BR102013013542A2

BR102013013542A2 - pó de pulverização livre de zinco, camada de pulverização térmica que contém cobre, assim como método para fabricar uma camada de pulverização térmica que contém cobre

Info

Publication number: BR102013013542A2
Application number: BR102013013542A
Authority: BR
Inventors: Bernd Distler; Peter Ernst
Original assignee: Sulzer Metco Ag
Priority date: 2012-06-01
Filing date: 2013-05-31
Publication date: 2015-10-20
Also published as: EP2669400B1; JP6377889B2; BR102013013344A2; CA2814671A1; CN103556097A; MX344370B; CA2814671C; BR102013013344B1; CN103453018A; JP2013249533A; MX2013005959A; CN103556097B; US9097276B2; EP2669400A1; US9885382B2; MX2013005999A; BR102013013542B1; CN103453018B; US20130319367A1; CA2814561A1

Abstract

pó de pulverização livre de zinco, camada de pulverização térmica que contém cobre, assim como método para fabricar uma camada de pulverização térmica que contém cobre.a presente invenção refere-se a um pó de pulverização livre de zinco para revestir termicamente um substrato, especificamente para revestir termicamente uma parte de mancal de um aparelho de mancal, cujo pó de pulverização tem a seguinte composição exceto por contaminantes inevitáveis: estanho = 5% a 30% de peso percentual; alumínio = 0,1% a 5% de peso percentual; ferro = no máximo 1 % de peso percentual; e cobre = igual a diferença para 100% de peso percentual. a invenção mais ainda refere-se a um sistema de camadas aplicado através de pulverização térmica, uma peça a trabalhar, especificamente uma biela, assim como um método de pulverização para fabricar uma camada de pulverização.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "PÓ DE PULVERIZAÇÃO LIVRE DE ZINCO, CAMADA DE PULVERIZAÇÃO TÉRMICA QUE CONTÉM COBRE, ASSIM COMO MÉTODO PARA FABRICAR UMA CAMADA DE PULVERIZAÇÃO TÉRMICA QUE CONTÉM COBRE". A invenção refere-se a um pó de pulverização livre de zinco, a uma camada de superfície que contém cobre gerada com o pó de pulverização, especificamente uma camada de superfície sobre uma parte de mancai de um aparelho de mancai, assim como a um método para aplicar tal camada de superfície de acordo com o preâmbulo da reivindicação independente da respectiva categoria.

Os aparelhos de mancai de todos os tipos, por exemplo, mancais simples e mancais de elemento de rolamento, reúnem a parte predominante de mancais utilizados na técnica. O termo mancai ou aparelho de mancai deve ser compreendido a seguir como partes as quais definem a função do mancai, as quais cooperam em um contato de suporte, por exemplo, rolando ou deslizando para fora uma da outra, ou são suportadas uma sobre a outra. O atrito que surge nas superfícies de rolamento que cooperam em um contato de suporte está geralmente associado com sinais de desgaste, especificamente na superfície de mancai. Nesta conexão, os mancais simples são utilizados em um número quase incalculável de modalidades na engenharia mecânica. Por exemplo, os mancais simples são utilizados como mancais de eixo de manivelas em motores de combustão interna de pistão alternante, como mancais de biela, como mancais de compressão, como mancais de cabeça cruzada, como mancais de eixo de hélice, ou para muitas outras aplicações.

