PT2417278E

PT2417278E - Elemento deslizante com propriedades ajustáveis

Info

Publication number: PT2417278E
Application number: PT97638530T
Authority: PT
Inventors: Marc-Manuel Matz; Marcus Kennedy; Michael Zinnabold
Original assignee: Federal Mogul Burscheid Gmbh
Priority date: 2009-04-07
Filing date: 2009-11-23
Publication date: 2014-04-30
Also published as: US20120306158A1; BRPI0924746A2; JP5629307B2; US8911875B2; BRPI0924746B8; BRPI0924746B1; CN102333903B; JP2012522896A; EP2417278A1; WO2010115448A1; KR101603637B1; KR20120014555A; EP2417278B1; CN102333903A; DE102009016650B3

Description

ΕΡ2417278Β1

DESCRIÇÃO

ELEMENTO DESLIZANTE COM PROPRIEDADES AJUSTÁVEIS A presente invenção é relativa a um elemento deslizante, em particular a um segmento de pistão, com propriedades ajustáveis, em particular em relação ao comportamento de desgaste, de acordo com a reivindicação 1.

Atualmente, as exigências do cliente relativamente ao comportamento de desgaste no segmento do pistão e no curso do cilindro são várias. Por um lado, pretende-se que o desgaste seja o menor possível, por outro, os fabricantes de motores também necessitam de maiores taxas de desgaste, de modo a conseguir um comportamento de admissão do seu ponto de vista o melhor possível para o sistema "segmento do cilindro/camisa de cilindro lubrificado/a". Este objetivo surge cada vez mais no setor dos motores a 2 tempos (diâmetro do segmento > 430mm).

Os revestimentos à base de ferro, aplicados por meio de injeção térmica, ainda não são aplicados no segmento do pistão. No setor do mecanismo de manivela, conhece-se até à data apenas revestimentos à base de ferro no curso do cilindro, produzidos por meio de projeção com fio de arco voltaico (wire arc spraying) (EP 1 022 351 B2). A produção de camadas antidesgaste por meio do processo de injeção térmica é um processo conhecido. Os materiais em pó empregues atualmente para esse fim têm por base Mo, WC, NiCr e Cr3C2. Os DE 10163976, WO 2008/083793 e DE 10 007 025949 revelam revestimentos antidesgaste para segmentos de pistão.

Por conseguinte, a invenção tem os seguintes objetivos. Por um lado, uma melhoria das propriedades 1 ΕΡ2417278Β1 tribológicas dos segmentos de pistão injetados de forma térmica com um sistema de material não empregue até à data como material de revestimento, em comparação com revestimentos de segmentos de pistão convencionais à base de Mo. Além disso, a produção de segmentos de pistão revestidos de acordo com os requisitos do cliente, talhados à medida em termos de comportamento de desgaste e de tensões internas, sendo o revestimento realizado por meio de injeção térmica. Além disso, deverá atingir-se uma otimização do comportamento de admissão. A matriz do material de base deverá apresentar preferencialmente propriedades físicas semelhantes (coeficiente de dilatação térmica e condutibilidade térmica) como o substrato de base, bem como suficientes propriedades mecânicas (dureza, ductilidade).

De acordo com um primeiro aspeto da invenção, disponibiliza-se um elemento deslizante, em particular um segmento de pistão para uma máquina de combustão interna, compreendendo - um substrato; e - uma camada antidesgaste, que pode ser obtida através da injeção térmica de um pó, compreendendo os teores dos elementos 2-50 porcento em peso de ferro, Fe; 5-60 porcento em peso de volfrâmio, W; 5-40 porcento em peso de crómio, Cr; 5-25 porcento em peso de níquel, Ni; 1-5 porcento em peso de molibdénio, Mo; 1-10 carbono, C; e 0,1-2 porcento em peso de silício, Si; e - uma camada de admissão, que pode ser obtida pela injeção térmica de um pó, compreendendo os teores de 2 ΕΡ2417278Β1 elementos 60-95 porcento em peso de níquel; 5-40 porcento em peso de carbono.

