BR102013013344A2 - Parte de mancal e método de pulverização térmica - Google Patents

Abstract

Resumo patente de invenção: "parte de mancal e método de pulverização térmica". A presente invenção refere-se a uma parte de mancal, bem como a um método de pulverização para fabricação de um sistema de camadas em uma parte de mancal, em particular, a uma cabeça de biela de uma biela para um motor de combustão de pistão alternativo, com um sistema de camadas contendo pelo menos estanho sendo proporcionado em uma superfície da parte de mancal. De acordo com a invenção, uma camada de topo externa, termicamente pulverizada, do sistema de camadas é composta apenas de estanho com a exceção de contaminantes.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "PARTE DE MANCAL E MÉTODO DE PULVERIZAÇÃO TÉRMICA". A presente invenção refere-se a uma parte de mancai e a um método de pulverização térmica para produção de um sistema de camadas em uma parte de mancai, em particular, a uma cabeça de biela de uma biela para um motor de combustão de pistão alternativo de acordo com o preâm- bulo das reivindicações independentes 1 e 9.

Dispositivos de mancai de todas as espécies, por exemplo, mancais de deslizamento e mancais de elementos rolantes representam a porção predominante de mancais usados na engenharia. Mancais ou dispo- sitivos de mancais devem ser compreendidos no que segue como todas as partes de mancai que definem a função do mancai, por exemplo, partes de mancai que rolam ou deslizam uma na outra ou suportadas uma na outra e que cooperam no contato de sustentação.

Como uma regra, fenômenos de desgaste, particularmente nas superfícies de rolamento de mancai, estão associados com o atrito que se origina nas superfícies de rolamento de mancai, cooperando no contato de mancai. Os mancais de deslizamento são usados em um número quase in- contável de modalidades a esse respeito. Por exemplo, os mancais de desli- zamento são usados em motores de combustão de pistão alternativo como mancais de manivela, mancais finais grandes, mancais de empuxo, mancais de articulação da cruzeta, mancais do eixo da hélice ou em muitas outras aplicações.

Um mancai de deslizamento e um método de fabricação de um mancai de deslizamento são divulgados, por exemplo, em WO 00/23718, em que um revestimento composto de metal branco é ligado a uma parte trans- portadora composta de um material de ferro. A formação de uma liga, po- rém, requer a presença de componentes de liga líquidos de modo que, em consequência, uma grande quantidade de calor seja liberada no processo de revestimento, pelo que não só o metal branco se funde, mas também um banho de metal composto de material de base fundido é produzido no lado superior da parte transportadora no lado da superfície de rolamento. Os fun- didos de metal branco e material de ferro assim produzidos podem se ligar uns com os outros, com FeSn2 se originando em uma grande quantidade.

Em consequência, uma zona de conexão comparativamente espessa com- posta grandemente de FeSn2 se origina a esse respeito. Essa zona de co- nexão, admitidamente, produz uma boa conexão metalúrgica entre o materi- al de base e o revestimento, mas FeSn2 representa um material muito que- bradiço, de modo que uma formação de trincas e fratura frágil já possam ocorrer em cargas menores na disposição de mancai conhecida. Além disso, há o fato de que, no caso de um resfriamento desfavorável, uma conversão do material de ferro perto do revestimento em Martensita pode ocorrer, o qual é igualmente muito quebradiço, pelo que a desvantagem antes nomea- da é ainda intensificada. A consequência é que, com um mancai da espécie previamente descrita, uma vida em serviço correspondentemente curta resulta como uma consequência da alta fragilidade e a pequena capacidade de estiramento dentro de uma região intermediária relativamente espessa entre o aço do material de base e a camada de suporte de metal branco.

Para evitar isto, também é conhecido aplicar um revestimento composto de um metal de mancai, tal como metal branco, à parte transpor- tadora em um processo de fundição centrífuga. A este respeito, a formação de um banho de metal composto de material de base fundido é reconheci- damente suprimida. Na solidificação do metal branco aplicado no processo de fundição centrífuga, a separação dos componentes da liga pode, no en- tanto, ocorrer na medida em que os cristais em forma de agulha constituídos de Cu6Sn5 são primeiro precipitados e, em seguida, os cristais cúbicos cons- tituídos de SbSn e finalmente a matriz rica em estanho restante se solidifica. A densidade de Cu6Sn5 é maior, a de SbSn menor do que a densidade da matriz que é mais líquida. Os cristais de Cu6Sn5, em conse- quência, migram radialmente para fora e com isso enfraquece a região em que o revestimento de metal branco fica adjacente ao material de base, o que também pode ter um efeito negativo sobre a vida útil.

