USO DE UNA ALEACIÓN DE COBRE Y ZINC DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La invención se relaciona con el uso de una aleación de cobre y zinc según la reivindicación 1. Para una guía de vastago de válvula en un motor de combustión interna se usan aleaciones de cobre y zinc o aleaciones de acero sinterizado. Las características de las aleaciones de Cu-Zn, sin embargo, ya no cumplen con las exigencias a estas guías de vastago de válvula que deben ser ensambladas en los nuevos motores FSI. En estos motores, la temperatura de operación de las guías de vastago de válvula puede alcanzar y rebasar 300° C. Pero las aleaciones de cobre y zinc usadas hasta ahora se vuelven blandas a estas temperaturas. Un efecto desventajoso comparable se observa también en las aleaciones de acero sinterizado. Las aleaciones de acero sinterizado también se ablandan a temperaturas superiores a 300° C, variando además fuertemente su dureza. Además, el costo de producción para las aleaciones de acero sinterizado es alto debido al método de producción de polvo metalúrgico . En consideración de estos hechos, la presente invención se basa por lo tanto en el objetivo de ofrecer una aleación de cobre-zinc para el uso como guía de vastago
de válvula en que la aleación de cobre y zinc satisface las exigencias a las materias para guías de vastago de válvula, en particular a temperaturas mayores, y que sea fácil de producir . El objetivo se cumple inventivamente mediante el uso de una aleación de cobre y zinc para una gu a de vastago de válvula en que la aleación contiene 59 a 73% de cobre, 2.7 a 8.3 % de manganeso, 1.5 a 6% de aluminio, 0.2 a 4% de silicio, 0.2 a 3% de hierro, 0 a 2 % de plomo, 0 a 2% de níquel, 0 a 0.2% de estaño, el resto zinc así como impurezas inevitables. Las indicaciones en % se relacionan en esto y lo que sigue a % por peso. De esta manera se indica, por lo tanto, un nuevo uso para una aleación de cobre y zinc. Una aleación similar según el documento DE 29 19 478 C2 es usaao como aleación de anillo sincronizador y posee un alto índice, respectivamente coeficiente, de fricción. Hasta la fecha se ha considerado que un alto índice de fricción es un impedimento para el uso de una materia como guía de vastago de válvula, ya que para ello la exposición a fricción debe ser tan baja como posible. Además de una buena consistencia a temperaturas, se ha detectado que la aleación de cobre y zinc tiene una resistencia al calor sorprendentemente grande que -en
combinación con su buena resistencia al desgaste- es lo que permite su uso como guía de vastago de válvula. Esta combinación sorprendente de características materiales ofrece la opción de usar la aleación conocida de una manera nueva como guía de vastago de válvula. El uso como guía de vastago de válvula requiere la combinación de alta resistencia a temperaturas por encima de 300° C y buena resistencia al desgaste, que son necesarias a raíz de las grandes fuerzas transversales que actúan sobre los empujadores de válvulas. A raíz de estas características excelentes, el alto coeficiente de fricción pierde su importancia. De esta manera, la invención supera el prejuicio presente hasta la fecha entre los expertos a nivel mundial. La exigencia de la posibilidad de una buena y fácil producción es cumple porque la guía de vastago de válvula puede producirse en forma de barra mediante colación continua completa o semicontinua, extrusión y prensado por impacto y estirar, es decir, mediante deformación en caliente o frío. La aleación posee una estructura que contiene una proporción de cristal mezclado a y una proporción de cristal mezclado ß. En un perfeccionamiento ventajoso, la aleación de cobre y zinc para el uso como guía de vastago de válvula
comprende 70 a 73% de cobre, 6 a 8 % de manganeso, 4 a 6% de aluminio, 1 a 4% de silicio, 1 a 3% de hierro, 0.5 a 1.5 % de plomo, 0 a 0.2% de níquel, 0 a 0.2% de estaño, el resto zinc así como impurezas inevitables. La estructura de la aleación perfeccionada y producida según el documento DE 29 19 478 C2 consiste de una matriz de cristales mezcladas de alfa y beta con hasta 60 a 85% de fase a, donde la fase ß centrada en espacio cúbico representa la matriz básica en que la fase a centrada en área cúbica está distribuida principalmente en forma de dispersión fina. La estructura puede contener también compuestos mtermetálicos duros, por ejemplo, siliciuros de hierro-manganeso. La fase alfa determina la consistencia de la aleación. Las guías de vastago de válvula de esta aleación poseen una resistencia al desgaste sorprendentemente grande que es aún claramente superior a aquella del acero sinterizado. En particular el desgaste de fricción en seco en guías de vastago de válvula de la aleación referida permite el uso en motores que requieren de combustibles "más puros", es decir, que son libres de plomo y azufre, ya que debido a la ausencia de estos aditivos no se cuenta con un efecto adicional que reduce el desgaste. Esto es una ventaja particular a temperaturas alrededor de 300° C, la temperatura de operación de las guías de vastago de válvula