De modo a atingir o objetivo anteriormente descrito, deverá produzir-se um sistema estratificado, composto por um sistema de base com propriedades físicas semelhantes ao substrato a ser revestido, bem como uma resistência suficiente, em ligação com um teor resistente ao desgaste, em que, consoante o teor, se leva a diferentes taxas de desgaste no segmento e na camisa no estado lubrificado. Do mesmo modo, o tipo e a força das tensões internas podem ser ajustados através da adição de quantidades definidas do teor resistente ao desgaste. Em princípio, não se pretende tensões internas de tração em camadas injetadas de forma térmica, visto que estas não reduzem ou até podem promover o crescimento de uma fissura originada. A solução é um sistema novo à base de Fe, que é reforçado por carbonetos, em ligação com uma camada de admissão adaptada aos requisitos do fabricante de motores.

Em termos das propriedades físicas (condutibilidade térmica, coeficiente de dilatação térmica), surge, devido a um teor mínimo do sistema de base contendo ferro de 25% em peso, um sistema quasi-homogéneo entre o substrato e o revestimento. Deste modo, a energia térmica originada durante a fricção de mistura, em particular na área do ponto morto superior ou do ponto morto inferior, é melhor removida e garante-se um processo de relaxamento térmico uniforme devido às oscilações de temperatura que se verificam no motor. A aplicação de ligas à base de Fe como material de revestimento na base do segmento do pistão juntamente com um sistema carboneto e uma camada de admissão (graduada ou não graduada), que se produz por meio 3 ΕΡ2417278Β1 de injeção térmica, resulta num novo tipo de segmento de pistão. 0 segmento de pistão a ser revestido pode ser neste caso um segmento de pistão de fundição mas também um segmento de pistão de aço.

De acordo com uma forma de execução, o novo sistema de material consiste nos seguintes elementos: ferro (Fe), volfrâmio (W, na forma de WC), crómio (Cr, na forma de Cr e Cr3C2>, níquel (Ni), molibdénio (Mo), silício (Si) e carbono (C, parcialmente ligado a Fe, W e Cr na forma de carboneto ou na forma pura, revestido eletroquimicamente por níquel).

De acordo com uma forma de execução, o teor de carbonetos é de 10-75 porcento em peso, composto por 0-60 porcento em peso de carboneto de volfrâmio, WC, e 0-50 porcento em peso de carboneto de crómio, Cr3C2. A liga à base de ferro sem carbonetos não é recomendável, visto que a resistência antidesgaste (medida como abaixo descrito) não satisfaz os requisitos atuais. Um aumento de todo o teor de carboneto superior a 75% em peso não é recomendável para a aplicação como revestimento de segmento de pistão, visto que, no caso de um teor demasiado grande de carboneto, a camada fica com um caráter cerâmico demasiado forte (Módulo E demasiado grande) e não resiste assim aos esforças de variação da temperatura no motor.

De acordo com uma forma de execução, o elemento deslizante compreende ainda uma camada de transição entre a camada antidesgaste e a camada de admissão, em que a composição química da camada de transição apresenta uma relação de graduação de 20:80 a 80:20, em relação à camada antidesgaste e à camada de admissão. 4 ΕΡ2417278Β1 A composição química é ajustável na relação de graduação de 20:80 a 80:20 para os diferentes tipos de camada antidesgaste : camada de admissão.

Exemplo 1: 1. Camada: camada antidesgaste 2. Camada: no lado da camada antidesgaste, a composição química da camada de transição é 80% como a composição da camada antidesgaste, 20% como a da camada de admissão, em relação ao lado da camada de admissão ocorre uma transição substancialmente linear até a uma composição que corresponde a 20% da composição da camada antidesgaste, a 80% da composição da camada de admissão 3. Camada: camada de admissão

Exemplo 2: 1. Camada: camada antidesgaste 2. Camada: composição quimica 20% como camada antidesgaste, 80% como camada de admissão, transição linear 80% como camada antidesgaste, 20% como camada de admissão 3. Camada: camada de admissão

De acordo com uma forma de execução, a espessura da camada antidesgaste é de 100-800 pm, de preferência de 200-600 pm e, com total preferência, de 300-500 pm.

De acordo com uma forma de execução, a espessura da camada de admissão é de 100-500 pm, de preferência de 200-400 pm, e com total preferência de 150-300 pm.

