BRPI0903741A2 - mancal de deslizamento, processo de fabricação e motor de combustão interna - Google Patents
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Abstract
MANCAL DE DESLIZAMENTO, PROCESSO DE FABRICAçãO E MOTOR DE COMBUSTãO INTERNA. A presente invenção refere-se a um mancal de deslizamento, particularmente para compelir pelo menos um eixo de um motor de combustão interna, contendo uma estrutura de apoio ou substrato (2) a qual é apli- cado um revestimento (3) por processo Cold Spray ou Cold Gas Dynamic Spray, tal revestimento constituindo-se de pelo menos um material compos- to compreendendo, pelo menos, uma liga em pó com partículas cerâmicas e material anticorrosivo.
Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MANCAL DEDESLIZAMENTO, PROCESSO DE FABRICAÇÃO E MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA".
A presente invenção refere-se a um mancai de deslizamento(mancai de virabrequim, como exemplo) fabricado ou formado por um pro-cesso conhecido como Cold Spray ou Cold Gas Dynamic Spray e constituídode uma composição que aumenta sua durabilidade e desempenho.A presente invenção também se refere ao processo de fabricação do referi-do mancai de deslizamento e a um motor de combustão interna (Cl) constitu-ido de, pelo menos, um mancai de deslizamento como descrito acima.
Descrição do Estado da Técnica
A grande maioria dos motores de Cl, como motores de doistempos e motores de quatro tempos de ciclo Otto/Diesel, compreende um oumais pistões alternativos conectados a uma haste que converte seu movi-mento linear na rotação de um eixo denominado virabrequim. O movimentolinear do pistão é gerado durante o tempo de "explosão" e é convertido narotação do virabrequim, que é utilizável para mover um veículo e realizaroutras tarefas.
A operação do motor de Cl é simples bem conhecida conceitu-almente, porém devido às altas cargas envolvidas, é essencial evitar o ex-cessivo movimento axial e radial do virabrequim, caso contrário, a durabili-dade e confiabilidade do motor são drasticamente reduzidas.
Os componentes que compelem o virabrequim, impedindo seumovimento radial e axial, são chamados mancais. Adicionalmente, algunsmotores de Cl possuem outros eixos giratórios (por exemplo, árvore de ca-rnes, eixos de balanceamento, etc), também compelidos por meio de man-cais.
Em outras palavras, o mancai corresponde a qualquer membrocontendo uma superfície que encoste diretamente (ou através de um Iubrifi-cante sólido ou líquido) em outra superfície que possua relativo movimentodeslizante. O principal objetivo de um mancai é transmitir uma carga de umasuperfície a outra superfície deslizante.Quase todos os motores têm, no mínimo, dois mancais princi-pais, um em cada extremidade do virabrequim, e freqüentemente possuemum mancai a mais do que o número de pinos de manivela. O número demancais principais é um compromisso entre tamanho extra, custo e estabili-dade de um maior número de mancais, e a solidez e leveza de um menornúmero. Ambos possuem vantagens em termos de desempenho, pois umamanivela menor e mais estável produzirá melhor balanceamento do motor.
Durante o início do século vinte, motores de Cl costumavam teralguns mancais compelindo o virabrequim, uma vez que esses motores anti-gos não aceitavam revoluções muito altas (revoluções por minuto) e a ener-gia gerada não era considerável. Esses motores, via de regra, também pos-suíam baixa eficiência energética e um alto consumo de combustível, consi-derando-se a quantidade de energia gerada.
Após a década de 1960, o foco do desenvolvimento de motoresfoi, principalmente, aumentar a eficiência energética, e os motores resultan-tes eram menores, mais potentes e, consequentemente, desenvolveram suaenergia em revoluções muito mais altas. A combinação desses fatores (altasrevoluções e mais energia desenvolvida) resultou em um elevado desenvol-vimento dos mancais. Hoje, a tendência em fazer com que motores peque-nos se tornem ainda mais eficientes e potentes é mais forte do que nunca,devido ao baixo consumo de combustível em relação à energia gerada, umatarefa muito importante tendo em vista os elevados custos de combustível eo aquecimento global.
Também é importante notar que uma grande quantidade de mo-tores de Cl utiliza mancais de deslizamento para compelir seus eixos girató-rios e não outros tipos de mancais (por exemplo, roletes, etc.). Mancais dedeslizamento geralmente são desenvolvidos para operar sob condições hi-drodinâmicas, mas ocasionalmente, durante o arranque do motor, uma su-perfície toca a outra superfície deslizante, gerando calor e acelerando o des-gaste de pelo menos uma das superfícies.
