BRPI0714884A2 - liga de alumÍnio resistente À abrasço, mÉtodo para produÇço de um bloco de cilindro de motor de alumÍnio, mÉtodo para produÇço de um fundido de uma liga al-si e bloco de motor de alumÍnio - Google Patents

Abstract

LIGAS DE ALUMÍNIO RESISTENTE À ABRASçO, MÉTODO PARA PRODUÇçO DE UM BLOCO DE CILINDRO DE MOTO DE ALUMÍNIO, MÉTODO PARA PRODUÇçO DE UM FUNDIDO DE UM LIGA AL-SI E BLOCO DE MOTOR DE ALUMÍNIO. A presente invenção refere-se a uma composição de liga de Alumínio-silício que atinge as condições de produção e de performance par blocos de motores de cilindros sem forro usando-se processos de fundição de baixo custo tais como moldes de areia de sílica. A liga da invenção corr preende, em % em peso: 13% - 14% de Si; 2,3% - 2,7% de Cu; 0,1% - O,4~ de Fe; 0,15 - 0,45% de Mn; 0,1% a 0,30% de Mg; 0,1% - 0,6% de Zn; O,05~ - 0,11% de Ti; 0,4% - 0,8% de Ni; 0,01% - 0,09% de Sr; e o resto sendo aluminio mais quaisquer elementos remanescentes. Essa liga tem características de usinagem muito boas, dando um acabamento de superfície signifiicativamente melhorado nos furos dos cilindros. O custo de produção dos blocos de motor é reduzido em cerca de 40% em comparação com as ligas cc merciais de uso corrente da técnica anterior que requerem forros de ferro Qualquer Si primário presente é substancialmente uniformemente disper& e o cobre não segrega durante a solidificação e o resfriamento.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "LIGAS DE ALUMÍNIO RESISTENTE À ABRASÃO, MÉTODO PARA PRODUÇÃO DE UM BLOCO DE CILINDRO DE MOTOR DE ALUMÍNIO, MÉTODO PARA PRODUÇÃO DE UM FUNDIDO DE UMA LIGA AL-SI E BLOCO DE MO- TOR DE ALUMÍNIO". Campo da Invenção

A presente invenção refere-se a ligas de alumínio que podem ser fundidas em blocos de cilindros de alumínio de alta qualidade, utilizando-se um processo de fundição com areia de baixo custo e baixa pressão, para motores automotivos que tenham boas propriedades mecânicas e resistência ao desgas- te e à fricção; de forma que, de acordo com a presente invenção, os blocos de motor possam ser produzidos sem a necessidade de inserção de forros de ferro (ou de alumínio, que é oneroso) para se ter as paredes efetivas do cilindro. Antecedentes da Invenção A maioria dos blocos de cilindros de motores automotivos ou de

aviação feitos de ligas de alumínio é atualmente produzida lingotando-se o cor- po do bloco em molde de areia de sílica usando-se núcleos de areia e inserin- do-se um conjunto de forros de ferro para formar as superfícies de contato dos cilindros-pistões. Outros processos para fundição de blocos incluíram moldes semipermanentes a gravidade, fundição a alta pressão, fundição a baixa pres- são, processo de "lost foam" e moldes de embalagem em areia de zircônio; e os forros podem ser inseridos tanto como "por fusão" como "por pressão". Mais recentemente, em uns poucos blocos de motor de alumínio avançados feitos de alumínio, forros feitos de alumínio foram substituídos por forros de ferro fundido. Entretanto, o alto custo das ligas de alumínio atualmente disponíveis precisou atingir os requisitos de evitar que tais forros de cilindros de alumínio sejam tam- bém usados para fundir o restante do bloco de motor de alumínio (como o fa- zem alguns atributos físicos negativos se for usado no restante do bloco). O custo de tal liga de Al1 mesmo quando limitado ao uso como forro, tem também evitado que ele seja adotado universalmente para substituir o forro de ferro a- pesar do menor peso e das grandes vantagens de resfriamento.

Essa prática de se usar forros entretanto requer um número de processos e medidas de material que, se for capaz de ser eliminada sem as desvantagens indicadas, forneceria muitas vantagens aos produtores de blocos. Por exemplo, o inventário de forros seria eliminado, a taxa de sucata dos blocos devido à ligação pobre entre o corpo de alumínio e os forros di- minuiria, o consumo de energia para preaquecer os forros também seria eli- minado, e o processo de fundição seria simplificado. Atualmente, o pré- aquecimento dos forros é feito por indução elétrica e consome tempo bem como adiciona complexidade a todo o processo de fundição. Tudo o dito a- cima é especialmente verdadeiro para forros de ferro. Existe, portanto, a ne- cessidade de uma composição de liga de alumínio e de um processo de fun- dição que eliminem a necessidade de forros em uma fundição de motor de alumínio superando assim tais desvantagens técnicas e econômicas da téc- nica anterior.

