BR112016001689B1

BR112016001689B1 - método para a produção de um pistão fundido de metal leve

Info

Publication number: BR112016001689B1
Application number: BR112016001689-0A
Authority: BR
Inventors: Udo Rotmann; Roland Ruch; Patrick Sutter; Frank Winger
Original assignee: Mahle International Gmbh
Priority date: 2013-07-31
Filing date: 2014-07-28
Publication date: 2020-10-20
Also published as: CN105451910A; US10207319B2; WO2015014787A1; US20160175927A1; CN105451910B; DE102013215020A1; EP3027341A1; JP6461954B2; BR112016001689A2; JP2016535195A; EP3027341B1

Abstract

PARTE DA INSERÇÃO QUE PODE SER INFILTRADA. A presente invenção refere-se a uma parte da inserção de um pistão fundido de um motor de combustão interna, cuja parte da inserção pode ser infiltrada e é feita a partir de um material de sintetização. A parte da inserção é produzida a partir de um pó, que compreende pelo menos ferro e, de preferência, também níquel e cobre ou ligas de níquel e de cobre. O material de sinterização compreende as partículas de diferentes tamanhos de grãos, e no máximo de 4% em volume das partículas de sinterização tem um diâmetro de menos do que 75 ?m. Deste modo, porosidade áspera e mais elevada do material de sinterização e ligação melhorada entre o material fundido do pistão e a parte da inserção pode ser obtida

Description

[001] A invenção se refere a um método para a produção de um pistão de metal leve empregando uma parte da inserção para um pistão de metal leve fundido de um motor de combustão interna.

[002] Os pistões de metal leve têm sido usados nos motores de combustões internas durante muito tempo por causa de seu peso mais baixo e forças inerciais reduzidas. A fim de proteger particularmente uma primeira ranhura do anel de um tal pistão de metal leve, um pistão de alumínio, por exemplo, das cargas de pressão de expansão, reforços na forma de “porta anéis” são empregados. Os materiais dos quais tais porta anéis podem ser feitos particularmente incluem ligas de ferro, por exemplo, que tipicamente tem um coeficiente de expansão tão seme-lhante quanto possível àquele do material do pistão. De qualquer modo, uma vez que, por exemplo, as ligas de alumínio e ferro têm capacidades de condução de calor muito diferentes, a reversão das cargas térmicas pode causar fortes tensões nas superfícies de contorno, e esta aumenta o desenvolvimento das diferenças entre os coeficientes da expansão térmica dos dois materiais, uma sendo empregada para o pistão e a outra para o porta anel. Uma rachadura que se forma entre aquele porta anéis e o pistão tipicamente motiva o motor a quebrar e deve, por esse motivo, ser evitado custe o que custar. A junção entre o porta anéis e o pistão é geralmente criada com um material metálico no conhecido no processo Alfin, em que o porta anéis é imerso em uma fusão de alumínio até que uma camada de difusão tenha se formado. E em seguida, este porta anel "alfinised" é envolvido pela fusão da liga do pistão quando o pistão é fundido, e a ligação Alfin se forma durante a solidificação subsequente.

[003] Por causa das elevadas pressões de ignição que prevalece nos motores modernos a diesel, praticamente dos pistões empregados para isto são reforçados na primeira ranhura do anel com o porta anéis de ferro fundido, geralmente feitos a partir de austenita. A tendência com relação à direção da injeção de combustível nos motores a gasolina, combinada com as crescentes pressões de ignição e em seguida tam-bém exige resistência ao desgaste mais eficaz na primeira ranhura do anel do que nas ligas padrões do pistão pode fornecer. Ao mesmo tempo a ligação entre o metal leve do pistão e o porta anel fundido nele é particularmente importante.

[004] Um processo de fundição da matriz do compósito para a produção dos pistões de alumínio para motores de combustões internas em que uma porta anel feita a partir de espuma de metal de níquel, cobre, ferro ou suas ligas tendo uma fração de volume de 3 a 50% do pistão é infiltrada sob uma pressão de fundição de pelo menos 39200 KPa em um processo de fundição da matriz em elevada pressão para formar a ligação com a liga do pistão é conhecido por DE 34 18 405 C2. Uma ligação metalúrgica pode ser criada em um processo de tratamento térmico de múltiplas etapas, subsequente, por exemplo, recozimento de solubilização, envelhecimento ou outros mais.