Tendo em vista especificamente os motores equipados commancais de deslizamento, o virabrequim é compelido no bloco do motor poruma série de mancais espaçados axialmente (dois, três, quatro, cinco, sete,etc.). Cada mancai de deslizamento inclui uma metade do mancai de desli-zamento superior assentada em um rebaixo arqueado do bloco e uma meta-de do mancai de deslizamento inferior firmemente fixada contra a metade domancai superior por uma capa de apoio do mancai parafusada no bloco domotor.
Originalmente, as superfícies deslizantes eram fundidas a umacarcaça, mas com a evolução tecnológica, o revestimento do mancai foi a -plicado a um forte apoio para reforço (por exemplo, uma chapa de aço). Me-tais adequados para revestimento incluem ligas à base de chumbo, de es-tanho, de cobre (normalmente de cobre-chumbo e cobre-chumbo-estanho) eligas de alumínio (normalmente ligas de alumínio-estanho-cobre, alumínio-silício-estanho e alumínio-estanho-cobre-silício).
Convencionalmente, o processo de fabricação de mancais dedeslizamento inclui unir as ligas de alumínio à superfície de apoio de açofazendo com que as duas tiras de materiais passem juntas pelos cilindrosgiratórios, o que gera a redução da espessura total das duas tiras por defor-mação mecânica e, consequentemente, proporciona força de ligação entre aliga do revestimento e o aço de reforço.
Alguns processos alternativos de fabricação foram desenvolvi-dos para prover uma superfície deslizante ao aço de reforço, utilizando mé-todos de depósito classificados na família de aspersão térmica (por exemplo,oxi-combustível de alta velocidade - HVOF), wire spray e aspersão a plasma.
Processos para a fabricação de mancais de deslizamento sãomostrados em alguns documentos de anterioridade, e alguns deles são bre-vemente discutidos abaixo.
O caso da patente GB 1 083 003 refere-se a um processo de HVOF que uti-liza uma pistola de aspersão e um arame como matéria-prima para construiro revestimento do mancai no aço. Como o material depositado é aquecido auma temperatura próxima do ponto de fusão da matéria-prima, parte do ma-terial aquecido pode ser depositada em estado semi-fundido e, portanto, al-guns poros e óxidos são inerentes a tal processo de depósito.
O caso da patente GB 2.130.250 também exemplifica um méto-do muito semelhante, denominado aspersão a plasma, para fabricar materialcom diversas camadas tendo uma camada funcional aplicada a uma camadade apoio para reforço. Embora o processo seja diferente da primeira referên-cia, possui as mesmas desvantagens (revestimento poroso com alto teor deóxidos).
A patente norte-americana 6,416,877 reivindica um mancai emque uma liga de alumínio-estanho-cobre foi depositada como revestimentovia processo HVOF. Também reivindica outras composições de materiaiscom base na segunda fase metálica lisa de chumbo e adição de alumina deaté 20% em peso. Embora o processo HVOF tenha sido adaptado em ter-mos de parâmetros do processo para evitar a oxidação de materiais, a tem-peratura ainda é alta o suficiente para derreter parcialmente o material queestá sendo depositado e gerar certo teor de óxidos que afetam o desempe-nho do revestimento.
Outro documento, (o pedido de patente DF 10 2004 043 914 A1)refere-se a um componente de mancai de deslizamento revestido com ummetal antiatrito em bronze, particularmente uma liga de estanho-cobre, umaliga de chumbo-cobre, uma liga de alumínio-cobre, ligas de chumbo-estanhoou estanho-alumínio. Tais materiais antiatrito produzidos por injeção de gásfrio são aplicados em uma máquina de deslocamento hidrostático, particu-larmente uma máquina de pistão axial, como metade do mancai, casquilhoou disco de distribuição. Tal pedido de patente pretende utilizar o menciona-do método de produção para substituir o método de soldagem originalmenteutilizado para unir a parte principal ao metal antiatrito.
Todos os documentos de anterioridade mencionados acima re-velam processos de fabricação de mancais com certos inconvenientes/ des-vantagens, que não se vêem no objeto da presente invenção.
Até a presente invenção, não havia nenhum mancai de desliza-mento que apresentasse, concomitantemente, propriedades de alta resistên-cia a desgaste e à fricção, e também elevada capacidade de carga, fabrica-do por processo Cold Spray ou Cold Gas Dynamic Spray.
Além disso, até a presente invenção, não havia nenhum proces-so de fabricação de mancais de deslizamento que empregasse Cold Sprayou Cold Gas Dynamic Spray para revestir materiais compostos, dando aomancai resultante propriedades de alta resistência a desgaste e à fricção.
Um dos objetivos da presente invenção é proporcionar um mé-todo para formar um revestimento de mancai liso que apresentará melhordesempenho do que os mancais atuais, que são bimetálicos.
