BRPI0921224B1 - material de mancal, mancal e método para fabricar um mancal - Google Patents

Abstract

MATERIAL DE MANCAL. A presente invenção refere-se a um material de manca e um método para a fabricação de um mancal que tem um revestimento interno do material de mancal, sendo que material do mancal compreende em % em peso: 4-12 de estanho; 0,1-2 de níquel; 1-6 de bismuto; 0,01 - menos do 0,1 de alumina; sendo o restante cobre além de impurezas incidentais.

Description

[0001] A presente invenção refere-se a um material de mancal baseado em cobre, apropriado, entre outros, para mancais planos tais como buchas, por exemplo, para motores de combustão interna.

[0002] Em algumas aplicações de buchas em máquinas, e especialmente, motores de combustão interna, o ambiente pode ser muito agressivo em termos de altas temperaturas, altas cargas, e taxas de desgaste e corrosão. Uma dessas aplicações pode ser balancins, por exemplo, nos cabeçotes de cilindros de motores a diesel de alto rendimento. Dependendo das condições precisas de serviço de qualquer aplicação as buchas podem ser suscetíveis a uma forma específica de deterioração. Em balancins que suportam os balanços que atuam as válvulas no cabeçote do cilindro do motor uma forma deterioração que é prevalente é aquela de taxas desgaste relativamente muito altas. O problema de altas taxas de desgaste em motores a diesel é exacerbado pelas concentrações de particulados derivados óleo queimado que se desviam para dentro do óleo lubrificante. Para superar o problema de altas taxas de desgaste nos balancins alguns fabricantes de motores usaram buchas que têm revestimentos muito duros sobre a superfície deslizante, os quais ao reduzir a taxa de desgaste das buchas em si, podem ter efeitos indesejados de desgaste sobre a superfície que opera em conjunto do eixo oscilante em si. Além disso, tais buchas revestidas são muito onerosas, sendo que um motor de seis cilindros e 12 válvulas requer doze buchas.

[0003] O documento n° GB 2 384 007 A descreve um mancal deslizante que tem uma camada de material para mancal baseado em cobre produzido pela sinterização de um pó uma tira da camada de suporte resistente, tal como aço. Este material tem uma composição que pode compreender em % em peso: 1-11 de estanho; não mais do que 0,2 de fósforo; não mais do que 10 no total de níquel e prata; não mais do que 25 no tal de chumbo e bismuto; não mais do que 15% em volume de no total de partículas duras e partículas com alto ponto fusão; e/ou até 10% em volume de lubrificante sólido. Embora as partículas duras e o lubrificante sólido possam ser adições alternativas e não mandatórias, a perspectiva de ter um teor de partículas duras de até 15% em volume, caso utilizada, levaria a características muito indesejáveis no material de mancal assim produzido. Primeiramente, esse alto teor de partículas duras de metal possivelmente causaria, entre outros: altas taxas de desgaste nos tipos de contrafaces metálicas usadas comumente na construção de motores; produzem um material quebradiço sem ductilidade; e produzem também altas taxas de desgaste no ferramental de produção da fábrica, usado para processar e formar mancais a partir de tiras que têm essa composição.

[0004] O documento n° US 4.941.919 descreve um material deslizante baseado em cobre e um método para sua fabricação. Naquele documento teores de alumina de 0,1 a 7% em peso junto com grafite na faixa de 1 a 10% em peso são empregados na matriz da liga baseada em cobre. Entretanto, a alumina é combinada com o cobre por meios mecânicos de misturação tais como em um moinho de esferas, com o que as partículas de alumina e as partículas de cobre são inicialmente aglutinadas entre si antes de uma etapa de sinterização para impedir que as partículas de alumina fiquem separadas da matriz de cobre sob condições lubrificantes limítrofes. Além disso, o cobre e a alumina em pó combinados são misturados com grafite em pó antes de aspergir o pó de cobre/alumina/grafite sobre um substrato, tal como aço, por exemplo. As desvantagens deste material incluem os fatos de que a etapa de combinar o cobre e a alumina pode durar até 24 horas ou mais, e é, portanto, dispendiosa; o grafite enfraquece a estrutura; e há alumina demais presente na estrutura que fragiliza o material especialmente na presença de grafite, e causa taxas de desgaste muito altas para o ferramental usado para transformar o material em mancais.