Para evitar estes problemas e problemas relacionados, um man- cal de deslizamento e um método de fabrico de um mancai de deslizamento são propostos no documento WO 2007/131 742 A1 em que é formada uma zona de ligação contendo FeSn2 relativamente fina, que tem, no máximo, 10 mm de espessura, entre a camada de metal branco puro e o material de ba- se contendo ferro.

Esta solução, no entanto, representa apenas um compromisso já que a camada de FeSn2 é reconhecidamente relativamente fina, mas, na verdade, ainda está presente realmente, de modo que o problema da ruptura frágil e de formação de fendas ainda não está resolvido conclusivamente. O problema da fratura frágil e de formação de fissuras para mancais de desli- zamento que são expostos a cargas extremamente elevadas, por exemplo, mancais do de eixo de manivela de motores de combustão interna, em parti- cular, ainda está presente, porque a capacidade de deformação dos mancais de deslizamento, de acordo com WO 2007/131 742 A1, não é suficiente em uma grande quantidade.

Para evitar estes problemas em princípio e para evitar a substitu- ição do mancai completo, em caso de desgaste das superfícies do mancai, casquilhos são, inter alia, também usados em mancais de deslizamento, os quais são inseridos no mancai e que podem ser substituídos, após o seu desgaste, ou seja, os chamados mancais de deslizamento fendidos com casquilhos são usados. Em parte, também é utilizado um suporte combinado em mancais de deslizamento e mancais de roletes. Os eixos são, como uma regra a este respeito, forjados ou sinterizados de aços forjados ou ferro fun- dido de grafita esferulítica, as contrapartidas de aços tratáveis pelo calor ou em parte, também são fabricados em ferro fundido recozido. Os casquilhos são normalmente realizados como os chamados mancais de duas camadas ou mancais de três camadas. A estrutura construtiva do mancai de deslizamento é, no entanto, assim, feita substancialmente mais complexa e, além disso, um processo de manutenção de custo elevado torna-se necessário, com a troca dos casqui- lhos. Além disso, o fabrico de tais casquilhos é relativamente complexo e / ou caro. Com altas taxas de desempenho operacional da máquina, os cas- quilhos, além disso, se desgastam prematuramente, tanto que a mudança dos casquilhos torna-se necessária, com a mudança dos casquilhos nessas máquinas, como foi mencionado acima, estando associada com custos ele- vados.

Contudo, com outros tipos de mancais, por exemplo, com man- cais de esferas, o desgaste prematuro das partes do mancai, ou seja, por exemplo, das esferas dos mancais de esferas, de um eixo a ser suportado pelo mancai de esferas, uma gaiola para as esferas dos mancais de esferas ou outras partes de mancai do mancai de esferas, é um problema básico que provoca um esforço substancial e / ou custos de reparos e manutenção e, em última análise, está associado com custos substanciais.

Um pó de pulverização para a fabricação de uma camada de mancai em uma parte de mancai, por meio de um processo de revestimento térmico, por conseguinte, tem sido proposto para resolver estes e outros problemas em EP 1 637 623 B1, o referido pó de pulverização contendo até 30% de zinco, até 10% de estanho, até 3% de silício, até 7% de alumínio, até 2% de ferro, até 4% de manganês, até 3% de cobalto, com a diferença restante para os 100%, sendo cobre. Todos os valores a este respeito estão em percentagem em peso.

Um pó de pulverização é assim proporcionado por EP 1 637 623 B1, com o qual uma camada superficial que contém cobre é aplicada a uma peça de mancai, por meio de um processo de revestimento térmico de modo que os problemas com os revestimentos de metal branco, que são aplicados por meio de inércia centrífuga, por exemplo, sejam evitados na mesma ma- neira como os problemas com os mancais fendidos complexos com casqui- lhos.