De acordo com uma forma de execução, a espessura da camada de transição, na qual se encontram graduadas a camada antidesgaste e a camada de admissão, é de 0-600 pm, 5 ΕΡ2417278Β1 e com total preferência de 0-250 ym.

De acordo com uma forma de execução, o substrato é um segmento com um diâmetro superior a 220 mm, de preferência superior a 430 mm e de 980 mm no máximo.

De acordo com uma forma de execução, as granulometrias das partículas do pó são de 1 - 100 ym.

De acordo com uma forma de execução, os carbonetos encontram-se incorporados numa matriz de níquel-crómio e apresentam partículas com uma granulometria de 0,5-5 ym.

Breve descrição da figura A Fig. 1 mostra a microestrutura de um camada antidesgaste/camada de admissão injetada de forma térmica de acordo com uma forma de execução da invenção;

Experiências realizadas: O pó foi injetado de forma térmica e testou-se, para as diversas variantes, a composição química (Tabela 1), o teor de carboneto (Tabela 2), a microestrutura (Fig. 1), a porosidade e a dureza (Tabela 3) . As experiências 1 e 2 distinguem-se por o tipo de camada 1 ter sido produzido na experiência 1 e o tipo de camada 2 ter sido produzido na experiência 2. Para as experiências 1.1 a 1.4 ou 2.1 a 2.4, ajustou-se diferentes concentrações de carboneto. A respetiva camada de topo não contém carbonetos, dado que esta camada é empregue para uma admissão controlada. 6 ΕΡ2417278Β1

Tabela 1: Composição química da camada antidesgaste/camada de admissao Tipo 1

Experiência Teor de carboneto Composição química Fe W Cr Ni Mo C Si Ni C # Camada antidesgaste Camada de admissão (% em peso) (% em peso) (% em peso) 1 . 1 0 47,5 0 28 17 4,6 1,8 1,1 70 30 1.2 20 35, 7 11,1 30,2 15,2 3, 8 3,1 0,8 70 30 1.3 40 23, 9 22,5 33,2 12,4 2,6 4,9 0,5 90 10 1.4 60 11,4 33, 8 34,8 11,7 2,3 5,7 0,3 90 10

Tabela 2: Teor de carboneto da camada antidesgaste/camada de admissão Tipo 1

Experiência Teor de carboneto Carbonetos individuais Camada antidesgaste Camada de admissão WC Cr3C2 Carbonetos no total Teoria Real Real Real # (% em peso) (% em peso) 1.1 0 0 0 0 1.2 20 9 13 0 1.3 40 17,5 25 0 1.4 60 26 37,5 0

As representações das microestruturas (Fig. 1) mostram carbonetos de distribuição homogénea para a camada antidesgaste, nenhumas partículas não fundidas e uma camada muito densa com uma porosidade muito baixa < 2%. Na camada de topo, é possível reconhecer de forma clara as precipitações de grafite. A espessura da camada antidesgaste é de 330 pm, a da camada de admissão é de 180 pm. 7 ΕΡ2417278Β1

Tabela 3: Dureza/porosidade da camada antidesgaste Tipo 1

Experiência Teor de carboneto Teórico HVl Porosidade # (% em peso) % 1.1 0 520 <1 1.2 20 564 <1 1.3 40 597 <1 1.4 60 710 <2

Como representado na Tabela 3, primeiras experiências mostraram que a camada antidesgaste do tipo 1 tem uma porosidade < 1-2 % no caso de uma dureza de cerca de 520HV1 para o material à base de Fe sem carboneto até 710HV1 para o material à base de Fe com um teor de carboneto de 60% em peso. A dureza da camada de admissão não pode ser determinada devido ao grande teor de grafite. A adição de carbonetos permite um ajuste especifico da dureza no segmento e na camisa do cilindro. Além disso, apesar dos grandes esforços durante o teste de desgaste, a microestrutura é no essencial conservada, o que em princípio aponta para um segmento de pistão resistente ao desgaste produzido com este revestimento de acordo com a invenção, para o sistema "segmento/camisa do cilindro lubrificado/a", depois de terminado o processo de admissão. 8 ΕΡ2417278Β1

DOCUMENTOS REFERIDOS NA DESCRIÇÃO

Esta lista de documentos referidos pelo autor do presente pedido de patente foi elaborada apenas para informação do leitor. Não é parte integrante do documento de patente europeia. Não obstante o cuidado na sua elaboração, o IEP não assume qualquer responsabilidade por eventuais erros ou omissões.