[005] Do DE 196 35 326 A1, um método é conhecido a partir da produção de um elemento do compósito de liga de leve em que inicialmente um material de formação do compósito poroso é mantido em um espaço vazio de um molde de fundição. E em seguida, uma liga leve fundida é fundida no espaço vazio do molde de fundição por meio da aplicação de uma pressão de gás, que motivo os poros do material de formação do compósito poroso serem impregnados com a liga leve fundida. Como resultado, uma seção do material compósito é criada a qual é feita a partir da liga de leve e do compósito formando o material.

[006] No documento DE 26 39 294 C2, vários materiais de sinteri- zação altamente porosos com uma base cromo-níquel e Cu, Ni, Fe, materiais de espuma Ni-Fe pela infiltração sob pressões de solidificação entre 250000 e 100000 KPa são descritos para as porosidades abertas de 25 a 38% para uso como porta anéis.

[007] A presente invenção controla o problema da sugestão de uma modalidade melhorada de uma parte da inserção, que em particular permite a referida partir ser infiltrada mais eficazmente.

[008] A presente invenção é com base na ideia geral de seleção de um pó com uma composição do grão completamente novo à moda de uma nova linha de análise para um material de sinterização de uma parte da inserção que pode ser infiltrada, desse modo, em que a porosidade aberta e, deste modo, também a capacidade de ser infiltrada da parte da inserção produzida a partir do referido material de sinterização é melhorada consideravelmente. Isto é obtido, por exemplo, por meio da definição da linha de análise mais de perto, que é para proferir a distribuição do tamanho das partículas de sinterização individuais e, deste modo, também produzindo a sinterização do pó a partir do qual o material de sinterização é criado mais homogêneo do que geralmente é. O pó empregado de acordo com a invenção contém pelo menos ferro ou suas ligas, de preferência, também níquel, cobre ou suas ligas, e ao mesmo tempo tem as partículas de diferentes tamanhos de grãos, em que não mais do que 4 por cento em volume do pó consiste nas partí-culas que têm um diâmetro menor do que 75 pm. Neste contexto, pelo menos 28% no volume, de preferência pelo menos 50% no volume e em uma modalidade particularmente preferida de pelo menos 88% no volume do pó contem as partículas de sinterização com um diâmetro maior do que 150 pm. Por conseguinte, um material de sinterização em pó pode ser produzido que é mais áspero do que o usual, em que 90% das partículas de sinterização tipicamente têm um diâmetro menor do que 150 pm. Além disso, limitar as partículas com um diâmetro menor do que 75 pm a um nível não excedendo 4 % no volume, a distribuição do tamanho das partículas individuais é definida muito mais estreita-mente, em que a restrição dos tamanhos dos grãos abaixo do valor limite particularmente limita o grau ao qual os poros são obstruídos, as aconteceu anteriormente, deste modo, produzindo os poros não dispo-níveis para infiltração. Uma tal limitação estrita do contorno mais baixo dos tamanhos da partícula não é fornecida nos materiais de sinterização convencionais, o que significa que um grau significantemente mais ele-vado de enchimento é obtido, dos poros restantes entre as maiores par-tículas de sinterização também.

[009] De acordo com a invenção, o pó empregado para o material de sinterização da parte da inserção tem uma fração de 0 a 4,0 % no volume das partículas com um diâmetro de 0 a 75 pm. Em uma modalidade, as partículas com um diâmetro de 75 a 106 pm é responsável por não mais do que 10 % no volume, de preferência de não mais do que 2 % no volume do pó. Adicionalmente, em uma modalidade particularmente preferida, não mais do que 6 % no volume do pó inclui as partículas com um diâmetro na faixa de 106 a 150 pm. Desse modo, nesta modalidade preferida pelo menos 88 % no volume do pó tem um diâmetro de partícula maior do que 150 pm. Até mesmo com esta restrição reduzida dos melhores componentes do pó, já é possível assegurar que os poros que permanecem entre as partículas individuais no material de sinterização e que podem ser infiltrados por meio de um metal leve subsequente quando o pistão de metal leve é fundido, não são cheios completamente, a fim de que estes poros sejam disponíveis para infiltração por meio do metal leve, desse modo criando uma ligação significantemente melhorada entre a parte da inserção, que pode ter a forma de um porta anel, uma borda da depressão ou um olho do parafuso em um pistão, por exemplo.

