BRPI0904476A2 - estrutura de fundição de inserção - Google Patents

Abstract

ESTRUTURA DE FUNDIçãO DE INSERçãO. A presente invenção refere-se a uma estrutura de fundição de inserção que inclui um forro de cilindro feito de ferro fundido e inserido dentro de uma liga de alumínio através de fundição de inserção e tendo uma pluralidade de projeções em uma superfície circunferencial externa do forro de cilindro, em que quando a espessura de uma porção de ferro fundido até a base da projeção é ajustada como LI, e a espessura de uma peça integrada feita da porção de ferro fundido e de uma porção de liga de alumínio é ajustada como L2, a condutividade térmica é 35 a 80 W/mK quando medida sob a condição L1/L2= 0,45.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "ESTRUTURADE FUNDIÇÃO DE INSERÇÃO".

Antecedentes da Invenção

Campo da Invenção

A presente invenção refere-se a uma estrutura de fundição deinserção na qual um forro de cilindro feito de ferro fundido e tendo múltiplasprojeções na superfície circunferencial externa é inserido em uma liga dealumínio através de fundição de inserção, e refere-se em particular a umaestrutura de fundição de inserção que possua uma boa condutividade térmi- ca e resistência de ligação.

Descrição da Técnica Relacionada

Forros de cilindro de ferro fundido são freqüentemente montadosem um bloco de cilindro de liga de alumínio para tornar os motores de auto-móveis compactos e leves. Os métodos a seguir são conhecidos na técnicaconvencional para produção desse tipo de bloco de cilindro com forro de ci-lindro. Um forro de cilindro é inicialmente ajustado previamente no moldepara fundir o bloco de cilindro. O material de fundição (liga de alumínio) éentão vertido no molde. A circunferência externa do forro de cilindro é cir-cundada pela liga de alumínio. Nesse caso, melhora a condutividade térmica da estrutura de fundição de inserção onde o forro de cilindro e o bloco decilindro são ligados em uma única peça é eficaz para melhorar a performan-ce do motor.

A tecnologia da técnica anterior para forros de cilindro para fun-dição de inserção esta descrita na Publicação de Patente Japonesa Não- Examinada N0 2005-194983, no Documento de Patente U.S. N0 7.383.805 ena Publicação de Patente Japonesa Não-Examinada N0 2004-209507. A tec-nologia descrita na Publicação de Patente Japonesa Não-Examinada N02005-194983 e no Documento de Patente U.S. N0 7.383.805 propõe melho-rar a aderência e a resistência de ligação entre o forro de cilindro e o blocode cilindro especificando valores fixos para a altura das projeções, o númerode projeções e a razão de área das projeções na superfície circunferencialexterna do forro de cilindro. A tecnologia descrita na Publicação de PatenteJaponesa Não-Examinada N0 2004-209507 propõe a melhoria da aderênciae da condutividade térmica entre o forro do cilindro e o bloco de cilindro, efazer uma estrutura de parede mais fina usando valores específicos para amédia aritmética da rugosidade e razão de comprimento desenvolvido dasuperfície circunferencial externa do forro de cilindro. Além disso, a pulveri-zação térmica de material de alta condutividade térmica tal como liga de a-lumínio na superfície de fundição do forro de cilindro é conhecida como téc-nica convencional para melhorar a condutividade térmica da estrutura defundição de inserção formada inserindo-se o forro de cilindro dentro da ligade alumínio através da fundição de inserção.

A vizinhança do ponto morto superior do furo do cilindro é sub-metida a condições térmicas severas em anos recentes devido a motorescom maior rendimento e baixo consumo de combustível. Além disso, a es-pessura da parede entre os furos de cilindro deve ser feita mais fina paraalcançar um motor compacto e de baixa fricção. As características de con-dução térmica da estrutura de fundição de inserção na qual o forro do cilin-dro é inserido dentro da liga de alumínio através de fundição de inserçãodeve ser melhorada como medida para reduzir os efeitos térmicos. Fazer aespessura da parede entre os furos dos cilindros terem dimensões mais fi-nas também requer que os forros dos cilindros sejam tornados mais finos.

