and cast in a vacuum, as described for example in the book titled "Exhaust gas turbocharger", published by Modern Industry on pages 56 to 58.
  • the required ceramic shell molds For each finished turbine wheel, a 1: 1 wax model is required, several of which are glued together into so-called casting screws.Through repeated dipping into a ceramic slurry followed by sanding, a 6 to 10mm thick refractory ceramic shell is created around the casting screws.
  • the wax models are melted out and the molds are fired.
  • the casting is made by pouring into the hot molds.After cooling, the castings are separated and machined.
  • the turbine wheel is friction welded to the shaft Welding is done by the stress relief annealing and the machining of the shaft. After hardening of the bearings, the Turbine rotor again subjected to a heat treatment. The machining of the shaft to the final dimensions is done by grinding.
  • the turbine wheel of the turbocharger produced in this way has only a rough microstructure with sometimes very large grains.
  • the grain size of a part can be between 1 to 30 times.
  • the mechanical properties and the blade natural frequencies thus show a high spread.
  • Voids or ceramic and oxide inclusions damage will occur in the field application.
  • the object of the present invention to provide an improved rotor of a turbocharger, wherein the rotor has at least one impeller and a shaft to which the impeller is attached.
  • the present invention provides a method of manufacturing a rotor having at least a turbocharger impeller and a turbocharger shaft, wherein the turbocharger impeller and / or the turbocharger shaft is made by metal powder injection molding (MIM).
  • MIM metal powder injection molding
  • the method has the advantage that a runner can be made with a finer structure than the previously known runner from investment casting.
  • the metal powder injection-molded component, ie, the impeller and / or the shaft, due to the finer structure also has a much lower tendency to cracks and microcracks than conventional precision casting parts.
  • the impeller and the shaft are formed as two separate parts.
  • One or both parts are preferably produced by means of metal powder injection molding and are interconnected by means of sintering.
  • the joining of the two parts by means of sintering has the advantage that can be dispensed with the previously complex connection by welding.
  • the impeller and / or the shaft is also post-treated by hot isostatic pressing (HIP) or hot isostatic pressing.
  • HIP hot isostatic pressing
  • the fact that the pores of the impeller or the shaft to be pressed can not cause microcracks.
  • the impeller can also be fastened to the turbocharger shaft by means of electron beam welding and the costly friction welding can be dispensed with.
  • even more advantageous is the attachment of the impeller to the shaft by means of sintering, as described above.
  • the metal powder injection molding of the impeller and / or the shaft comprises the method steps, according to which an injection mold for the impeller and / or the shaft is provided, which consists for example of steel or another metal. Furthermore, a mixture of at least one metal powder and at least one binder is provided as the injection molding starting material or as so-called feedstock. This mixture is then injected via a corresponding injection molding machine in the injection mold. Later, the finished wheel and / or the shaft removed from the injection mold. The process is much simpler than the previous investment casting process, in which, for example, an impeller shape has to be produced very costly by means of wax and ceramic.
  • the impeller and / or the shaft is debinded following injection molding to remove the binder from the impeller or shaft.
  • the debindering of the impeller and / or the shaft can take place by means of a thermal and / or catalytic and / or solvent debinding or extraction debindering or another suitable debinding method.
  • Pressure vessel device or the pressure vessel device is further rinsed with inert gas and filled and then heated.
  • the impeller and / or the shaft is maintained at a predetermined temperature or pressure for a predetermined period of time sufficient to close the pores of the impeller or shaft. Subsequently, the impeller and / or the shaft is cooled. In this way, the microstructure of the impeller and / or the shaft can be further improved, so that the impeller can also be fixed, for example by means of electron beam welding to a shaft of the turbocharger without the risk of
  • the shaft or at least at least a portion of the shaft is provided with an additional coating.
  • the coating is, for example, a metal coating, for example a chromium coating.
  • the coating has the advantage that the oil wettability and the wear resistance can be improved.
  • a heat-throttling device can be provided between the shaft and the impeller, for example at least one ceramic part. This has the advantage that the heat transfer between impeller and shaft can be reduced.
  • Fig. 1 is a sectional view of a first embodiment of a turbocharger rotor according to the invention
  • Fig. 2 is a sectional view of a second embodiment of a turbocharger rotor according to the invention.
  • Fig. 3 is a sectional view of a turbocharger rotor according to the prior art
  • Fig. 4 is a sectional view of another
  • Fig. 5 is a sectional view of a third embodiment of a turbocharger rotor according to the invention.
  • FIG. 6 is a schematic diagram for the production of the so-called feedstock or starting material
  • Fig. 7 is a schematic diagram for producing a green compact
  • Fig. 10 is a schematic representation of the so-called. Hot Isostatic
  • MIM Metal Injection Molding
  • metal injection molding process
  • Fig. 12 shows a detail of a structure of a part, which has been produced by means of investment casting.
  • an impeller of a turbocharger for example a turbine wheel or a compressor wheel, and / or a shaft is produced by means of the so-called metal injection molding process (MIM) or metal powder injection molding process.
  • the starting material used is a mixture of a metal powder and a plastic as binder.
  • the mixture is injected into an impeller mold, for example of steel.
  • the plastic as a binder can then be removed, for example, thermally or catalytically with an acid from the injection molded part again.
  • the metal powder injection molding (MIM) method has the advantage over the casting method previously described with respect to the prior art that the impeller or shaft has a significantly finer grain size and, accordingly, a smaller grain size distribution.
  • the impeller and / or the shaft produced in a further process step by means of the so-called.
  • Hot Isostatic Aftertreatment (HIP) or hot isostatic pressing process In this case, the impeller and / or the shaft is positioned in a pressure vessel. This is rinsed with a protective gas and heated accordingly. With increasing temperature and the pressure in the pressure vessel increases until a predetermined setpoint or target range for the pressure and the corresponding temperature is reached.
  • HIP hot isostatic pressing
  • the impeller may also be friction welded to the shaft or other suitable method to form a rotor.
  • the shaft can, as described above, also be produced by means of the metal powder injection molding process (MIM) and optionally additionally treated by means of hot isostatic pressing (HIP).
  • MIM metal powder injection molding process
  • HIP hot isostatic pressing
  • impellers ie the compressor impeller and the turbine wheel
  • MIM metal powder injection molding process
  • HIP hot isostatic pressing
  • the metal injection molding process or MIM for the production of, for example, an impeller of a turbocharger will first be described in more detail with reference to FIGS. 6 to 9.
  • the impeller can be prepared according to the shaft and / or a combination of at least one impeller and a shaft.
  • Fig. 1 is a sectional view of an embodiment of a turbocharger rotor 1 is shown according to the invention.
  • the turbocharger rotor 1 has a shaft 2, wherein on a End 3 of the shaft 2, a first impeller 11 is attached as a separate component, such as a turbine wheel. At the other end 4 of the shaft 2 can be fixed according to a second impeller, for example, a compressor wheel (not shown).
  • the first impeller or turbine wheel 11 in Fig. 1 may e.g. consist of or have a nickel-based alloy.
  • the shaft 2 may be made of a tempered steel, for example.
  • the first impeller 11 is produced by means of the metal powder injection molding process (MIM) and can optionally also be post-treated by means of hot isostatic pressing (HIP).
  • MIM metal powder injection molding process
  • HIP hot isostatic pressing
  • the shaft 2 may be formed as a separate part and later connected to the impeller 11, for example by sintering.
  • the shaft 2 can be like the impeller 11 also by means of
  • the shaft 2 may be e.g. how the impeller 22 with reference to Figs. 5 to 10 are made.
  • the shaft 2 can also be produced in a conventional manner and connected to an impeller 11 which is produced by means of the metal powder injection molding process (MIM) and optionally additionally treated by means of hot isostatic pressing (HIP).
  • the impeller 11 may also be conventionally manufactured as a precision casting and be connected to a shaft 2 which is produced by means of metal powder injection molding (MIM) and optionally additionally treated by means of hot isostatic pressing (HIP).
  • the invention is not limited to connecting impeller 11 and shaft 2 by means of sintering, but it is preferable because it has advantages over the previous welding methods.
  • the impeller is made by metal powder injection molding (MIM)
  • the step of sintering the impeller is performed, for example, only when the impeller is connected to the shaft or to simultaneously connect the impeller to the shaft.
  • the shaft can also be made by means of metal powder injection molding (MIM) or, for example, from investment casting.
  • the step of sintering the shaft is performed, for example, only when the shaft is connected to the impeller or to connect the shaft with the impeller.
  • the respective metal powder injection-molded part, ie the shaft and / or the impeller can be aftertreated by hot isostatic pressing (HIP).
  • the shaft 2 can also be connected to the impeller 11 by means of, for example, friction welding or electron beam welding, to name only two examples of a method for connecting shaft and impeller.
  • the shaft 2 and one or both wheels 11, i. alternatively, the turbine wheel 11 and the compressor wheel 1 of the rotor 1 are also integrally formed with each other, instead of being connected as two separate parts as in FIG. 1.
  • the shaft 2 and at least one impeller 11 can be produced by means of the metal powder injection molding process (MIM).
  • MIM metal powder injection molding process
  • a common shape is provided, which forms the turbine impeller 11 and the shaft 2 and into which the starting material for the shaft 2 and the impeller 11, is injected via an injection molding machine.
  • the starting material is a mixture of a metal powder and a binder, as will be described in more detail below with reference to the example of manufacturing an impeller 11 in FIGS. 5 to 10.
  • the same starting material can be used for the shaft 2 and the impeller 11 or different starting materials in each case. If different starting materials for the impeller and the shaft is used, then in the common form between the impeller and shaft optionally additionally a separating element (not shown) can be arranged.
  • the separating element is an optional feature and can also be omitted.
  • the separator separates the portion of the impeller with the impeller starting material from the portion of the shaft with the shaft stock.
  • the separating element is designed as a green body and may have any desired shape. It can completely or partially separate the area between the shaft and the impeller and be configured, for example, as a flat plate, and optionally additionally comprise, for example, at least one projection and / or one recess, wherein the projection and / or the recess can additionally be provided, for example, with an undercut ,
  • turbocharger rotor 1 is demolded from the mold and subjected to a debinding process. After the binder removal process, sintering of the turbocharger rotor 1 can optionally additionally take place. Furthermore, the turbocharger rotor 1 can additionally be aftertreated by means of hot isostatic pressing (HIP).
  • HIP hot isostatic pressing
  • MIM metal powder injection molding
  • HIP hot isostatic pressing
  • the surface of at least one or all bearing points on the turbocharger rotor 1 or the shaft 2 can optionally be additionally reworked, for example, to obtain better oil wettability and / or wear resistance.
