PT821770E

PT821770E - Processo para o fabrico de elementos deslizantes com uma curvatura concava do lado da superficie de deslizamento

Info

Publication number: PT821770E
Application number: PT96913435T
Authority: PT
Inventors: Michael Steeg; Klaus Goedicke; Torsten Kopte; Christoph Metzner
Original assignee: Federal Mogul Wiesbaden Gmbh
Priority date: 1995-04-21
Filing date: 1996-04-19
Publication date: 2001-06-29
Also published as: WO1996033352A1; US5955202A; BR9608078A; EP0821770A1; ATE199440T1; CN1182471A; EP0821770B1; JPH11503808A; DE19514835C1; KR19990007820A; ES2155936T3; DE59606516D1; CN1072334C; KR100411625B1

Description

DESCRIÇÃO "PROCESSO PARA O FABRICO DE ELEMENTOS DESLIZANTES COM UMA CURVATURA CÔNCAVA DO LADO DA SUPERFÍCIE DE DESLIZAMENTO" A invenção refere-se a um processo para o fabrico de elementos deslizantes com uma curvatura côncava do lado da superfície de deslizamento, elementos nos quais se aplica sobre um corpo de suporte, nomeadamente no vácuo, um sistema estratificado com pelo menos uma camada de deslizamento constituída por uma liga metálica de dispersão. Tais elementos de deslizamento, também chamados chumaceiras radiais de deslizamento, ganharam por exemplo importância sob a forma de chumaceiras para esforços elevados ou de casquilhos de chumaceira em máquinas de combustão interna.

Nas chumaceiras radiais de deslizamento a solicitação mais elevada, isto é, o esforço que provoca a abrasão, aparece geralmente na zona de cristã dos casquilhos de chumaceira. Na proximidade das superfícies divisoras, que são as zonas mais afastadas da cristã, as solicitações conducentes ao desgaste e às car-gas dinâmicas são em contrapartida substancialmente menores. Através de uma maquinação mecânica prévia, com efeitos sobre a configuração geométrica, por exemplo um desvio em relação à forma de arco circular, procura-se, entre outras coisas, assegurar a consecução de uma película lubrificante tão boa quanto possível e a capacidade de incorporação de partículas estranhas.

Se durante a aplicação do sistema estratificado forem originadas diferenças de espessura entre a zona de cristã e as zonas das superfícies divisoras, a superfície de deslizamento diverge da forma circular ideal. É possível compensar este efeito por meio de uma maquinação mecânica prévia do corpo de suporte.

Esta medida dificulta e encarece no entanto substancialmente a maquinação prévia.

Casquilhos de chumaceira com um perfil de espessuras de parede uniforme podem ser também utilizados para motores de cilindros em V e para molores com bielas de partição obliqua. Nestes casos a zona em que incide a maior parte dos esforços situa-se fora da zona de cristã. É do conhecimento geral a aplicação, em elementos de deslizamento sujeitos a elevados esforços, de camadas de deslizamento obtidas por um processo de precipitação no vácuo. Assim ficou a ser conhecido um método para a aplicação de uma camada deslizan-te à base de Al-Sn-Cu por pulverização (deposição catódica) (patentes DE 28 53 724 C3, DE 29 40 376 Al, DE 37 29 414 Al).

Também ficou a ser conhecido um processo de aplicação, por pulverização, de camadas com partículas de matéria sintética incorporadas (patente DE 29 14 618 C2) .

Além disso ficou a ser conhecida uma instalação de pulverização especialmente adaptada à geometria de revestimento de casquilhos de chumaceira ou então um dispositivo para a fixação de corpos de suporte com vista ao fabrico, através de um processo de pulverização, de chumaceiras de deslizamento. Genericamente é possível fabricar, com os materiais atrás mencionados, que são aplicados por pulverização no vácuo, camadas de deslizamento que permitem elevados esforços mecânicos (patentes AT 392 291 B, EP 0 452 647 Al) . Devido ao seu mecanismo de actuação a pulverização é no entanto um processo caro, dado não ser possível incrementar a velocidade de precipitação para além de um determinado limite. Por esse motivo o processo em questão tem fortes limitações. Por outro lado a pulverização tem a vantagem de possibilitar um revestimento uniforme, mesmo em peças encurvadas, tais como chumaceiras de deslizamento.