A tecnologia descrita na Publicação de Patente Japonesa Não-Examinada N0 2005-194983 e no Documento de Patente U.S. N0 7.383.805alcança alta resistência de ligação, mas a condutividade térmica é inade-quada. Além disso, manter a textura da superfície deslizante e fazer o forrode cilindro ter dimensões mais finas torna-se difícil quando a altura de proje-ção é alta. A tecnologia descrita na Publicação de Patente Japonesa Não-Examinada N0 2004-209507 não possui resistência de ligação suficiente en-tre a superfície circunferencial externa do forro do cilindro e a liga de alumí-nio. O método de pulverização térmica de material de alta condutividadetérmica tal como liga de alumínio na superfície circunferencial externa doforro de cilindro é elevado em termos de custo.

Resumo da InvençãoA presente invenção tem o objetivo de fornecer uma estrutura defundição de inserção que possa ser feita para dimensões mais finas e quepossuam alta condutividade térmica e resistência de ligação.

De acordo com um aspecto da presente invenção, a estrutura de fundição de inserção inclui um forro de cilindro feito de ferro fundido e inseri-do dentro de liga de alumínio através de fundição de inserção e tendo umapluralidade de projeções em uma superfície circunferencial externa do forrode cilindro, onde quando a espessura de uma porção do ferro fundido para abase da projeção é ajustado como L1, e a espessura de uma peça integrada feita de uma porção de ferro fundido e uma porção de liga de alumínio é a-justada como L2, a condutividade térmica é 35 a 80 W/mK quando medidasob a condição de L1/L2 = 0,45.

A área de superfície da superfície circunferencial externa do for-ro de cilindro contendo as projeções é preferivelmente 140 a 230 por cento da área de superfície da superfície circunferencial externa de um forro decilindro que não tenha nenhuma projeção. A condutividade térmica cairá e aresistência de ligação pode diminuir a uma razão de área de superfície abai-xo de 140 por cento. As características de fundição de inserção deteriorarãoe a condutividade térmica diminuirá a uma razão de área de superfície maior que 230 por cento.

A altura das projeções é preferivelmente 0,2 a 0,7 mm e o núme-ro de projeções é preferivelmente 70 a 150 por cm2. Uma resistência de liga-ção suficiente não pode ser obtida a uma altura de projeção abaixo de 0,2mm mesmo se houver muitas projeções. A uma altura de projeção exceden- do 0,7 mm, fazendo um forro de cilindro de parede fina torna-se difícil e acondutividade térmica cairá. Quando o número de projeções é menor que 70por cm2, então a sua condutividade térmica cairá, e a mais de 150 por cm2, acondutividade térmica cairá.

A espessura de parede do forro de cilindro é preferivelmente 1,5 a 2,3 mm após o acabamento da superfície circunferencial interna do forrode cilindro. A uma espessura de parede abaixo de 1,5 mm, a textura do ferrofundido para boas características de deslizamento na superfície circunferen-ciai interna do forro de cilindro não pode ser obtida. Uma espessura de 2,3mm ou menos é requerida para alcançar um forro de cilindro de parede fina.

A presente invenção melhora a performance do motor por forne-cer alta condutividade térmica e resistência de ligação. Além disso, a distân-cia entre os furos de cilindro podem ser encurtadas e o bloco de cilindro tor-nado mais compacto porque paredes finas (espessura: 2,3 mm ou menos)podem ser formadas após o acabamento da superfície circunferencial inter-na do forro de cilindro. Se a distância entre os forros de cilindro for a mesmaque as dimensões convencionais, então a seção de liga de alumínio podeser tornada mais espessa para permitir a formação de uma cavidade de res-friamento.