Por exemplo, um mancai simples assim como um método para a fabricação de um mancai simples estão descritos na WO 00/23718, na qual um revestimento composto de metal branco é ligado a um mancai composto de material de ferro. No entanto, a formação de uma liga requer a presença de componentes de liga fluidos, de modo que uma quantidade correspondente de calor é descarregada durante o processo de revestimento, por meio de que não somente o metal branco funde, mas também um banho de metal composto de material de base fundido é gerado sobre a superfície de contato do lado superior da parte de mancai. Os fundidos de metal branco e de metal de ferro gerados deste modo podem ligar um com o outro, com uma grande quantidade de FeSn2 formando. Neste aspecto, uma zona de conexão comparativamente espessa, a qual é grandemente composta de FeSn2, correspondentemente forma. Esta zona de conexão realmente resulta em uma boa conexão metalúrgica entre o material de base e o revestimento; no entanto, o FeSn2 representa um material muito frágil, de modo que já para pequenas cargas das configurações de mancai conhecidas a formação de rachaduras e falha de fragilidade podem resultar. Mais ainda, no caso de um resfriamento inoportuno, uma transformação do material de ferro na vizinhança do revestimento para uma martensita pode acontecer, a qual é do mesmo modo muito frágil, por meio de que a desvantagem acima mencionada é adicionalmente amplificada. O resultado é que uma vida útil curta correspondente ocorre para um mancai do tipo inicialmente descrito, devido à alta fragilidade e baixa ductilidade dentro de uma região intermediária relativamente espessa entre o aço do material de base e a camada de mancai de metal branco.

De modo a evitar isto, é também conhecido aplicar um revestimento composto de um metal de mancai, tal como o metal branco no mancai através de fundição centrífuga. Neste aspecto, a formação de um banho metálico composto de material de base fundido realmente não acontece. No entanto, durante a solidificação do metal branco aplicado durante a fundição centrífuga, uma separação dos componentes de liga podem acontecer, no qual cristais em forma de agulha compostos de Cu6Sn5 inicialmente e então cristais cúbicos compostos de SbSn formam, e finalmente a matriz rica em estanho restante solidifica. A densidade do Cu6Sn5 é maior do que aquela do SbSn é menor do que a densidade da matriz líquida mais longa. Os cristais de Cu6Sn5 correspondentemente migram radialmente para fora e neste aspecto enfraquecem a região na qual o revestimento de metal branco junta ao material de base, o que pode também impactar negativamente a vida útil.

Para evitar estes e outros problemas relativos, um mancai simples e um método para fabricar um mancai simples estão sugeridos na WO 2007/131 742 A1, na qual uma zona de conexão relativamente fina que inclui FeSn2 é formada entre a camada de metal branco puro e o material de base que contém ferro, cuja zona de conexão tem no máximo 10 pm de espessura.

Esta solução, no entanto, meramente representa um compromisso, já que a camada de FeSn2 é realmente relativamente fina, no entanto está ainda presente, de modo que o problema de falha de fragilidade e formação de rachaduras não está ainda definitivamente resolvido. Especifica-mente para os mancais simples, os quais estão expostos a cargas enormemente altas, tal como o mancai de eixo de manivelas de motores de combustão interna, o problema de falha de fragilidade e formação de rachaduras continua a existir devido à capacidade de deformação dos mancais simples de acordo com a WO 2007/131 742 A1 não está nem próxima de ser suficiente.

De modo a evitar fundamentalmente estes problemas e impedir a troca do mancai inteiro no caso de desgaste nas superfícies de mancai, casquilhos de mancai são utilizados entre outros para os mancais planos, cujos casquilhos de mancai estão instalados dentro do mancai e podem ser trocados após estes serem desgastados, isto é, os assim denominados mancais simples divididos com casquilhos de mancai são utilizados. A um certo grau, o armazenamento combinado é também parcialmente utilizado em mancais simples e mancais de elemento de rolamento. Os eixos são geralmente compostos de aço forjado ou ferro fundido incluindo o grafite esfe-roidal, as contrapartes são formadas de aço temperado, ou são sinterizadas, ou são algumas vezes fabricadas de ferro maleável. Os casquilhos de mancai são geralmente realizados como os assim denominados mancais de duas ou três camadas.

No entanto, o projeto construtivo do mancai simples é neste aspecto significativamente complicado, e um processo de manutenção dispen- dioso mais ainda torna-se necessário com a troca de casquilhos de mancai. Mais ainda, a fabricação de tais casquilhos de mancai é relativamente complexa em esforço e custo. Para um alto desempenho operacional da máquina, os casquilhos de mancai desgastam tanto prematuramente que a troca dos casquilhos de mancai torna-se necessária, em que, como acima descrito, a troca dos casquilhos de mancai em tais máquinas envolve um alto custo.