[0005] É um objetivo da presente invenção fornecer um material econômico que tenha resistência ao desgaste superior para aplicações nas quais a resistência ao desgaste e ataque sejam requeridas sem pelo menos algumas das desvantagens dos materiais das técnicas anteriores.

[0006] De acordo com um aspecto da presente invenção, fornece- se um material para mancal que compreende em % em peso: 4-12 de estanho; 0,1-2 de níquel; 1-6 de bismuto; 0,01 - menos do 0,1 de alumina; sendo o restante cobre além de impurezas incidentais.

[0007] Uma faixa de composição preferida compreende em % em peso: 7-9 de estanho; 0,5-1,5 de níquel; 2-5 de bismuto; 0,03 - 0,07 de alumina; sendo o restante cobre além de impurezas incidentais.

[0008] Prefere-se que o material do mancal de acordo com a presente invenção seja isento de chumbo.

[0009] Neste relatório descritivo, o termo "isento de chumbo" significa que não há adição intencional de chumbo além de qualquer impureza que possa estar inadvertidamente presente no insumo básico fundido a partir do qual o material da liga baseado em cobre pode se originar.

[00010] Uma composição pode compreender em % em peso: em % em peso: 8 de estanho; 1 de níquel; 3,3 de bismuto; 0,05 de alumina; sendo o restante cobre além de impurezas incidentais.

[00011] De acordo com um segundo aspecto da presente invenção, fornece-se um método para fabricar um mancal, sendo que o método compreende as etapas de: produzir um pó que tem uma composição em % em peso: 4-12 de estanho; 0,1-2 de níquel; sendo o restante cobre além de impurezas incidentais; produzir uma mistura de pós que compreende o dito pó de cobre/estanho/níquel com pó de bismuto e pó de alumina, para resultar em uma composição global que fica na faixa em % em peso: em % em peso: 4-12 de estanho; 0,1-2 de níquel; 1-6 de bismuto; 0,01 - menos do 0,1 de alumina; sendo o restante cobre além de impurezas incidentais; espalhar a dita mistura de pós em cima de um material de suporte resistente; sinterizar a dita mistura de pós do material para mancal junto ao material de suporte resistente; consolidar o dito material de mancal sinterizado; sinterizar novamente o dito material de mancal consolidado; e formar um mancal a partir do dito material duas vezes sinterizado.

[00012] O material para mancal de acordo com a presente invenção pode ser produzido por um processo de sinterização conhecido. Uma liga básica baseada em cobre, que compreende os constituintes cobre, estanho e níquel, pode ser fabricada por um processo convencional de fusão e formação de liga, e a liga fundida assim produzida pode ser atomizada para produzir um pó com a composição requerida da liga. O pó pode ser peneirado e dividido em frações predeterminadas que compreendem faixas de tamanhos de partículas específicas do pó. Os pós com a composição real da liga do mancal podem ser então produzidos misturando o pó atomizado com pó de bismuto e pó de alumina. Este pó misturado pode ser espalhado em cima de uma tira de um material de suporte resistente e passado através de um forno de sinterização sob uma atmosfera protetora/redutora em uma primeira etapa de sinterização para aglutinar as partículas do pó entre si e junto à tira de suporte resistente. Este material neste estágio compreende um alto grau de porosidade e é necessário compactar a camada de liga para mancal baseada em cobre, para remover a maior parte da porosidade passando o primeiro material sinterizado através de um moinho de rolos, por exemplo. Depois da etapa de compactação, o material pode ser novamente passado através de um forno de sinterização para uma segunda etapa de sinterização, a fim de consolidar ainda mais a camada da liga para mancal baseada em cobre em si e também para melhorar a aglutinação da camada de liga para mancal à tira de suporte.

[00013] As faixas de composição dos constituintes da camada de liga para mancal são formuladas pelas razões que se seguem.

Estanho

[00014] O estanho forma liga com a matriz de cobre para formar um material de estanho/bronze que tem alta resistência mecânica, e resistência ao desgaste e corrosão. Abaixo do limite inferior de 4% em peso de estanho a resistência mecânica é inadequada para produzir a resistência mecânica e durabilidade requeridas, enquanto que acima de 12% em peso a matriz da camada de liga de mancal torna-se dura demais para sua aplicação pretendida para mancais, e há também uma tendência de o material se tornar quebradiço e com teor de estanho alto demais.