  • the respective bearing point on the shaft 2 can be coated, for example, be chrome-plated or provided with another suitable coating of metal or a metal alloy and / or other suitable material. This applies to all embodiments of the invention.
  • Fig. 3 is further shown a sectional view of a turbocharger rotor 1 according to the prior art.
  • the impeller 11 is manufactured as a precision casting, as previously described with reference to the prior art.
  • a connection portion 5 for fixing the impeller 11 to the shaft 2 is processed accordingly to receive the impeller 11 with the connection portion 5 in a receptacle 6 of the shaft 2.
  • the impeller 11 is fastened with its connection portion 5 in Fig. 3 by means of friction welding to the shaft 2.
  • Fig. 4 is a sectional view of another
  • Turbocharger rotor 1 according to the prior art.
  • the impeller 11 of the turbocharger rotor 1 is also made as a precision casting and is secured by means of electron beam welding to the shaft 2.
  • the connection portion of the impeller 11 and the shaft 2 is also machined in each case and then the impeller 11 is welded together with the shaft 2 at its connection portions by means of electron beam welding.
  • Fig. 5 shows a sectional view of a second embodiment of a turbocharger rotor 1 according to the invention.
  • the turbocharger rotor for example, at least a separate impeller 11 and a shaft 2, on which the impeller 11 is fixed.
  • the impeller 11 and / or the shaft 2 are in this case, as previously described with reference to FIG. 1, produced by means of the metal powder injection molding (MIM) and optionally additionally treated by means of hot isostatic pressing (HIP).
  • MIM metal powder injection molding
  • HIP hot isostatic pressing
  • the turbocharger rotor 1 between the Impeller 11 and the shaft 2 at least one
  • Heat-throttling device 7 on.
  • the heat-throttling device 7 reduces the heat transfer between the impeller 11 and the shaft 2 and thus to the bearings.
  • a heat-throttling device 7 between at least one impeller 11, i. the turbine runner or the compressor runner, and the shaft 2 are provided.
  • the heat-throttling device 7 consists for example of ceramic or of another suitable material or material combination.
  • the heat-throttling device. 7 eg be introduced in the metal powder injection molding process. More specifically, the heat-throttling device 7 can be sprayed together with the impeller 11 and the shaft 2 in the metal powder injection molding process, and thus a one-piece turbocharger rotor 1 with heat-throttling device 7 are formed.
  • the heat-throttling device 7 can be partially or completely injected into the impeller 11 or the shaft 2 when the impeller 11 or the shaft 2 is manufactured as a separate part by the metal powder injection molding process. If the heat-throttling device 7, as shown in the example in Fig. 5, e.g. only partially injected into the impeller 11 in metal powder injection molding, so a corresponding receptacle 8 is provided on the shaft 2, in which the from the
  • Impeller 11 outstanding section of the heat-throttling device 7 can be added. Subsequently, the shaft 2 and the impeller 11 are secured together, preferably by sintering.
  • connection of shaft 2 and impeller 11 by means of sintering has the advantage that the more complex welding technique, as in FIGS Fig. 3 and 4 is shown, may be omitted.
  • the connection takes place by in the manufacture of the impeller 11, for example of the turbine wheel, already necessary sintering.
  • Another advantage is that no welding defects can occur due to the omission of the welding process, such as cracks, pores, binding defects, etc. Added to this is the energy saving and the elimination of the costly maintenance of the welding equipment and devices.
  • the mechanical processing of the welding connection or of the respective connection section, as shown in FIGS. 3 and 4, is eliminated.
  • FIG. 6 the principle of the production of the so-called. Feedstock or starting material 10 for the metal powder injection molding method for producing a turbocharger impeller is shown.
  • the illustration in FIG. 6 is greatly simplified and purely schematic. This applies correspondingly to the following figures 6 to 11.
  • a metal powder 12 or a combination of two or more metal powders is mixed with a binder 14 or a combination of two or more binders.
  • the binder 14 consists in this case for example of plastic or has this on and will be removed later.
  • binders 14 or binder systems are used in the production of metal powder injection molding compounds 10.
  • various binders 14 or binder systems are used.
  • a corresponding binder 14 or binder system is to be achieved to homogenize the metal powder 12 for the corresponding injection molding machine.
  • the aim of the preparation is the sheathing of the powder particles with the binder 14 or binder system, the destruction of agglomerates and the production of a homogeneous or substantially homogeneous granules or "feedstock" 10.
  • feedstock 10 for the injection molding of metal powders
  • all commercially available, sinterable powder can be used with a suitable grain size.
  • Metal powders 12 use metals as well as metal alloys.
  • turbine wheels for example, metals or metal alloys are used as metal powder.
  • turbine wheels are made from Inco 713C, MARM-246, IN-100, GMR 235 and / or nickel base alloy turbochargers, and the like
  • the invention is not limited to the materials mentioned for turbine wheels. Any other metal or metal alloy can also be used. In a compressor wheel, this may be made of the same material as the turbine wheel or of another suitable material or metal or metal alloy which is suitable for use in a compressor of the turbocharger.
  • binder 14 or binder system is based, for example, on polyolefin wax mixtures. By slow heating, the wax is melted out of the green body, where as green compacts the components are referred to after injection molding. This process is referred to as debindering and then present molding as Braunling or blue.
  • binder 14 or binder system concern partially soluble systems.
  • a part of the binder may be e.g. be dissolved out in organic solvents.
  • organic solvents for example, polyalcohols or polyvinyl alcohols are used which are water-soluble and biodegradable.
  • binders or binder systems which are based on the catalytic degradation of, for example, polyoxymethylene (POM) by acids.
  • POM polyoxymethylene
  • the polymer chains are e.g. depolymerized from the ends and degraded to formaldehyde. It is a solid-gaseous phase transition. The process takes place from the outside in, which ensures a damage-free debindering.
  • binders 14 are only a few examples of types of binders 14 or binder systems, which can be used in the production of an impeller of a turbocharger by means of metal powder injection molding.
  • the invention is not limited to these examples.
  • any type of binder 14 or binder system can be used, which is suitable with the corresponding
  • FIG. 7 furthermore shows a schematic representation for the production of a green compact 16.
  • the green compact 16 is referred to as the component following injection molding.
  • the starting material 10 i. the mixture of the metal powder 12 and the binder 14, injected via an injection molding machine 18 in a corresponding shape 20 for the impeller of the turbocharger.
  • the starting material is injected, for example, into tempered molds 20, for example by means of water or oil, in the form of liquid-tempered molds.
  • tempered molds 20 is e.g. from steel.
  • the invention is not limited to such tempered forms. Any shape suitable for metal powder injection molding of turbocharger impellers may be used.
  • Fig. 8 is a schematic diagram shown for producing a Bläulings 22. Often also Braunling is used instead of the term Bläuling.
  • the Laufraqueleil or the green compact 16 is subjected to a debinding process after the injection molding and demolding to produce the Bläulings 22. In the debinding process, the binder 14 becomes or the binder system removed from the green compact 16 to form the blue 22.
  • binders 14 As described above, there are different types of binders 14 or different binder systems. These different binders 14 also require different debinding processes. This is referred to as thermal, catalytic or solvent debinding (for example with water or acetone). After debindering you get the so-called “Bläuling” 22 or "Braunling".
  • the impeller 11 or the impeller blank 16 or the green compact 16 is subjected to a heat treatment in which the binder is removed by heating the green compact 16 therefrom.
  • the so-called browning or the so-called blueing 22 is obtained.
  • the green compact 16 is deposited in a furnace 24 and the furnace 24 is heated in a defined manner.
  • the subsequent step of sintering follows. The sintering process will be described in detail below with reference to FIG. 9.
  • the binder is removed from the structure 45 of the green body 16 during debinding.
  • FIG. 9 further shows a basic illustration of the sintering process of the impeller 11. After debindering, the brownlings 22 undergo another thermal process called sintering. As shown in Fig. 9, the impeller 11 and the bloom 22 are heated in a corresponding furnace 28 to a predetermined temperature and cooled at a sintering temperature after a predetermined residence time.
  • loosely bound powder accumulations are converted into a solid composite by a heat treatment process.
  • the general form of the sintering process consists of a non-isothermal heating phase and a subsequent isothermal residence time at sintering temperature. Subsequently, the more or less densely sintered component is controlled at a slow cooling rate to room temperature. For heat treatment effects, it can also make sense to let the component cool down quickly or more quickly.
  • the step of sintering can now be used according to the invention to simultaneously connect the impeller 11 with a turbocharger shaft.
  • the impeller 11 and the turbocharger shaft are connected to each other and sintered together.
  • the impeller is then placed on the shaft and then both sintered.
  • the turbocharger shaft can also be used as a separate part, for example by means of metal powder injection molding or e.g. manufactured as investment casting and connected at the same time in the step of sintering the impeller with the impeller.
  • one or both wheels also with the
  • Turbocharger shaft are integrally formed, for example by means of metal powder injection molding and thereby subjected to a common sintering.
  • FIG. 10 shows a schematic representation of the so-called hot isostatic pressing method (HIP) or hot isostatic pressing method.
  • a pressure vessel device 30 is shown in a partial sectional view in FIG. 10 purely schematically and greatly simplified.
  • the pressure vessel device 30 in this case has a pressure vessel device 32 and a loading device 33 or a loading container 33 for receiving one or more components to be treated, here turbocharger wheels 11.
  • the turbocharger wheels 11 consist for example of the material Inco 713C.
  • a heating device 34 here a furnace device, provided for later heating of the pressure vessel device 32 with the impeller 11.
  • the pressure vessel device 32 in this case has a closure lid 47 for closing the pressure vessel device 32 after loading with the impeller to be treated 11. Furthermore the pressure vessel device 32 on a heat shield 49.
  • the pressure vessel device 30 is furthermore connected to a gas supply device 36 via which inert gas can be supplied to the pressure vessel device. Furthermore, a compressor 38 and a filter device 40 is provided, wherein the compressor 38 flushes and fills the pressure vessel device 32 or the pressure chamber with protective gas. The filter device 40 in turn cleans the incoming protective gas. On the outer circumference of the pressure vessel device 30, a cooling jacket 42 is further provided, circulates in the cooling water from a connected cooling water tank device 44.
  • HIP hot isostatic pressing
  • the pressure vessel device 32 with inert gas, such as argon, via the gas supply means 36 and the compressor 38 rinsed and filled.