No entanto, o desgaste prematuro de partes de mancai, isto significa, por exemplo, o desgaste das esferas do rolamento de esferas, de um eixo suportado pelo rolamento de esferas, de uma gaiola para as esferas do rolamento de esferas, ou de outras partes de mancai, é também um problema principal para outros tipos de mancais, por exemplo, os rolamentos de esferas, o que gera uma demanda considerável em esforço para reparos e manutenção e finalmente envolve um custo considerável.

Para resolver estes e problemas adicionais, um pó de pulverização para fabricar uma camada de mancai sobre uma parte de mancai por meio de um método de revestimento térmico está sugerido na EP 1 637 623 B1, cujo pó de pulverização contém até 30 % de zinco, até 10 % de estanho, até 3 % de silício, até 7 % de alumínio, até 2 % de ferro, até 4 %, até 3 % de cobalto, com a diferença restante para 100 % sendo cobre. Neste aspecto todos os valores são em peso porcento.

Um pó de pulverização é com isto provido pela EP 1 637 623 B1 por meio do qual uma camada de superfície que contém cobre pode ser a-plicada a uma parte de mancai por um método de revestimento térmico, de modo que os problemas associados com os revestimentos de metal branco, os quais são, por exemplo, aplicados através de fundição centrífuga, podem do mesmo modo ser evitados, como os problemas com mancais divididos complexos que têm casquilhos de mancai.

Os elementos essenciais do pó de pulverização de acordo com a EP 1 637 623 B1 são neste aspecto por um lado, ferro cobalto, manganês, e silício, os quais precipitam na forma de uma fase dura como fases ou conexões intermetálicas na camada pulverizada no resfriamento, de modo que regiões isoladas são geradas na camada que formam fases duras espacialmente isoladas de fases intermetálicas ou formam conexões de ferro cobalto, manganês, e silício. As fases duras formam regiões relativamente duras, isto é, áreas com maior dureza na matriz de base que contém cobre de outro modo comparativamente macia, a qual é substancialmente composta de cobre, alumínio, e zinco, e assim formam uma matriz de base de cobre-alumínio zinco que forma uma matriz de base que contém cobre macia em relação às áreas contidas das fases duras.

Apesar das camadas de mancai pulverizadas formadas do pó de pulverização de acordo com a EP 1 637 623 B1 mostraram excelentes propriedades mecânicas em operação, infelizmente também foi mostrado que pelo menos para certas aplicações o conteúdo de zinco pode levar a abra-sões de zinco que chegam no lubrificante que lubrifica os mancais, o que, entre outras coisas, dependendo da composição química do lubrificante utilizado, pode levar a um tipo de contaminação de zinco do lubrificante e pode assim negativamente influenciar as suas propriedades. Mais ainda, a fabricação do pó de pulverização de acordo com a EP 1 637 623 B1 é um tanto complexa e neste aspecto dispendiosa devido à sua composição relativamente complicada.

Por esta razão é o objeto da invenção aperfeiçoar as propriedades de deslizamento de uma superfície de uma parte de mancai através da aplicação de uma camada de pulverização térmica e sugerir um aparelho de mancai aperfeiçoado o qual é simples do ponto de vista de construção e o qual, especificamente, evita os problemas associados com a abrasão de zinco conhecidos do estado da técnica. Correspondentemente, é um objeto a-dicional da invenção tornar disponível um pó de pulverização térmica que tem uma composição química tão simples quanto possível por meio da qual tal camada de mancai é fabricável sobre uma parte de mancai. O assunto da invenção que satisfaz este objeto está caracterizado pelas características da reivindicação independente da respectiva categoria.

As respectivas reivindicações dependentes referem-se a modali- dades especificamente vantajosas da invenção. A invenção portanto refere-se a um pó livre de zinco para o revestimento térmico de um substrato, especificamente para o revestimento térmico de uma parte de mancai de um aparelho de mancai, cujo pó de pulverização tem a seguinte composição exceto por contaminantes inevitáveis: estanho = 5% a 30% de peso percentual; alumínio = 0,1% a 5% de peso percentual; ferro no máximo 1% de peso percentual; e cobre = igual a diferença para 100% de peso percentual.