Breve Descrição da Invenção
O mancai de deslizamento da presente invenção possui, comoaspecto mais inovador, a existência de um material composto de revestimen-to (que entra em contato com a superfície deslizante do eixo do motor) de-positado por Cold Spray ou Cold Gas Dynamic Spray.
Tal material pode ser aplicado em conceitos de mancais bimetá-licos ou trimetálicos, pois o principal objetivo é melhorar as propriedades dosmancais (capacidade de carga, resistência à corrosão e a desgaste) que sãoguiadas principalmente por propriedades da superfície. Consequentemente,é suficiente a espessura de vários mícrons para melhorar o desempenho domancai.
O depósito gera uma camada que posteriormente é tratada paraformar um revestimento adequado e eficiente do mancai de deslizamento. Ouso de um material composto aplicado por Cold Spray ou Cold Gas DynamicSpray permite obter excelentes propriedades de resistência a desgaste e àfricção.
O material composto é feito de pó de liga de alumínio com partí-culas cerâmicas e material anticorrosivo, todos obtidos por fusão mecânicaantes do depósito por Cold Spray ou Cold Gas Dynamic Spray.
O processo de fabricação do mancai de deslizamento da presen-te invenção possui, preferencialmente, as etapas de obtenção da mistura empó, preparação do substrato, depósito da mistura em pó por Cold Spray ouCold Gas Dynamic Spray, operações de usinagem e de tratamento por calor.
Descrição Resumida das FigurasFigura 1 - é uma visão esquemática do mancai de deslizamentoobjeto da presente invenção.
Figura 2 - é uma visão microscópica do material de balancea-mento de uma concretização preferencial do revestimento do mancai de des-Iizamento da presente invenção.
Figura 3 - é uma visão microscópica do material cerâmico deuma concretização preferencial do revestimento do mancai de deslizamentoda presente invenção.
Figura 4 - é uma visão microscópica do material anticorrosivo deuma concretização preferencial do revestimento do mancai de deslizamentoda presente invenção.
Figura 5 - é um gráfico que apresenta a propriedade de fricçãodo mancai de deslizamento da presente invenção em comparação com ou-tros dois materiais de referência.
Figura 6 - é um gráfico que apresenta a resistência a desgastedo mancai de deslizamento da presente invenção em comparação com ou-tros dois materiais de referência.
Figura 7 - é um gráfico que apresenta a carga de testes dinâmi-cos do mancai de deslizamento da presente invenção em comparação comoutros dois materiais de referência.
Figura 8 - é um corte transversal do revestimento compostoproduzido pelo método cold spray.
Figura 9 - é um revestimento composto corroído (Cloreto de Fer-ro) produzido pelo método cold spray.
Descrição Detalhada das Figuras
Como já mencionado, a presente invenção refere-se a um novoe inventivo mancai de deslizamento 1,10 bem como a seu processo de fabri-cação e, adicionalmente, a um motor de Cl compreendendo, pelo menos, ummancai de deslizamento.
Em primeiro lugar, é importante notar que a concretização prefe-rencial do mancai de deslizamento da presente invenção foi idealizada paraoperar como um mancai de biela; entretanto, o conceito da invenção podeser perfeitamente utilizado para qualquer tipo de mancai.
Os mancais de deslizamento podem ser classificados em bime-tálicos e trimetálicos.
Os mancais de deslizamento bimetálicos possuem uma estruturaà qual se aplica um revestimento
Por outro lado, os mancais de deslizamento trimetálicos possu-em, adicionalmente, uma camada intermediária à qual se aplica o revesti-mento, sendo um produto vantajoso para uso em motores que operam emcondições árduas de ambiente (em um ambiente empoeirado, por exemplo).
Na figura 1, o mancai bimetálico é mostrado com o número 1 e otrimetálico é mostrado com o número 10.
O mancai de deslizamento 1,10 objeto da presente invençãocontém uma estrutura de apoio 2 à qual esta associado, por Cold Spray1 umrevestimento de mancai liso 3, que é a superfície que ficará face a face coma outra superfície deslizante (por exemplo, o eixo do motor).
No caso do mancai trimetálico, o revestimento de mancai liso 3está indiretamente associado à estrutura de apoio 2, uma vez que existe achamada camada intermediária 30 entre eles, à qual o revestimento demancai liso 3 é aplicado de fato.
A constituição específica do mancai, seja metálico ou trimetálico,não é relevante para os fins da invenção, mas sim as propriedades do reves-timento de mancai liso 3.
