BRPI0518695B1 - Use of a copper-zinc lead for a valve guide - Google Patents

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Abstract

uso de uma liga de cobre-zinco. a presente invenção refere-se ao uso de uma liga de cobre- zinco para uma guia de válvula, em que a liga compreende 59 a 73% de cobre, 2,7 a 8,3% de manganês, 1,5 a 6% de alumínio, 0,2 a 4% de silício, 0,2 a 3% de ferro, 0 a 2% de chumbo, 0 a 2% de níquel, 0 a 0,2% de estanho e o restante de zinco e impurezas inevitáveis.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "USO DE UMA LIGA DE COBRE-ZINCO PARA UMA GUIA DE VÁLVULA".
[001] A presente invenção se refere ao uso de uma liga de cobre-zinco, conforme reivindicado na reivindicação 1.
[002] As ligas de cobre-zinco ou ligas de aço sinterizado são usadas para a produção de guias de válvula em um motor de combustão interna. Entretanto, as propriedades das ligas de Cu-Zn não atendem mais às exigências impostas por uma guia de válvula que deve ser usada nos novos motores FSI. Nesses motores, a temperatura de operação das guias de válvula pode alcançar e exceder 300°C. As ligas de cobre-zinco que são presentemente usadas, entretanto, se amolecem nessas temperaturas. Um desvantajoso efeito similar é também observado em ligas de aço sinterizado. As ligas de aço sinterizado igualmente amolecem sob temperaturas acima de 300°C e, adicionalmente, a dureza varia consideravelmente. Além disso, o desperdício envolvido na produção de ligas de aço sinterizado é alto, por conta do processo de produção por metalurgia do pó.
[003] Portanto, diante desses fatores, a presente invenção é baseada no problema de proporcionar uma liga de cobre-zinco para uso na produção de uma guia de válvula, em que a liga de cobre-zinco satisfaz as exigências impostas sobre os materiais para guias de válvula, em particular, sob elevadas temperaturas, ao mesmo tempo em que o processo seja simples de produzir a referida liga.
[004] De acordo com a invenção, o objetivo é alcançado mediante uso de uma liga de cobre-zinco para a produção de uma guia de válvula, em que a liga compreende 59 a 73% de cobre, 2,7 a 8,3% de manganês, 1,5 a 6% de alumínio, 0,2 a 4% de silício, 0,2 a 3% de ferro, 0 a 2% de chumbo, 0 a 2% de níquel, 0 a 0,2% de estanho e o restante de zinco e impurezas inevitáveis.
[005] Os detalhes em % acima e no texto que se segue referem- se a % em peso.
[006] Portanto, a invenção especifica um novo uso de uma liga de cobre-zinco. Uma liga similar, conforme descrita no DE 29 19 478 C2, é usada como uma liga de anel sincronizador e tem um alto coeficiente de atrito. Até então, um alto coeficiente de atrito tem sido considerado um impedimento ao uso de um material para produção de uma guia de válvula, uma vez que esse uso exige que os esforços de atrito sejam os mais baixos possíveis.
[007] Além de uma satisfatória estabilidade térmica, foi verificado que a liga de cobre-zinco acima descrita tem uma surpreendente resistência ao calor, o que em combinação com sua satisfatória resistência ao desgaste, é a propriedade que atualmente permite que a mesma seja usada como uma guia de válvula. Essa surpreendente combinação de propriedades de materiais oferece a opção de uso da liga conhecida, em um novo modo, na produção de uma guia de válvula. O uso como uma guia de válvula em modernos motores exige uma combinação de uma alta estabilidade térmica, sob temperaturas acima de 300°C, e uma satisfatória resistência ao desgaste, o que é exigido por conta de forças transversais que atuam sobre os tuchos da válvula. Por conta dessas outras excelentes propriedades, o impacto do alto coeficiente de atrito pode ser desconsiderado. Portanto, a presente invenção supera as dificuldades que até então tem sido comumente mantidas no presente campo específico.
[008] A exigência para facilidade e sucesso da produção é levada em conta pelo fato de que as guias de válvula podem ser produzidas na forma de hastes, mediante fundição semicontínua ou inteiramente contínua, extrusão e estiramento, isto é, mediante modelagem a quente e a frio.
[009] A liga apresenta uma microestrutura que inclui um componente de solução sólido α e um componente de solução sólido β.