[0010] Para este propósito, em uma modalidade de pelo menos 50% no volume do pó tem um diâmetro de partícula de 106 a 212 pm. A elevada fração de pó dentro uma largura de faixa do tamanho do grão relativamente reduzido ajuda a formação de uma elevada porosidade e, deste modo, também de um material de sinterização que pode, facil-mente, ser infiltrado. Em outra modalidade, as partículas com diâmetros maiores do que 212 pm é responsável por pelo menos 50 % no volume das mesmas. A elevada porcentagem das partículas maiores significa que uma estrutura com poros ásperos é criada, que também facilita a infiltração.

[0011] Para propósitos práticos, um pó que é adequado para a produção do material de sinterização de acordo com a invenção tem uma fração de 0,5 a 6,0% no volume das partículas com um diâmetro de 106 a 150 pm. Em particular, o referido limite mais baixo claramente mostra que no caso de uma tal linha de análise ou distribuição do tamanho do grão, as partículas muito finas para encher completamente os poros necessários para a infiltração são totalmente ausente ou apenas presentes para um grau inadequado. Desse modo, pode ser assegurado, por exemplo, que a parte da inserção produzida, que é para se dizer sinte- rizada, do material de sinterização de acordo com a invenção tem de 50 a 80% de poros, que é para proferir uma porosidade de 50 a 80%, que pode opcionalmente ser cheia pelo menos parcialmente pelo metal leve. Se o pó é relativamente homogêneo nos termos do tamanho de partícula, não apenas este aumenta a porosidade do material de sinterização produzido, mas os poros individuais também são substancialmente maiores, que também melhora sua capacidade de permitir o metal leve fundido fluir através dele.

[0012] Em uma outra modalidade vantajosa da solução de acordo com a invenção, pelo menos as partículas de sinterização individuais do material de sinterização são revestidos com um aglutinante, uma resina, por exemplo, que aumenta a estabilidade sustentável e é queimada du- rante a sinterização. Após a compactação do corpo sustentável, de qual-quer modo, a resina mantem as partículas de sinterização prensada fir-memente uma contra a outra, deste modo, melhorando a resistência do corpo sustentável compactado. Uma tal resina, deste modo, aumenta a fidelidade da forma da parte da inserção inicialmente não sinterizada e assim facilita o seu manuseio livre de dano. O aglutinante ou a resina, deste modo, representa um revestimento das partículas individuais que reduz a porosidade da parte da inserção, prejudicando a infiltração e, deste modo, também a ligação entre o metal leve do pistão e a parte da inserção durante subsequente fundição do pistão de metal leve. De qualquer modo, a aglutinante queima a resina quando a parte da inserção é sinterizada, fazendo a porosidade ocupada mais uma vez livre, a fim de que possa ser empregada para o processo de infiltração. Alter-nativamente, o aglutinante também pode ser estabelecido a fim de que a decomposição ocorra em uma reação química diferente de uma reação de oxidação durante a sinterização. Para este fim, outro gás adequado, por exemplo, um endogás, é introduzido ao invés de ar durante a sinterização.

[0013] Em um refinamento vantajoso da solução de acordo com a invenção, uma densidade da parte da inserção está na faixa de cerca de 2,5 a 4,7 g/ cm3. A densidade do alumínio é da ordem de cerca de 2,7 g/ cm3, por exemplo, a fim de que quando a parte da inserção é infiltrada com o metal leve, alumínio, por exemplo, é ainda sempre possível de se obter uma densidade de menos do que 5 g/ cm3. Deste modo, a elevada porosidade e a densidade comparativamente baixa da parte da inserção aumenta o peso do pistão de metal leve por meio de uma quantidade consideravelmente menor que uma parte fundida sólida produzida a partir de uma liga de ferro.

[0014] A invenção também se refere a um método para a produção de um pistão de metal leve, um pistão de alumínio ou magnésio, por exemplo, empregando uma parte da inserção como descrito anteriormente, em que o metal leve líquido é introduzido em um molde de fundição sob uma pressão de fundição de cerca de -0,5 a 1500 KPa e a parte da inserção disposta no molde de fundição é infiltrada. Em uma modalidade preferida as ligas hipoeutéticas de alumínio com silício e/ ou cobre são empregadas. Isto evita a formação de fases com Si ou Cu, que pode ocorrer particularmente em um liga hipereutética de Al. Isto é indesejável por que o material de sinterização pode funcionar como um filtro cujos poros não permitem estas fases passarem durante a infiltração, com o resultado em que as fases de coleta na sua superfície. A camada formada, desse modo, separa a parte da inserção do corpo do pistão fundido e forma um ponto fraco que pode resultar em uma parte a ser rejeitada, ou a subsequente falha do pistão. A fundição do pistão de metal leve pode ser realizada com ou sem contrapressão, em que a pressão de fundição deve ser de pelo menos 10 KPa mais elevada do que da contrapressão.