A estrutura de apoio 2 (também conhecida como substrato) éfeita preferencialmente de um material muito resistente, como aço, aço aocarbono, ferro fundido, aço ligado e aço microligado, titânio, etc., e pode serfeita de qualquer outro material, se desejável. Também pode incluir uma tiralisa, como tiras de aço ou bronze, casquilhos de metades de mancais pré-formados para o centro da biela ou o orifício do bloco de carcaça. Preferen-cialmente, a estrutura de apoio é configurada como uma tira lisa.
Como já mencionado, o processo Cold Spray ou Cold Gas Dy-namic Spray realiza o depósito de uma mistura em pó sobre a estrutura deapoio 2 do mancai 1, gerando uma camada que, após tratamento, se torna orevestimento de mancai liso 3.
O processo cold spray é um processo de depósito em alta velo-cidade em que partículas pequenas de pó não derretido (tipicamente 1 a 50u/m de diâmetro) são aceleradas a altíssimas velocidades (aproximadamente600 a 1000 metros por segundo) em um jato supersônico de gás comprimi-do. Mediante o impacto com uma superfície-alvo, as partículas sólidas sedeformam e se unem, produzindo rapidamente uma camada de material de-positado.
Como o processo Cold Spray não emprega uma fonte de calorde alta temperatura (como chama ou plasma) para derreter o material dealimentação, ele não transfere grandes quantidades de calor à parte revesti-da. Consequentemente, não degrada materiais de revestimento termicamen-te sensíveis através de oxidação ou outras reações químicas residuais. Prin-cipalmente por essa razão, o processo Cold Spray é muito atraente para ma-teriais de depósito sensíveis a oxigênio.
De forma semelhante, o processo Cold Spray oferece novaspossibilidades para construir revestimentos espessos a partir de materiaisem nanofase, compostos intermetálicos ou materiais amorfos (que freqüen-temente são materiais difíceis de aspergir empregando-se técnicas conven-cionais de aspersão térmica), uma vez que freqüentemente evita o cresci-mento de grãos e a formação de fases frágeis. Outra vantagem é que sãoeliminadas tensões residuais de tração associadas à diminuição da solidifi-cação.
Finalmente, como última vantagem, já foi demonstrado que oefeito de 'encurralamento' das partículas sólidas colidentes produz tensõesresiduais compressivas em materiais depositados por cold spray.
O processo Cold Spray já é conhecido e revelado na patentenorte-americana 5.302.414, publicada por Alkhimov e outros.
O uso de materiais compostos na composição do revestimento 3do mancai, depositados por Cold Spray, é uma das características mais ino-vadoras da presente invenção, oferecendo ao mancai 1 propriedades vanta-josas de resistência tanto a desgaste quanto à fricção.A fim de fornecer um material composto produzido pelo métodode depósito por cold spray, uma mistura composta de pó de liga de alumínio(denominado material de balanceamento) com partículas cerâmicas e mate-rial anticorrosivo foi utilizada. Tal material composto é obtido pela fusão me-cânica dos pós antes de alimentar, com dita mistura, a máquina de depósitopor cold spray; porém ele pode ser obtido por qualquer outro método.
Quando comparado ao atual estado da técnica sobre mancaisde materiais metálicos com ligas de alumínio e mancais atuais fabricadospelos mencionados métodos de aspersão térmica, o material composto pro-posto aplicado por Cold Spray pretende oferecer melhor capacidade de car-ga, melhor condição de trabalho sob severo regime de lubrificação e capaci-dade de oferecer condicionamento acelerado da superfície cooperante signi-ficando período experimental reduzido.
De acordo com a presente invenção, várias combinações de di-ferentes ligas podem ser utilizadas do grupo composto por: Al, AICu1 AISn,AISnSi, AISnSiCu, Cu, CuAI, CuSn, CuSnNi, CuSnBi e CuSnBiNi, dentrevários outras. Todas as ligas mencionadas podem apresentar uma vastagama dos segundos elementos.
Para melhorar o efeito da superfície ao melhorar o efeito Iubrifi-cante e/ ou a resistência à corrosão, são necessários outros materiais.
Pode-se melhorar o efeito lubrificante ao adicionar algum lubrifi-cante sólido, como grafite, MoS2, BN e PTFE1 entre outros, e obtém-se umganho nas propriedades anticorrosivas pela adição dos elementos Sn, Bi ouMo, entre outros.
Finalmente, adicionar partículas sólidas como SiC, CBN, AI2O3,B4C, Cr3C2, WC, Si3N4 and MoSi, entre outras, possibilitará melhor capaci-dade de condicionamento da superfície cooperante.