  • the pressure vessel device 32 is heated by the heater 34, for example, to a predetermined temperature, whereby a very high pressure in the interior of the pressure vessel device 32 is formed.
  • the pores in the impeller 11 are compressed from Inco 713C.
  • the impeller 11 is kept at a predetermined temperature or pressure for up to 4 hours or longer in the pressure vessel device 34.
  • FIG. 11 shows a section of a structure 45 of a component made from the material IN-713C, which has been produced according to the invention by means of metal powder injection molding (MIM) and subsequently after-treated by means of hot isostatic pressing (HIP).
  • MIM metal powder injection molding
  • HIP hot isostatic pressing
  • a different temperature and a different pressure in the pressure vessel device can be selected. The same applies to the length of stay in the
  • Pressure container means means.
  • the details are merely exemplary for explaining the principle of the invention. The invention is not limited to these details.
  • the structure 45 of the component for example one
  • Turbocharger impeller in FIG. 11, has no casting defects, such as oxide skins, voids (including micro-shrinkers), ceramic inclusions, gas pores or holes.
  • the microstructure is a homogeneous fine-grained microstructure containing only a few precipitates 46, i. intermetallic phases having grain boundaries 48.
  • FIG. 12 shows a section of a structure 45 of a component made of the material GMR 235, which has conventionally been produced by means of the precision casting method.
  • the microstructure 45 in FIG. 12 has casting defects, such as voids 50 or micropipes. Furthermore, the structure 45 is clear It also has significant precipitates 46 in the form of intermetallic phases at grain boundaries 48.
  • An impeller 11 of a turbocharger, in particular a turbine wheel, which is produced according to the invention by means of metal powder injection molding (MIM) and hot isostatic pressing (HIP) has the advantage that it is much less prone to hot cracks than a conventional precision investment impeller.
  • the impeller according to the invention 11 has a much finer grain structure with fewer precipitates on the grain boundaries. Furthermore, it has a higher ductility.
  • an impeller made of precision casting has a ductility of 8% while an impeller according to the invention has a ductility of, for example, 25%.
  • Another advantage of the impeller 11 according to the invention are its lower production costs, since the number of processing steps is significantly lower than in an impeller made of precision casting, as can be seen from Table 1.
  • Metal injection molding are produced and by means of the conventional investment casting process.
  • An inventive component has a higher density, as well as a higher hardness and a lower modulus of elasticity in comparison to the conventional precision casting components.
  • Turbocharger impeller by metal powder injection molding (MIM) and an additional after-treatment if necessary by means of hot isostatic pressing (HIP) is a complete change of the previously known manufacturing method by precision casting for wheels, especially turbine wheels.
  • MIM metal powder injection molding
  • HIP hot isostatic pressing
  • Blade internal frequencies reduced. As a result, a better estimate of the maximum speed is possible, the operation is excluded in resonances.
  • the impeller produced in the metal powder injection molding (MIM), which is also post-treated by means of hot isostatic pressing (HIP), as described above, has a particularly fine-grained structure in which the grain boundaries and precipitates are not so pronounced. As a result, the tendency to crack is reduced or no longer occurs.
  • the shaft of a turbocharger can be connected to an impeller thus produced by means of electron beam welding, wherein a crack-free electron beam welding is possible, in contrast to the prior art.
  • the turbine wheel is connected to the shaft by friction welding. This is due to the fact that the turbine wheel of a turbocharger manufactured in investment casting has a rough structure with partially very large grains.
  • the grain size can, for example, be between 1 and 30 times as described above.
  • the microstructure shows grain boundaries with low-melting precipitates (mixed crystals). These tend to microcracks in the heat affected zone during electron beam welding. In high-load applications, as is the case with turbochargers, it can therefore cause damage, as the microcracks initiate fatigue fractures. Therefore, the more expensive variant of friction welding is used in some cases.
  • the impeller and the shaft are interconnected by means of sintering.
  • the connection of impeller and shaft by means of sintering has the advantage that can be dispensed with the very expensive and expensive welding.
  • the turbocharger rotor may be made by metal powder injection molding (MIM) from at least two components, such as shown in Figures 1 and 5, with one component being the impeller and the other component being the shaft.
  • MIM metal powder injection molding
  • the two components can be injected, for example, in the metal powder injection molding process in, for example, a common shape, where they may have the same or different starting materials, or injected separately in a corresponding metal powder injection molding process in a separate form and then mounted.
  • the connection of the two components is then preferably by sintering.
  • An optional additional, downstream hot isostatic pressing (HIP) compresses the through the
  • Metal powder injection molding process resulting inner pores in the respective component. Thereafter, the runner can optionally additionally tempered and finished, for example.
  • a heat-throttling device may be additionally provided, if necessary, on one or both impellers or on one or both ends of the shaft, e.g. in the form of a ceramic part or ceramic plate.
  • turbocharger rotor or the shaft with at least one or both wheels in a metal powder injection molding of a part or in one piece and the surface of the bearings of the
  • Turbocharger rotor in addition with a coating, e.g. a metal coating of chromium or other metal or metal alloy, in order to further improve the oil wettability and the wear resistance, as described above. It can, as described above, a coating, e.g. a metal coating of chromium or other metal or metal alloy, in order to further improve the oil wettability and the wear resistance, as described above. It can, as described above, a coating, e.g. a metal coating of chromium or other metal or metal alloy, in order to further improve the oil wettability and the wear resistance, as described above. It can, as described above, a coating, e.g. a metal coating of chromium or other metal or metal alloy, in order to further improve the oil wettability and the wear resistance, as described above. It can, as described above, a coating, e.g. a metal coating of chromium or other metal or metal alloy, in order to further improve the oil wettability and the wear resistance, as
  • Heat-throttling device can be provided at one or both ends of the shaft.
  • an impeller which is produced according to the invention by means of metal injection molding and optionally additionally post-treated by means of hot isostatic pressing, be connected in any suitable manner with a turbocharger shaft.
  • the examples of electron beam welding and friction welding for connecting the impeller to the shaft are merely exemplary and the invention is not limited thereto.
  • Inco 713C any other material or metal or metal alloy can be used, which is suitable for producing a turbocharger impeller.
  • Material Inco 713C is merely exemplary and the invention is not limited thereto. Furthermore, the invention is not limited to the specific configuration of the pressure vessel device as shown in FIG. 10 and described with reference to FIG. 10. In principle, any type of pressure vessel device and devices connected thereto can be used, which is suitable for hot-statically pressing a turbocharger impeller.
  • the binders or binder systems mentioned in the description are merely exemplary by way of example and also apply to the binder removal processes. The invention is not limited to these specific examples. In principle, any binder and debinding method that is suitable for making a turbocharger impeller can be used.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellung eines Läufers, welcher wenigstens ein Turbolader-Laufrad und eine Turbolader-Welle aufweist, wobei das Turbolader-Laufrad und/oder die Turbolader-Welle mittels Metallpulverspritzgießen (MIM) hergestellt ist.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Herstellung eines Läufers eines Turboladers
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Läufers eines Turboladers, wobei der Läufer wenigstens ein Laufrad aufweist, das an einer Welle befestigt ist.
Turbolader weisen im Allgemeinen eine Turbine auf, die in einem Abgasstrom angeordnet ist und über eine Welle mit einem
Verdichter im Ansaugtrakt verbunden ist. Auf der Welle sind dabei normalerweise ein Turbinenrad und ein Verdichterrad angeordnet. Das Turbinenrad der Turbine wird durch den Abgasstrom eines angeschlossenen Motors angetrieben und treibt hierbei wiederum das Verdichterrad des Verdichters an. Hierdurch erhöht der
Verdichter den Druck im Ansaugtrakt des Motors, so dass während des Ansaugtaktes eine größere Menge Luft in den Zylinder gelangt. Dies hat zur Folge, dass mehr Sauerstoff zur Verfügung steht und eine entsprechend größere Kraftstoffmenge verbrannt werden kann.
Turbinenräder von Turboladern bestehen in der Regel aus einer hochwarmfesten Nickellegierung, die im Vakuum erschmolzen und vergossen wird, wie beispielsweise in dem Buch mit dem Titel „Abgasturbolader", des Verlags Moderne Industrie auf den Seiten 56 bis 58 beschrieben ist. Die dazu benötigten keramischen Schalenformen werden nach dem Wachsausschmelzverfahren hergestellt. Für jedes fertige Turbinenrad ist daher ein 1:1 Wachsmodell erforderlich. Mehrere solcher Modelle werden zu sog. Gießtrauben zusammengeklebt. Durch mehrmaliges Tauchen in einen Keramikschlicker mit anschließendem Besanden entsteht um die Gießtrauben eine 6 bis 10mm dicke feuerfeste Keramikschale. Nach dem Trocknen und Abbinden der Keramikschale werden die Wachsmodelle ausgeschmolzen und die Formen gebrannt. Der Abguss erfolgt durch Gießen in die heißen Formen. Nach dem Erkalten werden die Gussstücke abgetrennt und bearbeitet . Das Turbinenrad wird durch Reibschweißen mit der Welle verbunden. Nach dem Reibschweißen erfolgen das Spannungsfreiglühen und die Bearbeitung der Welle. Nach dem Härten der Lagerstellen wird der Turbinenrotor nochmals einer Wärmebehandlung unterzogen. Die Bearbeitung der Welle auf die endgültigen Abmessungen erfolgt durch Schleifen.
Das auf diese Weise im Feinguss hergestellte Turbinenrad des Turboladers besitzt jedoch nur eine grobe Gefügeausbildung mit teilweise sehr großen Körnern. Die Korngröße an einem Teil kann dabei zwischen dem 1 bis 30-fachen liegen. Die mechanischen Eigenschaften und die Schaufeleigenfrequenzen zeigen dadurch eine hohe Streubreite. Durch Gussfehler, wie beispielsweise
Lunker oder Keramik- und Oxideinschlüsse, kommt es zu Schäden in der Feldanwendung.
Demnach ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Läufer eines Turboladers bereitzustellen, wobei der Läufer wenigstens ein Laufrad und eine Welle aufweist, an welcher das Laufrad befestigt ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines Turbolader-Läufers mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und einen Turbolader-Läufer mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 gelöst .
Demgemäß wird erfindungsgemäß ein Verfahren zum Herstellung eines Läufers bereitgestellt, welcher wenigstens ein Turbolader-Laufrad und eine Turbolader-Welle aufweist, wobei das Turbolader-Laufrad und/oder die Turbolader-Welle mittels Metallpulverspritzgießen (MIM) hergestellt ist.