[010] Em uma forma vantajosa de refino, a liga de cobre-zinco para uso na fabricação de uma guia de válvula, compreende 70 a 73% de cobre, 6 a 8% de manganês, 4 a 6% de alumínio, 1 a 4% de silício, 1 a 3% de ferro, 0,5 a 1,5% de chumbo, 0 a 0,2% de níquel, 0 a 0,2% de estanho e o restante de zinco e impurezas inevitáveis.
[011] A microestrutura da liga refinada produzida de acordo com DE 29 19 478 C2 consiste em uma matriz de solução sólida α e β, compreendendo de 60 até 85% da fase a, em que a fase β cúbica centrada no corpo representa a matriz base, na qual a fase α cúbica centrada na face é distribuída predominantemente em uma forma finamente dispersa. A microestrutura pode também conter compostos in-termetálicos duros, por exemplo, silicetos de ferro-manganês (iron-manganese silicides). A fase alfa determina a estabilidade da liga.
[012] As guias de válvula fabricadas a partir dessa liga apresentam uma resistência ao desgaste surpreendentemente alta, a qual é ainda maior que a do aço sinterizado. Em particular, o desgaste por atrito a seco nas guias de válvula fabricadas a partir dessas referidas ligas permite que as mesmas sejam usadas em motores que exigem combustíveis "mais puros", isto é, combustíveis isentos de chumbo ou de enxofre, uma vez que devido à ausência desses aditivos, não há necessidade de um efeito adicional de redução de desgaste. Isso é particularmente vantajoso especialmente em temperaturas em torno de 300°C, que é a temperatura de operação das guias de válvula nos motores FSI.
[013] Uma vantagem adicional do uso dessa liga como uma guia de válvula é que se obtém um nível de dureza estável na desejada faixa de processamento acima de 300°C, uma vez que o amolecimento da liga ocorre apenas sob temperaturas acima de 430°C, enquanto o amolecimento das ligas de cobre-zinco que têm até então sido usadas começa a acontecer logo na temperatura de 150°C. A diminuição as- sociada na dureza começa a ocorrer a partir de 150°C, e a diminuição de dureza das ligas de aço sinterizado começa a partir da temperatura de 300°C.
[014] Em uma alternativa preferida, a invenção reivindica o uso de uma liga de cobre-zinco, em que a liga compreende 69,5 a 71,5% de cobre, 6,5 a 8% de manganês, 4,5 a 6% de alumínio, 1 a 2,5% de silício, 1 a 2,5% de ferro, 0,5 a 1% de chumbo, 0 a 0,2% de níquel, 0 a 0,2% de estanho e o restante de zinco e impurezas inevitáveis.
[015] A microestrutura da liga produzida de modo usual inclui uma matriz de solução sólida α e β, compreendendo até 80% da fase α distribuída em uma forma finamente dispersa. A microestrutura pode também incluir compostos intermetálicos duros, por exemplo, silicetos de Fe-Mn (Fe-Mn silicides).
[016] O uso da referida liga na fabricação de uma guia de válvula é particularmente vantajoso, uma vez que a mesma tem resistência à tração a quente, a qual é o dobro daquela de ligas de cobre-zinco convencionais que até então têm sido usadas. Propriedades vantajosas adicionais incluem uma alta temperatura de amolecimento, alta resistência e uma alta resistência ao desgaste.
[017] Para guias de válvula, é vantajoso usar uma liga de cobre-zinco que compreende 60 a 61,5% de cobre, 3 a 4% de manganês, 2 a 3% de alumínio, 0,3 a 1% de silício, 0,2 a 1% de ferro, 0 a 0,5% de chumbo, 0,3 a 1% de níquel, 0 a 0,2% de estanho e o restante de zinco e impurezas inevitáveis.
[018] A microestrutura da referida liga, produzida de modo correspondente, inclui uma massa base de solução sólida β, na qual precipitações α na forma de agulha e de fita são embutidas. A microestrutura pode também incluir silicetos de manganês-ferro (iron-manganese silicides) aleatoriamente dispersos.