Além do mais é conhecido o fabrico de chumaceiras de deslizamento a partir de produtos semiacabados em forma de banda, nos quais se aplica sobre a banda, através de uma vaporização no vácuo, uma camada deslizante (patentes DE 36 06 529 C2, DE 29 35 417). O objectivo destes processos já conhecidos foi o de permitir um fabrico económico de chumaceiras de deslizamento. A patente DE 36 06 529 C2 descreve um processo para o fabrico de material de revestimento, de acordo com o qual a camada de deslizamento é aplicada sobre o material em forma de banda por um processo de vaporização, com o auxilio de feixes de electrões. A camada de deslizamento que se aplica é constituída por uma liga metálica obtida por dispersão. A precipitação por vaporização efectua-se com velocidades de precipitação de cerca de 0,3 μιη/sec. As tentativas de realizar um processamento ulterior de uma banda assim revestida, para obter uma chumaceira de deslizamento, não conduziram no entanto a resultados práticos satisfatórios, uma vez que o elevado grau de deformação provocava danos ou roturas no seio do conjunto de camadas. A invenção tem o objectivo de disponibilizar um processo com o qual é possível configurar as camadas de um elemento deslizante ou de uma chumaceira de deslizamento para elevados esforços de maneira a que estas cumpram todas as exigências que lhe são postas quando submetidas a quaisquer esforços de funcionamento, devendo o processo proporcionar uma elevada produtividade e ser ecológico, isto é, deverá estar em condições de substituir pelo menos parcialmente o processo galvânico.

De acordo com a invenção, este objectivo atinge-se pela adopção de um processo no qual se aplica sobre um corpo de suporte um sistema estratificado, que comporta pelo menos uma camada de uma liga metálica obtida por dispersão, que pelo menos num sector angular de ±70 %, referido à zona de cristã do corpo de suporte, apresenta um desvio da espessura de camada inferior a 15 %, referido à espessura máxima da camada e em que

- após um tratamento prévio do corpo de suporte com uma curvatura côncava se aplica por deposição induzida por feixes de elec-trões pelo menos uma camada, de preferência uma camada de deslizamento, de tal maneira que desde o vaporizador até ao plano da zona de cristã do elemento deslizante se ajusta um afastamento de 150 a 350 mm, - se movem um em relação ao outro, numa só dimensão, com uma velocidade não uniforme, o vaporizador e o corpo de suporte, velocidade essa que durante a entrada na coluna de vapor e durante a saída dessa coluna é maior do que acima do centro da coluna de vapor em forma de maça, - o corpo de suporte é movido perpendicularmente à sua direcção axial, - partes da corrente de vapor são cortadas por pelo menos uma antepara, que se encontra numa posição fixa em relação ao vaporizador e que de preferência está fixada no centro da corrente de vapor, e - em que a velocidade de condensação para a deposição da camada na zona de cristã do corpo de suporte está ajustada para pelo menos 80 nm/sec.

Outras formas de configuração vantajosas do processo encontram-se expostas nas reivindicações 2 a 15.

Após um tratamento prévio em si já bem conhecido aplica-se sobre o corpo de suporte, por . precipitação induzida por feixes de electrões, a partir de um vaporizador, pelo menos uma camada deslizante. 0 processo caracteriza-se pelo facto de a precipitação das camadas se realizar sob condições de precipitação rigorosamente definidas do ponto de vista qeométrico e com uma velocidade de precipitação predefinida. Ficou demonstrado que estas caractérísticas do processo asseguram o crescimento de uma camada deslizante com a melhor estrutura de camada possível, conse-guindo-se uma matriz com componentes distribuídos numa dispersão extremamente fina. Contrariamente às camadas de deslizamento 4 1 ) L_. ^—ç» produzidas segundo os processos conhecidos, as camadas em questão apresentam uma elevada capacidade de carga e boas propriedades tribológicas. Para além da velocidade de precipitação também o ângulo de incidência durante a precipitação determinam de maneira decisiva a configuração da micro-estrutura da referida camada de deslizamento e desLe modo as suas piopriedades.

Pela implementação da invenção consegue-se que em determinadas peças moldadas, tais como casquilhos de chumaceira de deslizamento, se possa continuar a prever uma maquinação prévia simples e se aproveite um processo de precipitação de camadas económico e altamente produtivo, cuja utilização não proporcionava até agora nem a necessária uniformidade das camadas nem propriedades suficientemente boas dessas camadas. De maneira surpreendente pode constatar-se que os elementos de deslizamento fabricados de acordo com a invenção ultrapassam as propriedades e a rendibilidade de elementos fabricados de acordo com o actual estado da técnica. Estas novas camadas apresentam, quando comparadas com as camadas obtidas por deposição galvânica, uma resistência à fadiga consideravelmente maior. Assim ficou demonstrado por meio de ensaios que a vida útil, tomando como referência solicitações preestabelecidas, resulta consideravelmente melhorada, sempre que a camada deslizante for criada por vaporização induzida por feixes de electrões. Para este resultado são determinantes as seguintes causas.