en los motores FSI. Otra ventaja del uso de esta aleación como guía de vastago de válvula consiste en que se logra un nivel de dureza estable en el área de operación encima de 300° C, ya que el ablandamiento de la aleación se presenta sólo por encima de 430° C, mientras que el ablandamiento de las aleaciones de cobre y zinc usadas hasta ahora empieza ya desde 150° C. La pérdida de dureza que lo acompaña se presenta también a partir de 150° C, al igual como la pérdida de dureza en aleaciones de acero smterizado a partir de 300° C. En una alternativa preferida, se reivindica el uso de una aleación de cobre y zinc en que la aleación contiene 69.5 a 71.5 % de cobre, 6.5 a 8 % de manganeso, 4-5 a 6 % de aluminio, 1 a 2.5 % de silicio, 1 a 2.5 % de hierro, 0.5 a 1 % de plomo, 0 a 0.2 % de níquel, 0 a 0.2 % de estaño, resto z nc así como impurezas inevitables. La estructura de la aleación, producida de la manera usual, posee una matriz de cristal mezclada con hasta 80 % de fase alfa distribuida en dispersión fina. Además pueden estar contenidos compuestos íntermetá] icos duros, por ejemplo siliciuros de Fe-Mn. El uso de la aleación referida como guia de vastago de válvula es particularmente ventajoso porque posee una resistencia a la tracción en caliente tiene el
valor doble de las aleaciones de cobre-zinc convencionales que se han empleado hasta ahora para guías de vastago de válvula. Otras características ventajosas son su alta temperatura de ablandamiento, una alta resistencia mecánica y una gran resistencia al desgaste. Ventajosamente se usa para la guía de vastago de válvula una aleación de cobre y zinc en que la aleación comprende 60 a 61.5 % de cobre, 3 a 4 % de manganeso, 2 a 3 % de aluminio, 0.3 a 1 % de silicio, 0.2 a 1 % de hierro, 0 a 0.5 % de plomo, 0.3 a 1 % de níquel, 0 a 0.2 % de estaño, resto zinc, asi como impurezas inevitables. La estructura de la aleación referida y proaucida de manera correspondiente posee una masa básica de cristales mezclados ß en que se encuentran depósitos a en forma de agujas o bandas. La estructura puede contener también siliciuros de manganeso y hierro dispersos de manera irregular. Guías de vastago de válvula de esta aleación poseen una gran resistencia al desgaste que es aún claramente superior a aquella de acero sinterizado. En particular el desgaste de fricción en seco en guias de vastago de válvula de la aleación referida permite el uso en motores que requieren combustibles "más puros", es decir, que son libres de plomo y azufre, ya que debido a la ausencia de estos aditivos no se cuenta con un efecto
adicional que reduce el desgaste. Esto es una ventaja particular a temperaturas alrededor de 300° C, la temperatura de operación de las guías de vastago de válvula en los motores FSI. Características adicionales ventajosas para el uso como guías de vastago de válvula de la aleación referida son una temperatura alta de ablandamiento y una gran resistencia al estiramiento en caliente. En otro perfeccionamiento ventajoso, se usa para las guías de vastago de válvula una aleación de cobre-estaño en que la aleación comprende adicionalmente al menos uno de los elementos cromo, vanadio, titanio o circón con hasta 0.1%. La adición ae estos elementos tiene produce un grano mas fino. La aleación de cobre y estaño para uso en una guía de vastago de válvula puede comprender además al menos uno de los siguientes elementos en una concentración de < 0.0005 % de boro, < 0.03 % de antimonio, < 0.03 de fósforo, < 0.03 % de cadmio, < 0.05 % de cromo, < 0.05 % de titanio, < 0.05 % de zircón, < 0.05 % de cobalto. Varios ejemplos de realización se explican con más detalle mediante la siguiente descripción y mediante la tabla 1. Actualmente se usa material para guías de vastago
de válvula poco expuestas a las temperaturas altas de acero smterizado y aleaciones de cobre-zinc teniendo aproximadamente la siguiente composición: 56 a 60 % de cobre, 0.3 a 1 % de plomo, 0.2 a 1.2 % de hierro, 0 a 0.2 % de estaño, 0.7 a 2 % de aluminio, 1 a 2.5 % de manganeso, 0.4 a 1 % de silicio, así como el resto zinc junto con impurezas inevitables. A continuación, semejante aleación es designada como aleación estándar. La aleación 1 corresponde a la aleación según la reivindicación 4. La aleación 2 corresponde a la aleación descrita en la reivindicación 6. El comportamiento de ablandamiento de las diferentes materias ha sido investigado hasta una temperatura de 500° C. Se ha dado como resultado que la aleación estándar para guias de vastago de válvula muestra una reducción clara y continua, ya desde una temperatura de 100° C, de 195 HV50 a sólo 150 HV50. En el caso de acero smterizado se produce una reducción de dureza drástica de 195 a pocos 130 HV50 en el área de temperatura relevante de 300° C, fluctuando en esto la dureza conforme incremente la temperatura de manera irregular hacia arriba y abajo. En contraste con esto, la aleación 2 muestra una dureza mayor en aproximadamente 10 % (224 HV50) que se reduce solo a partir de 350° C a aproximadamente 170 HV50. Sólo a partir de 450° C se alcanzan los valores de dureza del acero