Das Verfahren hat dabei den Vorteil, dass ein Läufer mit einem feineren Gefüge hergestellt werden kann als die bisher bekannten Läufer aus Feinguss. Die metallpulverspritzgegossene Komponente, d.h. das Laufrad und/oder die Welle, weist aufgrund des feineren Gefüges auch eine wesentlich geringere Neigung zu Rissen und Mikrorissen auf als herkömmliche Teile aus Feinguss. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
In einer Ausführungsform der Erfindung sind das Laufrad und die Welle als zwei separate Teile ausgebildet. Eines oder beide Teile sind dabei vorzugsweise mittels Metallpulverspritzgießens hergestellt und werden mittels Sintern miteinander verbunden. Das Verbinden der beiden Teile mittels Sintern hat den Vorteil, dass auf das bisher aufwendige Verbinden mittels Schweißen verzichtet werden kann.
In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ist das Laufrad und/oder die Welle außerdem mittels heißisostatischem Pressen (HIP) bzw. hot isostatic pressing nachbehandelt. Dies hat den Vorteil, dass vorhandene Poren in dem Laufrad bzw. der Welle zugedrückt werden und die Struktur bzw. das Gefüge des Laufrads bzw. der Welle zusätzlich verbessert werden kann. Dadurch, dass die Poren des Laufrads bzw. der Welle zugedrückt werden können keine Mikrorisse entstehen . Dadurch kann das Laufrad auch mittels Elektronenstrahlschweißen an der Turboladerwelle befestigt werden und auf das aufwendigere Reibschweißen verzichtet werden. Noch günstiger ist allerdings das Befestigen des Laufrads an der Welle mittels Sintern, wie zuvor beschrieben.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform weist das Metallpulverspritzgießen des Laufrads und/oder der Welle die Verfahrensschritte auf, wonach eine Spritzgussform für das Laufrad und/oder die Welle bereitgestellt wird, welche beispielsweise aus Stahl oder einem anderen Metall besteht. Des Weiteren wird als Spritzgussausgangsmaterial bzw. als sog. Feedstock ein Gemisch aus wenigstens einem Metallpulver und wenigstens einem Bindemittel bereitgestellt . Dieses Gemisch wird anschließend über eine entsprechende Spritzgussmaschine in die Spritzgussform eingespritzt. Später wird das fertige Laufrad und/oder die Welle aus der Spritzgussform entformt . Das Verfahren ist dabei deutlich einfacher als das bisherige Feingussverfahren, bei welchem z.B. eine Laufradform sehr aufwendig mittels Wachs und Keramik hergestellt werden muss.
Gemäß einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform wird das Laufrad und/oder die Welle im Anschluss an das Spritzgießen entbindert, um das Bindemittel aus dem Laufrad bzw. der Welle zu entfernen. Das Entbindern des Laufrads und/oder der Welle kann dabei mittels einer thermischen und/oder katalytischen und/oder Lösungsmittel-Entbinderung bzw. Extraktionsentbinderung erfolgen oder einem anderen geeigneten Entbinderungsverfahren .
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird zum heißisostatische Pressen des Laufrads und/oder der Welle, das Laufrad und/oder die Welle in einer Druckkesseleinrichtung einer Druckbehältereinrichtung vorgesehen. Die
Druckkesseleinrichtung bzw. die Druckbehältereinrichtung wird des Weiteren mit Schutzgas gespült und befüllt und dann aufgeheizt. Das Laufrad und/oder die Welle wird bei einer vorbestimmten Temperatur oder einem vorbestimmten Druck über eine vorbestimmte Zeitspanne gehalten, die ausreicht, so dass sich die Poren des Laufrads bzw. der Welle schließen. Anschließend wird das Laufrad und/oder die Welle abgekühlt. Auf diese Weise kann die Gefügestruktur des Laufrads und/oder der Welle weiter verbessert werden, so dass das Laufrad auch beispielsweise mittels Elektronenstrahlschweißen an einer Welle des Turboladers befestigt werden kann, ohne dass die Gefahr einer
Rissbildung bzw. von Mikrorissen besteht.
In einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform wird die Welle oder zumindest wenigstens ein Abschnitt der Welle mit einer zusätzlichen Beschichtung versehen. Die Beschichtung ist dabei beispielsweise eine Metallbeschichtung, z.B. eine Chrombeschichtung . Die Beschichtung hat dabei den Vorteil, dass die Ölbenetzbarkeit und die Verschleißbeständigkeit verbessert werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann zwischen der Welle und dem Laufrad eine Wärmedrosseleinrichtung vorgesehen werden, beispielsweise wenigstens ein Keramikteil. Dies hat den Vorteil, dass der Wärmeübergang zwischen Laufrad und Welle reduziert werden kann.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform eines Turboladerläufers gemäß der Erfindung;
Fig. 2 eine Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform eines Turboladerläufers gemäß der Erfindung;
Fig. 3 eine Schnittansicht eines Turboladerläufers gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 4 eine Schnittansicht eines weiteren
Turboladerläufers gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 5 eine Schnittansicht einer dritten Ausführungsform eines Turboladerläufers gemäß der Erfindung;
Fig. 6 eine Prinzipdarstellung zur Herstellung des sog. Feedstocks bzw. Ausgangsmaterials;
Fig. 7 eine Prinzipdarstellung zur Herstellung eines Grünlings;
Fig. 8 eine Prinzipdarstellung zur Herstellung eines
Bläulings bzw. Braunlings; Fig. 9 eine Prinzipdarstellung des Sinterprozesses;
Fig. 10 eine schematische Darstellung des sog. Hot Isostatic
Pressing-Verfahrens (HIP) bzw. Heißisostatische-Pressverfahrens;
Fig. 11 eine Ausschnitt eines Gefüges eines Teils, welches mittels dem sog. Metal-Injection Molding (MIM) bzw. Metallpulverspritzgussverfahren hergestellt worden ist,
Fig. 12 ein Ausschnitt eines Gefüges eines Teils, welches mittels dem Feingussverfahren hergestellt worden ist .
In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen - sofern nichts anderes angegeben ist - mit denselben Bezugszeichen versehen worden.
Gemäß der Erfindung wird ein Laufrad eines Turboladers, beispielsweise ein Turbinenrad oder ein Verdichterrad, und/oder eine Welle mittels des sog. Metal Injection Molding-Verfahrens (MIM) oder Metalpulver-Spritzgussverfahrens hergestellt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird als Ausgangsmaterial ein Gemisch aus einem Metallpulver und einem Kunststoff als Bindemittel verwendet. Das Gemisch wird in eine Laufradform, beispielsweise aus Stahl, eingespritzt. Der Kunststoff als Bindemittel kann dabei anschließend beispielsweise thermisch oder katalytisch mit einer Säure aus dem Spritzgussteil wieder entfernt werden . Das Metallpulver-Spritzgussverfahren (MIM) hat den Vorteil gegenüber dem zuvor in Bezug auf den Stand der Technik beschriebenen Gussverfahren, dass das Laufrad bzw. die Welle eine deutlich feinere Körnung aufweist und entsprechend eine kleiner Korngrößenverteilung.
Wahlweise kann das so hergestellt Laufrad und/oder die Welle in einem weiteren Verfahrensschritt mittels dem sog. Hot Isostatic Pressing-Verfahren (HIP) oder Heißisostatischem Pressverfahren nachbehandelt werden. Hierbei wird das Laufrad und/oder die Welle in einem Druckkessel positioniert. Dieser wird mit einem Schutzgas bespült und entsprechend aufgeheizt. Mit steigender Temperatur steigt auch der Druck in dem Druckkessel bis ein vorbestimmter Sollwert oder Sollbereich für den Druck und die entsprechende Temperatur erreicht ist. Bei diesem weiteren Verfahrensschritt mittels Heißisostatischem Pressen (HIP) werden in dem Laufrad bzw. der Welle vorhandenen Poren geschlossen. Dies hat den Vorteil, dass wenn beispielsweise nur das Laufrad mittels MIM und HIP hergestellt wurde, dieses anschließend an der Welle des Turboladers beispielsweise mittels Elektronenstrahlschweißen befestigt werden kann, ohne dass dabei Mikrorisse entstehen können. Alternativ kann das Laufrad auch beispielsweise mittels Reibschweißen an der Welle befestigt werden oder einem anderen geeigneten Verfahren, um einen Rotor zu bilden. Die Welle kann, wie zuvor beschrieben ebenfalls mittels des Metalpulver-Spritzgussverfahrens (MIM) hergestellt werden und wahlweise zusätzlich mittels Heißisostatischem Pressen (HIP) nachbehandelt werden. Dabei können das Laufrad und die Welle unabhängig voneinander gefertigt werden als zwei separate Teile die anschließend miteinander verbunden werden. Alternativ können aber auch wenigstens ein oder beide Laufräder, d.h. das Verdichterrad und das Turbinenrad, mit der Welle zusammen einteilig mittels des Metalpulver-Spritzgussverfahrens (MIM) hergestellt werden und wahlweise zusätzlich mittels Heißisostatischem Pressen (HIP) nachbehandelt werden.
Im Folgenden wird anhand der Fig. 6 bis 9 zunächst das Metall Spritzgussverfahren bzw. Metal Injection Molding (MIM) zur Herstellung beispielsweise eines Laufrads eines Turboladers näher beschrieben. Statt nachfolgend dem Laufrad kann entsprechend die Welle und/oder eine Kombination aus wenigstens einem Laufrad und einer Welle hergestellt werden.
In Fig. 1 ist eine Schnittansicht einer Ausführungsform eines Turboladerläufers 1 gemäß der Erfindung dargestellt. Der Turboladerläufer 1 weist dabei eine Welle 2 auf, wobei an einem Ende 3 der Welle 2 ein erstes Laufrad 11 als separates Bauteil befestigt ist, beispielsweise ein Turbinenrad. An dem anderen Ende 4 der Welle 2 kann entsprechend ein zweites Laufrad befestigt werden, beispielsweise ein Verdichterrad (nicht dargestellt) .
Das erste Laufrad bzw. Turbinenrad 11 in Fig. 1 kann z.B. aus einer Nickelbasislegierung bestehen oder diese aufweisen. Des Weiteren kann die Welle 2 beispielsweise aus einem Vergütungsstahl hergestellt sein.
In einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist das erste Laufrad 11 mittels des Metallpulver-Spritzgussverfahrens (MIM) hergestellt und kann wahlweise zusätzlich mittels Heißisostatischem Pressen (HIP) nachbehandelt werden. Ein Beispiel eines Herstellungsverfahrens für ein Laufrad 11 ist dabei im Nachfolgenden anhand der Fig. 5 bis 10 detaillierter beschrieben .
Neben dem Laufrad 11 kann auch die Welle 2 als separates Teil ausgebildet sein und später mit dem Laufrad 11 verbunden werden, beispielsweise durch Sintern. Die Welle 2 kann dabei wie das Laufrad 11 ebenfalls mittels des
Metallpulver-Spritzgussverfahrens (MIM) hergestellt und wahlweise zusätzlich mittels Heißisostatischem Pressen (HIP) nachbehandelt werden. Die Welle 2 kann dabei z.B. wie das Laufrad 22 mit Bezug auf die Fig. 5 bis 10 hergestellt werden. Grundsätzlich kann die Welle 2 auch auf herkömmliche Art hergestellt und mit einem Laufrad 11 verbunden werden, das mittels des Metallpulver-Spritzgussverfahrens (MIM) hergestellt und wahlweise zusätzlich mittels Heißisostatischem Pressen (HIP) nachbehandelt wird. Ebenso kann das Laufrad 11 auch herkömmlich als Feingussteil hergestellt sein und mit einer Welle 2 verbunden werden die mittels des Metallpulver-Spritzgussverfahrens (MIM) hergestellt und wahlweise zusätzlich mittels Heißisostatischem Pressen (HIP) nachbehandelt wird.
Die Verbindung der Welle 2 und des Laufrads 11 erfolgt beispielsweise durch ein nachträgliches Sintern oder ein anderes Verfahren, welches geeignet ist, das Laufrad 11 und die Welle 2 miteinander zu verbinden. Die Erfindung ist auf ein Verbinden von Laufrad 11 und Welle 2 mittels Sintern nicht beschränkt, es ist aber zu bevorzugen, da es Vorteile gegenüber den bisherigen Schweißverfahren aufweist. Ist beispielsweise das Laufrad mittels Metallpulverspritzgießens (MIM) hergestellt, so wird der Schritt des Sinterns des Laufrads beispielsweise erst dann ausgeführt, wenn das Laufrad mit der Welle verbunden wird bzw. um das Laufrad mit der Welle gleichzeitig zu verbinden. Die Welle kann dabei ebenfalls mittels Metallpulverspritzgießens (MIM) hergestellt sein oder beispielsweise aus Feinguss. Ist die Welle mittels Metallpulverspritzgießens (MIM) hergestellt, so wird auch hier der Schritt des Sinterns der Welle beispielsweise erst dann ausgeführt, wenn die Welle mit dem Laufrad verbunden wird bzw. um die Welle mit dem Laufrad zu verbinden. Wahlweise zusätzlich kann das jeweilige metallpulverspritzgegossene Teil, d.h. die Welle und/oder das Laufrad, durch heißisostatisches Pressen (HIP) nachbehandelt werden.
Grundsätzlich kann die Welle 2 mit dem Laufrad 11 auch beispielsweise mittels Reibschweißen oder Elektronenstrahlschweißen verbunden werden, um nur zwei Beispielen für ein Verfahren zum Verbinden von Welle und Laufrad zu nennen.
Wie in Fig. 2 gezeigt ist, können die Welle 2 und ein oder beide Laufräder 11, d.h. das Turbinerad 11 und das Verdichterrad, des Läufers 1 alternativ auch miteinander einteilig bzw. einstückig ausgebildet werden, statt als zwei separate Teile verbunden zu werden, wie in Fig. 1.
Dabei können die Welle 2 und wenigstens ein Laufrad 11 mittels des Metallpulver-Spritzgussverfahrens (MIM) hergestellt werden . Hierzu wird beispielsweise eine gemeinsame Form bereitgestellt, welche das Turbinelaufrad 11 und die Welle 2 bildet und in welche das Ausgangsmaterial für die Welle 2 und das Laufrad 11, über eine Spritzgussmaschine eingespritzt wird. Das Ausgangsmaterial ist dabei ein Gemisch aus einem Metallpulver und einem Bindemittel, wie im Nachfolgenden noch detaillierter anhand des Beispiels für das Herstellen eines Laufrads 11 in den Fig. 5 bis 10 beschrieben wird. Dabei kann grundsätzlich für die Welle 2 und das Laufrad 11 das gleiche Ausgangsmaterial verwendet werden oder jeweils unterschiedliche Ausgangsmaterialien. Werden unterschiedliche Ausgangsmaterialien für das Laufrad und die Welle verwendet, so kann in der gemeinsamen Form zwischen Laufrad und Welle wahlweise zusätzlich ein Trennelement (nicht dargestellt) angeordnet werden. Das Trennelement ist dabei ein optionales Merkmal und kann auch weggelassen werden. Das Trennelement trennt den Bereich des Laufrads mit dem Laufrad-Ausgangsmaterial von dem Bereich der Welle mit dem Wellen- Ausgangsmaterial. Das Trennelement ist dabei als Grünling ausgebildet und kann jede beliebige Form aufweisen. Es kann den Bereich zwischen Welle und Laufrad vollständig oder teilweise trennen und z.B. als ebene Platte ausgebildet sein, und wahlweise zusätzlich beispielsweise wenigstens einen Vorsprung und/oder eine Vertiefung aufweisen, wobei der Vorsprung und/oder die Vertiefung zusätzlich z.B. mit einer Hinterschneidung versehen werden kann.
Später wird der Turboladerläufer 1 aus der Form wieder entformt und einem Entbinderungsprozess unterzogen. Im Anschluss an den Entbinderungsprozess kann wahlweise zusätzlich ein Sintern des Turboladerläufers 1 erfolgen. Des Weiteren kann der Turboladerläufer 1 zusätzlich mittels Heißisostatischem Pressen (HIP) nachbehandelt werden.
Sowohl das Metallpulver-Spritzgussverfahren (MIM) , wie das Sintern und das Heißisostatische Pressen (HIP) werden im Folgenden anhand eines Herstellungsbeispiels eines Laufrads 11 nochmals im Detail beschrieben, so dass auf eine entsprechend detaillierte Beschreibung hierzu mit Bezug auf die Fig. 1 bis 5 verzichtet wird, um unnötige Wiederholungen zu vermeiden.
Im Anschluss an das Metallpulverspritzgießen (MIM) oder das
Heißisostatische Pressen (HIP) , können die Oberfläche wenigstens einer oder aller Lagerstellen auf dem Turboladerläufer 1 oder der Welle 2 wahlweise zusätzlich nachbearbeitet werden, beispielsweise um eine bessere Ölbenetzbarkeit und/oder Verschleißfestigkeit zu erhalten. Die jeweilige Lagerstelle auf der Welle 2 kann dabei beschichtet werden, beispielsweise verchromt werden oder mit einer anderen geeigneten Beschichtung versehen werden aus Metall bzw. einer Metalllegierung und/oder einem anderen geeigneten Material. Dies gilt für alle Ausführungsformen der Erfindung.
In Fig. 3 ist weiter eine Schnittansicht eines Turboladerläufers 1 gemäß dem Stand der Technik gezeigt. Bei einem solchen Turboladerläufer 1 wird das Laufrad 11 als Feingussteil hergestellt, wie zuvor mit Bezug auf den Stand der Technik beschrieben wurde. Dann wird ein Anschlussabschnitt 5 zum Befestigen des Laufrads 11 an der Welle 2 entsprechend bearbeitet, um das Laufrad 11 mit dem Anschlussabschnitt 5 in einer Aufnahme 6 der Welle 2 aufzunehmen. Das Laufrad 11 wird dabei mit seinem Anschlussabschnitt 5 in Fig. 3 mittels Reibschweißen an der Welle 2 befestigt.
Fig. 4 stellt eine Schnittansicht eines weiteren
Turboladerläufers 1 gemäß dem Stand der Technik dar. Das Laufrad 11 des Turboladerläufers 1 ist dabei ebenfalls als Feingussteil hergestellt und wird mittels Elektronenstrahlschweißen an der Welle 2 befestigt. Hierbei wird ebenfalls jeweils der Anschlussabschnitt des Laufrads 11 und der Welle 2 bearbeitet und anschließend das Laufrad 11 mit der Welle 2 an ihren Anschlussabschnitten mittels Elektronenstrahlschweißen miteinander verschweißt.
Fig. 5 zeigt eine Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform eines Turboladerläufers 1 gemäß der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform weist der Turboladerläufer 1 z.B. wenigstens ein separates Laufrad 11 und eine Welle 2 auf, an welcher das Laufrad 11 befestigt ist. Das Laufrad 11 und/oder die Welle 2 sind hierbei, wie zuvor mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben wurde, mittels des Metallpulver-Spritzgussverfahrens (MIM) hergestellt und wahlweise zusätzlich mittels Heißisostatischem Pressen (HIP) nachbehandelt. Dabei weist der Turboladerläufer 1 zwischen dem Laufrad 11 und der Welle 2 wenigstens eine
Wärmedrosseleinrichtung 7 auf. Die Wärmedrosseleinrichtung 7 reduziert dabei den Wärmeübergang zwischen dem Laufrad 11 und der Welle 2 und somit zu den Lagerstellen. Dabei kann eine Wärmedrosseleinrichtung 7 zwischen wenigstens einem Laufrad 11, d.h. dem Turbinenlaufrad oder dem Verdichterlaufrad, und der Welle 2 vorgesehen werden. Die Wärmedrosseleinrichtung 7 besteht dabei beispielsweise aus Keramik oder aus einem anderen geeigneten Material oder Materialkombination.
Bei der Herstellung des Laufrads 11 und der Welle 2 als ein Teil oder als zwei separate Teile, wobei ein oder beide Teile dabei mittels des Metallpulver-Spritzgussverfahrens (MIM) hergestellt und wahlweise zusätzlich mittels Heißisostatischem Pressen (HIP) nachbehandelt sind, kann die Wärmedrosseleinrichtung 7 dabei z.B. beim Metallpulver-Spritzgussverfahren eingebracht werden. Genauer gesagt, kann die Wärmedrosseleinrichtung 7 mit dem Laufrad 11 und der Welle 2 zusammen verspritzt werden im Metallpulver-Spritzgussverfahren und so ein einstückiger Turboladerläufer 1 mit Wärmedrosseleinrichtung 7 ausgebildet werden .