É sabido da patente e da literatura técnica que silício adicionado ao alumínio além da composição eutética aumenta a dureza da liga e con- sequentemente aumenta a resistência ao desgaste de suas superfícies. En- tretanto, apenas o aumento da concentração de Si na liga não fornece todas as propriedades desejadas aos blocos fundidos (em relação à resistência ao desgaste, capacidade de usinagem, capacidade de fundição e outras propri- edades mecânicas), Tais propriedades desejadas são controladas pelo tipo de microestruturas formadas no fundido solidificado. Um outro problema do processo proposto pelo Si, quando ligado com alumínio, é que ele adiciona uma capacidade grandemente aumentada para aquecimento que deve ser dissipado da liga durante a solidificação. Isto resulta em um resfriamento desigual, especialmente em fundidos complexos grandes tais como blocos de motores automotivos, provocando problemas no desenvolvimento ade- quado das propriedades desejadas freqüentemente conflitantes do corpo fundido em relação à superfície do cilindro.

Algumas patentes relevantes da técnica anterior descobertas pelos peticionários em relação à composição da liga e ao processo de fundi- ção estão descritos abaixo:

A Patente US 4.068.645 registrada em 17 de janeiro de 1978 para David Charles Jenkinson ensina que a microestrutura de uma liga Al-Si hipereutética pode ser modificada com estrondo e/ou sódio para se obter uma dureza Brinell na faixa de 70-150 pela inclusão de magnésio até cerca de 4%. Essa patente ensina que a microestrutura desejada deve evitar a formação de fases alumínio primário ou silício primário e que deve ser uma fração de alto-volume de silício eutético finamente disperso que fornece a resistência ao desgaste ao produto fundido.

De acordo com essa patente, as microestruturas desejadas são fornecidas pela seleção cuidadosa e combinação de quatro parâmetros: (a) ter de silício, (b) teor modificador, (c) taxa de crescimento durante a solidifi- cação e (d) gradiente de temperatura na interfase sólido/líquido durante a solidificação.

São descritas várias combinações dos quaro parâmetros acima que fornecem a microestrutura desejada. Os ensinamentos dessa patente, no entanto, são aplicáveis a processos de fundição em moldes permanentes e semipermanentes onde um gradiente de temperatura controlada pela pro- gramação da taxa de resfriamento do molde em zonas diferentes, mas não é aplicável a processos de fundição em moldes de areia de sílica (onde con- vencionalmente a taxa de solidificação é apenas capaz de ser modificada pela adição de núcleos térmicos que absorvem calor do alumínio líquido no molde). Essa patente ensina claramente a fundição em coquilha para obter a desejada ausência de fases de Si primário e de Al primário.

A Patente US 4.434.014 registrada em 28 de fevereiro de 1984 para David M. Smith e outros ensina que as propriedades dos produtos fun- didos em relação à resistência ao desgaste e à capacidade de usinagem são obtidas por uma composição compreendendo 12-15% de Si; 0001-0,1% de Sr; 0,1-1,0 de Fe; 1,0 -3,0% de Ni; 0,1-0,8% de Mn; e outros componentes.

Essa patente ensina também que NI, Fe e Mn são intercambiá- veis entre si, sendo as faixas como segue: Fe + Mn entre 0,2 e 1,5%; Fe + Ni entre 1,1 e 3,0%; e Fe + Mn + Ni entre 1,2 e 4,0%.

O titânio é adicionado para melhorar a capacidade de fundição e as propriedades mecânicas dessa liga. Essa liga, entretanto, tem um alto custo devido ao alto teor de Ni, em contraste com a liga da presente inven- ção que tem menos de 0,4 - 0,8% de Ni. A menor concentração de Ni torna, assim, a liga da presente invenção mais competitiva.

A Patente US 4.648.918 registrada em 10 de março de 1987 para Kasuhiko Asano e outros ensina uma liga de alumínio resistente à a- brasão tendo uma composição compreendendo: 7,5-15% de Si; 3,0-6,0% de Cu; 0,3-1,0% de Mg; 0,25-1,0% de Fe; 0,25-1,0% de Mn; e um saldo de a- lumínio e outros componentes. A liga dessa patente é direcionada para me- lhorar a capacidade de extrusão, a capacidade de forjamento e as proprie- dades mecânicas dos lingotes. O teor de Cu é maior que o da liga da pre- sente invenção e o tratamento térmico e o processamento final dessa liga são bem diferentes do processo de fundição em moldes de areia da presen- te invenção.