Uma segunda característica essencial do pó de pulverização de acordo com a invenção é o conteúdo de estanho relativamente alto.

De acordo com a invenção, o pó de pulverização está portanto tornado disponível por meio do qual uma camada de superfície que contém cobre pode ser aplicada a um substrato por meio de um método de revestimento térmico.

Neste aspecto é crucial, por um lado, que o pó de pulverização de acordo com a invenção não contenha nenhum zinco, de modo que os efeitos danosos de camadas de superfície que contêm zinco conhecidas do estado da técnica sejam evitados. Especificamente, a contaminação de zinco do lubrificante através de abrasão de zinco pode, portanto, não ocorrer de todo a qual, como mencionado na introdução, é, por exemplo, frequentemente causada por camadas de superfície que contêm zinco de partes de mancai lubrificadas com óleo.

Uma segunda característica importante é um conteúdo de estanho de 5% a 30% de peso percentual em conexão com uma proporção de alumínio relativamente pequena, a qual fica entre 0,1% a no máximo 5% de peso percentual.

Neste aspecto, é conhecido em princípio que o alumínio, por um lado, pode ter uma forte influência positiva sobre as propriedades mecânicas e pode, especificamente significativamente aperfeiçoar a resistência à corrosão de uma camada de pulverização térmica. Por esta razão, assumiu-se até agora que um conteúdo de alumínio relativamente alto é necessário de modo a ser capaz de garantir uma boa resistência à corrosão da camada de pulverização térmica no estado da técnica. No entanto, por outro lado, foi também mostrado que uma alta porção de alumínio na camada de pulverização térmica pode levar a uma formação de óxido de alumínio (predominantemente Al203) na camada de pulverização térmica em uma quantidade aumentada durante a pulverização térmica o que por sua vez influencia negativamente as propriedades de atrito da camada de pulverização térmica.

Uma descoberta adicional da invenção consiste em que, para um alto conteúdo de alumínio no pó de pulverização, uma matriz de alumínio pode formar na camada de pulverização térmica, na qual fazes de estanho isoladas podem estar mais ou menos distribuídas. Devido às taxas de resfriamento e taxas de solidificação relativamente altas durante a pulverização térmica, uma parte do estanho pode precipitar em uma solução saturada na matriz de alumínio. O restante do estanho está então presente na forma de partículas com tamanhos subcríticos, assim estas estão presentes na forma de partículas as quais são formadas em um tamanho muito pequeno na matriz de alumínio, de modo que as assim denominadas propriedades antiar-raste da camada são influenciadas negativamente, o que significa que as partes deslizantes as quais esfregam uma contra a outra, por exemplo, as partes deslizantes de um mancai, mostram uma tendência aumentada no sentido de arraste o que deve naturalmente ser impedido por razões óbvias.

Por outro lado, um alto conteúdo de estanho pode aperfeiçoar significativamente as propriedades antiarraste da camada de pulverização térmica, de modo que uma camada de pulverização térmica seja finalmente permitida por meio do pó de pulverização de acordo com a invenção cujo pó de pulverização simultaneamente otimiza todas as propriedades significativas de uma camada de superfície termicamente pulverizada, especificamente de uma camada de mancai termicamente pulverizada. Neste aspecto, o conteúdo de estanho pode, no entanto, não exceder um limite pré-ajustável, já que a camada de pulverização térmica de outro modo desgastaria mecanicamente muito rapidamente.

Isto significa que a combinação de conteúdo de alumínio relativamente baixo entre 0,1% e no máximo 5% de peso percentual com um con- teúdo de zinco de pelo menos 5% a no máximo 30% de peso percentual de acordo com a invenção leva a um pó de pulverização térmica por meio do qual camadas de pulverização térmica podem ser fabricadas, o qual, pela primeira vez, simultaneamente otimiza não somente as propriedades antiar-raste das camadas de pulverização térmica, e a resistência à corrosão, mas também otimiza as propriedades de atrito, assim otimiza um coeficiente de atrito tão pequeno quanto possível da camada de pulverização térmica. Uma das descobertas significativas da invenção neste aspecto, que uma proporção relativamente pequena de 0,1% a 5% de peso percentual de alumínio já é suficiente para, por um lado, garantir uma resistência à corrosão suficiente na camada de pulverização térmica na composição do pó de pulverização de acordo com a invenção com a formação de óxido de alumínio (predominantemente AI2O3) indesejado sendo simultaneamente suprimida para um grau suficientemente pequeno.

