BRPI0612058A2

BRPI0612058A2 - processo para o revestimento de uma camisa de cilindro

Info

Publication number: BRPI0612058A2
Application number: BRPI0612058-0A
Authority: BR
Inventors: Gerhard Bucher
Original assignee: Mahle Int Gmbh
Priority date: 2005-06-15
Filing date: 2006-06-16
Publication date: 2010-10-13
Also published as: EP1896626A1; JP5199868B2; CN101198712B; EP1896626B1; WO2006133685A1; US20090110841A1; JP2008544175A; DE502006004802D1; DE102005027828A1; KR101319165B1; RU2414526C2; CN101198712A; RU2007147933A; KR20080019202A

Abstract

PROCESSO PARA O REVESTIMENTO DE UMA CAMISA DE CILINDRO. A presente invenção refere-se a um processo para o revestimento de uma camisa de cilindro de um material com base de ferro, sendo que, mediante emprego de um processo térmico de pulverização, sobre a superfície externa da camisa de cilindro são pulverizadas uma primeira camada e uma segunda camada de uma liga de zinco. é obtida uma boa ligação metálica entre a camisa do cilindro e o cárter do eixo de manivelas dos cilindros, no qual a camisa do cilindro é fundida, por meio do emprego de cobre ligado ou não ligado para a primeira camada, e por meio do emprego de uma liga de alumínio e zinco para a segunda camada.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "PROCESSOPARA O REVESTIMENTO DE UMA CAMISA DE CILINDRO".

A presente invenção refere-se a um processo para o revesti-mento de uma camisa de cilindro de acordo com o preâmbulo da reivindicação 1.

Cárteres do eixo de manivelas dos cilindros são fundidos, nor-malmente de metal leve, em particular, de alumínio, sendo que, por causadas propriedades tribológicas ruins dos metais leves, existe a necessidadede fundir as camisas dos cilindros de um material com base de ferro, porexemplo, de ferro fundido, juntamente no cárter do eixo de manivelas doscilindros. Neste caso, resultam os problemas de ancorar as camisas doscilindros no cárter do eixo de manivelas dos cilindros de modo suficiente-mente sólido, e de assegurar uma dissipação de calor suficiente entre ascamisas dos cilindros e o cárter do eixo de manivelas dos cilindros. Essesproblemas podem ser solucionados pelo fato de que, as superfícies externasdas camisas dos cilindros recebem uma estrutura de peça fundida rugosacom cortes traseiros. Porém, isso traz consigo o fato de que, as almas entreas camisas do cilindro fundidas no cárter do eixo de manivelas dos cilindrossão muito largas e, pelo fato de que, por isso a necessidade de espaço dascamisas dos cilindros é muito grande.

No contexto da tendência no desenvolvimento de motores, dereduzir os motores com a mesma potência, resulta a necessidade de reduziros intervalos entre as camisas dos cilindros individuais, e além disso, de a-perfeiçoar a dissipação de calor da câmara de combustão através da camisado cilindro para as câmaras de resfriamento do cárter do eixo de manivelasdos cilindros. Esses problemas podem ser solucionados pelo fato de que,como alternativa para a camisa de peça fundida rugosa, são empregadascamisas dos cilindros de ferro fundido com uma superfície externa lisa oumoderadamente rugosa, e com um revestimento, que assegura a ligação dacamisa do cilindro ao material fundido do cárter do eixo de manivelas doscilindros.

Uma camisa do cilindro de ferro fundido desse tipo é descrita norequerimento de patente DE 197 29 017 C2. Essa camisa apresenta, emsua superfície externa, uma camada de cobertura aplicada no processo depulverização por chamas, ou no processo de pulverização por arco voltaico,de uma liga de AISi, que contém menos que 15% de silício. Sobre essa ca-mada de cobertura é aplicada uma camada de proteção contra oxidação,que é constituída de uma liga de zinco, e cuja tarefa é eliminar a oxidaçãoda camada de AISi, pelo que é evitada a ligação metálica da camada de co-bertura com o material fundido do cárter do eixo de manivelas dos cilindros.

