PT1507020E - Camada aplicada por projecção por plasma para superfícies de deslizamento de cilindros de blocos de motor e processo para a sua produção - Google Patents
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Description
DESCRIÇÃO
"CAMADA APLICADA POR PROJECÇÃO POR PLASMA PARA SUPERFÍCIES DE DESLIZAMENTO DE CILINDROS DE BLOCOS DE MOTOR E PROCESSO PARA A SUA PRODUÇÃO" A invenção refere-se a um pó de acordo com a reivindicação 1, a uma camada ferrosa aplicada por projecção por plasma para superfícies de deslizamento de cilindros de blocos de motor de acordo com a reivindicação 4, bem como a um processo para a produção de tais camadas de acordo com a reivindicação 10 ou 11.
Como material clássico para as superfícies de deslizamento de cilindros de blocos de motor em alumínio ou magnésio é ainda utilizado ferro fundido com grafite lamelar ou vermicular, na forma de camisas prensadas ou fundidas.
Através de tais camisas influencia-se contudo, por um lado, negativamente a dimensão e o peso do bloco de motor. Por outro lado, origina-se uma união desfavorável entre a camisa de ferro fundido e o bloco do motor constituído por metal leve. Como alternativa empregam-se também camadas galvânicas. A sua aplicação é contudo dispendiosa em termos de custos e estas são além disso propensas para a corrosão face a ácido sulfúrico e fórmico.
Além disso, o revestimento de perfurações com auxílio do processo de projecção por plasma é conhecido desde há muito. Neste caso, podem-se aplicar diferentes materiais metálicos. 1
Após o revestimento por meio do processo de projecção por plasma, as camadas são trabalhadas por brunimento com diamante até à medida final e providas com a topografia desejada. A trabalhabilidade das camadas e as propriedades tribológicas são influenciadas de forma determinante pela microestrutura e pelas propriedades fisicas das camadas correspondentes.
Objectivo da presente invenção é o de melhorar a capacidade para levantar aparas e as propriedades tribológicas de camadas ferrosas aplicadas por projecção por plasma para superfícies de deslizamento de cilindros de blocos de motor.
Este objectivo é solucionado pelo pó de acordo com a invenção, pela camada de acordo com a invenção e pelo processo de acordo com a invenção. A invenção assenta sobre a verificação surpreendente de que numa reacção particularmente controlada do pó empregue com oxigénio, aquando da projecção por plasma, se pode produzir uma microestrutura a qual apresenta excelentes propriedades quanto à trabalhabilidade e à tribologia. Em particular, reduzem-se drasticamente os coeficientes de fricção e a tendência para o Scuffing (gripagem, isto é, o inicio do desgaste adesivo).
As camadas ferrosas aplicadas por projecção por plasma para superfícies de deslizamento de cilindros de blocos de motor são caracterizadas por o teor em oxigénio ligado perfazer 1 até 4% em peso. Para o revestimento consideram-se em particular: - as perfurações dos cilindros de blocos de motor em ligas de alumínio ou magnésio ou em ferro fundido; ou 2 - a parede interna do cilindro de camisas de ferro fundido empregues em blocos de motor em aluminio ou magnésio.
Convenientemente, o oxigénio ligado forma, com o ferro, cristais de FeO e Fe304. De um modo preferido, o teor em Fe203 perfaz menos de 0,2% em peso. A quantidade dos óxidos formados pode ser adicionalmente influenciada por mistura do ar com azoto ou oxigénio. Na substituição do ar por oxigénio puro, reduz-se a fracção ligada de oxigénio na camada num factor de aproximadamente dois. O processo de acordo com a invenção para a produção das camadas de acordo com a invenção é caracterizado por ser adicionada, durante a projecção por plasma, uma quantidade de ar de 200 até 1000 NLPM (litros normais por minuto, isto é, a 1 bar [= 105 Pa] e 20 °C) ou uma quantidade de gás com 40 até 200 NLPM de oxigénio. Convenientemente, a velocidade do fluxo de gás na perfuração do cilindro ou na camisa, durante o revestimento, perfaz 7 até 12 m/s.