[0015] Em uma outra modalidade vantajosa da solução de acordo com a invenção, o pistão de metal leve, por exemplo, o pistão de alumínio é fundido sob tampão de gás, particularmente com o uso de nitrogênio ou argônio. Desse modo, é possível para evitar a oxidação do metal leve durante a fundição, em que uma tal oxidação indesejável do metal leve possa resultar na obstrução dos poros do material de sinterização com os óxidos, e assim pode tornar mais difícil se obter boa infiltração da parte da inserção e sua ligação mecânica com o corpo do pistão, como descrito anteriormente. O uso de um tampão de gás ajuda a evitar a oxidação, que por sua vez melhora a infiltração da parte da inserção.

[0016] É conveniente se o pistão fundido é a solução recozida e/ ou fornecida em excesso. Particularmente com ligas de alumínio, o recozi-mento de solubilização pode resultar em um fenômeno chamado endu-recimento por precipitação, que pode ajudar a aumentar a resistência do pistão de metal leve. Neste contexto, a curagem pode teoricamente ocorrer em três estágios, que é digamos o recozimento de solubilização, resfriamento brusco e subsequente envelhecimento (quente ou frio). O recozimento de solubilização é realizado nas temperaturas de aproxi-madamente 480° para mais de 50°C, em uma temperatura é escolhida em que uma quantidade suficiente dos elementos da liga foi dissolvida no cristal misturado, a fim de que o efeito do endurecimento ocorra após a resfriamento brusco e envelhecimento. O fornecimento em excesso de uma tal liga de alumínio também pode ser realizado de forma semelhante.

[0017] O molde de fundição é geralmente vazado ao mesmo tempo que o pistão de alumínio é fundido, para evitar o molde de fundição de ser cheio completamente, e para ser capaz de obter um processo de infiltração otimizado da parte da inserção.

Claims

1. Método para a produção de um pistão fundido de metal leve, especialmente um pistão de alumínio, caracterizado pelo fato de que a peça de inserção é feita por sinterização a partir de um pó con-tendo pelo menos ferro ou suas ligas, sendo que o pó contém as partí-culas tendo diferentes tamanhos de grãos e no máximo de 4 % no vo-lume do pó consiste nas partículas tendo um diâmetro menor do que 75 pm, sendo que o metal leve líquido, especialmente alumínio, é introdu-zido em um molde de fundição sob uma pressão de fundição de 50 a 1500 KPa, e se infiltra na parte da inserção disposta no molde de fundi-ção.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que - a fundição do pistão de alumínio ocorre sob gás inerte, par-ticularmente nitrogênio ou argônio, e/ou - a fundição ocorre sob contrapressão, onde a contrapressão é de 10 KPa mais baixa do que a pressão de fundição.

3. Método, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o pistão fundido sofre um recozimento de solubilização ou é superenvelhecido.

4. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que o pó inclui uma fração não excedendo 10 % no volume das partículas com um diâmetro de 75 a 106 pm.

5. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 4, caracterizado pelo fato de que para a fabricação da parte de inserção é empregado um pó que contém uma fração de pelo menos 28 % no volume das partículas tendo um diâmetro maior do que 150 pm.

6. Método, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que para a fabricação da parte de inserção é empregado um pó que contém uma fração de pelo menos 50 % no volume das partículas tendo um diâmetro maior do que 150 pm.

7. Método, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que para a fabricação da parte de inserção é empregado um pó que contém uma fração de pelo menos 88 % no volume das partículas tendo um diâmetro maior do que 150 pm.

8. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 7, caracterizado pelo fato de que para a fabricação da parte de inserção é empregado um pó que contém uma fração de pelo menos 50 % no volume das partículas tendo um diâmetro de 106 a 212 pm.

9. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 8, caracterizado pelo fato de que para a fabricação da parte de inserção é empregado um pó que contém uma fração de pelo menos 50 % no volume das partículas tendo um diâmetro maior do que 212 pm.

10. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 9, caracterizado pelo fato de que para a fabricação da parte de inserção é empregado um pó que também contém níquel, cobre ou suas ligas.

11. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 10, caracterizado pelo fato de que pelo menos as partículas de sinterização individuais são revestidas com um aglutinante, particularmente uma resina, a qual é projetada para criar uma estabilidade sustentável adequada para manter o corpo sustentável antes da sinterização, e para ser queimada durante a sinterização.