Neste caso, é desvantajoso que, já durante a pulverização dacamada de cobertura, a liga de AISi se oxide. A película de oxido formadanesse caso, adere de modo muito sólido na camada de AISi. Além disso,sua temperatura de fusão é mais alta que as temperaturas que podem seralcançadas durante a fundição. Com muito dispêndio a película de oxidocertamente pode ser removida, mas após a remoção ela se forma de novo,de modo muito rápido, de tal forma que, também uma camada de proteçãode zinco ou de uma liga de zinco aplicada adicionalmente não pode garantiruma ligação metálica entre a camada de AISi e o material fundido do cárterdo eixo de manivelas dos cilindros.

Além disso, o coeficiente de dilatação térmica da camada decobertura de AISi é aproximadamente 1,7 vezes tão grande como o coefici-ente de dilatação térmica de ferro fundido, de tal modo que, no caso de tro-cas de temperaturas, resultam tensões no sistema de camadas conhecido,que afetam a ligação entre a camisa do cilindro e o cárter do eixo de mani-velas dos cilindros.

É tarefa da invenção evitar essas desvantagens do estado datécnica, isto é, aperfeiçoar a ligação metálica da camisa do cilindro com omaterial fundido do cárter do eixo de manivelas dos cilindros e, com isso,também a dissipação de calor entre a camisa do cilindro e o cárter do eixode manivelas dos cilindros. Essa tarefa é solucionada com as característicasque estão na caracterização da reivindicação principal.

Neste caso, resultam as vantagens que, a gradação dos coefici-entes de dilatação térmica na montagem de camadas de acordo com a in-venção entre a camisa de ferro fundido, o sistema de camadas e o materialfundido do cárter do eixo de manivelas dos cilindros reduz consideravelmen-te as tensões térmicas condicionadas na montagem de camadas de acordocom a invenção. Além disso, a gradação das temperaturas de fundição, par-tindo da camisa do cilindro, através do sistema de camadas de acordo coma invenção, até o material fundido do cárter do eixo de manivelas dos cilin-dros produz uma solução ou uma ligação condicionada pela difusão, da ca-mada externa com o material fundido, o que produz uma ligação metálicaestável entre a camisa do cilindro e o material fundido do cárter do eixo demanivelas dos cilindros. Por fim, o revestimento constituído de ligas de a-cordo com a invenção tem a vantagem que, seus componentes da liga nazona de ligação participam da têmpera de precipitação.

Execuções apropriadas da invenção são objeto das reivindica-ções subordinadas.

O processo de acordo com a invenção para o revestimento deuma camisa do cilindro a ser fundida em um cárter do eixo de manivelas doscilindros será esclarecido, em detalhes, a seguir.

Para isso é empregada uma camisa do cilindro, que é constituí-da de um material com base de ferro, que pode ser ligado ou não ligado. Depreferência, a camisa do cilindro é constituída de ferro fundido, que podeconter ou grafite lameloso, grafite vermicular õu grafite nodular. O ferro fun-dido, neste caso, pode apresentar uma estrutura básica ferritica-perlítica,uma estrutura perlítica, uma estrutura bainítica ou uma estrutura básica aus-tenítica. A: superfície externa da camisa do cilindro pode ser executada lisa.

Mas ela também pode apresentar todas as outras qualidades de superfícieaté uma superfície de peça fundida rugosa. Além disso, a camisa do cilindropode apresentar uma superfície externa processada com levantamento deaparas.

Para a fundição da camisa do cilindro no cárter do eixo de mani-velas dos cilindros, podem ser empregados todos os processos de fundiçãoem uso como, por exemplo, o processo de fundição por pressão, o processode fundição por compressão, o processo de fundição por gravidade, ou oprocesso de fundição de baixa pressão.

A camisa do cilindro é constituída de um material de fundição demetal leve em uso, sendo que, são empregados tanto os materiais de fundi-ção sobre base de alumínio, como também sobre base de magnésio.