Um pó de acordo com a invenção para o revestimento de um substrato, em particular para o revestimento de perfurações dos cilindros de blocos de motor em ligas de aluminio ou magnésio ou em ferro fundido, ou para o revestimento de camisas de ferro fundido, abrange a seguinte composição: C = 0,4 até 1,5% em peso
Cr = 0,2 até 2,5% em peso
Mn = 0,2 até 3% em peso
Fe = diferença para os 100% em peso 3
Um pó de acordo com a invenção para o revestimento de um substrato, em particular para o revestimento de perfurações dos cilindros de blocos de motor em ligas de alumínio ou magnésio ou em ferro fundido, ou para o revestimento de camisas de ferro fundido, também pode abranger a seguinte composição: C = 0,1 até 0,8% em peso
Cr = 11 até 18% em peso
Mn = 0,1 até 1,5% em peso
Mo = 0,1 até 5% em peso
Fe = diferença para os 100% em peso
Convenientemente emprega-se, para o revestimento, um pó atomizado a gás da seguinte composição guímica: c = 0,4 , até 1 ,5% em peso Cr = 0,2 até 2,5% em peso Mn = 0,2 até 3% em peso S = 0,01 até 0,2% em peso P = 0,01 até 0,1% em peso.
Fe = diferença para os 100% em peso
Alternativamente, pode ser empregue, para o revestimento, um pó atomizado a gás da seguinte composição química: C = 0,1 até 0,8% em peso Cr = 11 até 18% em peso Mn = 0,1 até 1,5% em peso Mo = 0,1 até 5% em peso S = 0,01 até 0,2% em peso P = 0,01 até 0,1% em peso.
Fe = diferença para os 100% em peso 4 0 volume de FeO e Fe3C>4 pode ser influenciado pela selecção da distribuição da dimensão das partículas. Convenientemente, a dimensão das partículas do pó encontra-se na gama de 5 até 25 pm, 10 até 45 pm ou de 15 até 60 pm. Esta pode ser determinada por meio de um microscópio óptico ou electrónico, em particular um microscópio electrónico de varrimento SEM ou segundo o método de difracção laser MICROTRAC.
Convenientemente, emprega-se um pó obtido por atomização a gás com árgon ou azoto.
Os melhores resultados obtêm-se quando se emprega um pó modificado pela adição de um óxido cerâmico tribológico. Convenientemente, o óxido cerâmico consiste em Ti02 ou em sistemas de ligas de AI2O3T1O2 e/ou Al203Zr02. A fracção de óxido cerâmico no pó empregue perfaz, de um modo preferido, 5 até 50% em peso. A selecção da dimensão óptima das partículas de pó é tomada tendo em consideração as propriedades tribológicas das camadas produzidas e do comportamento mecânico do substrato das camadas do sistema.
Em seguida explicam-se mais detalhadamente exemplos de realização da camada de acordo com a invenção com base em exemplos. Os desenhos em anexo mostram:
Fig. 1 um diagrama, do qual se depreende a diminuição do coeficiente de fricção em função da dimensão das partículas do pó e o comportamento mecânico (força de aderência) da camada sobre substratos de AISi em função da dimensão das partículasdo pó; e 5
Fig. 2 um diagrama, do qual se depreende a diminuição do coeficiente de fricção em função da quantidade de oxigénio ligado no pó e o comportamento mecânico (força de aderência) da camada sobre substratos de AISi em função da quantidade de oxigénio ligado no pó.