Como pode ser visto na figura 2, o material de balanceamento(Al ligado) tem um formato bem redondo com tamanho dos grãos de 5 |jmaté 100 (jm, e o material cerâmico (por exemplo, SiC, como pode ser vistona figura 3) tem tamanho muito menor (de 1 pm até 20 pm) com formato afi-ado. O material anticorrosivo (por exemplo, Molibdênio, como visto na figura4) apresenta um formato não regular com tamanho que varia de 5 |jm até300 pm.
Durante o desenvolvimento do processo de depósito para utilizarCold Spray, tentou-se empregar vários parâmetros para melhorar o revesti-mento depositado quanto à adesão, coesão e baixo conteúdo poroso no re-vestimento composto. Veja abaixo os parâmetros finais do processo defini-dos para o depósito adequado do revestimento.
Tabela I: Parâmetro definido do processo para depósito 10.
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Outra característica fundamental é a preparação do substrato deaço 2 para proporcionar a adequada ativação da superfície para receber omaterial composto aplicado pelo método cold spray. É necessário limpar osubstrato 2 com solvente (por exemplo, acetona) para remover qualquer ole-osidade da superfície. Além disso, a superfície metálica livre geralmente écoberta por uma camada de óxido relativamente fina, e tal oxidação prejudi-ca a adesão do revestimento, portanto a superfície oxidada de aço expostadeve ser mecanicamente limpa, por exemplo, com corrente de ar ou comuma lixadeira. Esse processo de limpeza é responsável pela ativação dasuperfície para receber o depósito pelo método cold spray.
O material em pó é aplicado por um bico injetor, e o movimentorelativo entre o bico injetor e o substrato 2 ocorre de forma que o bico injetorpassa várias vezes na mesma região do substrato, garantindo o correto de-pósito do material.
Tal movimento relativo entre o bico injetor e o substrato 2 é res-ponsável por determinar a área revestida e a espessura do revestimento.
Experimentos mostraram que não há nenhuma restrição quanto à máximaespessura do revestimento.
A aplicação de revestimento utilizando materiais de substratodiferentes do aço também é completamente viável, com suas próprias parti-cularidades, mas todas as abordagens requerem limpeza química e mecâni-ca para ativação do substrato objetivando proporcionar boa força de ligaçãoou adesão.
Uma concretização preferencial do mancai de deslizamento 1 dapresente invenção compreende um revestimento 3 composto por pó de alu-mínio ligado com 5% de cobre, 15% de carbeto de silício e 15% de Molibdê-nio (teores expressos em peso). Embora a concretização preferencial pos-sua um teor específico de Mo e SiCl espera-se que mesmo 0,5 % de cadamaterial mencionado aumentará o desempenho da mencionada liga domancai. O teor máximo de cada material mencionado é limitado por algumasfendas no revestimento depositado que ocorre a partir de 25% do materialmencionado.
No caso dos mancais bimetálicos, o Al primeiramente puro (ma-terial de balanceamento) é revestido por Cold Spray com espessura de a-proximadamente 80 pm (formando a chamada intercamada de ligação 3'),então a mistura do material de AlCu5Mol 5SÍC15 é utilizada para gerar re-vestimento por Cold Spray com espessura de aproximadamente 1 mm. Comoa superfície resultante não é lisa o suficiente, uma espessura de aproxima-damente 150 pm é removida por usinagem.
Em seguida, o produto é sujeito a tratamento por calor (por e-xemplo, a 340°C durante 1 hora), para recuperar a capacidade de deforma-ção do material e, em seguida, há o rolamento do material já tratado por ca-lor, com redução de pelo menos 40% da espessura total da tira; resultandoem uma espessura adequada para submeter a tira a um processo regular deprodução de mancais.
É importante notar que o procedimento de tratamento por calor(temperatura, tempo de submissão, etc) pode variar dependendo da consti-tuição do mancai 1,10.
Subseqüentemente, a tira é cortada em forma retangular de a-cordo com o comprimento e diâmetro do mancai. Portanto, os pedaços demetais produzidos são forjados e submetidos à usinagem resultando na ge-ometria final do mancai.
A figura 8 apresenta o aspecto visual do material de revestimen-to produzido por processo Cold Spray, onde as regiões escuras são partícu-las de SiC e as regiões cinzas são partículas de Mo. No caso dos mancaisbimetálicos, a intercamada 3' em Al puro é revelada após corroer o cortetransversal (ver a camada branca entre o aço e o material composto na figura 9).
O aspecto visual do material composto não contém poros, quesão muito comuns em outros processos de aspersão térmica. Além disso, omaterial composto produzido pelo método cold spray apresenta boa adesãodo revestimento depositado.
As amostras produzidas para testes de desempenho foram fa-bricadas com as seguintes características:
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As amostras produzidas de acordo com a especificação acimaforam testadas quanto a seu comportamento tribológico (resistência a des-gaste e à fricção).