A Patente US 5.019.178 emitida em 28 de maio de 1991, para John Barlow e outros, descreve um método de produção de um forro de a- lumínio-silício produzido a partir de um fundido consistindo essencialmente em 14-16% de Si; 1,9-2,2% de Cu; 1,0-1,4% de Ni; 0,4-0,55% de Mg; 0,6- 1,0% de Fe; 0,02-0,1% de Sr; e 0,3-0,6% de Mn. A liga dessa patente é con- formada em forros de cilindros sob pressão durante a etapa de solidificação do processo de fundição. Essa patente não ensina ou sugere que todo o bloco de motor seja feito da liga reivindicada em um processo de fundição em moldes de areia a baixa pressão.

A Patente US 5.217.546 registrada em 8 de junho de 1993 para John A. Eady e outros descreve uma liga fundida hipereutética de Al-Si ten- do 12-15% de Si; mais de 0,10% de Sr; mais de 0,005% de Ti; 1,5-5,5% de Cu; 1,00-3,00% de Ni; 0,1-1,0% de Mg; 0,1-1,0% de Fe; e outros componen- tes. De acordo com essa patente, a microestrutura obtida é tal que qualquer Si primário formado é substancialmente uniformemente disperso e é subs- tancialmente livre de segregação, com a microestrutura predominantemente compreendendo uma matriz eutética. A liga dessa patente, entretanto, conta com Ti e uma quantidade excessiva de Ni, o que a torna uma liga muito cara para produção em massa competitiva de blocos de motores. A Patente US 5.316.070 registrada em 31 de maio de 1994 para Kevin P. Rogers, ensina um processo para fundição controlada de uma liga Al-Si hipereutética em moldes permanentes. Moldes permanentes podem ser totalmente equipados com sistemas de resfriamento e com controle pre- ciso de temperatura de forma que um programa de solidificação pré- estabelecido possa ser implementado e assim a desejada microestrutura do produto Iingotado possa ser alcançada. Os ensinamentos dessa patente não podem ser aplicados a processos de fundição em moldes de areia.

A Patente US 5.484.492 registrada em 16 de janeiro de 1996 para Kevin P. Rogers e outros descreve uma liga Al-Si hipereutética tendo essencialmente pelo menos um elemento selecionado de um primeiro grupo de elementos consistindo em 0,005% a 0,25% de Cr, Mo, Nb, Ta, Ti, Zr, V e Al; pelo menos um elemento selecionado de um segundo grupo de elemen- tos consistindo em 0,1 a 3,0% de Ca, Co, Cr, Cs, Fe, K, Li, Mn, Na, Rb, Sr, Y, Ce, elementos da série de lantanídeos e elementos da série de actiní- deos; e um terceiro grupo de elementos consistindo em: 12-15% de Si; 1,5- 5,5% de Cu; 1,0-3,0% de Ni; 0,1-1,0% de Mg; 0,1-1,0% de Fe; 0,1-0,8% de Mn; 0,01-0,1% de Zr; 0-3,0% de Zn; 0-0,2% de Sn; 0-0,2% de Pb; 0-0,1% de Cr; 0,001-0,1% de Sr ou Na; um máximo de 0,05% de B; um máximo de 0,03% de Ca; um máximo de 0,05% de P; e outros com um máximo de 0,05%. A microestrutura do fundido é tal que qualquer Si primário presente é substancialmente uniformemente disperso e predominantemente compreen- de uma matriz eutética. A presente invenção m contraste usa uma faixa dife- rente e menor de Ni (0,8% no máximo). Até o melhor conhecimento dos peticionários, nenhuma das úl-

timas três patentes (consignadas para Comalco) jamais foi comercializada.

A Patente US 6.399.020 emitida em 4 de junho de 2002 para Jonathan A. Lee e outros descreve uma liga de alumínio adequada para a- plicações a altas temperaturas, tais como pistões e outras aplicações em motores de combustão interna, tendo a seguinte composição: 11,0-14,0% de Si; 5,6-8,0% de Cu; 0-0,08% de Fe; 0,5-1,5% de Mg; 0,05-0,9% de Ni; 0- 1,0% de Mn, 0,05-1,2% de Ti; 0,12-1,2% de Zr; 0,05-1,2% de V; 0,05-0,9% de Zn; 0,01-0,1% de Sr; com o saldo sendo Al. Nessa liga a razão de Si/Mg é 10-25, e a razão de Cu/Mg é de 4-15. A liga da invenção dos peticionários difere da composição de liga descrita nessa patente, principalmente na ra- zão Si/Mg e na quantidade de Sr. Uma vez que o Sr é um elemento oneroso, a liga da presente invenção é mais competitiva em termos de custo. Em adi- ção, a presente invenção não inclui Zr ou V e tem um máximo de 0,3% de Mg.