[019] As guias de válvula fabricadas a partir da presente liga têm uma alta resistência ao desgaste, que é ainda mais significativa do que aquela do aço sinterizado. Em particular, o desgaste ao atrito a seco nas guias de válvula produzidas a partir das referidas ligas permite que as mesmas sejam usadas em motores que exigem combustíveis "mais puros", isto é, combustíveis isentos de chumbo ou de enxofre, uma vez que a ausência desses aditivos significa que não há necessidade de um efeito adicional de redução de desgaste. Isso é particularmente vantajoso, especialmente em temperaturas em torno de 300°C, que é a temperatura de operação das guias de válvula nos motores FSI.
[020] Propriedades adicionais da referida liga, que são vantajosas para seu uso na fabricação de uma guia de válvula, incluem uma alta temperatura de amolecimento e uma alta resistência à tração a quente.
[021] Em uma condição de refino vantajosa, uma liga de cobre-zinco que adicionalmente compreende até 0,1% de pelo menos um dentre os elementos cromo, vanádio, titânio ou zircônio, é usado para guias de válvula.
[022] A adição desses elementos à liga de cobre-zinco proporciona uma ação de refino de grão.
[023] Além disso, a liga de cobre-zinco, conforme usada para uma guia de válvula, pode adicionalmente compreender pelo menos um dos seguintes elementos, nas concentrações de < 0,0005% de bo-ro, < 0,03% de antimônio < 0,03% de fósforo, < 0,03% de cádmio, < 0,05% de cromo, < 0,05% de titânio, < 0,05% de zircônio, < 0,05% de cobalto.
[024] Um número de modalidades exemplificativas está explanado em maiores detalhes, tendo como base a descrição seguinte e fazendo-se referência à tabela 1.
[025] Atualmente, o aço sinterizado e ligas de cobre-zinco tendo, aproximadamente, a seguinte composição: 56 a 60% de cobre, 0,3 a 1% de chumbo, 0,2 a 1,2% de ferro, 0 a 0,2% de estanho, 0,7 a 2% de alumínio, 1 a 2,5% de manganês, 0,4 a 1% de silício e o restante de zinco e impurezas inevitáveis, são usados como materiais para guias de válvula, que estão sujeitas a esforços térmicos relativamente baixos. No texto que se segue, uma liga desse tipo é referida como uma liga padrão. A liga 1 corresponde à liga descrita na reivindicação 4. A liga 2 corresponde à liga descrita na reivindicação 5.
[026] As propriedades de amolecimento dos diversos materiais foram testadas até uma temperatura de 500°C. Esses testes mostraram que a liga padrão para as guias de válvula tem uma significativa e contínua redução na sua dureza de 195 HV50 para exatamente 150 HV50, partindo de uma temperatura de exatamente 100°C. No caso do aço sinterizado, uma drástica diminuição na dureza de 195 para o baixo nível de 130 HV50 ocorre na faixa relevante de temperatura acima de 300°C, com a dureza flutuando para cima e para baixo, descontinu-amente, na medida em que a temperatura aumenta. Ao contrário, a liga 2 apresenta uma dureza que é de aproximadamente 10% maior (224 HV50), que cai apenas para cerca de 170 HV50, acima da temperatura de 350°C. A dureza do aço sinterizado à temperatura ambiente é apenas alcançada acima de 450°C. Quando comparado com a liga padrão, a dureza da liga 2 é sempre bem acima que a desta liga padrão. Ao contrário, a liga 1 tem um aumento da dureza significativo, de 224 para 280 HV50, na medida em que a temperatura eleva-se para 350°C. Comparado ao aço sinterizado, a liga 1 tem uma dureza, que é mais alta, de 140 HV50. Portanto, a dureza máxima da liga 1 dispõe-se nas temperaturas que correspondem à temperatura de operação das guias de válvula em motores FSI. A dureza maior das ligas 1 e 2, comparada aos materiais que são costumeiramente usados, é atribuível, de um lado, à dureza maior de partida e, de outro lado, a efeitos adicionais de endurecimento.
[027] A condutividade elétrica pode ser usada como uma medida da condutividade térmica, com um valor alto representando uma satisfatória condutividade térmica. A condutividade elétrica da liga padrão é de 11 m/Qmm2. A liga 2 apresenta uma satisfatória condutividade elétrica de 7,5 m/Qmm2, a qual é de apenas cerca de um quarto menor que aquela da liga padrão. A condutividade elétrica da liga 1 é de 4,6 m/Qmm2. Isso representa uma condutividade elétrica ou dissipação de calor que é aproximadamente 48% maior que aquela do aço sinteriza-do (3,1 m/Qmm2) Portanto, a dissipação de calor das ligas 1 e 2 é significativamente melhor do que aquela do aço sinterizado.