Durante os testes realizados, o desgaste e fricção de uma con-cretização preferencial bimetálica do mancai de deslizamento da presenteinvenção (tendo um composto de revestimento 3 de AICu5MoI 5SÍC15) foramtestados comparativamente com ligas bimetálicas de AISn20Cu eAISn4Si2Cu. Ambas classificações foram obtidas por meio de testes de ban-cada simplificados, seguindo padrões internos de teste 17.
Para o teste de desgaste, foi utilizada uma máquina padronizadado tipo bloco sobre anel (block-on-ring) onde a carga normal aplicada e avelocidade do eixo são mantidas constantes durante todo o teste, enquantoa face oposta é parcialmente submersa em óleo aquecido, então o desgasteé medido em termos de volume gasto em uma amostra lisa no fim do teste.
A tabela Il apresenta as principais características de testes de desgaste.Tabela Il - Condições dos testes de desgaste.
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Os testes de corrosão foram realizados em uma máquina do tipopino-sobre-disco (pin-on-disk) com fornecimento controlado de óleo e carganormal aumentada durante o teste até a ocorrência de corrosão, sendo con-vertida em carga de unidade normalizada (MPa). Para saber mais detalhessobre a condição dos testes, ver a tabela Ill abaixo.
Tabela Ill - Condições dos testes de corrosão.
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Para ambas classificações, realizam-se dez testes seqüenciaisde cada material a fim de gerar uma avaliação estatística do material testado.O primeiro material testado (a conhecida liga bimetálicaAISn20Cu) é bem-reconhecido por sua propriedade de boa resistência à cor-rosão devido ao elevado teor de Sn1 que proporciona boa propriedade desuperfície sob severo regime de lubrificação. Por outro lado, o segundo ma-terial testado (a conhecida liga bimetálica AISnI 0Si4Cu2) apresenta proprie-dade de boa resistência a desgaste devido ao teor de Si e maior dureza emcomparação com o material da liga de anterior (AISn20Cu).
A figura 5 apresenta um gráfico comparando^ propriedade defricção do material composto utilizado no revestimento do mancai de desli-zamento da presente invenção (composto de AICu5MoI 5SÍC15) com outrosdois materiais de referência.
No eixo vertical, a resistência à corrosão é apresentada em car-ga de unidade (MPa). Uma maior carga de unidade em um sistema Iubrifica-do significa que a espessura da película de óleo será reduzida até o limite decontato metal-metal. Então, ao aumentar mais a carga aplicada, a pressãodo contato aumentou até uma falha repentina caracterizada por corrosão.
Os resultados para ambas propriedades apresentadas (desgastee corrosão) mostram um tratamento estatístico referente a 90% de confiabili-dade em média, e qualquer sobreposição de bars diferentes indica que apopulação testada é semelhante. Consequentemente, quanto à resistência àcorrosão, o material composto proposto (AICu5MoI 5SiC15) é estatisticamen-te semelhante ao material bimetálico (AISn20Cu) com alto teor de Sn. Alémdisso, o material composto proposto (AICu5MoI 5SiC15) apresenta maiorresistência á fricção do que um regular material bimetálico (AISn10Si4Cu2),demonstrando que o conceito proposto funcionará facilmente na aplicaçãoreal no tocante à compatibilidade (resistência à fricção).
A figura 6 mostra os mesmos três materiais de mancais avalia-dos em termos de resistência a desgaste. O gráfico mostra resistência adesgaste semelhante para o proposto revestimento composto do mancai dedeslizamento objeto da presente invenção (AICu5MoI 5SÍC15) e o conhecidomaterial regular bimetálico com teor de silício (AISn10Si4Cu2).
Os resultados obtidos são surpreendentes sob a perspectiva deque o material proposto pôde apresentar, ao mesmo tempo, propriedades(resistência a desgaste e à fricção) que são geralmente opostas, pois nor-malmente materiais de mancais que oferecem boa resistência a desgastenão podem oferecer boa resistência à fricção, e vice-versa.
Como o mancai de deslizamento objeto da presente invenção éproposto para aplicação em motores de combustão interna, ele deve apre-sentar resistência adequada não apenas para testes realizados sob carre-gamento constante, mas deve-se considerar o carregamento cíclico também.
Portanto, as amostras produzidas foram submetidas a testes defatiga onde os experimentos são realizados sob condição Iubrificada aqueci-da simultaneamente ao movimento de deslizamento e ao carregamento se-noidal. Na verdade, a capacidade de carga do conceito proposto é a caracte-rística mais importante a ser validada.