A fim de, durante a fundição da camisa do cilindro no cárter doeixo de manivelas dos cilindros assegurar a ligação metálica da camisa docilindro com o material fundido do cárter do eixo de manivelas dos cilindros,a superfície externa da camisa do cilindro é revestida por meio de pulveriza-ção térmica. Como preparação para isso é necessário limpar a superfícieexterna da camisa de cilindro de sujeira e de óxidos e, em seguida, enrugá-la. Processos apropriados para isso são a escovação e/ou o jateamento.Para isso é apropriado, em particular, o jateamento com coríndio graúdo,isto é, com AI2O3 cristalizado.

Imediatamente em seguida a isso, sobre a superfície externa dacamisa do cilindro é aplicada uma primeira camada por meio de pulveriza-ção térmica. Essa primeira camada é constituída, ou de cobre com 99,9%de pureza, de uma liga de CuAI8, de uma liga de CuAI8Ni2, de uma liga deCuP8, de uma liga de CuSi3, ou de uma liga de CuZn37 (bronze). Nestecaso, é almejada uma camada com poucos poros e pouco óxido, com umaespessura entre 60 μιτι e 130 μηι.

Para o refinamento da gradação das temperaturas de fusão dascamadas aplicadas sobre a camisa do cilindro é vantajoso aplicar sobre umaprimeira camada existente de cobre puro uma outra camada de uma liga decobre mencionada anteriormente, cuja temperatura de fusão é menor queaquela de cobre, cuja temperatura de fusão, porém, é mais alta que aquelado material, do qual é constituído o revestimento externo designado, a se-guir, como segunda camada.

Uma vez que arames das ligas mencionadas podem ser encon-trados no comércio, como processo de pulverização térmico é empregado,de preferência, a pulverização por chamas de arame, sendo que, o materialde adição por pulverização em forma de arame é fundido no centro de umachama de oxigênio e acetileno, e com auxílio de um gás de pulverizaçãocomo, por exemplo, ar comprimido ou nitrogênio, é pulverizado sobre a su-perfície externa da camisa do cilindro.

Também é apropriada a pulverização de arame por arco voltai-co, sendo que, duas adições de pulverização em forma de arame são fundi-das em um arco voltaico, e por meio de um gás de pulverização são lança-dos sobre a superfície externa da camisa do cilindro. Neste caso, existe apossibilidade de fundir dois arames de composições distintas entre si, sendoque, a composição da camada produzida deste modo pode ser variada emamplas faixas. Se forem empregados, por exemplo, arame de cobre e dezinco, existe a possibilidade de aplicar uma liga de CuZn com até 45% dezinco sobre a superfície externa da camisa do cilindro. No caso de um em-prego de nitrogênio ou de argônio como gás de pulverização, é eliminadaconsideravelmente uma oxidação dos materiais.

Uma possibilidade de continuar a reduzir a oxidação do materialde pulverização e o teor de oxido da camada pulverizada, consiste em em-pregar o processo de pulverização a gás frio, sendo que, partículas de pónão fundidas, e aquecidas somente a poucas centenas de graus, são acele-radas a uma velocidade entre 300 m/seg e 1200 m/seg, e são pulverizadassobre a superfície externa da camisa do cilindro. Devido ao micro-atrito emvirtude do choque das partículas de pó, a temperatura aumenta na superfí-cie de contato, e leva a microsoldagens das partículas de pó com a superfí-cie da camisa do cilindro.

Também pode ser empregada a pulverização por chamas dealta velocidade (pulverização de HVOF), sendo que, ocorre uma combustãocontínua de gás com altas pressões dentro de uma câmara de combustão,em cujo eixo central a adição de pulverização em forma de pó é conduzida.

A alta pressão produzida na câmara de combustão da mistura de oxigênio egás de combustão gera uma alta velocidade de partícula, que leva a cama-das de pulverização muito espessas com boas propriedades de aderência.