Os componentes correspondentes do pó de pulverização de a- cordo com o EP 1 637 623 B1 são, a este respeito, por um lado, ferro, cobal- to, manganês e silício, que são depositadas como fases intermetálicas ou compostos na camada pulverizada por arrefecimento, sob a forma de uma fase dura de forma que regiões isoladas surjam na camada que formam fa- ses duras espacialmente isoladas de fases intermetálicas ou compostos in- termetálicos, de ferro, cobalto, manganês e silício, As fases duras formam regiões relativamente rígidas, isto é, as regiões com dureza elevada, na ma- triz de base de outra forma macia contendo cobre que é composta substan- cialmente por cobre, alumínio e zinco e, assim, formam uma matriz à base de cobre-zinco-alumínio, que formam uma de base de matriz macia conten- do cobre em relação às regiões encerradas das fases duras.

Embora as camadas de mancai formadas a partir do pó de pul- verização de acordo com a EP 1 637 623 B1 tenham demonstrado proprie- dades mecânicas excepcionais, infelizmente, tem sido verificado, contudo, que a porção de zinco pode ter como consequência que a abrasão do zinco pode entrar no óleo de lubrificação que lubrifica os mancais, pelo menos pa- ra determinadas aplicações, o que pode, sob certas circunstâncias, depen- dendo da composição química do óleo de lubrificação usado, resultar em um tipo de envenenamento pelo zinco do óleo de lubrificação, que é o que pode influenciar negativamente as suas propriedades. Além disso, a fabricação do pó de pulverização de acordo com a EP 1 637 623 B1, é complexa e, portan- to, dispendiosa, devido à sua composição química relativamente complicada.

Uma outra desvantagem dos mancais, de acordo com a EP 1 637 623 B1, é que, dependendo da aplicação e do tipo de mancai específico, o comportamento na rolagem da camada de mancai não é o ideal. Uma vez que o revestimento de EP 1 637 623 B1 é efetivamente configurado de modo que seja particularmente resistente ao desgaste mecânico e, portanto, tenha uma vida longa, este revestimento pode, em princípio não garantir que, por exemplo, as contrapartes de um mancai dotadas desse revestimento sejam perfeitamente compatíveis entre si ou são executadas ideal e geometrica- mente ou com relação ao atrito após um tempo de rolagem, o que normal- mente caracteriza um bom comportamento na rolagem de uma camada de mancai.

Por conseguinte, é o objeto da invenção aperfeiçoar as proprie- dades de deslizamento de uma superfície de uma parte de mancai através da aplicação de uma camada de pulverização térmica e, assim, propor um dispositivo de mancai melhorado e construtivamente mais simples, que, em particular, também evita os problemas de abrasão com zinco conhecidos da técnica anterior e, adicionalmente, garante um bom comportamento na rola- gem contrapartes do mancai. Por conseguinte, é um objeto adicional da in- venção proporcionar um sistema de camada pulverizada termicamente e uma parte de mancai, o referido sistema de camadas sendo de uma compo- sição química que é tão simples quanto possível, e proporcionar um método de pulverização térmica correspondente com o qual essa camada de mancai possa ser fabricada em uma parte de mancai.

Os assuntos da invenção que satisfazem estes objetos são ca- racterizado pelos aspectos da reivindicação independente da respectiva ca- tegoria.

As reivindicações dependentes se referem a modalidades parti- cularmente vantajosas da invenção. A invenção refere-se assim a uma parte de mancai, em particu- lar a uma cabeça de biela de uma biela para um motor de combustão de pis- tão alternativo, com um sistema de camadas que contém pelo menos esta- nho sendo proporcionado sobre uma superfície da parte de mancai. De a- cordo com a invenção, uma camada de topo externa pulverizada termica- mente, do sistema de camadas é composta somente de estanho com a ex- ceção de contaminantes.

Em uma modalidade particularmente preferida, a camada supe- rior é, exceto para contaminantes tecnicamente inevitáveis, uma camada de estanho puro, que é termicamente pulverizada diretamente sobre o material do substrato da parte de mancai.