A capacidade de carga do material composto pelo método coldspray é comparada aos materiais bimetálicos com maior capacidade de car-ga. Os resultados podem ser vistos na figura 7. O revestimento composto deacordo com a presente invenção apresentou uma melhoria de aproximada-mente 10% na capacidade de carga.
É importante notar que os materiais compostos diferentes de(AICu5MoI 5SiC15) podem ser utilizados para formar o revestimento domancai de deslizamento objeto da presente invenção a fim de obter as pro-priedades desejadas de alta resistência a desgaste e à fricção, bem comomaior capacidade de carga, ao mesmo tempo. Na verdade, a invenção, ape-sar das concretizações preferenciais aqui descritas, refere-se a qualquer tipode mancai contendo um revestimento composto depositado pelo processoCold Spray.
Também é uma invenção o processo de fabricação do presentemancai de deslizamento, apesar de sua constituição particular. Resumida-mente, o fluxo do processo de fabricação para produção do mancai é apre-sentado abaixo:
etapa (i) - Preparação da mistura em pó.etapa (ii) - Preparação do substrato (limpeza, etc.).etapa (iii) - Depósito da mistura em pó por método de cold s-pray.
etapa (iv) - Operações de conformação, usinagem e tratamentopor calor.
Preferencialmente, a etapa (iii) é subdividida em uma etapa (iii.a)de depósito de uma intercamada 3' e uma etapa (iii.b), posterior, de depósitoda camada de revestimento.
Ainda preferencialmente, a etapa (iv) é subdividida em uma eta-pa (iv.a) de tratamento por calor da tira, uma etapa (iv.b) de rolamento datira, uma etapa (iv.c) de produção de pedaço de metal, uma etapa (iv.d) emque o pedaço de metal é forjado em forma curva do mancai e, finalmente,uma etapa (iv.e) de acabamento do mancai por processo de usinagem.
A preparação da mistura em pó (etapa (i)) é preferencialmenterealizada por fusão mecânica, mas evidentemente outras soluções podemser utilizadas.
A preparação do substrato 2 (etapa (ii)), como já mencionado,corresponde preferencialmente à limpeza do substrato 2 com solvente (porexemplo, acetona) para remover qualquer oleosidade da superfície. É impor-tante notar que a etapa (ii) pode ser meramente opcional caso o substrato jáesteja limpo.
No caso de um mancai bimetálico 1, a etapa (iii.a) corresponde àaplicação, por Cold Spray, de uma intercamada 3' constituinte (preferencial-mente Al puro em pó), com espessura de aproximadamente 80 pm, prefe-rencialmente.
A etapa (iii.b) corresponde à aplicação, por Cold Spray, do com-posto em pó AICu5MoI 5SiC15 para formar a camada de revestimento, comespessura de aproximadamente 1mm, preferencialmente.
A etapa (iv.a) corresponde ao tratamento por calor do substrato(com a camada 3' se aplicável) e do revestimento aplicado, preferencialmen-te a 340°C por 1 hora, para recuperar a deformação do material.
A etapa (iv.b) corresponde à operação de rolamento, para redu-ção preferencialmente de pelo menos 40% da espessura total da tira.A etapa (iv.c) corresponde à produção do pedaço de metal, ondea tira é preferencialmente cortada em formato retangular de acordo com ocomprimento e diâmetro do mancai.
A etapa (iv.d) corresponde ao forjamento do pedaço de metal emforma curva do mancai (substancialmente uma forma em "C"), que é o for-mato do mancai final.
Finalmente, a etapa (iv.e) corresponde à usinagem da superfíciedo revestimento (que antes não era lisa o suficiente), sendo removida umaespessura de aproximadamente 150 pm por usinagem.
Evidentemente, algumas características do processo de fabrica-ção podem variar dependendo dos materiais utilizados, do tipo e da geome-tria do mancai resultante, etc., e o processo resultante pode ser perfeitamen-te incluído no escopo de proteção das reivindicações apensas.
Um motor de combustão interna que possui, pelo menos, ummancai de deslizamento de acordo com a presente invenção é também umainvenção nova e inventiva, estando incluído no escopo de proteção das rei-vindicações apensas.
Tendo sido descritas algumas concretizações preferenciais, de-ve ser entendido que o escopo da presente invenção abrange outras possí-veis variações, sendo limitado tão-somente pelo teor das reivindicações a-pensas, que incluem os possíveis equivalentes.
Claims (18)
1. Mancai de deslizamento, particularmente para compelir pelomenos um eixo de um motor de combustão interna, possuindo uma estruturade apoio ou substrato (2) à qual é aplicado um revestimento (3) por processoCold Spray ou Cold Gas Dynamic Spray; caracterizado pelo fato de que talrevestimento (3) compreende pelo menos um material composto constituídode pelo menos um pó de liga com partículas cerâmicas e material anticorrosivo.