Devido às condições energéticas durante o revestimento com vapor metálico a uma velocidade de precipitação elevada obtém-se uma distribuição extremamente fina dos componentes incorporados de maneira dispersa na matriz da liga obtida por precipitação. A estrutura da camada obtida nestas condições assegura uma capacidade de carga muito elevada, que cresce à medida que a espessura de camada aumenta. A elevada uniformidade da espessura de camada ao longo de uma zona periférica alargada (±70°) do casquilho de chumaceira, em combinação com a estrutura de camada e de textura 5

V

conseguida pela precipitação induzida por feixes de electrões asseguram uma elevada qualidade dos elementos deslizantes. Estas propriedades determinam de maneira decisiva a formação da película lubrificante e a capacidade de incorporação de partículas estranhas e da abrasão.

De preferência ajusta-se pelo menos do lado da antepara, que está virado para a corrente de vapor, uma temperatura situada acima do ponto de fusão do material a fundir. Impede-se assim que se verifique a condensação do vapor sobre a antepara.

Para o elemento deslizante deram nomeadamente provas da sua eficácia ligas metálicas obtidas por precipitação, que contêm pelo menos um metal do grupo Al, Pb, Cd, Sn, Zn, Ni ou Cu. De preferência a liga obtida por precipitação contém 15 a 35 % em peso de Sn e 0,1 a 3,0 % em peso de Cu e Al.

De preferência os componentes da liga obtida por precipitação são predominantemente apresentados na sua forma metálica e só numa proporção muito pequena sob a forma de compostos oxigenados, nitrifiçados ou carbónicos. O processo de acordo com a invenção tem além do mais a vantagem de a liga obtida por precipitação e destinada à camada de deslizamento poder ser precipitada a partir de um vaporizador, sendo no entanto também possível precipitar pelo menos dois componentes da liga obtida por precipitação a partir de cadinhos de vaporização separados, dispostos lado a lado e bem juntos um do outro.

Verificou-se ser especialmente vantajoso equipar os elementos de deslizamento, tais como as chumaceiras radiais de deslizamento, de uma camada de bloqueio de difusão, compreendida entre o corpo de suporte e a camada de deslizamento, sendo esta camada igualmente aplicada por precipitação induzida por feixes 6 -t de electrões. A espessura destas camadas varia em menos de 15 % dentro de um sector angular de ±70°, referido à cristã.

De preferência a camada de bloqueio de difusão é constituída por níquel, níquel/estanho, níquel/cobre, níquel/crómio, ti-tânio ou nitreto de titânio. Também a camada de bloqueio de di fusão pode ser aplicada por pulverização. O processo para a deposição por precipitação da camada des-lizante e/ou da camada de bloqueio de difusão pode ser realizado no vácuo, sem gás reactivo, ou então de maneira reactiva, com adição de um gás de reacção, e/ou por meio de reacção activada por plasma. 0 processo é decisivamente determinado pela escolha do material a depositar por precipitação. Os gases reactivos utilizados são de preferência o oxigénio, o azoto ou compostos de hidrocarbonetos ou ainda uma mistura destes gases. A invenção é de seguida explicada mais em pormenor mediante um exemplo de realização. As figuras mostram:

Fig. 1 uma representação em perspectiva de um casquilho de chumaceira,

Fig. 2 uma representação esquemática de um dispositivo de vaporização para o revestimento de casquilhos de chumaceira. A fig. 1 mostra o casquilho de chumaceira constituído por um corpo de suporte 1 feito de aço, no qual se encontram aplicadas uma camada intermédia 2 de bronze de chumbo, uma camada de bloqueio de difusão 3 de níquel crómio, bem como uma camada de deslizamento 4 de alumínio-estanho-cobre. Estas camadas formam um sistema estratificado. 0 perfil ou a relação de espessuras do sistema estratificado, no essencial no que se refere à camada de bloqueio de difusão 3 e à camada de deslizamento 4, é tal que na gama angular compreendida entre + e - 70 Λ, referido â zona de 7

cristã 5, se obtém um desvio da espessura de camada inferior a 15 %, referido à espessura máxima de camada, que ocorre na zona de cristã 5. 0 corpo de suporte 1 e a camada intermédia apresentam igualmente uma espessura continua. As superfícies divisoras formam o bordo do casquilho de chumaceira. A fig. 2 serve para explicar o processo de fabrico dos casquilhos de chumaceira. 0 processo é realizado da maneira a seguir descrita.