Tem sido verificado, nomeadamente, que na pulverização térmi- ca de estanho, por exemplo, sobre um substrato que contém ferro, as zonas de conexão de FeSn2 prejudicial conhecidas da técnica anterior, essencial- mente, não se verificam. A razão para isso é que, presumivelmente, o esta- nho termicamente pulverizado se torna sólido tão rapidamente sobre a su- perfície do substrato relativamente frio que um processo de difusão para formar o FeSn2 substancialmente não pode ocorrer. Assim, é possível, pela primeira vez pela invenção realizar as propriedades positivas de mancai de uma camada de estanho puro, mesmo em substratos que contenham ferro, sem ter que aceitar as desvantagens das camadas de difusão FeSn2 conhe- cidas da técnica anterior. A esse respeito, a camada de topo de estanho tem uma ligação excepcional, isto é, a de aderência sobre o substrato, devido ao processo de pulverização térmica, e, de fato, sem formar qualquer zona de ligação entre o material de base e a camada de topo de estanho de modo que os proble- mas conhecidos com a zona de conexão frágil de FeSn2 não surjam em ab- soluto e de modo que, por conseguinte, sem a formação de fissuras e / ou a ruptura frágil pode ocorrer com uma parte de mancai, em conformidade com a invenção, mesmo se a camada de topo de estanho puro for aplicada por pulverização térmica diretamente sobre a parte de mancai sem qualquer camada intermediária e, mesmo sob cargas elevadas e de longo prazo.

Ao mesmo tempo, o sistema de camadas de acordo com a in- venção, em contraste com o sistema de camadas com base em Cu de EP 1 637 623 B1, tem as propriedades excepcionais conhecidas a partir de cama- das contendo estanho, por exemplo, de metal branco, de modo que as par- tes de um mancai revestidas de acordo com a invenção e suportadas uma na outra possam ser idealmente combinadas em relação uma à outra, pelo que a capacidade de desempenho, a resistência ao desgaste e a vida útil de partes de mancai de acordo com a invenção são dramaticamente melhora- das ou aumentadas em comparação com a técnica anterior. A esse respeito também é possível para aplicações muito espe- cíficas que uma camada intermediária seja fornecida entre a superfície do substrato e a camada superior, que pode, por exemplo, garantir uma ade- rência ainda melhor da camada superior de estanho sobre o substrato ou que pode, simultânea, ou, alternativamente, compensar uma falta de dureza do material do substrato da parte de mancai. A camada intermediária, sobre a qual a camada de topo de es- tanho de acordo com a invenção é pulverizada termicamente, pode, nesse caso, em princípio, ser qualquer camada intermediária adequada que pode ser constituída pelos mais diversos materiais, dependendo das exigências. A este respeito, uma camada intermediária que contém cobre é particularmente, de preferência, aplicada entre o material de substrato da parte de mancai e a camada superior por meio de um método de pulveriza- ção térmica, Em uma modalidade particularmente importante para a prática, uma camada intermediária da invenção não contêm qualquer zinco de modo que os efeitos prejudiciais de revestimentos contendo zinco conhecidos da técnica anterior sejam evitados.

Mesmo se um sistema de camadas de acordo com a invenção sempre inclui uma camada superior de estanho puro, exceto para contami- nantes inevitáveis, que, em princípio, naturalmente, cobrem quaisquer ca- madas intermediárias, possível e adicionalmente, dispostas sob a camada superior, muitas vezes pode não ser completamente excluído que na abra- são de zinco do estado operacional de camadas intermediárias que contêm zinco ocorra ao longo do tempo, que pode, por exemplo, causar o envene- namento por zinco do óleo de lubrificação conhecido da técnica anterior.

Uma camada intermediária da presente invenção, por conseguinte, especi- almente, de preferência não contém qualquer zinco, mesmo que uma porção de zinco, em princípio, seja possível na camada intermediária em certas a- plicações muito específicas.

Em uma modalidade particularmente preferida, uma camada in- termediária da presente invenção é, assim, uma camada de pulverização térmica livre de zinco, que tem a seguinte composição, exceto para contami- nantes inevitáveis: estanho = 5% a 30%, em peso, de alumínio = 0,1% a 5%, em peso , ferro = no máximo 1%, em peso e de cobre = diferença para 100% em peso.