A Patente US 6.592.687 registrada em 15 de julho de 2003 e a Patente US 6.918.970 registrada em 19 de julho de 2005, ambas para Jona- than A. Lee e outros descrevem uma liga de alumínio-silício tendo a seguinte composição em % em peso: 14-25,0% de Si; 5,5-8,0% de Cu; 0,05-1,2% de Fe; 0,5-1,5% de Ni; 0,05-0,9% de Mn; 0,05-1,2% de Ti; 0,05-1,2% de Zr; 0,05-1,2% de V; 0,05-0,9% de Zn; 0,001-0,1% de P; e com o saldo sendo alumínio. A liga da patente '970 tem uma faixa estendida de Si (6,0- . 15 25,0%)mais Sr (com uma faixa de 0,001-0,1%). A razão Si/Mg é 10-25 e a razão Cu/Mg é 4-15. Essa liga tem como elementos chave Ti, V e Zr que modificam os parâmetros da estrutura da matriz de alumínio pela formação de compostos do tipo AI3X tendo estruturas de cristais Ll2, onde X representa Ti, V ou Zr.

A Patente US 6.921.512 registrada em 26 de julho de 2005 e a

Publicação de Patente US n° 2005/0199318 publicada em 15 de setembro de 2005, ambas aparecendo em nome de Herbert William Doty, descrevem uma liga de alumínio adequada para fundição e usinagem de blocos de cilin- dros para motores automotivos. A liga compreende, em peso: 9,5-12,5% de Si; 0,1-1,4% de Fe; 1,5-4,5% de Cu; 0,2-3% de Mn; 0,1-0,6% de Mg; 2,0% no máximo de Zn; 0-1,5% de Ni; 0,25% no máximo de Ti; até 0,05% de Sr; com o saldo sendo alumínio. Uma característica importante dessa invenção do dono da patente é a proporção de Mn para Fe. A razão de peso Mn/Fe está entre 1,2 e 1,75 ou maior quando o teor de Fe é igual a ou maior que 0,4% e a razão de peso Μη/Fe é pelo menos 0,6 a 1,2 quando o teor de Fe é menor que 0,4% da liga. Em contraste a faixa de Si da presente invenção é 13-14%. As microestruturas desejadas nas ligas Al-Si são produzidas por uma combinação correta de taxa de crescimento durante a solidificação e gradiente de temperatura.

Os documentos citados nesse texto (inclusive as patentes aci- ma) e todos os documentos citados ou referenciados nos documentos cita- dos nesse texto estão aqui incorporados como referência. Os documentos incorporados nesse texto como referência ou quaisquer ensinamentos ali apresentados podem ser usados na prática dessa invenção. Sumários e Objetivos da Invenção É um objetivo da presente invenção fornecer uma nova liga Al-Si

hipereutética adequada para processos de fundição a baixa pressão utili- zando moldes de areia de sílica e núcleos para fundir um bloco de motor tendo a combinação requerida de propriedades de usinagem, fundição e re- sistência ao desgaste de modo a também não necessitar de usar forros. É um outro objetivo da presente invenção fornecer tal nova liga

Al-Si para produção de blocos de motor de alumínio com cilindros sem forro que sejam competitivos com os blocos de motor de alumínio atualmente produzidos em massa com forros de ferro.

É um outro objetivo da presente invenção fornecer uma nova liga Al-Si que produza fundidos para blocos de motores melhorados com propri- edades mecânicas que evitem a necessidade de forros de cilindros feitos de uma liga ou de um metal diferentes, e que também seja fácil de usinar que os fundidos para blocos de motores feitos das ligas hipereutéticas de Al exis- tentes da técnica anterior. Outros objetivos da invenção serão apontados ou serão eviden-

tes da descrição a seguir das configurações preferidas e dos desenhos ane- xos.