Sobre o corpo de suporte 1 são aplicadas de uma maneira já bem conhecida, por via galvânica, a camada intermédia 2 de bronze de chumbo e, por deposição catódica, a camada de bloqueio de difusão 3, feita de níquel, ou de níquel crómio. Seguidamente o corpo de suporte 1 revestido é desengordurado e limpo.

Os corpos de suporte 1 deste modo sujeitos a tratamento prévio são introduzidos numa instalação de vaporização no vácuo e limpos, depois de ter sido criado um vácuo com uma pressão de 0,01 Pa, por um processo de ataque químico por deposição catódica. O corpo de suporte 1 fica antes de mais ao abrigo da projec-ção de vapores, por acção de uma antepara comandável (não representada na figura).

Pelo menos um corpo de suporte 1 é movido no sentido da seta acima do banho de vaporização 8 e ao longo de um plano paralelo à superfície do banho de vaporização. Para este efeito o corpo de suporte encontra-se orientado de tal maneira que a sua direcção axial fica perpendicular à direcção do movimento. A velocidade do movimento linear é então controlada de tal maneira que durante a entrada para dentro ou a saída para fora da nuvem de vapor aquela velocidade é maior do que a que se verifica acima do centro da coluna de vapor em forma de maça que se está a desenvolver. O perfil de velocidades v(a) é contínuo e rege-se pela seguinte equação: 8 α é o ângulo compreendido entre a perpendicular 9 que se estende a partir do centro do vaporizador 8 até à zona de cristã 5. A gama mais vantajosa pará o ângulo α situa-se entre -45° e + 45°.

Vnav é a velocidade máxima de entrada para dentro da coluna de vapor em forma de maça ou de saida para fora da mesma. 0 seu tamanho situa-se na ordem de 1 m/min. v0 é um coeficiente de normalização. Situa-se na gama compreendida entre 0,5 e 0,7 m/min. 0 afastamento entre o cadinho de vaporização 8 e o plano 7 da zona de cristã 5 do corpo de suporte 1 é ajustado para 200 mm. Para se poder aplicar a camada de deslizamento, o cadinho de vaporização 8 encontra-se cheio de material da liga AlSn20Cu0.25. Este cadinho é aquecido pelo feixe de electrões de um canhão de electrões axial (não representado na figura) . Uti-liza-se um processo de vaporização já conhecido, que garante em larga medida a concordância entre o material vaporizado e a camada de material depositado. A velocidade de vaporização ao ní-vel do plano 7 da zona de cristã 5 do corpo de suporte 1 é ajustada para 300 nm/sec.

Entre o cadinho de vaporização 8 e o plano 7 da zona de cristã 5 encontra-se centrada, a uma altura de 150 mm acima da superfície do cadinho de vaporização 8, uma barra com 10 a 15 mm de espessura, aquecida electricamente. A barra 10 aquecida funciona como uma antepara em relação ao vapor e tem uma temperatura superficial superior à temperatura de fusão do produto vaporizado. Impede-se desta maneira uma significativa condensação de vapor sobre a barra 10. A vaporização é iniciada pela abertura da antepara e pela movimentação do corpo de suporte 1 para dentro da zona de vapo- rização (α = -45°). Tendo sido atingida a zona de vaporização, o corpo de suporte 1 é movido por cima do cadinho de vaporização 8, com uma velocidade que corresponde ao perfil de velocidades atrás descrito. Decorrida uma temporização de 80 segundos a antepara é fechada e a vaporização interrompida. O ajuste atrás referido dos parâmetros d© revestimento faz com que oe consiga em corpos de suporte 1 com um raio de curvatura de 25 mm uma espessura de camada de 18 ±1 μπι na zona de cristã 5 e de 17 ±1 μπι na zona das superfícies divisoras 6. A distribuição de espessuras de camada corresponde assim à condição de início referida. A camada de deslizamento 4 depositada por vaporização induzida por feixes de electrões cumpre, nas condições referidas, os mais elevados padrões de qualidade.

Para aumentar a produtividade do processo utilizam-se, da maneira já conhecida, vaporizadores de linha, acima dos quais se fazem deslizar simultaneamente vários elementos deslizantes dispostos lado a lado, na direcção axial.