Uma segunda característica importante de uma camada inter- média, de acordo com a invenção é, assim, um teor de estanho de 5% a 30%, em peso, em conjunto com uma proporção relativamente pequena de alumínio, que se situa entre 0,1% e no máximo 5% em peso.

Se uma camada intermédia for fornecida entre o material do substrato da parte de mancai e a camada de topo, é, no entanto, nem sem- pre, mas com frequência, o caso em que a camada superior de estanho é essencialmente responsável pelo fornecimento de boas propriedades de ro- lagem e, em seguida, tem uma espessura reduzida. Dependendo de como o procedimento de rolagem ocorre especificamente, é por todos os meios pos- síveis a este respeito que a camada superior de estanho se torna muito fina em, pelo menos, vários pontos da superfície ou ainda é completamente re- movida pelo processo de rolagem em pontos específicos, de modo que as propriedades químicas e físicas da camada intermediária se tornam absolu- tamente essenciais em todos os aspectos para a função do sistema de ca- madas de acordo com a invenção uma vez que a camada intermediária, en- tão, já não é mais completamente coberta pela camada de topo de estanho. A esse respeito, é conhecido, em princípio, que alumínio, por um lado, pode ter uma influência muito positiva sobre as propriedades mecâni- cas e, em particular, pode melhorar significativamente a resistência à corro- são de uma camada de pulverização térmica. Assim, previamente, tinha sido assumido na técnica anterior que um teor relativamente elevado de alumínio é necessário para ser capaz de assegurar uma boa resistência à corrosão da camada de pulverização térmica. No entanto, também foi mostrado que uma alta proporção de alumínio no pó de pulverização térmica tem como resultado na pulverização térmica que o óxido de alumínio (Al203, predomi- nantemente) é formado na camada de pulverização térmica, o que, mais uma vez, influencia, negativamente, as propriedades de fricção da camada de aspersão térmica.

Uma outra descoberta da presente invenção é, por conseguinte, que, com um elevado teor de alumínio na camada intermediária, uma matriz de alumínio pode se formar em quais fases de estanho mais ou menos iso- ladas podem ser distribuídas. Devido às taxas relativamente elevadas de resfriamento e solidificação na pulverização térmica, uma parte do estanho pode ser depositada em uma solução saturada na matriz de alumínio. O res- tante do estanho é então formado na matriz de alumínio na forma de partícu- las de diferentes tamanhos, ou seja, sob a forma de partículas que têm di- mensões que são muito baixas de modo que as chamadas propriedades antidesgaste da camada são influenciadas negativamente o que significa que os outros elementos de deslizamento se atritam mutuamente, por e- xemplo, os elementos de deslizamento de um mancai, cada vez mais ten- dem a arranhar, o que, naturalmente, tem que ser evitado a todo o custo, por razões óbvias.

Por outro lado, uma elevada proporção de estanho pode melho- rar significativamente as propriedades antidesgaste da camada de pulveriza- ção térmica de modo que, finalmente, uma camada de pulverização térmica seja possibilitada por uma camada intermediária da presente invenção, que otimiza as características essenciais de uma cada de mancai pulverizada termicamente de modo simultâneo. A esse respeito, a proporção de estanho, no entanto, pode não exceder um limite pré-definível uma vez que a camada de pulverização tér- mica de outra forma se desgasta mecanicamente muito rápido. A função da camada intermediária não é nomeadamente a função de uma camada de rolagem. Esta função é assumida, quando necessário, em um sistema de camadas, em conformidade com a invenção pela camada de topo de esta- nho.