Documentos de patente referidos na descrição • EP 1022351 B2 [0003] • DE 10163976 [0003] • WO 2008083793 A [0003] • DE 102007025949 [0003]

Lisboa, 21 de Abril de 2014 9

Claims

ΕΡ2417278Β1 REIVINDICAÇÕES 1. Elemento deslizante, em particular segmento de pistão para uma máquina de combustão interna, caracterizado por compreender - um substrato; e - uma camada antidesgaste, que pode ser obtida pela injeção térmica de um pó, compreendendo os teores de elementos 2-50 porcento em peso de ferro, Fe; 5-60 porcento em peso de volfrâmio, W; 5-40 porcento em peso de crómio, Cr; 5-25 porcento em peso de níquel, Ni; 1-5 porcento em peso de molibdénio, Mo; 1-10 porcento em peso de carbono, C; e 0,1-2 porcento em peso de silício, Si; e - uma camada de admissão, que pode ser obtida pela injeção térmica de um pó, compreendendo os teores de elementos 60-95 porcento em peso de niquel; 5-40 porcento em peso de carbono.
2. Elemento deslizante de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender ainda uma camada de transição entre a camada antidesgaste e a camada de admissão, indo a composição química da camada de transição apresentar uma relação de graduação de 20:80 a 80:20, em relação à camada antidesgaste e à camada de admissão, em que a composição da camada de transição no lado da camada antidesgaste corresponde a 80% da composição da camada antidesgaste e a 20% da composição da camada de admissão, e em que no sentido da camada de admissão ocorre uma transição linear até a uma composição da camada de transição no lado da 1 ΕΡ2417278Β1 camada de admissão, que corresponde a 20% da composição da camada antidesgaste e a 80% da composição da camada de admissão.
3. Elemento deslizante de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado por o teor de carbonetos do pó para a camada antidesgaste ser de 10-75 porcento em peso, composto por 0-60 porcento em peso de carboneto de volfrâmio, WC, e 0-50 porcento em peso de carboneto de crómio, Cr3C2.
4. Elemento deslizante de acordo com uma das reivindicações anteriores, caracterizado por a espessura da camada antidesgaste ser de 100-800 pm.
5. Elemento deslizante de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por a espessura da camada antidesgaste ser de 200-600 pm.
6. Elemento deslizante de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por a espessura da camada antidesgaste ser de 300-500 pm.
7. Elemento deslizante de acordo com uma das reivindicações anteriores, caracterizado por a espessura da camada de admissão ser de 100-500 pm, de preferência de 200-400 pm e, com total preferência, de 150-300 pm.
8. Elemento deslizante de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por a espessura da camada de admissão ser de 200-400 pm.
9. Elemento deslizante de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por a espessura da camada de admissão ser de 150-300 pm. 2 ΕΡ2417278Β1
10. Elemento deslizante de acordo com uma das reivindicações 2 a 9, caracterizado por a espessura da camada de transição, na qual se encontram graduadas a camada antidesgaste e a camada de admissão, ser de 0-600 μιτι.
11. Elemento deslizante de acordo com a reivindicação 10, caracterizado por a espessura da camada de transição, na qual a camada antidesgaste e a camada de admissão se encontram graduadas, ser de 0-250 pm.
12. Elemento deslizante de acordo com uma das reivindicações anteriores, caracterizado por o substrato ser um segmento com um diâmetro superior a 220 mm.
13. Elemento deslizante de acordo com a reivindicação 12, caracterizado por o substrato ser um segmento com um diâmetro superior a 430 mm e de 980 mm no máximo.
14. Elemento deslizante de acordo com uma das reivindicações anteriores, caracterizado por as granulometrias das partículas do pó serem de 1-100 pm.
15. Elemento deslizante de acordo com uma das reivindicações anteriores, caracterizado por os carbonetos se encontrarem incorporados numa matriz de níquel-crómio e apresentarem partículas com granulometrias de 0,5-5 pm. Lisboa, 21 de Abril de 2014 3