Breve Descrição dos Desenhos

Configurações preferidas da presente invenção serão descritasem detalhes com base no seguinte, onde:

a figura 1 é um desenho mostrando uma configuração da estru-tura de fundição de inserção da presente invenção, e é uma vista plana mos-trando uma porção do bloco de cilindro onde é instalado o forro de cilindro;

a figura 2 é uma vista em perspectiva mostrando o forro de cilin-dro;

a figura 3A é uma vista mostrando uma forma de projeção;

a figura 3B é uma vista mostrando uma outra forma de projeção;a figura 3C é uma vista mostrando ainda outra forma de proje-ção;

a figura 4A é uma vista plana mostrando a estrutura de fundiçãode inserção para fabricação do corpo de prova;

a figura 4B é uma vista perspectiva mostrando o corpo de provaque foi cortado a partir da estrutura de fundição de inserção;

a figura 4C é um desenho mostrando uma porção do corpo deprova;

a figura 5 é um desenho mostrando o método para medir a con-dutividade térmica;

a figura 6 é uma desenho mostrando o método para medir a re-sistência de ligação;

a figura 7 é um desenho para explicar o método para cálculo darazão de superfície de área.Descrição Detalhada das Configurações Preferidas

A figura 1 mostra uma porção de um bloco de cilindro onde umforro de cilindro é instalado. A figura 2 mostra o forro de cilindro. Em vistados aspectos de peso leve e de custo, o material do bloco de cilindro 1 é, porexemplo, uma liga de alumínio especificada na "Japanese Industrial Stan-dard" (JIS) ADC10 (relativa à "United States Standard", ASTM A-380.0) ouuma liga de alumínio especificada na JIS ADC12 (relativa à "United StatesStandard", ASTM A383.0). Em vista das características de resistência aodesgaste, resistência aos arranhões e capacidade de trabalho, o material doforro de cilindro 2 é, por exemplo, um ferro fundido especificado na "Japane-se Industrial Standard" (JIS) FC230. Uma composição típica do ferro fundidoé como segue, em % em massa para todos os ingredientes:

T.C: 2,9 a 3,7 (% em massa)Si: 1,6 a 2,8 (% em massa)Mn: 0,5 a 1,0 (% em massa)P: 0,05 a 0,4 (% em massa)O restante sendo Fe

Cromo 0,05 a 0,04% em massa, boro 0,03 a 0,08% em massa,e/ou cobre 0,3 a 0,5% em massa podem ser adicionados se necessário.

O forro de cilindro 2 é instalado no bloco de cilindro 1. A superfí-cie circunferencial interna 3 do forro de cilindro 2 forma um furo de cilindro.Em outras palavras, o forro de cilindro 2 é previamente ajustado em um mol-de para fundição do bloco de cilindro, e enchendo-se o molde com liga dealumínio fundida, é produzida uma estrutura de fundição de inserção 10 naqual o forro de cilindro 2 feito de ferro fundido é inserido e ligado integral-mente ao bloco de cilindro 1 feito de liga de alumínio. A superfície circunfe-rencial interna 3 do forro de cilindro 2 tem sua superfície acabada até umaespessura de parede de 1,5 a 2,3 mm quando completa.

Projeções múltiplas 5 são formadas na superfície circunferencialexterna 4 do forro de cilindro 2. Não há restrições particulares na forma daprojeção 5. Por exemplo, conforme mostrado na figura 3A a figura 3C, a pro-jeção pode utilizar uma forma trapezoidal (figura 3A), uma forma quadrada(figura 3B) ou uma forma contraída (seção grossa na ponta, seção fina nomeio) (figura 3C).

A área de superfície da superfície circunferencial externa 4 doforro de cilindro 2 contendo as projeções 5 é de 140 a 230 por cento da áreade superfície da superfície circunferencial externa de um forro de cilindro quenão contenha projeções. Além disso, a altura das projeções 5 é 0,2 a 0,7 mm, e o número de projeções 5 é 70 a 150 por cm2.