2. Mancai de deslizamento de acordo com a reivindicação 1, ca-racterizado pelo fato de que o material composto utilizado é o Al-Cu5MoI 5SiC15.
3. Mancai de deslizamento de acordo com a reivindicação 2, ca-racterizado pelo fato de que o revestimento (3) corresponde a uma interca-mada (3') composta por Al puro e a uma camada de revestimento compostapelo material composto AICu5MoI 5SiC15.
4. Mancai de deslizamento de acordo com a reivindicação 1, ca-racterizado pelo fato de que o substrato (2) é composto por aço ou ferro fundido.
5. Mancai de deslizamento, particularmente para compelir pelomenos um eixo de um motor de Cl, possuindo uma estrutura de apoio ou umsubstrato (2) ao qual é aplicado um revestimento (3) por processo Cold S-pray ou Cold Gas Dynamic Spray; caracterizado pelo fato de que o revesti-mento compreende pelo menos um dos componentes cerâmicos SiC, CBN,AI2O3, B4C, Cr3C2, WC, Si3N4 ou MoSi.
6. Processo de fabricação de um mancai de deslizamento, ca-racterizado pelo fato de compreender as seguintes etapas:etapa (i) - Preparação da mistura em pó;etapa (ii) - Preparação do substrato (2);etapa (iii) - Depósito da mistura em pó por método cold spray; eetapa (iv) - operações de conformação, usinagem e tratamentopor calor.
7. Processo de fabricação de acordo com a reivindicação 6, ca-racterizado pelo fato de que a etapa (i) é realizada por fusão mecânica.
8. Processo de fabricação de acordo com a reivindicação 6, ca-racterizado pelo fato de que a etapa (ii) corresponde preferencialmente àlimpeza do substrato (2) com solvente para remover qualquer oleosidade dasuperfície.
9. Processo de fabricação de acordo com a reivindicação 6, ca-racterizado pelo fato de que a etapa (iii) é subdividida em uma etapa (iii.a) dedepósito de uma intercamada (3') e uma etapa (iii.b), posterior, de depósitoda camada de revestimento.
10. Processo de fabricação de acordo com a reivindicação 9,caracterizado pelo fato de que a etapa (iii.a) corresponde à aplicação, porCold Spray1 de uma intercamada (3') constituinte, preferencialmente Al puroem pó, com uma espessura de aproximadamente 80 pm.
11. Processo de fabricação de acordo com a reivindicação 9 ou 10, caracterizado pelo fato de que a etapa (iii.b) corresponde à aplicação,por Cold Spray1 do composto em pó AICu5MoI 5SÍC15 para formar a camadade revestimento, com espessura de aproximadamente 1mm, preferencial-mente.
12. Processo de fabricação de acordo com a reivindicação 6,caracterizado pelo fato de que a etapa (iv) é subdividida em uma etapa (iv.a)de tratamento por calor de uma tira, uma etapa (iv.b) de rolamento da tira,uma etapa (iv.c) de produção de pedaço de metal, uma etapa (iv.d) de for-jamento do pedaço de metal em forma curva do mancai e, finalmente, umaetapa (iv.e) de acabamento do mancai por processo de usinagem.
13. Processo de fabricação de acordo com a reivindicação 12,caracterizado pelo fato de que a etapa (iv.a) corresponde ao tratamento porcalor do substrato (2) e do revestimento aplicado, a 340°C durante 1 hora,para recuperara deformação do material.22
14. Processo de fabricação de acordo com a reivindicação 12,caracterizado pelo fato de que a etapa (iv.b) corresponde à operação de ro-lamento, para redução preferencialmente de pelo menos 40% da espessuratotal da tira.
15. Processo de fabricação de acordo com a reivindicação 12,caracterizado pelo fato de que a etapa (iv.c) corresponde à produção do pe-daço de metal, em que a tira é preferencialmente cortada em formato retan-gular de acordo com o comprimento e diâmetro do mancai.
16. Processo de fabricação de acordo com a reivindicação 12,caracterizado pelo fato de que a etapa (iv.d) corresponde ao forjamento dopedaço de metal em forma curva "C" do mancai.
17. Processo de fabricação de acordo com a reivindicação 12,caracterizado pelo fato de que a etapa (iv.e) corresponde à usinagem dasuperfície do revestimento, sendo removida uma espessura de aproximada-mente 150 |jm por usinagem.
18. Motor de combustão interna, caracterizado pelo fato de com-preender pelo menos um mancai de deslizamento (1) conforme definido nasreivindicações 1 a 5.
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