Des Weiteren kann die Wärmedrosseleinrichtung 7 teilweise oder vollständig in das Laufrad 11 oder die Welle 2 eingespitzt werden, wenn das Laufrad 11 oder die Welle 2 als separates Teil mittels dem Metallpulver-Spritzgussverfahren hergestellt wird. Wird die Wärmedrosseleinrichtung 7, wie in dem Beispiel in Fig. 5 gezeigt ist, z.B. nur teilweise in das Laufrad 11 eingespritzt beim Metallpulver-Spritzgießen, so wird an der Welle 2 eine entsprechende Aufnahme 8 vorgesehen, in welcher der aus dem
Laufrad 11 herausragende Abschnitt der Wärmedrosseleinrichtung 7 aufgenommen werden kann. Anschließend werden die Welle 2 und das Laufrad 11 aneinander befestigt, vorzugsweise mittels Sintern .
Das Verbinden von Welle 2 und Laufrad 11 mittels Sintern, wie zuvor beschrieben wurde, insbesondere anhand der Fig. 1 und 5, hat den Vorteil, dass die aufwändigere Schweißtechnik, wie in den Fig. 3 und 4 dargestellt ist, entfallen kann. Die Verbindung erfolgt indem bei der Herstellung des Laufrads 11, z.B. des Turbinenrads, bereits notwendigen Sintern. Ein weiterer Vorteil ist, dass keine Schweißfehler durch den Wegfall des Schweißprozesses auftreten können, wie Risse, Poren, Bindefehler usw. Hinzukommt die Energieeinsparung und der Wegfall der aufwendigen Wartung der Schweißanlagen und Vorrichtungen. Des Weiteren entfällt die mechanische Bearbeitung des Schweißanschlusses bzw. des jeweiligen Anschlussabschnitts, wie er in den Fig. 3 und 4 gezeigt ist.
In Fig. 6 ist das Prinzip der Herstellung des sog. Feedstocks bzw. Ausgangsmaterials 10 für das Metallpulver-Spritzgussverfahren zur Herstellung eines Turbolader-Laufrads gezeigt. Die Darstellung in Fig. 6 ist dabei stark vereinfacht und rein schematisch. Dies gilt entsprechend für die nachfolgenden Figuren 6 bis 11.
Bei dem Ausgangsmaterial 10 für das Laufrad wird ein Metallpulver 12 oder eine Kombination aus zwei oder mehr Metallpulvern mit einem Bindemittel 14 oder eine Kombination aus zwei und mehr Bindemitteln gemischt. Das Bindemittel 14 besteht hierbei beispielsweise aus Kunststoff oder weist dieses auf und wird später wieder entfernt.
Bei der Herstellung von Metallpulverspritzgießmassen 10 werden verschiedene Bindemittel 14 bzw. Bindersysteme verwendet. Durch die Verwendung eines entsprechenden Bindemittels 14 bzw. Bindersystems soll erreicht werden das Metallpulver 12 für die entsprechende Spritzgießmaschine zu homogenisieren. Ziel der Aufbereitung ist die Ummantelung der Pulverpartikel mit dem Bindemittel 14 bzw. Bindersystem, die Zerstörung von Agglomeraten und die Herstellung eines homogenen bzw. im Wesentlichen homogenen Granulats bzw. "Feedstocks" 10. Als Ausgangsmaterialien 10 für das Spritzgießen von Metallpulvern können alle marktüblichen, sinterfähigen Pulver mit geeigneter Korngröße eingesetzt werden. Bei Metallpulvern 12 werden Metalle sowie Metalllegierungen verwendet. Bei der Herstellung von Laufrädern eines Turboladers, insbesondere Turbinenräder, werden beispielsweise Metalle bzw. Metalllegierungen als Metallpulver eingesetzt. Beispielsweise werden Turbinenräder von Turboladern aus Inco 713C, MARM-246, IN-100, GMR 235 und/oder einer Nickelbasislegierung hergestellt und entsprechende
Metallpulver hierfür verwendet. Die Erfindung ist aber auf die genannten Materialien für Turbinenräder nicht beschränkt. Es kann auch jedes andere Metall bzw. Metalllegierung verwendet werden. Bei einem Verdichterrad kann dieses aus demselben Material wie das Turbinenrad hergestellt werden oder aus einem anderen geeigneten Material bzw. Metall oder Metalllegierung was sich für den Einsatz bei einem Verdichter des Turboladers eignet.
Eine Art von Bindemittel 14 bzw. Bindersystem basiert beispielsweise auf Polyolefin-Wachsmischungen . Durch langsames Erwärmen wird das Wachs aus dem Grünling ausgeschmolzen, wobei als Grünlinge die Bauteile im Anschluss an den Spritzguss bezeichnet werden. Dieser Vorgang wird als Entbinderung und das dann vorliegende Formteil als Braunling oder auch Bläuling bezeichnet.
Eine weitere Art von Bindemittel 14 bzw. Bindersystem betreffen teillösliche Systeme. Hier kann ein Teil des Bindemittels z.B. in organischen Lösungsmitteln herausgelöst werden. Dabei werden beispielsweise Polyalkohole oder Polyvinylalkohole verwendet, welche wasserlöslich und biologisch abbaubar sind.
Neben den zuvor genannten Bindemitteln 14 gibt es auch Bindemittel bzw. Bindersysteme, die auf dem katalytischen Abbau beispielsweise von Polyoxymethylen (POM) durch Säuren beruhen. Die Polymerketten werden z.B. von den Enden her depolymerisiert und zu Formaldehyd abgebaut. Es handelt sich um einen fest-gasförmig-Phasenübergang. Der Vorgang erfolgt dabei von außen nach innen, was eine beschädigungsfreie Entbinderung gewährleistet.
Die zuvor genannten Bindemittel 14 stellen lediglich einige Beispiele dar für Arten von Bindemitteln 14 bzw. Bindersystemen, die bei der Herstellung eines Laufrads eines Turboladers mittels Metallpulverspritzgießen eingesetzt werden können. Die Erfindung ist auf diese Beispiele nicht beschränkt. Grundsätzlich kann jede Art von Bindemittel 14 bzw. Bindersystem eingesetzt werden, das geeignet ist mit dem entsprechenden
Metallpulver 12 oder Metallpulvern ein Ausgangsmaterial bzw. ein sog. Feedstock 10 für das Metallpulverspritzgießen des Laufrads des Turboladers zu bilden.
In Fig. 7 ist des Weiteren eine Prinzipdarstellung gezeigt zur Herstellung eines Grünlings 16. Wie zuvor beschrieben, wird als Grünling 16 das Bauteil im Anschluss an den Spritzguss bezeichnet .
Wie in Fig. 7 dargestellt ist, wird das Ausgangsmaterial 10, d.h. das Gemisch aus dem Metallpulver 12 und dem Bindemittel 14, über eine Spritzgussmaschine 18 in eine entsprechende Form 20 für das Laufrad des Turboladers eingespritzt. Beim Metallpulverspritzgießen wird das Ausgangsmaterial dabei beispielsweise in temperierte Formen 20, beispielsweise mittels Wasser oder Öl flüssigkeitstemperierte Formen, eingespritzt. Eine solche Form 20 ist dabei z.B. aus Stahl. Die Erfindung ist aber auf solche temperierten Formen nicht beschränkt. Es kann jede Form eingesetzt werden, die zum Metallpulverspritzgießen von Turbolader-Laufrädern geeignet ist.
Im vorliegenden Beispiel in Fig. 7 ist ein Teil der Spritzgussmaschine 18 und der Form 20 für das Laufrad in einer Schnittansicht dargestellt. Nach dem Spritzgussprozess wird 20 das Laufrad 11 bzw. der sog. Grünling 16 aus der Form 20 entformt.
Weiter ist in Fig. 8 eine Prinzipdarstellung gezeigt zur Herstellung eines Bläulings 22. Häufig wird statt dem Begriff Bläuling auch Braunling verwendet . Dabei wird zur Herstellung des Bläulings 22 das Laufradrohteil bzw. der Grünling 16 im Anschluss an das Spitzgießen und Entformen einem Entbinderungsprozess unterzogen. In dem Entbinderungsprozess wird das Bindemittel 14 bzw. das Bindersystem aus dem Grünling 16 entfernt, um den Bläuling 22 zu bilden.
Wie zuvor beschrieben gibt es unterschiedliche Arten von Bindemitteln 14 bzw. unterschiedliche Bindersysteme. Diese unterschiedlichen Bindemittel 14 benötigen ebenso unterschiedliche Entbinderungsprozesse . Man spricht hier von der thermischen, katalytischen oder Lösungsmittel-Entbinderung bzw. Extraktionsentbinderung (z.B. mit Wasser oder Aceton) . Nach der Entbinderung erhält man den sog. „Bläuling" 22 bzw. "Braunling".
In Fig. 8 ist einmal schematisch die thermische Entbinderung des Laufradrohteils bzw. Grünlings 16 gezeigt und einmal die sog. katalytische oder Lösungsmittel-Entbinderung bzw. flüssige Entbinderung.
Bei der thermischen Entbinderung wird das Laufrad 11 bzw. das Laufradrohteil 16 bzw. der Grünling 16 einer Wärmebehandlung unterzogen, bei der das Bindemittel durch Erwärmen des Grünlings 16 aus diesem entfernt wird. Am Ende der thermischen Entbinderung wird der sog. Braunling bzw. der sog. Bläuling 22 erhalten. Genauer gesagt wird bei dem thermischen Entbindern der Grünling 16 in einem Ofen 24 abgelegt und der Ofen 24 wird definiert erhitzt. Dadurch zersetzt sich beispielsweise das organische Bindemittel 14 des Grünlings 16 und das endbinderte Laufrad 11 bzw. der Bläuling 22 wird erhalten. Nach Beendigung des Endbinderungsprozesses folgt der darauf folgende Schritt des Sinterns. Der Sinterprozess wird im Folgenden in Bezug auf Fig. 9 näher beschrieben. Wie in Fig. 8 gezeigt, ist aus dem Gefüge 45 des Grünlings 16 während des Entbinderns das Bindemittel entfernt .
Bei der flüssigen Entbinderung wird das Laufradrohteil bzw. der Grünling 16 beispielsweise in ein Lösemittelbad 26 gegeben, wobei das Lösemittel das Bindemittel 14 aus dem Grünling 16 herauslöst. Am Ende der flüssigen Entbinderung wird ebenfalls der sog. Braunling bzw. Bläuling 22 bzw. das endbinderte Laufrad 11 erhalten . In Fig. 9 ist des Weiteren eine Prinzipdarstellung des Sinterprozesses des Laufrads 11 gezeigt. Nach der Entbinderung werden die Braunlinge bzw. Bläulinge 22 einem weiteren thermischen Prozess unterzogen, welcher als Sintern bezeichnet wird. Wie in Fig. 9 gezeigt ist, wird das Laufrad 11 bzw. der Bläuling 22 in einem entsprechenden Ofen 28 auf eine vorbestimmte Temperatur aufgeheizt und im Anschluss an eine vorbestimmte Verweildauer bei Sintertemperatur abgekühlt.