Níquel

[00015] O níquel além de ter um efeito benéfico sobre a resistência mecânica da matriz tem também um efeito de melhorar a resistência à corrosão da liga para mancal. Os óleos lubrificantes para motores a diesel modernos contêm enxofre e nas temperaturas relativamente altas atingidas em um motor durante a operação pode formar constituintes altamente corrosivos no óleo que é bombeado ao redor do motor e dentro do espaço entre a superfície deslizante do mancal e uma contraface do eixo mecânico, por exemplo. A faixa de níquel na presente liga é intencionada para proporcionar uma melhora na resistência à corrosão na extremidade inferior, e caso não seja alta demais, também na extremidade superior, para causar problemas com relação a uma dureza e/ou fragilidade alta demais, por exemplo. Bismuto

[00016] O teor de bismuto é uma fase mole que permanece substancialmente como bismuto elementar contido na matriz da liga baseada em cobre na qual estavam os interstícios entre as partículas do pó na primeira etapa de sinterização. O propósito do bismuto é conferir ao material uma resistência ao engripamento grandemente melhorada e também para melhorar a capacidade de conformação da matriz de bronze.

[00017] De preferência, o tamanho das partículas de bismuto quando adicionadas à mistura de pós inicial é um máximo de 60 pm. Alumina

[00018] A alumina demonstrou aumentar muito a resistência ao desgaste do material para mancal de acordo com a presente invenção. Teores de alumina de até 3% em peso foram testados e demonstraram conferir ao material do mancal uma resistência ao desgaste grandemente melhorada em comparação com a composição da liga metálica básica. Entretanto, tais níveis de alumina podem, em algumas circunstâncias, ser abrasivos para a contraface contra a qual a superfície deslizante do material do mancal está deslizando e produzem também altas taxas de desgaste no ferramental usado para transformar o material da tira em mancais, o que leva a um custo maior e precisão reduzida na formação do mancal.

[00019] Embora teores de alumina de 3% em peso tenham sido utilizados, descobriu-se surpreendentemente que teores de alumina na região de 0,05% em peso ou menos produzem reduções na taxa de desgaste comparáveis a teores de alumina na região de 3% em peso. Além disso, teores de alumina relativamente muito baixos na região de 0,05 até menos do que 0,1% em peso não requerem as etapas onerosas e incômodas de combinação dos materiais das técnicas anteriores, pois o teor de alumina relativamente baixo não torna as partículas suscetíveis a serem separadas da matriz baseada em cobre.

[00020] Descobriu-se que essas misturas de pós podem ser fabricadas por misturação usual em misturadores rotativos sem a necessidade de métodos mecânicos para formação de ligas, tais como moinhos de esferas e similares. A mistura de pós assim formada é perfeitamente suscetível a espalhamento sobre a tira de substrato por matrizes convencionais para espalhamento de pós, e em seguida, sinterização do pó solto e processamento adicional como descrito acima.

[00021] Convencionalmente, os especialistas atribuíram o uso de alumina como sendo responsável por uma melhora intrínseca na taxa de desgaste de materiais de mancais em si. Entretanto, sem desejar se atar a qualquer teoria específica, acredita-se que o mecanismo de redução da taxa de desgaste é um tanto mais sutil. Acredita-se que os baixos níveis de alumina exercem uma ação polidora suave sobre a contraface do munhão tornando a contraface em si mais lisa e consequentemente menos abrasiva para a superfície do mancal.

[00022] Assim sendo, o teor de alumina pode ficar na faixa entre 0,01 e menos do que 0,1% em peso, e de preferência, na faixa entre 0,03 e 0,07% em peso pelas razões discutidas acima.

[00023] A forma do pó de alumina pode ser, de preferência, alumina fundida com partículas de alta densidade, baixa porosidade, baixa permeabilidade e alta refratariedade. O tamanho de partícula pode ficar na faixa entre 8 e 19 pm (valor de 50%) (valor de 90% :3-32 pm), porém mais preferivelmente, a faixa do tamanho de partícula pode ser entre 11 e 14 pm (valor de 50%) (valor de 90% :5-25 pm), sendo que as denotações de 50% e 90% significam que 50% e 90% das partículas estão dentro da faixa especificada, respectivamente. De acordo com um terceiro aspecto da presente invenção, fornece-se um mancal que, quando tem um revestimento interno funcional do mancal fabricado a partir do material de mancal de acordo com o primeiro aspecto da presente invenção, fica aglutinado a um material de suporte resistente.

[00024] O material de suporte resistente pode ser qualquer um conhecido nessas técnicas e pode compreender aço ou bronze, por exemplo.