Exemplo 1
Aplicou-se um pó da composição que se segue com auxilio de um Plasmatron sob as seguintes condições especificas sobre a superfície de deslizamento de uma camisa de cilindro: Pó: C = 1,1% em peso
Cr = 1,5% em peso
Mn = 1,5% em peso
Fe = diferença para os 100% em peso. O pó também pode conter eventualmente quantidades reduzidas (0,01 - 0,2% em peso) de S e P. A dimensão das partículas do pó perfez entre 5 até 25 ym, e a produção ocorreu por atomização a gás. A velocidade da corrente gasosa durante o revestimento da camisa perfez 10 m/s, a quantidade de ar para o arrefecimento da camada e reacção do pó, 500 NLPM (correspondente a 100 NLPM de oxigénio) . Esta quantidade de ar foi fornecida por um corpo de Plasmatron, p. ex. um Plasmatron de acordo com o documento EP-B1-0645946. 6
Os resultados dos estudos realizados mostram que o teor em oxigénio na camada produzida se encontra em 3% em peso. De acordo com estudos por meio de análise de estrutura fina por raios X, o oxigénio encontra-se ligado sob as fórmulas estequiométricas FeO e Fe304. Através destes estudos, verificou-se também que a formação de Fe203 se encontra abaixo do limite detectável.
Os ensaios do motor realizados após o tratamento subsequente das camadas produzidas por brunimento com diamante, mostraram que os coeficientes de fricção entre o segmento do pistão e a parede do cilindro estão nitidamente reduzidos em comparação com camisas de ferro fundido clássicas com grafite lamelar.
Exemplo 2
Na utilização de um pó de composição química igual à do exemplo 1, contudo com uma dimensão das partículas de 10 até 4 5 ym, e de resto sob as mesmas condições secundárias como no exemplo 1, a fracção de oxigénio ligado nas camadas produzidas encontra-se em 2% em peso. Os restantes resultados de uma análise da camada assim aplicada foram iguais aos do Exemplo 1.
Os estudos realizados mostram, no teste do motor, resultados semelhantemente favoráveis, em que a redução dos coeficientes de fricção está associada com a fracção de oxigénio ligado. 7
Exemplo 3
Para motores que correm risco de corrosão pela combustão de combustíveis que contêm enxofre ou de metanol, a temperaturas abaixo do ponto de orvalho nas condições vigentes, efectuou-se o revestimento sob as condições de acordo com o exemplo 1 com o seguinte pó: Pó: C = 0,4% em peso
Cr = 13% em peso Mn = 1,5% em peso Mo = 2% em peso
Fe = diferença para os 100% em peso O pó também pode conter eventualmente quantidades reduzidas (0,01 - 0,2% em peso) de S e P. A dimensão das partículas do pó perfez entre 10 até 45 ym, e a produção ocorreu por atomização a gás.
Os ensaios que foram realizados com um motor de combustão provido de uma tal superfície de deslizamento do cilindro conduziram, no essencial, aos mesmos resultados como os mencionados nos exemplos 1 e 2.
Exemplo 4
Ao pó de acordo com o exemplo 2, adicionou-se uma quantidade de 30% em peso de um pó cerâmico em liga constituído por 60% em peso de A1203 e 40% em peso de Ti02. As camadas produzidas por meio desta mistura de pó estão reforçadas mecanicamente pela incorporação das partículas cerâmicas (dimensão das partículas 5 até 22 ym).
Exemplo 5
Analogamente ao exemplo 4, adicionaram-se 30% em peso de um pó cerâmico em liga, constituído por 80% em peso de AI2O3 e 20% em peso por Zr02. As camadas produzidas por meio desta mistura de pó estão reforçadas mecanicamente pela incorporação das partículas cerâmicas (dimensão das partículas 5 até 22 ym). Neste caso alcançou-se o mesmo efeito como no exemplo 4.