A invenção proposta aqui descria e reivindicada é uma composi- ção de liga alumínio-silício que, quando fundida, atinge as condições de pro- dução e performance requeridas para blocos de motor de cilindros e também pode ser fundido usando-se processos de fundição de baixo custo tais como moldes de areia de sílica. A liga da presente invenção compreende (em peso percentual): 13%-14% de Si; 2,3%-2,7% de Cu; 0,1%-0,4% de Fe; 0,1%-0,45% de Mn; 0,1%-0,30% de Mg; 0,1%-0,6% de Zn; 0,05%-0,11% de Ti; 0,4%-0,8% de Ni; 0,01%-0,09% de Sr; e

o saldo sendo alumínio (fora uma pequena quantidade de quaisquer traços de elementos, impurezas, residuais, e outros ingredientes que no agregado são conhecidos como os "remanescentes" e estão presentes em quantida- des insuficientes para afetar substancialmente a eficácia dessa liga para seu propósito pretendido, inclusive sua resistência ao desgaste). Breve Descrição dos Desenhos

A Figura 1 mostra uma microfotografia da microestrutura (100 μηη) obtida de uma superfície de um cilindro de alumínio sem forro de um bloco de motor Iingotado a partir da liga da presente invenção. A Figura 2 mostra uma microfotografia contrastante da microes-

trutura (100 μηι) obtida a partir de uma superfície de um cilindro de alumínio sem forro de um bloco de motor Iingotado a partir de uma liga conhecida como A390.

A Figura 3 é um diagrama de fase esquemático de ligas Al-Si mostrando a faixa preferida do teor de Si para a liga da invenção em con- traste com as ligas conhecidas da técnica anterior conhecidas como A380, A390, A413, e Durabone(MR) (uma liga GM entendida como sendo exemplifi- cada pela Patente US n° 6.921.512).

Descrição de Configurações Preferidas da Presente Invenção Embora a invenção seja aqui descrita como aplicada à fundição

de um bloco de motor de cilindros de liga de alumínio através de um proces- so de fundição em moldes de areia a baixa pressão, será entendido que em seus aspectos mais amplos ela pode também ser aplicável a outros tipos de fundidos que requeiram propriedades similares e também outros processos de fundição.

É sabido que aumentando-se a concentração de silício em uma liga do tipo utilizado para fundições de motores automotivos geralmente au- menta a dureza e a resistência ao desgaste do fundido resultante, e que as suas propriedades finais dependem da taxa de resfriamento do fundido.

Os processos tradicionais de fundição em moldes de areia a bai- xa pressão, por exemplo, o processo Cosworth (e também o processo Co- malco não-comercializado), não podem produzir blocos de boa qualidade utilizando ligas tendo uma alta concentração de silício, principalmente devido às dificuldades propostas pelo moldes e núcleos de areia para controlar a taxa de solidificação, e portanto as microestruturas dos fundidos. Quando se utilizam ligas de alumínio da técnica anterior com altos teores de Si, a geo- metria intrincada dos blocos de motor com cilindros combinando seções gro- sas e mais finas provoca a formação de fases de silício primárias com distri- buição de grãos e tamanhos indesejáveis da fase de silício primário, bem como um alto nível de porosidade do fundido.

Um outro problema relativo à utilização de ligas com alta con- centração de Si é que seu calor de fusão é alto se comparado com ligas hi- poeutéticas, portanto, os moldes de areia devem ser capazes de lidar com e dissipar a alta liberação de calor durante o processo de solidificação.

Os blocos de liga de alumínio a serem produzidos demandam características e propriedades mecânicas estritamente controladas para ope- rar conforme esperado em veículos modernos. Blocos sem inserção de forro devem ter alta resistência ao desgaste nas superfícies concorrentes e resistir a altas pressões da ordem de 100 a 200 bar naqueles motores que têm altos picos de pressão de ignição. O nível de porosidade deve estar abaixo de 1% e o tamanho máximo de poro deve estar abaixo de 500 mícrons nas superfí- cies concorrentes.

É necessário também que a liga de alumínio tenha uma conduti- vidade térmica de modo a sustentar altas taxas de transferência de calor a partir das áreas quentes do motor para o líquido de resfriamento do sistema de resfriamento do motor, bem como tendo boa resistência à corrosão para o meio de resfriamento. Os motores modernos de alta eficiência também exigem que as ligas das quais os blocos de motores são fundidos apresen- tem alta resistência e alta resistência à fadiga e deformação a temperaturas elevadas, na faixa de 180°-200°C.

O desafio atual para os processos que utilizam ligas hipoeutéti- cas é que a usinagem de ligas de alto teor de silício significa maior desgaste de ferramentas e altos custos de usinagem, como no caso da liga A390. No

processo da invenção, a formação de silício primário é suprimida resultando em uma microestrutura completamente eutética apesar de seu alto teor de silício. Essa característica da microestrutura dos fundidos da invenção ga- rante boa capacidade de usinagem. A vida útil da ferramenta é comparável à usinagem de uma liga A356 mas com acabamento de superfície superior.