As funções da primeira camada consistem em assegurar umaboa aderência da primeira camada sobre o ferro fundido da camisa do cilin-dro, criar boas condições prévias para uma segunda camada, e realizar umagradação das temperaturas de fusão, isto é, uma passagem graduada dastemperaturas de fusão do ferro fundido da camisa do cilindro, através daprimeira camada e da segunda camada até o metal fundido do cárter do ei-xo de manivelas dos cilindros. Além disso, deste modo é causada uma gra-dação dos coeficientes de dilatação térmica, partindo da camisa do cilindroatravés da primeira e da segunda camada até o metal leve do cárter do eixode manivelas dos cilindros.

A fim de evitar uma oxidação da primeira camada, imediatamen-te depois da aplicação da primeira camada, é aplicada a segunda camadasobre a primeira camada, mediante o emprego de um dos processos térmi-cos de pulverização mencionados acima. De preferência, para isso é em-pregada uma liga de Zn85AI15 com 85% de zinco e 15% de alumínio. Nocaso dessa liga, porém, o teor de alumínio também pode variar entre 3% e20%. É almejada uma camada com pouco poro e com pouco oxido, comuma espessura entre 60 pm e 130 μιτι.

A função da segunda camada consiste em aderir bem à primeiracamada. Além disso, a liga de AIZn com 15% em peso de alumínio tem umponto de fusão de 450° C, pelo que é causado que, durante a fundição docárter do eixo de manivelas dos cilindros, a segunda camada é fundida peloseu material fundido, pelo que é assegurada a ligação metálica da camisado cilindro e do material fundido do cárter do eixo de manivelas dos cilindros.

Neste caso, a liga de AIZn forma, na verdade, uma camada deoxido muito fina, que, porém, não impede a ligação do cárter do eixo de ma·nivelas da camisa dos cilindros. Todavia é vantajoso adicionar à liga de AIZnalguma porcentagem em peso de cobre, pois desse modo a formação dacamada de oxido é evitada completamente, o que traz consigo um extensoaperfeiçoamento da ligação entre a camisa do cilindro e o cárter do eixo demanivelas.

Claims

1. Processo para o revestimento de uma camisa de cilindro deum material com base de ferro, sendo que, mediante emprego de um pro-cesso térmico de pulverização, sobre a superfície externa da camisa de ci-lindro são pulverizadas uma primeira camada e uma segunda camada deuma liga de zinco, caracterizado pelas etapas do processo seguintes,-como primeira camada, a pulverização de cobre ou de uma ligacom base de cobre sobre a superfície externa da camisa do cilindro e-como segunda camada, a pulverização de uma liga de alumínio ezinco sobre a primeira camada.

2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que, como primeira camada é pulverizado cobre com uma pureza de-99,9%.

3. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que, como primeira camada é pulverizada uma liga de CuAI8.

4. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que, como primeira camada é pulverizada uma liga de Cu AI8NÍ2.

5. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que, como primeira camada é pulverizada uma liga de CuP8.

6. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que, como primeira camada é pulverizada uma liga de CuSi3.

7. Processo de acordo com as reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que, como primeira camada é pulverizada uma liga de CuZncom até 45% em peso de zinco.

8. Processo de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelofato de que, como primeira camada é pulverizada uma liga de CuZn37.

9. Processo de acordo com uma das reivindicações de 1 a 8,caracterizado pelo fato de que, a primeira camada apresenta uma espessu-ra entre 60 pm e 130 pm.

10. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que, como segunda camada é pulverizada uma liga de ZnAIcom 3 a 20% em peso de alumínio.

11. Processo de acordo com a reivindicação 10, caracterizadopelo fato de que, como segunda camada é pulverizada uma liga deZn85AI15.

12. Processo de acordo com a reivindicação 10 ou 11, caracteri-zado pelo fato de que, à segunda camada é adicionado cobre.

13. Processo de acordo com uma das reivindicações de 1 a 12,caracterizado pelo fato de que, para a pulverização da primeira e/ou da se-gunda camada é empregado o processo de pulverização a gás frio.

14. Emprego de cobre ou de uma liga com base de cobre comoprimeira camada a ser aplicada sobre uma camisa de cilindro de ferro fundi-do, e emprego de uma liga de alumínio e zinco como segunda camada a seraplicada sobre a primeira camada.