Fig. 1 mostra um diagrama, do qual se depreende a redução do coeficiente de fricção em função da dimensão das partículas do pó e o comportamento mecânico, nomeadamente a força de aderência da camada sobre substratos de AISi, em função da dimensão das partículas do pó. A partir do diagrama é, por um lado, claramente perceptível que o coeficiente de fricção se reduz com a dimensão crescente das partículas do pó de revestimento. Por outro lado, torna-se nítido, que a força de aderência da camada sobre substratos de AISi baixa quando a dimensão das partículas do pó de revestimento aumenta. Um bom compromisso quanto à dimensão das partículas a seleccionar pode encontrar-se na gama de 25-30 ym, de modo que se pode contar, na maioria dos casos, com uma força de aderência suficiente da camada na gama de 45-50 MPa, em que o coeficiente de fricção, em comparação com camadas de acordo com o estado da técnica, está reduzido em cerca de 22-25%. Quando porém se ambicione em primeiro lugar uma força de aderência da camada pronunciadamente elevada e a diminuição do coeficiente de fricção assume uma importância secundária, seleccionar-se-á um pó de revestimento com uma dimensão das partículas inferior a 25 ym. Por outro 9 lado, quando se ambicione em primeiro lugar um coeficiente de fricção pronunciadamente reduzido e se pode suportar uma força de aderência um pouco mais reduzida, seleccionar-se-á um pó de revestimento com uma dimensão das partículas superior a 35 ym.
Fig. 2 mostra um diagrama, do qual se depreende a diminuição do coeficiente de fricção em função da quantidade do oxigénio ligado na camada e o comportamento mecânico, nomeadamente a força de aderência da camada sobre substratos de AISi, em função da quantidade do oxigénio ligado na camada. A partir do diagrama é, por um lado, claramente perceptível que o coeficiente de fricção diminui com a quantidade crescente do oxigénio ligado na camada. Por outro lado, torna-se nítido que a força de aderência da camada sobre substratos de AISi baixa quando a quantidade de oxigénio ligado na camada aumenta. Um bom compromisso quanto à quantidade em oxigénio ligado na camada a ambicionar pode encontrar-se na gama de 2-2,5% em peso, de modo que se pode contar, na maioria dos casos, com uma força de aderência suficiente da camada na gama de 40-50 MPa, em que o coeficiente de fricção, em comparação com camadas de acordo com o estado da técnica, está reduzido em cerca de 20-25%. Quando porém, como já explicado no contexto da Fig. 1, se ambicione em primeiro lugar uma força de aderência da camada pronunciadamente elevada e a diminuição do coeficiente de fricção assume um significado secundário, ambicionar-se-á um revestimento com uma fracção de oxigénio ligado inferior a 2% em peso. Por outro lado, quando se pretende em primeiro lugar um coeficiente de fricção pronunciadamente reduzido e se pode suportar uma força de aderência um pouco mais reduzida, seleccionar-se-á uma camada com uma fracção de oxigénio ligado superior a 2,5% em peso.
Lisboa, 28 de Junho de 2007 10
Claims (4)
- REIVINDICAÇÕES 1. Pó para o revestimento de um substrato, em particular para o revestimento de perfurações dos cilindros de blocos de motor em ligas de alumínio ou magnésio ou em ferro fundido, ou para o revestimento de camisas de ferro fundido, pó esse que apresenta a seguinte composição: C = 0,4 até 1,5% em peso Cr = 0,2 até 2,5% em peso Mn = 0,2 até 3% em peso eventualmente quantidades reduzidas de S e P Fe = diferença para os 100% em peso.
- 2. Pó para o revestimento de um substrato, em particular para o revestimento de perfurações dos cilindros de blocos de motor em ligas de alumínio ou magnésio ou em ferro fundido, ou para o revestimento de camisas de ferro fundido, pó esse que apresenta a seguinte composição: C = 0,1 até 0,8% em peso Cr = 11 até 18% em peso Mn = 0,1 até 1,5% em peso eventualmente quantidades reduzidas de S e P 1 Mo = 0,1 até 5% em peso Fe = diferença para os 100% em peso.
- 3. Pó de acordo com a reivindicação 1 ou 2, em que o teor em enxofre e fósforo perfaz S = 0,01 até 0,2% em peso P = 0,01 até 0,1% em peso.
- 4. Utilização de um pó de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes para o revestimento de um substrato, em particular para o revestimento de perfurações dos cilindros de blocos de motor em ligas de alumínio ou magnésio ou em ferro fundido, ou para o revestimento de camisas de ferro fundido. Lisboa, 28 de Junho de 2007 2
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