A razão da área de projeção é preferivelmente 10 a 50 por cen-to. A razão de área de projeção é calculada como a razão da área de seçãotransversal total das projeções 5 a uma posição de altura de 0,2 mm a partirda base das projeções 5 nas projeções 5 que existe na unidade de área, para a unidade de área. Isto é, a razão de área de projeção corresponde àárea total da área da seção transversal da projeção na unidade de área noplano de uma posição de altura de 0,2 mm a partir da base da projeção 5. Aresistência de ligação cai a uma razão de área de projeção abaixo de 10 porcento. A uma razão de área de projeção que exceda 50 por cento, as proje-ções se unem e as propriedades de fundição se deterioram, ocorrem vaziose a aderência se deteriora, e a condutividade térmica declina.

O forro de cilindro 2 é produzido pelo método de fundição centrí-fuga. O método de fundição centrífuga produz eficientemente o forro de ci-lindro 2 tendo as múltiplas projeções uniformes 5 na superfície circunferenci-al externa 4. O método para produção do forro de cilindro 2 é descrito a se-guir.

Diatomito, com um tamanho médio de grão de 0,002 a 0,02 mm,bentonita (aglutinante), água e um surfactante são misturados em propor-ções especificadas para formar o material de revestimento do molde. O ma- terial de revestimento do molde é pulverizado na superfície interna do molde(molde metálico) rotativo enquanto aquecido a 200 a 400°C, para formar acamada de revestimento do molde na superfície interna do molde. A espes-sura da camada de revestimento do molde é 0,5 a 1,1 mm. As bolhas devapor d'água geradas dentro da camada de revestimento do molde pelo efei-to do surfactante, formam múltiplos recessos na camada de revestimento domolde. Após a camada de revestimento do molde secar, o ferro fundido éfornecido ao molde rotativo. O metal fundido penetra nos recessos da cama-da de revestimento do molde nesse momento para formar múltiplas proje-ções uniformes. Após esse metal fundido endurecer e formar um forro decilindro, o forro de cilindro é retirado do molde juntamente com a camada derevestimento do cilindro. Um processo de sopro remove a camada de reves-timento do molde para produzir o forro de cilindro contendo uma superfíciecircunferencial externa com as múltiplas projeções uniformes.

Os resultados (veja tabela 1) da avaliação da condutividade tér-mica e da resistência de ligação da estrutura de fundição de inserção 10 naqual o forro de cilindro 2 feito de ferro fundido e contendo as projeções múl-tiplas 5 na superfície circunferencial externa 4 é inserida e aglutinada inte-gralmente à liga de alumínio através de fundição de inserção são descritos aseguir.

A composição do ferro fundido que forma o forro de cilindro usa-do nos testes para ambas as configurações e para os exemplos comparati-vos foi como segue:

T.C: 2,9 a 3,7 (% em massa)Si: 1,6 a 2,8 (% em massa)Mn: 0,5 a 1,0 (% em massa)P: 0,05 a 0,4 (% em massa)Cr: 0,05 a 0,4 (% em massa)

O restante sendo Fe

Os forros de cilindro das configurações 1 a 9 e dos exemploscomparativos 1 a 4 foram fabricados pelo método de produção descrito aci-ma. O forro de cilindro do exemplo comparativo 5 foi produzido pelo métodode fundição centrífuga usando o método de produção a seguir.

Areia de sílica com um tamanho médio de grão de 0,05 - 0,5mm, flor de sílica com um tamanho médio de grão de 0,1 mm ou menos,bentonita (aglutinante), e água são misturados em proporções especificadaspara formar o material de revestimento do molde. O material de revestimentodo molde é pulverizado na superfície interna do molde (molde metálico) rota-tivo enquanto aquecido a 200 a 400°C, para formar a camada de revesti-mento do molde na superfície interna do molde. A espessura do revestimen-to do molde é de 1 mm. Após a camada de revestimento do molde secar, oferro fundido é fornecido ao molde rotativo. Após o metal fundido endurecerpara formar um forro de cilindro, o forro de cilindro é retirado do molde jun-tamente com a camada de revestimento do molde. Um processo de sopro remove a camada de revestimento do molde para produzir o forro de cilindrocontendo uma superfície circunferencial externa com uma rugosidade espe-cificada.