smterizado a temperatura ambiente. En comparación con la aleación estándar, los valores de dureza de la aleación 2 se ubican siempre claramente por encima de aquellos de la aleación estándar. La aleación 1, en contraste, muestra un incremento de dureza claro de 224 a 280 HV50 conforme incremente la temperatura hasta 350° C. En comparación con el acero smterizado, la aleación 1 tiene una dureza mayor en 140 HV50 que el acero sinterizado. La aleación 1 tiene, por lo tanto, su dureza máxima en aquellas temperaturas que corresponden a la temperatura de operación de las guías de vastago de válvula en los motores FSI . La dureza mayor de las aleaciones 1 y 2, en comparación con las materias usadas convencionalmente, se explica, por un lado con la mayor dureza inicial y por el otro con los efectos de endurecimiento. La capacidad de conducción eléctrica puede usarse como medida para la capacidad de conducción térmica, siendo que un valor alto representa una buena capacidad de conducción térmica. La capacidad de conducción eléctrica de la aleación estándar asciende a 11 m/Omm2. La aleación 2 tiene una buena conductividad eléctrica de 7.5 11 m/Omm2, lo que es aproximadamente menor en una cuarta parte que la aleación estándar. La conductividad eléctrica de la aleación 1 ascienae a 4.6 11 m/Omm2. En comparación con el acero sinterizaao (3.1 11 m/Omm'") esto significa una
conductividad eléctrica, respectivamente liberación de calor, mayor en aproximadamente 48%. En comparación con el acero smterizado, la liberación térmica de las aleaciones 1 y 2 es claramente mejorada. El comportamiento de desgaste se ha analizado con y sin lubricante. Con lubricante, el acero smterizado tiene la mayor resistencia al desgaste (2500 km/g). La aleación 1 también posee una resistencia al desgaste excelente de 1470 km/g que es mejor en más que un factor 10 que la resistencia al desgaste de la aleación estándar con 126 km/g. En esta magnitud, se ubica también la resistencia al desgaste de la aleación 2 con lubricante (94 km/g) . Pero en el comportamiento de desgaste sin lubricante se ha detectado que las aleaciones 1 y 2 tienen ventajas claras en comparación con el acero sintepzado y la aleación estándar. El acero smterizado tiene un desgaste ae 312 km/g, lo que corresponde aproximadamente al comportamiento de desgaste de la aleación estándar con 357 km/g. El comportamiento de desgaste en seco de la aleación 2 con 417 km/g es claramente mejor que aquel de la aleación estándar y del acero sintepzado. En otras palabras, el desgaste es claramente menor. La aleación 1 posee con 625 km/g, en comparación con el acero smterizado, una resistencia al desgaste dos veces mayor. El bajo desgaste a la fricción en seco hace que las aleaciones 1 y 2 sean
particularmente interesantes, ya que debido a la pureza de los combustible cada vez mayor a causa de los motores, es decir, su libertad de plomo y azufre, se suprime el efecto reductor del desgaste del así llamado "blow by", la lubricación por el mismo combustible que en el futuro tendrá menor presencia de aditivos. La resistencia al estiramiento en caliente fue determinada con ensayos de estiramiento a 350° C. La capacidad de estiramiento en caliente de la aleación estándar es de 180 N/mm2. En comparación con esto, la aleación 1 posee un valor dos veces mayor (384 N/mm2) . En comparación con la aleación estándar, la aleación 2 posee una resistencia al estiramiento en caliente mayor en aproximaaamente 35%, esto es, 243 N/mm2. La aleación 1 y la aleación 2 pueden producirse preferentemente mediante colación continua completa o semicontmua, extrusión y prensado por impacto, estirar y enderezar . La alineación 2, y en particular la aleación 1, ofrecen claras ventajas en comparación con la aleación estándar usada hasta ahora como aleación para guías de vastago de válvula, así como en comparación con acero smtepzado. Estas ventajas se refieren a resistencia al estiramiento en caliente, la temperatura de ablandamiento, la resistencia mecánica y la resistencia al desgaste.
Además, también la conductividad es suficiente, por lo que las aleaciones 1 y 2 representan una mejora considerable con relación al uso como guía de vastago de válvula, ya que estas aleaciones corresponden a las exigencias sobre la materia prima a las temperaturas de operación mayores en los motores nuevos. La tabla 1 muestra en comparación las características de material de una aleación estándar Cu-Zn estándar, de una aleación de acero sinterizado, aleación 1 y aleación.