[00025] Embora intencionado principalmente para aplicações tais como buchas envoltas para balancins ou buchas com extremidade pequena de bielas, por exemplo, prevê-se que o material de mancal da presente invenção pode ser utilizado para aplicações em meios- mancais para mancais de virabrequins, por exemplo, as com um revestimento metálico macio sobre a superfície deslizante. Tais revestimentos metálicos macios baseados em estanho e ligas de estanho, por exemplo, são bem conhecidos nas técnicas de mancais e são comumente conhecidos como revestimentos de coberturas. Tais revestimentos preenchem as funções requeridas de capacidade de conformação e capacidade de incrustação de sujeira em um mancal.

[00026] Para que a presente invenção seja mais plenamente entendida, serão agora descritos exemplos a meramente a título ilustrativo fazendo referência aos desenhos apensados, nos quais:

[00027] A figura 1 ilustra um histograma de resultados de testes de desgaste lubrificado para vários materiais produzidos no aparelho de este da Figura 1; e

[00028] A figura 2 ilustra um histograma dos resultados do teste de resistência ao engripamento, conduzido em um aparelho conhecido do tipo Sapphire de teste que mede a fadiga e a resistência ao engripamento. Os materiais em teste, que compreendem mancais forrados de aço, foram fabricados tendo um revestimento interno de liga baseada em cobre de acordo com a presente invenção. Materiais de teste comparativos com revestimentos atualmente em uso para aplicações em balancins de motores de combustão interna também foram produzidos de acordo com processos de produção empregados normalmente e bem conhecidos. Os materiais de testes comparativos compreendiam: cobre e em % em peso: 10 de estanho - 10 de chumbo; e cobre - 8 de estanho - 1 de níquel.

[00029] O material em teste de acordo com a presente invenção foi produzido pelo processo que se segue. Um pó de cobre/estanho/níquel atomizado com partículas substancialmente esféricas e uma composição nominal em % em peso que compreende Cu-8 de Sn-1 de Ni além de impurezas incidentais foi misturado com 3% em peso de pó de bismuto e 0,05% em peso de pó de alumina em um misturador rotativo.

[00030] O pó misturado resultante foi espalhado em cima da superfície de uma tira de aço com espessura apropriada e inicialmente sinterizado em uma primeira etapa de sinterização por meio de sinterização indutiva sob uma atmosfera de 22% de hidrogênio em nitrogênio. O material bimetálico sinterizado foi laminado por tamanho até um grau tal que houvesse um grau de estiramento do aço equivalente a entre 4 e 12% (dependendo do tipo e espessura do aço). Isto foi feito para consolidar o material da liga de mancal baseda em cobre e para remover a porosidade remanescente da primeira operação de sinterização. O material foi então submetido a uma segunda etapa de sinterização em um forno de sinterização convencional aquecido a gás em uma temperatura de 850 oC sob uma atmosfera de 33% de hidrogênio em nitrogênio.

[00031] A estrutura da camada de material para mancal resultante apresentou a fase de bismuto como estando bem distribuída pela liga inteira com muito pouca porosidade em evidência. Por causa do teor muito baixo de alumina, a presença desta fase não era facilmente evidenciada em microsseções do material.

[00032] Foram realizados testes de desgaste que eram intencionados para serem um teste acelerado de resistência ao desgaste apropriado para aplicações em mancais de buchas tais como balancins e buchas com extremidades pequenas encontradas em motores de combustão interna. Os testes de desgaste foram conduzidos em uma máquina de teste de desgaste "Viper" conhecida operando um eixo mecânico rotativo carregado com um diâmetro relativamente menor contra um mancal em teste com diâmetro relativamente maior de modo a produzir contato em linha sob condições lubrificadas. O desgaste foi medido por perda de peso em mg/h e a duração do teste foi de 30 a 480 minutos, dependendo da taxa de desgaste, estando os resultados indicados na Figura 1.

[00033] Como pode ser observado no histograma da Figura 1, o peso do material do mancal desgastado dos mancais que têm o material de mancal de acordo com a presente invenção (codificado como RB119V na Figura 1) foi muito menor em 2-4 mg/h do que os materiais comparativos. CuSn10Pb10 e CuSn8Ni1, que demonstraram taxas de desgaste de 27 e 37 - 66 mg/h, respectivamente, sob as mesmas condições de teste. Embora a adição de bismuto possa contribuir para um grau limitado na melhora da resistência ao desgaste, acredita-se que é a pequena adição de alumina de 0,05% em peso que é a principal causa da melhor resistência ao desgaste.