O forro de cilindro 2 feito de ferro fundido foi inserido integral-mente na liga de alumínio através de fundia de inserção para produzir a es-trutura de fundição de inserção 10 para os testes (veja a figura 4A).

A liga de alumínio utilizada nos testes foi uma liga de alumínioespecificada na JIS ADC12 tanto para as configurações quanto para os e-xemplos comparativos.

1. Condutividade Térmica

A condutividade térmica foi descoberta pelo método de laser fla-sh. Conforme mostrado nas figuras 4A a 4C, um corpo de prova 30 foi corta-do da estrutura de fundição de inserção 10 de forma que L1/L2 foi igual a0,45 quando a espessura da porção de ferro fundido 2A para a base da pro-jeção 5 foi ajustada como L1, e a espessura de uma peça integrada feita daporção de ferro fundido 2A e uma porção de liga de alumínio 1A foi ajustadacomo L2. A linha dupla tracejada conforme mostrada na figura 4A mostra alinha de corte. O corpo de prova 20 foi, em outras palavras, cortado a partirda estrutura de fundição de inserção 10 de forma que o diâmetro externo foi10 mm, a espessura da porção de ferro fundido 2A para a base de projeção 5 foi de 1,35mm, e a espessura da peça integrada feita da porção de ferrofundido 2A e da porção de liga de alumínio 1A foi de 3 mm. A condutividadetérmica foi calculada a partir da espessura do corpo de prova 20 pela medi-ção do tempo do início da irradiação do laser até o calor ser transferido paraa superfície traseira do corpo de prova 20. Na figura 5, o numerai de refe-rência 20 denota o corpo de prova, 21 denota o equipamento de laser, 22denota um par termelétrico, 23 denota um amplificador de corrente continua,e 24 denota um gravador. A condutividade térmica requerida é de 35 a 80w/mK.

2. Resistência de Ligação

Um corpo de prova 30 (20 mm χ 20 mm) (veja figura 6) foi fabri-cado a partir da estrutura de fundição de inserção 10. Gabaritos especializa-dos 31, 32 foram ligados com adesivo respectivamente à porção de ferrofundido 2A e à porção de liga de alumínio 1A. O corpo de prova 30 foi em-purrado na direção da seta do analisador de tensão, e a resistência quandoa porção de ferro fundido 2A e a porção de liga de alumínio 1A foram sepa-radas uma da outra foi ajustada como a resistência de ligação. A resistênciade ligação é, preferivelmente, 3 MPa ou mais.

3. Altura das Projeções

As alturas das projeções do forro de cilindro 2 foi medida comum calibre de profundidade. A atura de projeção requerida é de 0,2 a 0,7mm.

4. Número de Projeções

Diagramas de contorno das projeções a uma posição de alturade 0,2 mm a partir da base das projeções 5 foram descobertos usando-seum equipamento de medição de contorno a laser tridimensional de não-contato. O número de linhas de contorno fechadas dentro de uma faixa de10 mm χ 10 mm foi ajustada como o número de projeções formadas por uni-dade de área (1 cm2). O número de projeções requeridas é 70 a 150 porcm2.