Beim Sintern werden über ein Wärmebehandlungsverfahren lose gebundene Pulveransammlungen in einen festen Verbund überführt. Die allgemeine Form des Sinterprozesses besteht aus einer nicht-isothermen Aufheizphase und einer anschließenden isothermen Verweildauer bei Sintertemperatur. Anschließend wird das mehr oder weniger dicht gesinterte Bauteil kontrolliert bei langsamer Abkühlrate auf Raumtemperatur gebracht. Für Wärmebehandlungseffekte kann es dabei auch sinnvoll sein das Bauteil schnell oder schneller Abkühlen zu lassen.
Der Schritt des Sinterns kann nun gemäß der Erfindung dazu genutzt werden, das Laufrad 11 gleichzeitig mit einer Turboladerwelle zu verbinden. In diesem Fall werden das Laufrad 11 und die Turboladerwelle miteinander verbunden und gemeinsam gesintert. Dabei wird das Laufrad auf die Welle gesteckt und anschließend beide gesintert. Die Turboladerwelle kann dabei ebenfalls als separates Teil beispielsweise mittels Metallpulverspritzgießen oder z.B. als Feinguss hergestellt und beim Schritt des Sinterns des Laufrads mit dem Laufrad gleichzeitig verbunden werden. Grundsätzlich können ein oder beide Laufräder auch mit der
Turboladerwelle einstückig ausgebildet werden, beispielsweise mittels Metallpulverspritzgießens und dabei einem gemeinsamen Sintern unterzogen werden.
Im Anschluss an das Metallpulverspritzgießen (MIM) kann das Laufrad 11 des Turboladers einer weiteren Behandlung mittels Heißisostatischem Pressen (HIP) unterzogen werden. In Fig. 10 ist eine schematische Darstellung des sog. Hot Isostatic Pressing-Verfahrens (HIP) bzw. Heißisostatische-Pressverfahrens gezeigt .
Dabei ist in Fig. 10 rein schematisch und stark vereinfacht eine Druckbehältereinrichtung 30 in einer Teilschnittansicht gezeigt. Die Druckbehältereinrichtung 30 weist dabei eine Druckkesseleinrichtung 32 auf und eine Bestückungseinrichtung 33 bzw. einen Bestückungscontainer 33 zum Aufnehmen eines oder mehrerer zu behandelnder Bauteile, hier Turbolader-Laufräder 11. Die Turbolader-Laufräder 11 bestehen dabei beispielsweise aus dem Werkstoff Inco 713C.
Des Weiteren ist eine Heizeinrichtung 34, hier eine Ofeneinrichtung, vorgesehen zum späteren Aufheizen der Druckkesseleinrichtung 32 mit dem Laufrad 11. Die Druckbehältereinrichtung 32 weist dabei einen Verschlussdeckel 47 auf zum Verschließen der Druckbehältereinrichtung 32 nach dem Bestücken mit dem zu behandelnden Laufrad 11. Des Weiteren weist die Druckkesseleinrichtung 32 ein Hitzeschild 49 auf.
Die Druckbehältereinrichtung 30 ist des Weiteren mit einer Gaszuführungseinrichtung 36 verbunden über die Schutzgas der Druckbehältereinrichtung zugeführt werden kann. Des Weiteren ist ein Kompressor 38 und eine Filtereinrichtung 40 vorgesehen, wobei der Kompressor 38 die Druckkesseleinrichtung 32 bzw. die Druckkammer mit Schutzgas spült und befüllt. Die Filtereinrichtung 40 reinigt wiederum das einströmende Schutzgas. Am Außenumfang der Druckbehältereinrichtung 30 ist des Weiteren ein Kühlmantel 42 vorgesehen, in dem Kühlwasser aus einer angeschlossenen Kühlwassertankeinrichtung 44 zirkuliert.
Zum heißisostatischen Pressen (HIP) des Laufrads 11 des Turbo1aders z.B. aus dem Werkstoff Inco 713C wird dieses zunächst in der Druckkesseleinrichtung 32 aufgenommen bzw. in dem Bestückungscontainer 33. Anschließend wird die Druckkesseleinrichtung 32 mit Schutzgas, beispielsweise Argon, über die Gaszuführungseinrichtung 36 und den Kompressor 38 gespült und befüllt . Dann wird die Druckkesseleinrichtung 32 über die Heizeinrichtung 34 z.B. auf eine vorbestimmte Temperatur hochgeheizt, wodurch ein sehr hoher Druck in dem Inneren der Druckkesseleinrichtung 32 entsteht. Bei einer hohen Temperatur von beispielsweise bis zu 1200°C oder höher und einem entsprechend hohen Druck von beispielsweise bis zu 1030 bar oder höher werden die Poren in dem Laufrad 11 aus Inco 713C zusammengedrückt. Das Laufrad 11 wird hierbei beispielsweise für bis zu 4 Stunden oder länger in der Druckbehältereinrichtung 34 bei einer vorbestimmten Temperatur bzw. einem vorbestimmten Druck gehalten.
In Fig. 11 ist ein Ausschnitt eines Gefüges 45 eines Bauteils aus dem Werkstoff IN-713C gezeigt, welches erfindungsgemäß mittels Metallpulverspritzgießen (MIM) hergestellt worden ist und anschließend mittels heißisostatischem Pressen (HIP) nachbehandelt wurde. Je nach Werkstoff aus welchem das Laufrad hergestellt ist, kann auch eine andere Temperatur und ein anderer Druck in der Druckbehältereinrichtung gewählt werden. Entsprechendes gilt für die Verweildauer in der
Druckbehältereinrichtung. Die Angaben sind lediglich beispielhaft zum Erläutern des Prinzips der Erfindung. Die Erfindung ist auf diese Angaben nicht beschränkt.
Das Gefüge 45 des Bauteils, beispielsweise eines
Turbolader-Laufrads, in Fig. 11 weist dabei keinerlei Gussfehler auf, wie beispielsweise Oxidhäute, Lunker (auch Mikrolunker) , Keramikeinschlüsse, Gasporen oder Löcher. Darüber hinaus ist das Gefüge ein homogenes feinkörniges Gefüge das nur wenige Ausscheidungen 46, d.h. intermetallischen Phasen, auf den Korngrenzen 48 aufweist.
Des Weiteren ist in Fig. 12 ein Ausschnitt eines Gefüges 45 eines Bauteils aus dem Werkstoff GMR 235 gezeigt, welches konventionell mittels dem Feingussverfahren hergestellt worden ist.
Das Gefüge 45 in Fig. 12 weist Gussfehler, wie Lunker 50 bzw. Mikrolunker auf. Des Weiteren ist das Gefüge 45 deutlich grobkörniger als das Gefüge 45 in Fig. 11. Es weist außerdem erhebliche Ausscheidungen 46 in Form von intermetallischen Phasen an den Korngrenzen 48 auf.
In nachfolgender Tabelle 1 sind die Vorteile der Herstellung eines Turbolader-Laufrads 11 mittels Metallpulverspritzgießen (MIM) und heißisostatischem Pressen (HIP) der konventionellen Herstellung eines Turbolader-Laufrads mittels Feinguss gegenübergestellt .
Tabelle 1:
Figure imgf000022_0001
Ein Laufrad 11 eines Turboladers, insbesondere ein Turbinenrad, welches erfindungsgemäß mittels Metallpulverspritzgießen (MIM) und heißistostatischem Pressen (HIP) hergestellt ist hat den Vorteil, dass es deutlich weniger zu Heißrissen neigt als ein konventionelles Feinguss-Laufrad. Das erfindungsgemäße Laufrad 11 weist ein wesentlich feinkörnigeres Gefüge auf mit weniger Ausscheidungen auf den Korngrenzen. Des Weiteren weist es eine höhere Duktilität auf. So weist ein Laufrad aus Feinguss eine Duktilität von 8% auf während ein erfindungsgemäßes Laufrad eine Duktilität von beispielsweise 25% aufweist.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Laufrads 11 sind seine geringeren Herstellungskosten, da die Anzahl der Bearbeitungsschritte wesentlich geringer ist als bei einem Laufrad aus Feinguss, wie aus Tabelle 1 entnommen werden kann.
In folgender Tabelle 2 sind die mechanischen Eigenschaften von Bauteilen aufgelistet, die mittels dem
Metallspritzgussverfahren hergestellt sind und mittels dem konventionellen Feingussverfahren .
Tabelle 2:
Figure imgf000023_0001
(Quelle: BASF Euro PM2003 - Alle Werte basieren auf BASF Catamold® Binder und einer katalytischen Entbinderung) Wie aus Tabelle 2 entnommen werden kann, weist insbesondere ein Bauteil, welches nicht nur Metallpulverspritzgegossen (MIM) ist, sondern zusätzlich noch heißisostatische gepresst (HIP) ist, besonderes günstige mechanische Eigenschaften auf, insbesondere gegenüber konventionellen Bauteilen aus Feinguss. Ein erfindungsgemäßes Bauteil weist dabei eine höhere Dichte, sowie eine größere Härte auf und ein geringeres E-Modul im Vergleich zu den konventionellen Feingussbauteilen.
Mittels des erfindungsgemäßen Herstellens des
Turbolader-Laufrads durch Metallpulverspritzgießen (MIM) und einer bei Bedarf zusätzlichen Nachbehandlung mittels heißisostatischem Pressen (HIP) erfolgt eine komplette Änderung des bisher bekannten Herstellungsverfahrens mittels Feinguss für Laufräder, insbesondere Turbinenräder. Die mechanischen
Eigenschaften werden durch ein besseres homogeneres Gefüge erhöht und des Weiteren die Lebensdauer erhöht. Außerdem wird die Streubreite verringert. Hierdurch ist eine bessere Abschätzung der Lebensdauer möglich. Die brucheinleitende Kerbwirkung durch Gussfehler ist nicht mehr vorhanden oder kann erheblich reduziert werden. Des Weiteren wird die Streubreite der
Schaufeleigenfrequenzen verringert. Dadurch ist eine bessere Abschätzung der maximalen Drehzahl möglich, wobei der Betrieb in Resonanzen ausgeschlossen wird.