A liga da presente invenção é baseada no sistema Al-Si-Cu-Mg-

Ni-Mn-Fe para aprimorar a resistência máxima ao desgaste. Ela fornece as características requeridas exigidas pelos blocos de motores modernos tendo cilindros não-forrados, enquanto também mantém um custo baixo de produ- ção competitivo.

O processo de fundição da invenção utiliza um núcleo térmico

(ou resfriamento massivo) em combinação com moldes e núcleos de areia de sílica. O resfriamento fornece a direção correta do processo de solidifica- ção bem como a taxa de solidificação necessária que resulta em altas pro- priedades de fadiga dos fundidos.

A liga da presente invenção é particularmente adequada para a

produção de blocos de liga de alumínio sem forro a um custo menor que o das ligas usadas atualmente. A tabela 1 a seguir compara a concentração típica dos elementos das ligas da técnica anterior com a composição da pre- sente invenção.

Tabela 1

A) Ligas Al-Si hipereutéticas 390 e391

B) Liga eutética: 3HA C) Ligas quase eutéticas

D) Liga da presente invenção

Liga Si Fe Cu Mn Mg Zn Ti Ni Sr B P % % % % % % % % ppm ppm ppm A) 16,0- 18,0 1,0 4,5 0,1 0,55 0,1 0,2 200 B) 13,0- 15,0 0,3 2,0 0,5 0,5 1,0 0,1 2 2000 50 30 C) 10,6- 11,5 0,5 2,5 0,6 0,3 0,4 0,11- 0,15 250 25 D) 13- 14 0,Ι- Ο,4 2,3- 2,7 0,Ι- Ο,46 0,1- 0,3 0,Ι- Ο,6 0,05- 0,11 0,4- 0,8 100- 900

A liga 390 (A) é a escolha histórica para elementos de motor

fundido resistentes ao desgaste, mas como discutido acima não é aplicável para processos de fundição em moldes de areia.

A liga 3HA (B) é também uma liga de escolha para aquelas apli- cações, mas o custo é alto devido ao seu alto teor de níquel (2%). A alta concentração de níquel aumenta o custo da liga em 35% (US$ 15,000/t de Ni), e as 2000 ppm de Sr também combinam para torná-la ainda mais cara. As ligas quase eutéticas (C) não têm teor de silício suficiente

para fornecer a resistência ao desgaste requerida.

Apesar de ser conhecido que altos teores de Ni melhorariam a resistência ao desgaste das superfícies fundidas, o alto custo do Ni desenco- rajou sua utilização, uma vez que cada cerca de 1% de teor de Ni aumenta em cerca de 15% o custo do bloco fundido. O níquel também ajuda a evitar a segregação de Cu durante a solidificação e portanto algumas das ligas da técnica anterior no entanto tendem a aumentar o teor de níquel. Portanto os peticionários procuraram por uma nova alternativa melhor. Eles descobriram uma nova composição de liga contendo não mais que 0,8% de Nl e 900 ppm de Sr, que produz fundidos complexos grandes com as desejadas microes- trutura e propriedades mecânicas capaz de produzir através de um processo de fundição em moldes de areia.

Em relação às Figuras 1 e 2, mostrando respectivamente uma microfotografia da microestrutura (100X) obtida de uma superfície de cilindro de alumínio não-forrado de um bloco de motor fundido a partir da liga da presente invenção, e da microestrutura (100X) obtida de uma superfície de cilindro de alumínio não-forrado de um bloco de motor fundido a partir da liga conhecida côo A390, é evidente que a liga da presente invenção mostrada na Figura 1 fornece uma microestrutura onde os grãos da fase Si primária são muito pequenos e uniformemente dispersos se comparado com a micro- estrutura da liga da técnica anterior mostrada na Figura 2.

Adicionalmente, o desafio encarado pelos peticionários no de- senvolvimento de uma nova liga que supere as desvantagens das ligas da técnica anterior quando usada em combinação com um processo de fundi- ção em moldes de areia de sílica foi descobrir uma composição tal que, ape- sar da alta liberação de calor e da baixa taxa de resfriamento do processo de areia de sílica, a segregação intermetálica e a porosidade no fundido são minimizadas.