5. Razão de Área de Superfície

Diagramas de contorno das projeções a uma posição de alturade 0,2 mm a partir da base das projeções 5 foram descobertos usando-seum equipamento de medição de contorno a laser tridimensional de não-contato. A razão de área de projeção B foi descoberta a partir da área desuperfície total das seções da linha de contorno fechada dentro de uma faixade 10 mm χ 10 mm. Quando o número de projeções foi ajustado como N, aaltura média das projeções foi ajustada como H mm, e também as projeçõesforam supostas serem uma coluna cilíndrica com uma área de seção trans-versai fixa, então a porcentagem A (por cento) da área de superfície da su-perfície circunferencial externa incluindo as projeções relativas à área desuperfície da superfície circunferencial externa do forro de cilindro sem pro-jeções foi descoberta pela fórmula a seguir. Conforme já descrito, a razão deárea de projeção B foi calculada como razão da área de seção transversaltotal das projeções 5 a uma posição de altura de 0,2 mm a partir da basedas projeções 5 nas projeções 5 que existem na unidade de área, para aunidade de área. A razão de área de superfície A requerida é de 140 a 230por cento.

A = 35,45 χ (Β χ N)1/2 χ H + 100 (1)

A fórmula (1) acima foi calculada como segue:

Na figura 7, quando ajustada de forma que o raio médio das pro-jeções seja R mm, a altura média das projeções seja H mm, o N0 de proje-ções seja N, e a razão de área de projeção seja B:

π χ R2X N = 100xB

R2 = 100 χ B / (π χ Ν)

R = 10x (Β/ (π χ Ν))1/2

Área da superfície lateral da projeção: 2 χ π χ H χ N

= 2χπχ10χ(Β/(πχ Ν))1/2 χ H χ N

= 20 χ π1/2 χ (Β χ Ν)1/2 χ H

= 35,45 χ (Β χ Ν)1/2 χ H

Área de 10 mm χ 10 m = 100 mm2

Razão de área de superfície A (%) = 35,45 χ (Β χ N)1/2x H + 100

Os resultados da avaliação estão mostrados na tabela 1. As con-figurações 1 a 9 possuem uma alta condutividade térmica e alta resistência de ligação. Entretanto, a condutividade térmica caiu nos exemplos compara-tivos 1, 2 e 4 com uma baixa razão de área de superfície e na configuração 3com uma alta razão de área de superfície. O exemplo comparativo 2 comuma baixa altura de projeção tem uma baixa resistência de ligação, e o e-xemplo comparativo 3 com uma alta altura de projeção tem uma queda nacondutividade térmica. A condutividade térmica caiu no exemplo comparativo1 com relativamente poucas projeções, e a condutividade térmica caiu noexemplo comparativo 4 com muitas projeções. O exemplo comparativo 5sem projeções e tendo uma superfície de fundição rugosa não teve resistên-cia de ligação suficiente.

Tabela 1

<table>table see original document page 12</column></row><table>

Claims (5)

1. Estrutura de fundição de inserção compreendendo um forrode cilindro feito de ferro fundido e inserido dentro de uma liga de alumínioatravés de fundição de inserção e tendo uma pluralidade de projeções emuma superfície circunferencial externa do forro de cilindro, em que quando aespessura da porção de ferro fundido até a base das projeções é ajustadacomo L1, e a espessura de uma peça integrada feita da porção de ferro fun-dido e de uma porção de liga de alumínio é ajustada como L2, a condutivi-dade térmica é 35 a 80 W/mK quando medida sob a condição de L1/L2 = 0,45.

2. Estrutura de fundição de inserção de acordo com a reivindica-ção 1, em que a área de superfície da superfície circunferencial externa doforro de cilindro tendo as projeções é 140 a 230 por cento da área de super-fície da superfície circunferencial externa de um forro de cilindro que não tenha projeções.

3. Estrutura de fundição de inserção de acordo com a reivindica-ção 1 ou 2, em que a altura das projeções é 0,2 a 0,7 mm e o número deprojeções é de 70 a 150 por cm2.

4.

Estrutura de fundição de inserção de acordo com a reivindica- ção 1, 2 ou 3, em que a espessura da parede do forro de cilindro é 1,5 a 2,3mm após o acabamento da superfície circunferencial interna do forro de ci-lindro.