Lisboa, 16 de Março de 2001

O AGENTE OFICIAL DA PROPRIEDADE INDUSTRIAL

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Claims

REIVINDICAÇÕES Processo para o fabrico de elementos deslizantes com uma curvatura côncava, de acordo com o qual se deposita sobre o corpo de suporte (1) um sistema estratificado, que comporta pelo menos uma camada de uma liga metálica obtida por dispersão, que pelo menos num sector angular de ±70°, referido à zona de cristã (5) do corpo de suporte (1), apresenta um desvio da espessura de camada inferior a 15 %, referido à espessura máxima da camada, em que - após um tratamento prévio do corpo de suporte (1) com uma curvatura côncava se aplica por precipitação induzida por feixes de electrões pelo menos uma camada (4), de tal maneira que se ajusta, desde o vaporizador (8) até ao plano da zona de cristã (5) do elemento deslizante, um afastamento de 150 a 350 mm, - se movem um em relação ao outro, numa só dimensão, com uma velocidade não uniforme, o vaporizador (8) e o corpo de suporte (1), velocidade essa que durante a entrada na coluna de vapor e durante a saida dessa coluna é maior do que acima do centro da coluna de vapor em forma de maça, - o corpo de suporte (1) é movido perpendicularmente à sua direcção axial, - partes da corrente de vapor são cortadas por pelo menos uma antepara (10), que se encontra numa posição fixa em relação ao vaporizador (8) e que de preferência está fixada no centro da corrente de vapor, e

V - em que a velocidade de condensação para a precipitação da camada na zona de cristã do corpo de suporte (1) está ajustada para pelo menos 80 nm/sec.
2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por pelo menos do lado da antepara (10) que está virado para a corrente de vapor ser ajustada uma temperatura superior ao ponto de fusão do material que se pretende vaporizar.

Processo de acordo com qualquer das reivindicações 1 ou 2, caracterizado por a camada, que será em número de pelo menos uma, ser uma camada de deslizamento à base de uma liga metálica obtida por dispersão.
4. Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por a liga obtida por dispersão e destinada à camada deslizante depositada por precipitação conter pelo menos um metal dos grupos alumínio, chumbo, cádmio, estanho, zinco, níquel ou cobre .

Processo de acordo com qualquer das reivindicações 3 ou 4, caracterizado por a liga obtida por dispersão e destinada à camada deslizante depositada por precipitação ser constituída por 15 a 35 % em peso de estanho e por 0,1 a 3 % em peso de cobre e de alumínio.
6. Processo de acordo com qualquer das reivindicações 3 a 5, caracterizado por os componentes da liga obtida por dispersão serem preparados predominantemente sob a sua forma metálica e só uma pequena parte dos mesmos sob a forma de compostos oxigenados, nitrificados ou carbónicos.
7. Processo de acordo com qualquer das reivindicações 3 a 6, caracterizado por pelo menos dois componentes da liga obtida por dispersão serem aplicados sob a forma de vapor, a partir 2

de cadinhos de vaporização dispostos lado a lado e bem juntos um do outro.
8. Processo de acordo com qualquer das reivindicações 3 a 6, ca-racterizado por a liga de dispersão ser precipitada a partir de um cadinho de vaporização (8).
9. Processo de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 8, ca-racterizado por se aplicar entre o corpo de suporte e a camada deslizante uma camada de bloqueio de difusão (3).
10. Processo de acordo com a reivindicação 9, caracterizado por a camada de bloqueio de difusão (3) aplicada ser constituída por níquel, níquel/estanho, níquel/cobre, níquel/crómio, ti-tânio ou nitreto de titânio.
11. Processo de acordo com qualquer das reivindicações 9 ou 10, caracterizado por também a camada de bloqueio de difusão (3) ser aplicada por precipitação induzida por feixes de elec-trões e apresentar pelo menos num sector angular de ±70°, referido à zona de cristã (5) do corpo de suporte (1) , um desvio da espessura de camada inferior a 15 %, referido à espessura máxima da camada.
12. Processo de acordo com pelo menos uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado por a camada deslizante (4) e/ou a camada de bloqueio de difusão (3) serem precipitadas a partir de vapor no vácuo e sem a intervenção de gás de reacção.
13. Processo de acordo com pelo menos uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado por a camada deslizante (4) e/ou a camada de bloqueio de difusão (3) serem aplicadas de forma reactiva, pela adição de um gás de reacção e/ou por activação por meio de um plasma. 3
14. Processo de acordo com a reivindicação 13, caracterizado por se utilizar, para servir de gás de reacção, o oxigénio, o azoto ou compostos à base de hidrocarbonetos ou então uma mistura destes gases.
15. Processo rie acordo com pelo menos uma das reivindicações 1 a 14, caracterizado por a camada de bloqueio de difusão (3) ser aplicada por pulverização e por seguidamente se aplicar a camada deslizante (4) sob vácuo, por precipitação induzida por feixe de electrões.

Lisboa, 16 de Março de 2001 O AGENTE OFICIAL DA PROPRIEDADE INDUSTRIAL

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