Para uma modalidade preferida de um pó de pulverização de acordo com a invenção, o pó de pulverização inclui entre 15% e 25% de peso percentual de estanho, de preferência 20% de peso percentual de estanho.

Neste aspecto o pó de pulverização pode especificamente incluir entre 0,5% e 2% de peso percentual de alumínio, de preferência 1% de peso percentual de alumínio e/ou no máximo 0,5% de peso percentual de ferro, de preferência no máximo 0,2% de peso percentual de ferro. Neste aspecto o ferro pode estar ausente até quantidades inevitáveis marginais em uma modalidade especial.

Na prática o tamanho das partículas no pó de pulverização fica entre 5 pm e 120 pm, de preferência entre 10 pm e 60 pm, e dependendo da aplicação pode também ficar entre 60 pm e 120 pm, por exemplo.

Neste aspecto, um pó de pulverização de acordo com a invenção pode ser fabricado em um modo conhecido por si, por exemplo, por a-tomização de gás, atomização de água, sinterização, secagem de pulverização, liga mecânica ou fabricado em qualquer outro modo adequado. A invenção ainda refere-se a um sistema de camadas livre de zinco aplicado através de pulverização térmica. O sistema de camadas neste aspecto inclui pelo menos uma camada de superfície, especificamente uma camada de mancai de uma parte de mancai de um aparelho de mancai, cuja a camada de mancai tem a seguinte composição exceto por contaminantes inevitáveis: estanho = 5% a 30% de peso percentual; alumínio = 0,1 porcento a 5% de peso percentual; ferro no máximo 1% de peso percentual; e cobre = igual a diferença para 100% de peso percentual. A camada de superfície de um sistema de camadas de acordo com a invenção pode neste aspecto incluir entre 15% e 25% de peso percentual de estanho, de preferência 20% de peso percentual de estanho, e/ou a camada de superfície pode incluir entre 0,5% e 2% de peso percentual de alumínio, de preferência 1% de peso percentual de alumínio e/ou a camada de superfície inclui no máximo 0,5% de peso percentual de ferro, de preferência no máximo 0,2% de peso percentual de ferro. Em casos especiais, o ferro também pode estar completamente ausente exceto por contaminantes inevitáveis. Incidentalmente, por exemplo, quantidades inevitáveis de vários ôxidos ou resíduos inevitáveis de gases de processo, tal como gases nobres, nitrogênio e assim por diante podem também estar presentes em um sistema de camada de acordo com a invenção o qual, por exemplo, pode resultar através do processo de pulverização térmica, com a camada de superfície, tendo, por exemplo, uma porosidade de 0,5% a 5% de volume percentual, especificamente entre 1% e 3%.

Em uma modalidade importante na prática um sistema de camadas de acordo com a invenção pode, além disso, incluir uma camada superior externa que inclui estanho a qual pode de preferência ser provida diretamente sobre a camada de superfície livre de zinco feita do pó pulverizado de acordo com a invenção, em que, em uma modalidade especificamente importante, a camada superior externa somente contém estanho exceto por contaminantes inevitáveis. A camada superior externa neste aspecto pode em casos especiais ser uma camada de acomodação que tem uma função conhecida por si, a qual pelo menos parcialmente muda ou alternativamente desgasta durante o processo de acomodação conhecido na técnica, no qual, por exemplo, as partes que giram uma contra a outra de um mancai são geometricamente idealmente sintonizadas uma com a outra ou alternativamente acomodadas. A invenção finalmente também refere-se a uma peça a trabalhar, especificamente a uma biela para um motor de combustão interna de pistão alternante com um sistema de camadas como acima descrito em detalhes, assim como um método de pulverização para a fabricação de um sistema de camadas de acordo com a invenção sobre uma peça a trabalhar na utilização de um pó de pulverização da invenção, especificamente para fabricar uma camada de superfície sobre uma parte de mancai de um mancai, em que o método de pulverização é um método de pulverização térmica, específicamente um método de pulverização de plasma atmosférico, um método de pulverização de plasma de vácuo, um processo de HVOF, um método de pulverização de chama ou um método de pulverização de gás frio.