Ein weiterer Vorteil ist, dass das im Metallpulverspritzgießen (MIM) hergestellte Laufrad, das außerdem mittels heißisostatischem Pressen (HIP) nachbehandelt ist, wie zuvor beschrieben, ein besonders feinkörniges Gefüge aufweist, bei dem die Korngrenzen und Ausscheidungen nicht so stark ausgeprägt sind. Hierdurch wird die Rissneigung vermindert oder tritt nicht mehr auf. Dadurch kann die Welle eines Turboladers mit einem so hergestellten Laufrad mittels Elektronenstrahlschweißen verbunden werden, wobei eine rissfreie Elektronenstrahlschweißung möglich ist, im Gegensatz zum Stand der Technik. Wie zuvor beschrieben, wird im Stand der Technik das Turbinenrad mit der Welle mittels Reibschweißen verbunden. Dies liegt daran, dass das im Feinguss hergestellte Turbinenrad eines Turboladers eine grobe Gefügeausbildung besitzt mit teilweise sehr großen Körnern. Die Korngröße kann, wie zuvor beschrieben, beispielsweise zwischen dem 1- bis 30-fachen liegen. Das Gefüge zeigt Korngrenzen mit niedrig schmelzenden Ausscheidungen (Mischkristalle) . Diese neigen bei dem Elektronenstrahlschweißen zu Mikrorissen in der Wärmeeinflusszone. Bei hochbelasteten Anwendungen, wie dies bei Turboladern der Fall ist, kann es daher zu Schäden kommen, da die Mikrorisse Dauerbrüche einleiten. Deshalb wird teilweise auf die teurere Variante des Reibschweißens zurückgegriffen. Gemäß der Erfindung werden daher das Laufrad und die Welle mittels Sintern miteinander verbunden. Das Verbinden von Laufrad und Welle mittels Sintern hat den Vorteil, dass auf das sehr aufwendige und teure Schweißen verzichtet werden kann.
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand der bevorzugten Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Die zuvor beschriebenen Ausführungsformen sind dabei miteinander kombinierbar, insbesondere einzelne Merkmale davon .
Wie zuvor beschrieben, kann der Turbolader-Läufer im Metallpulver-Spritzgussverfahren (MIM) aus wenigstens zwei Komponenten, wie z.B. in Fig. 1 und 5 gezeigt ist, hergestellt werden, wobei eine Komponente das Laufrad und die andere Komponente die Welle ist. Die beiden Komponenten können dabei beispielsweise im Metallpulver-Spritzgussverfahren in z.B. eine gemeinsame Form gespritzt werden, wobei sie das gleiche oder unterschiedliche Ausgangsmaterialien aufweisen können, oder getrennt in einem entsprechenden Metallpulver-Spritzgussprozess gespritzt werden in eine jeweils eigene Form und anschließend montiert werden. Die Verbindung der beiden Komponenten erfolgt dann vorzugsweise durch Sintern. Ein wahlweise zusätzliches, nachgeschaltetes heißisostatisches Pressen (HIP) verdichtet die durch den
Metallpulver-Spritzgussprozess (MIM) entstehenden inneren Poren in der jeweiligen Komponente. Danach kann der Läufer wahlweise zusätzlich beispielsweise vergütet und fertig bearbeitet werden.
Eine Wärmedrosseleinrichtung kann bei Bedarf bei einem oder beiden Laufrädern bzw. an einer oder beiden Enden der Welle zusätzlich vorgesehen werden, z.B. in Form eines Keramikteils bzw. Keramikplättchens .
Eine weitere Möglichkeit ist es, den Turboladerläufer bzw. die Welle mit wenigstens einem oder beiden Laufrädern im Metallpulver-Spritzgussverfahren aus einem Teil bzw. einstückig herzustellen und die Oberfläche der Lagerstellen des
Turboladerläufers zusätzlich mit einer Beschichtung, z.B. einer Metallbeschichtung aus Chrom oder einem anderen Metall oder Metalllegierung, zu versehen, um die Ölbenetzbarkeit und die Verschleißfestigkeit weiter zu verbessern, wie zuvor beschrieben. Dabei kann, wie zuvor beschrieben, eine
Wärmedrosseleinrichtung an einem oder beiden Enden der Welle vorgesehen werden.
Außerdem kann ein Laufrad, das erfindungsgemäß mittels Metallpulverspritzgießen hergestellt ist und wahlweise zusätzlich mittels heißisostatischem Pressen nachbehandelt ist, auf jede geeignete Art mit einer Turboladerwelle verbunden werden. Die Beispiele des Elektronenstrahlschweißens und Reibschweißens zum Verbindung des Laufrads mit der Welle sind lediglich beispielhaft und die Erfindung ist nicht darauf beschränkt .
Des Weiteren kann statt Inco 713C jedes andere Material bzw. Metall oder Metalllegierung eingesetzt werden, welche zur Herstellung eines Turbolader-Laufrads geeignet ist. Der
Werkstoff Inco 713C ist lediglich beispielhaft und die Erfindung ist darauf nicht beschränkt. Des Weiteren ist die Erfindung nicht auf die spezifische Ausgestaltung der Druckbehältereinrichtung beschränkt, wie sie in Fig. 10 gezeigt und mit Bezug auf Fig. 10 beschrieben ist. Grundsätzlich kann jede Art von Druckbehältereinrichtung und daran angeschlossene Einrichtungen verwendet werden, die geeignet ist um ein Turbolader-Laufrad heißistostatisch zu pressen. Auch die in der Beschreibung genannten Bindemittel bzw. Bindersysteme sind lediglich beispielhaft entsprechendes gilt auch für die Entbinderungsverfahren . Die Erfindung ist nicht auf diese speziellen Beispiele beschränkt. Grundsätzlich kann jedes Bindemittel und jedes Entbinderungsverfahren eingesetzt werden, das zur Herstellung eines Turbolader-Laufrads geeignet ist.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Herstellung eines Läufers (1), welcher wenigstens ein Turbolader-Laufrad (11) und eine Turbolader-Welle
(2) aufweist, wobei das Turbolader-Laufrad (11) und/oder die
Turbolader-Welle (2) mittels Metallpulverspritzgießen (MIM) hergestellt ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Turbolader-Laufrad (11) und die Turbolader-Welle (2) als separate Teile ausgebildet sind und mittels Sintern miteinander verbunden werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Turbolader-Laufrad (11) und die Turbolader-Welle (2) einstückig ausgebildet sind und einem Sintern unterzogen werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Turbolader-Laufrad (11) und/oder die Turbolader-Welle
(2) im Anschluss an das Metallpulverspritzgießen (MIM) und das Sintern mittels heißisostatischem Pressen (HIP) nachbehandelt wird.
5. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Metallpulverspritzgießen des Turbolader-Laufrads (11) und/oder der Turbolader-Welle (2) die Schritte aufweist: Bereitstellen einer Spritzgussform (20) für das Turbolader-Laufrad (11) und/oder die Turbolader-Welle (2), Bereitstellen wenigstens eines Gemisches bzw. Feedstocks (10) aus wenigstens einem Metallpulver (12) und wenigstens einem Bindemittel (14); Einspritzen des wenigstens einen Gemisches (10) in die Spritzgussform (20);
Entformen des Laufrads (11, 16) und/oder der Welle (2) aus der Spritzgussform (20).
6. Verfahren nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Metallpulverspritzgießen des Turbolader-Laufrads (11) den Schritt aufweist: - Entbindern des aus der Spritzgussform entformten Laufrads (11, 16, 22) und/oder der Welle (2) .
7. Verfahren nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Entbindern des Laufrads (11, 16, 22) und/oder der Welle
(2) mittels einer thermischen und/oder katalytischen und/oder Lösungsmittel-Entbinderung bzw. Extraktionsentbinderung erfolgt .
8. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine Wärmedrosseleinrichtung (7) zwischen dem Laufrad (11) und der Welle (2) vorgesehen wird, wobei die Wärmedrosseleinrichtung (7) insbesondere ein Keramikteil ist.
9. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 4 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das heißisostatische Pressen des Turbolader-Laufrads (11) und/oder der Turbolader-Welle (2) die Schritte aufweist: - Anordnen des metallpulverspritzgegossenen Laufrads (11) und/oder der Turbolader-Welle (2) in einer
Druckkesseleinrichtung (32) einer Druckbehältereinrichtung (34) ; Füllen der Druckkesseleinrichtung (32) mit Schutzgas; Aufheizen der Druckkesseleinrichtung (32) auf eine vorbestimmte Temperatur oder einen vorbestimmten Druck bei einer entsprechenden Temperatur;
Halten des Laufrads (11) und/oder der Welle (2) in der Druckkesseleinrichtung (32) über eine vorbestimmte
Zeitdauer bei einer vorbestimmten Temperatur oder einem vorbestimmten Druck;
Abkühlen des Laufrads (11) und/oder der Welle (2) .
10. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zumindest die Oberfläche wenigstens einer Lagerstelle des Turboladerläufers (1) zusätzlich mit einer Beschichtung versehen wird, insbesondere einer Metallbeschichtung, vorzugsweise einer Chromschicht.
11. Turbolader-Läufer, wobei der Turbolader-Läufer (1) wenigstens ein Laufrad (11) und eine Welle (2) aufweist, an welcher das Laufrad (11) befestigt ist, wobei das Laufrad (11) und/oder die Welle (2) mittels Metallpulverspritzgießen (MIM) hergestellt ist.
12. Turbolader-Läufer nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Turbolader-Laufrad (11) und die Welle (2) als separate Teile ausgebildet sind und mittels Sintern miteinander verbunden sind.
13. Turbolader-Läufer nach Anspruch 11 oder 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Laufrad (11) und/oder die Welle (2), welche mittels Metallpulverspritzgießen (MIM) hergestellt sind, mittels heißisostatischem Pressen (HIP) nachbehandelt sind.
14. Turbolader-Läufer nach einem der Ansprüche 11 bis 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Läufer (1) eine Wärmedrosseleinrichtung (7) zwischen dem Turbolader-Laufrad (11) und der Welle (2) aufweist, wobei die Wärmedrosseleinrichtung (7) insbesondere wenigstens ein Keramikteil aufweist.
15. Turbolader-Läufer nach wenigstens einem der Ansprüche 11 bis 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass wenigstens eine Lagerstelle der Welle (2) bzw. des Läufers (1) mit einer Beschichtung versehen ist, insbesondere einer Metallbeschichtung, vorzugsweise einer Chrombeschichtung.
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