Em relação à Figura 1, os peticionários representaram em um diagrama de fase de um sistema de liga Al-Si a posição de algumas das li- gas da técnica anterior e a posição distinta da liga da presente invenção. Pode ser visto desse diagrama de fase que ligas hipoeutéticas e eutéticas são mais fáceis de manusear em processos de fundição em moldes de areia de sílica uma vez que essas ligas são líquidas a temperaturas mais baixas que as ligas hipereutéticas. Em vista dessa propriedade das ligas Al-Si1 au- mentar o teor de Si requer que a liga fundida seja vazada nos moldes de areia a uma temperatura mais alta e portanto mais calor precisa ser dissipa- do do metal em solidificação através dos moldes e núcleos de areia. A liga da presente invenção fornece um teor de Si suficiente para alcançar a resis- tência ao desgaste desejada nas superfícies dos fundidos e os outros com- ponentes da liga tornaram-na adequada para sua fundição em moldes de areia de sílica tendo uma dissipação de calor relativamente menor que os moldes de outros processos de fundição. Ao mesmo tempo, a liga da pre- sente invenção é menos cara que outras ligas da técnica anterior tendo re- sistência ao desgaste similar particularmente devido ao seu menor teor de Ni. A liga da presente invenção fornece um processo competitivo em custo para fundição de blocos de motor sólidos sem a necessidade de forros de cilindros, particularmente quando fundidos em moldes e núcleos de areia de sílica.

A liga e o método de fundição da presente invenção apresentam

as seguintes vantagens:

A resistência ao desgaste fornecida pela liga evita a necessida- de de inserção de forros de ferro nos orifícios dos cilindros. Consequente- mente, os blocos produzidos são menores e mais leves, (economizando o peso e o custo dos forros de ferro) e podem aumentar a capacidade do mo- tor sem aumentar o tamanho do motor (por exemplo, de 2,3 para 3,0 litros).

A liga da invenção tem melhores características térmicas em relação à dissipação de calor (particularmente com a ausência de forros de cilindro de ferro). Os blocos dos peticionários funcionam cerca de 10°C mais frios que os blocos de alumínio usados atualmente tendo blocos com forros de ferro, devido ao fato de que a interface entre os forros de ferro e o bloco é eliminada.

A liga também permite folgas mais apertadas porque os coefici- entes de expansão térmica tanto dos pistões quanto dos blocos são simila- res (em contraste com a maior diferenciação dos coeficientes de expansão térmica entre o pistão de liga de alumínio e os forros de ferro). Essa vanta- gem fornece uma operação de motor mais silenciosa e torna os motores ambientalmente mais limpos.

Não há necessidade de inventário e manuseio de forros. Portan- to, há importantes economias no processo de produção, não apenas devido a evitar o custo dos forros de ferro mas também porque não há necessidade de preaquecer esses forros por indução elétrica. O mesmo é verdade para os forros de alumínio usados mais raramente, que em adição são feitos de uma liga mais cara que a liga do r4stante do bloco fundido do motor. Os motores sem forro feitos da liga da presente invenção são

também mais fáceis de reciclar, uma vez que não é necessária nenhuma separação de forros de ferro de cilindros do alumínio. A liga da invenção também fornece características de usinagem muito boas, e embora a vida da ferramenta seja comparável e similar à usi- nagem da liga atualmente conhecida A356,o acabamento de superfície nos núcleos dos cilindros é significativamente melhor.

O custo de produção de blocos de motor não-forrados é reduzi-

do de cerca de 40% pelo uso da liga e do método da invenção em compara- ção com o custo de produção quando se usa as ligas conhecidas da técnica anterior. Exemplo 1

Uma liga Al-Si foi preparada conforme a presente invenção e um

bloco foi fundido em um molde e um núcleo de areia de sílica. A liga tinha a seguinte composição (em peso percentual):

Si = 13,5%; Sr = 900 ppm; Fe = 0,4%; Cu = 2,5%; Ni = 0,5%; Mn = 0,4%; Mg = 0,35%; com o saldo sendo essencialmente apenas alumínio (mais uma quantidade pequena de quaisquer outros elementos que não afe- tam essencialmente a composição, doravante referidos como "remanescen- tes"). A liga foi vazada no molde a uma temperatura de 750°C.

Os resultados foram com segue:

A segregação microestrutural foi reduzida. Células eutéticas modificadas foram distribuídas mais igualmen-

te, e o alumínio primário foi reduzido. Partículas de silício primário foram ain- da observadas, mas compreenderam menos d 1% do silício total. Exemplo 2

Para testar a resistência ao desgaste da liga da invenção, uma série de testes etapa única com 20 horas de duração foi executada usando- se uma máquina de testes Plint TE77. O teste executado fornece uma linha de contato recíproca entre um pino e uma chapa. O pino endurecido é usado para simular o anel de pistão enquanto uma placa de aterramento plana é usada para simular o forro de cilindro. O óleo usado foi um óleo mineral para motores automotivos a gasolina comercialmente disponível aquecido até 100°C.