Ou seja, a combinação de acordo com a invenção de um teor re- lativamente baixo de alumínio, entre 0,1% e no máximo 5% em peso, com um teor de estanho de pelo menos 5%, até um máximo de 30%, em peso, no pó de pulverização térmica resulta em uma camada intermediária pulveri- zada termicamente substancialmente da mesma composição que, pela pri- meira vez otimiza simultaneamente as propriedades antidesgaste por abra- são da camada de pulverização térmica e a resistência à corrosão, bem co- mo as propriedades de atrito, isto é, um coeficiente de atrito da camada de pulverização térmica, que é tão pequeno quanto possível. Uma das princi- pais descobertas da presente invenção é, neste contexto, que uma propor- ção relativamente pequena de 0,1% a 5% em peso de alumínio é suficiente na composição do pó de pulverização de acordo com a invenção para asse- gurar, por um lado, resistência à corrosão suficiente da camada de pulveri- zação térmica, simultaneamente com a formação de óxido de alumínio inde- sejado (principalmente AI203) sendo suprimida para uma medida suficien- temente baixa. A esse respeito, a camada intermediária pode conter entre 15% e 25% em peso de estanho, mais especificamente cerca de 20% em peso de estanho, e / ou entre 0,5% e 2%, em peso, de alumínio, de preferência de 1% em peso de alumínio, e / ou a camada intermediária pode conter, no má- ximo, 0,5% em peso de ferro, de preferência, no máximo, 0,2% em peso de ferro. A camada intermediária pode, a esse respeito, ter uma porosi- dade de, por exemplo, 0,5% a 5% em volume, em particular entre 1% e 3% em volume.

Na prática, o tamanho das partículas do pó de pulverização tér- mica utilizado neste contexto se situa entre 5 um e 120 um, de preferência entre 10 um e 60 um, e, dependendo da aplicação, por exemplo, também pode estar entre 60 um e 120 um, com o pó de pulverização usado podendo ser fabricado, por exemplo, por atomização de gás, atomização de água, sinterização, secagem por pulverização, liga mecânica, ou em qualquer ou- tra forma adequada.

Finalmente, a invenção refere-se também a um método de pul- verização para a fabricação de um sistema de camadas sobre uma parte de mancai da presente invenção, com o método de pulverização sendo um mé- todo de pulverização térmica, em particular, um método de pulverização de plasma atmosférico, um método de pulverização de plasma sob vácuo, um método de HVOF, um método de pulverização de plasma ou um método de pulverização de gás frio.

Claims (9)

1. Parte de mancai, em particular uma cabeça de biela para uma biela para um motor de combustão de pistão alternativo, em que um sistema de camadas contendo pelo menos estanho é proporcionado em uma super- fície da parte de mancai, caracterizada pelo fato de uma camada de topo externa, pulverizada termicamente, do sistema de camadas ser composta apenas de estanho, exceto para contaminantes.

2. Parte de mancai, de acordo com a reivindicação 1, em que a camada de topo é pulverizada diretamente na superfície da peça a trabalhar.

3. Parte de mancai, de acordo com a reivindicação 1, em que uma camada intermediária é proporcionada entre a superfície do substrato e a camada de topo.

4. Parte de mancai, de acordo com a reivindicação 3, em que a camada intermediária é uma camada de pulverização térmica livre de zinco, que tem a seguinte composição , exceto para contaminantes inevitáveis: estanho = 5% a 30% em peso; alumínio = de 0,1% a 5% em peso; ferro = no máximo 1%, em peso; cobre = diferença para 100% em peso.

5. Parte de mancai, de acordo com a reivindicação 4, em que a camada intermediária contém entre 15% e 25% em peso de estanho, de pre- ferência, 20% em peso de estanho.

6. Parte de mancai, de acordo com qualquer uma das reivindica- ções 4 ou 5, em que a camada intermediária contém entre 0,5% e 2% em peso de alumínio, de preferência, 1% em peso de alumínio.

7. Parte de mancai, de acordo com qualquer uma das reivindica- ções de 4 a 6, em que a camada intermediária contém no máximo 0,5% em peso de ferro, de preferência, no máximo 0,2% em peso de ferro.

8. Parte de mancai, de acordo com qualquer uma das reivindica- ções de 4 a 7, em que a camada intermediária tem uma porosidade de 0,5% a 5% em volume, em particular entre 1% e 3% em volume.

9. Método de pulverização para a produção de um sistema de camadas em uma parte de mancai, de acordo com qualquer uma das reivin- dicações de 1 a 8, em que o método de pulverização é um método de pulve- rização térmica, em particular, um método de pulverização de plasma atmos- férico, um método de pulverização de plasma sob vácuo, um método de HVOF, um método de pulverização de combustão ou um método de pulveri- zação de gás frio.