[028] As propriedades de desgaste foram testadas com e sem lubrificante. Com lubrificante, o aço sinterizado tem uma maior resistência ao desgaste (2500 km/g). A liga 1, igualmente, apresenta uma excelente resistência ao desgaste, de 1470 km/g, que é maior de mais de um fator de 10 que da resistência ao desgaste da liga padrão, em 126 km/g. A resistência ao desgaste da liga 2 com lubrificante é de uma ordem de grandeza similar (94 km/g).
[029] Entretanto, com relação às propriedades de desgaste sem lubrificante, foi descoberto que as ligas 1 e 2 têm significativas vantagens em relação ao aço sinterizado e à liga padrão. O aço sinterizado tem um desgaste de 312 km/g, o que corresponde aproximadamente às propriedades de desgaste da liga padrão, de 357 km/g. As propriedades de desgaste a seco da liga 2, de 417 km/g, são significativamente melhores que aquelas da liga padrão e aço sinterizado. Em outras palavras, o desgaste é significativamente menor. Em uma taxa de desgaste de 625 km/g, a liga 1 ainda apresenta uma resistência ao desgaste que é duas vezes mais alta que aquela do aço sinterizado. O baixo desgaste por atrito a seco faz com que as ligas 1 e 2 sejam de interesse particular, uma vez que por conta do aumento de pureza dos combustíveis, isto é, sua isenção de chumbo ou enxofre, que é impos- ta pelo motor, o efeito de redução de desgaste do que é conhecido como "golpeado por" ("blow by"), isto é, a lubrificação proporcionada pelo combustível em si, em que, no futuro, os níveis de aditivos serão reduzidos, está ausente.
[030] A resistência à tração a quente foi determinada usando testes de tração à temperatura de 350°C. A resistência à tração a quente da liga padrão é de 180 N/mm2, Por comparação, a resistência da liga 1 é duas vezes mais alta (384 N/mm2), A liga 2 tem uma resistência à tração a quente que é de aproximadamente 35% mais alta que aquela da liga padrão de 243 N/mm2 [031] As ligas 1 e 2 podem ser preferivelmente produzidas por meio de fundição semicontínua ou total mente contínua, extrusão, esti-ramento e desempenamento.
[032] A liga 2 e, particularmente, a liga 1, têm evidentes vantagens com relação às ligas anteriores usadas como ligas de guias de válvula e, também, se comparado ao aço sinterizado, Essas vantagens dizem respeito à resistência à tração a quente, temperatura de amolecimento, resistência e resistência ao desgaste. Além disso, a conduti-vidade é também suficiente e, consequentemente, as ligas 1 e 2 representam uma melhoria considerável para uso como uma guia de válvula, uma vez que essas ligas satisfazem às exigências impostas sobre o material em altas temperaturas de operação usadas na nova geração de motores.
[033] A Tabela 1 mostra, para fins de comparação, as proprieda- des materiais de uma liga padrão de Cu-Zn, uma liga 1 e uma liga 2. Propriedade Liga pa- Liga 1 Liga 2 drão Condutividade elétrica (m/ümm2) 11 4,6 7,5 . Dureza (HV50) modelagem a frio (10%) 197 224 224 Desgaste a seco (km/g) 357 625 417 Desgaste com lubrificação (km/g) 1126 1470 94 Temperatura de amolecimento 10% mode- 310 480 430 lagem a frio (°C) Resistência à tração a quente, a 350°C 173 350 232 (N/mm2) REIVINDICAÇÕES

Claims (2)

1. Uso de uma liga de cobre-zinco para uma guia de válvula, caracterizado pelo fato de que a liga compreende, % em peso, 60 a 61,5% de cobre, 3 a 4% de manganês, 2 a 3% de alumínio, 0,3 a 1% de silício, 0,2 a 1% de ferro, 0 a 0,5% de chumbo, 0,3 a 1% de níquel, 0 a 0,2% de estanho e o restante de zinco e impurezas inevitáveis.
2. Uso de uma liga de cobre-zinco de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a liga adicionalmente compreende até 0,1% de pelo menos um dentre os elementos cromo, va-nádio, titânio ou zircônio.
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