[00034] Meios-mancais para realizar testes de resistência ao engripamento de arraste foram produzidos com um tamanho apropriado para uma máquina de tes "Sapphire" conhecida. Os testes comparativos também foram conduzidos no material de cobre - 8 de estanho - 1 de níquel mencionado acima.

[00035] Fazendo referência ao histograma da figura 2, lá está ilustrado que a resistência total a ataques do material de mancal de acordo com a presente invenção é muito melhorada em comparação com o material comparativo. O material para mancal de acordo com a presente invenção tem a adição de 3% em peso de bismuto e 0,05% em peso de alumina comparado com o material de mancal comparativo. Acredita-se que a melhora na resistência ao engripamento deve-se principalmente ao teor de bismuto que resultou em uma faixa de carga de ataque de 40 - 115 MPa em comparação com uma faixa de 10 - 62 MPa para o material convencional.

[00036] Assim sendo, o teor de alumina contribuiu para uma melhora na taxa de desgaste sobre os materiais convencionais e a adição de bismuto melhorou a resistência ao engripamento em comparação com o material convencional. O importante é que a adição de alumina embora proporcionando uma grande melhora na resistência ao desgaste não causou uma deterioração na resistência ao engripamento que seria esperada nos níveis relativamente altos de alumina que foram usados nas técnicas anteriores.

[00037] Neste relatório descritivo inteiro as palavras "compreender" e "conter" e as variações das palavras, por exemplo, "compreendendo" e "compreende", significam "incluindo, porém sem limitações", e não pretendem (e não o fazem) excluir outros grupamentos, aditivos, componentes, números inteiros ou etapas.

[00038] Neste relatório descritivo, a forma no singular engloba o plural, a menos que o contexto requeria de forma diferente. Particularmente, quando o artigo indefinido é utilizado, o relatório deve ser entendido como contemplando pluralidade ou singularidade, a menos que o contexto requeira de forma diferente.

[00039] Os atributos, números inteiros, características, compostos, grupamentos ou grupos químicos descritos em conjunto com um aspecto, modalidade ou exemplo específico da invenção devem ser entendidos como aplicáveis a qualquer outro aspecto, modalidade ou exemplo aqui descrito, a menos que incompatíveis com eles.

Claims (8)

1. Material de mancal, caracterizado pelo fato de que compreende em % em peso: 4-12 de estanho; 0,1-2 de níquel; 1-6 de bismuto; 0,01 - menos do 0,1 de alumina; sendo o restante cobre além de impurezas incidentais.

2. Material de mancal, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que tem uma faixa de composição que compreende em % em peso: 7-9 de estanho; 0,5-1,5 de níquel; 2-5 de bismuto; 0,03 - 0,07 de alumina; sendo o restante cobre além de impurezas incidentais.

3. Material de mancal, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a composição compreende em % em peso: 8 de estanho; 1 de níquel; 3,3 de bismuto; 0,05 de alumina; sendo o restante cobre além de impurezas incidentais.

4. Material de mancal, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que ele é isento de chumbo sem contar uma impureza incidental.

5. Material de mancal, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que o tamanho de partícula da alumina fica na faixa entre 8 e 19 pm.

6. Material de mancal, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que o tamanho de partícula da alumina fica na faixa entre 11 e 14 pm.

7. Mancal que compreende uma camada de material de suporte resistente, caracterizado pelo fato de que tem sobre ele uma camada de material de mancal como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 6.

8. Método para fabricar um mancal, como definido na reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o método compreende as etapas de, - produzir um pó que tem uma composição em % em peso nas faixas: 4-12 de estanho; 0,1-2 de níquel; sendo o restante cobre além de impurezas incidentais; - produzir uma mistura de pós que compreende o dito pó de cobre/estanho/níquel com pó de bismuto e pó de alumina, para resultar em uma composição global que fica na faixa em % em peso: 4-12 de estanho; 0,1-2 de níquel; 1-6 de bismuto; 0,01 - menos do 0,1 de alumina; sendo o restante cobre além de impurezas incidentais; - espalhar a dita mistura de pós em cima de um material de suporte resistente; - sinterizar a dita mistura de pós do material para mancal junto ao material de suporte resistente; - consolidar o dito material de mancal sinterizado; - sinterizar novamente o dito material de mancal conso-lidado; e - formar um mancal a partir do dito material duas vezes sinterizado.

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