Três materiais diferentes foram avaliados: (1) forros de ferro fun- dido para aplicações em diesel, (2) uma liga alumínio-silício hipereutética (do tipo sendo atualmente usado como forros caros em motores de alta perfor- mance; onde a fase de resistência ao desgaste primária foi uma fase de silí- cio primário), e (3) a liga da presente invenção. Os resultados indicam que qualitativamente as cicatrizes de desgaste obtidas em todos os três materi- ais foram similares e não parecem ser significativamente diferentes em magnitude entre os materiais testados.

Deve, naturalmente, ser entendido que a invenção foi especifi- cada em detalhes apenas em relação a certas de suas configurações prefe- ridas, e que um número de modificações e variações podem ser feitas sem sair do espírito e do escopo da invenção que é definido pelas reivindicações a seguir.

Claims (11)

1. Liga de alumínio resistente à abrasão, caracterizada pelo fato de que compreende (em % em peso): -13% -14% de Si; - 2,3% - 2,7% de Cu; -0,1%-0,4% de Fe; -0,1%-0,45% de Mn; -0,1%-0,30% de Mg; -0,1%-0,6% de Zn; - 0,05%-0,11% de Ti; -0,4% - 0,8% de Ni; -0,01%-0,09% de Sr; e o saldo sendo predominantemente alumínio mais quaisquer e- Iementos remanescentes.

2. Método para produção de um bloco de cilindro de motor de alumínio sem forro fundido complexo, caracterizado pelo fato de que com- preende usar uma liga de Al-Si resistente à abrasão para formar tal fundido tendo uma composição em % em peso como definida na reivindicação 1.

3. Método, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que compreende formar o mencionado fundido em um molde de a- reia de sílica com núcleos de areia de sílica e onde o mencionado fundido após a solidificação tem uma microestrutura onde qualquer Si primário pre- sente é substancialmente uniformemente disperso.

4. Método, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que a mencionada liga fundida é vazada no mencionado molde de areia de sílica a uma temperatura entre 760°C a 780°C.

5. Liga de alumínio resistente à abrasão, caracterizada pelo fato de que compreende (em % em peso): -13,5% de Si; -2,5% de Cu; -0,4% de Fe; -0,4% de Mn; -0,35% de Mg; -0,5% de Ni; -900 ppm de Sr; e o saldo sendo predominantemente alumínio mais quaisquer e- Iementos remanescentes.

6. Método para produção de um fundido de uma liga Al-Si tendo uma composição, coma definida na reivindicação 5, para produção de um bloco de motor de liga de alumínio com as perfurações para os cilindros ten- do uma superfície com melhorada resistência ao desgaste feita da mesma liga de alumínio de modo a resistir à operação do mencionado bloco de mo- tor sem forros de cilindros; caracterizado pelo fato de que compreende as seguintes etapas: fornecer um molde de areia de sílica com núcleos de areia de sílica e meios de resfriamento para provocar a solidificação da mencionada liga em uma direção e a uma taxa de solidificação controladas, de forma que o mencionado fundido após a solidificação tenha uma microestrutura onde qualquer Si primário presente é substancialmente uniformemente disperso; introduzir a mencionada liga como metal fundido no mencionado molde para formar o mencionado bloco de motor fundido.

7. Método, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que o mencionado meio de resfriamento é uma massa metálica ten- do um peso tal que a razão de peso do molde de resfriamento para o peso do fundido está na faixa entre 1 a 5.

8. Método, de acordo com a reivindicação 6 ou 7, caracterizado pelo fato de que a mencionada taxa de resfriamento está na faixa de cerca de 0,3 a 3,0°C/s.

9. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 6 a 8, caracterizado pelo fato de que a mencionada liga fundida é vazada no molde de areia de sílica a

10. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a mencionada liga fundida é vazada no molde de areia de sílica a uma temperatura de cerca de 755°C até cerca de 765°C.

11. Bloco de motor de alumínio, caracterizado pelo fato de ser fundido a partir de uma liga de alumínio-silício com baixo teor de Ni, os furos de cilindro do bloco têm uma superfície de contato pistão-cilindro com me- lhorada resistência ao desgaste e ser feita da mesma liga de alumínio como o resto do bloco de motor e é eficaz para resistir à operação do dito bloco de motor sem forros de cilindro; a liga do dito bloco de motor tendo a seguinte composição em peso: -13% de Si; -2,3% - 2,7% de Cu; -0,1%-0,4% de Fe; -0,1%-0,45% de Mn; -0,1%-0,30% de Mg; -0,1%-0,6% de Zn; -0,05%-0,11% de Ti; - 0,4% - 0,8% de Ni; -0,01%-0,09% de Sr; e o saldo sendo predominantemente alumínio mais quaisquer e- Iementos remanescentes.