REIVINDICAÇÕES

Claims

1. Pó de pulverização livre de zinco para revestir termicamente um substrato, especificamente para revestir termicamente uma parte de mancai de um aparelho de mancai, cujo pó de pulverização tem a seguinte composição exceto por contaminantes inevitáveis: Estanho = 5% a 30% de peso percentual; Alumínio = 0,1% a 5% de peso percentual; Ferro = no máximo 1% de peso percentual; Cobre = igual a diferença para 100% de peso percentual.

2. Pó de pulverização de acordo com a reivindicação 1, em que o pó de pulverização inclui um conteúdo de estanho entre 15% e 25% de peso percentual, de preferência 20% de peso percentual de estanho.

3. Pó de pulverização de acordo com a reivindicação 1 ou 2, em que o pó de pulverização inclui um conteúdo de alumínio entre 0,5% e 2% de peso percentual, de preferência 1% de peso percentual de alumínio.

4. Pó de pulverização de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, em que o pó de pulverização inclui no máximo um conteúdo de ferro de 0,5% de peso percentual, de preferência no máximo 0,2% de peso percentual de ferro.

5. Pó de pulverização de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, em que o tamanho das partículas do pó de pulverização fica entre 5 pm e 120 pm, de preferência entre 10 pm e 60 pm.

6. Pó de pulverização de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, em que o pó de pulverização é fabricado através de atomização de gás, atomização de água, sinterização, secagem de lampe-jamento, ou liga mecânica.

7. Sistema de camadas livre de zinco aplicado através de pulverização térmica, que tem uma camada de superfície, especificamente uma camada de mancai de uma parte de mancai em um aparelho de mancai, que tem a seguinte composição exceto por contaminantes inevitáveis: Estanho = 5% a 30% de peso percentual; Alumínio = 0,1 porcento a 5% de peso percentual; Ferro = no máximo 1% de peso percentual; Cobre = igual a diferença para 100% de peso percentual.

8. Sistema de camadas de acordo com a reivindicação 7, em que a camada de superfície inclui um conteúdo de estanho entre 15% e 25% de peso percentual, de preferência 20% de peso percentual de estanho.

9. Sistema de camadas de acordo com a reivindicação 7 ou 8, em que a camada de superfície inclui um conteúdo de alumínio entre 0,5% e 2% de peso percentual, de preferência 1% de peso percentual de alumínio.

10. Sistema de camadas de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 9, em que a camada de superfície inclui no máximo um conteúdo de ferro de 0,5% de peso percentual, de preferência com no máximo 0,2% de peso percentual de ferro.

11. Sistema de camadas de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 10, em que a camada de superfície tem uma porosidade entre 0,5% e 5% de volume percentual, especificamente entre 1 % e 3%.

12. Sistema de camadas de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 11, em que uma camada superior externa que inclui estanho está provida.

13. Sistema de camadas de acordo com a reivindicação 12, em que a camada superior externa somente inclui estanho exceto por contami-nantes inevitáveis.

14. Peça a trabalhar que tem um sistema de camadas como definido em qualquer uma das reivindicações 7 a 13, especificamente uma bie-la para um motor de combustão interna de pistão alternante.

15. Método de pulverização para fabricar um sistema de camadas como definido em qualquer uma das reivindicações 7 a 13, sobre uma peça a trabalhar como definida na reivindicação 14, na utilização de um pó de pulverização como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 6, especificamente para fabricar uma camada de superfície sobre uma parte de mancai de um aparelho de mancai, em que o método de pulverização é um processo de pulverização térmica, especificamente um método de pulverização de plasma atmosférico, um método de pulverização de plasma de vá- cuo, um processo de pulverização de HVOF, um método de pulverização de chama, ou um método de pulverização gás frio.