PT858517E - Processo para o fabrico de tubos de paredes delgadas - Google Patents

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Description

- 1 -
DESCRIÇÃO "PROCESSO PARA O FABRICO DE TUBOS DE PAREDES DELGADAS" O presente invento diz respeito a um processo para o fabrico de tubos de paredes delgadas a partir de um material à base de alumínio resistente ao calor e ao desgaste destinados em particular a serem utilizados como camisas de cilindros de motores de combustão.
As camisas de cilindros são componentes sujeitos ao desgaste que são introduzidos à pressão ou vazados pelo processo de fundição nos orifícios cilíndricos dos blocos dos motores de combustão.
As superfícies de trabalho dos cilindros de um motor de combustão encontram-se submetidas a fortes solicitações desgastantes por parte dos êmbolos ou dos segmentos e das elevadas temperaturas que se desenvolvem localmente. Toma-se portanto necessário que estas superfícies sejam constituídas por materiais resistentes ao desgaste e ao calor.
Para alcançar este objectivo, existe uma multiplicidade de processos destinados a prover a superfície interna do furo do cilindro com um revestimento resistente ao desgaste. Uma outra possibilidade consiste na guarnição do cilindro com uma camisa de cilindro fabricada num material resistente ao desgaste. Neste sentido, foram utilizadas camisas de cilindro obtidas por um processo de fundição cinzenta, embora estas se caracterizam, quando comparadas com as fabricadas em materiais à base de alumínio, por uma reduzida -2-
Uttj condutibilidade térmica e estejam associadas ainda a outras desvantagens. O problema começou por ser resolvido através de um bloco de cilindros fabricado numa liga AISi hipereutéctica. Por motivos que se prendem com a fundição, o teor de silício foi restringido a 20% em peso. Outra desvantagem verificada do processo de fundição reside na precipitação de partículas primárias de silício com dimensões relativamente grandes (cerca de 30 a 80 pm) no decurso do endurecimento do material fundido. Em virtude das suas dimensões e da sua forma angulosa dotada de arestas vivas, estas partículas r provocam o desgaste dos cilindro e segmentos. E-se portanto forçado a proteger os cilindros e segmentos com revestimentos apropriados. A superfície de contacto entre as partículas de Si e o cilindro / segmento é aplanada através de um processamento mecânico. A um tal processamento mecânico segue-se depois um tratamento electroquímico destinado a fazer recuar ligeiramente a matriz de alumínio entre os grãos de Si por forma a que estes sobressaiam ligeiramente da superfície de trabalho do cilindro enquanto estrutura de suporte. A desvantagem das superfícies de trabalho a que foi dado este acabamento reside, por um lado, em serem de fabrico significativamente oneroso (liga cara, processamento mecânico moroso, cilindros revestidos a ferro, anéis de segmento armados) e, por outro, na deficiente distribuição das partículas primárias de Si. Existem por isso grandes zonas da estrutura que estão isentas de partículas de Si e, por conseguinte, submetidas a um desgaste mais intenso. Para evitar este desgaste toma-se necessária uma película de óleo enquanto meio de separação entre a superfície de trabalho e os parceiros no desgaste. Para a regulação da espessura da película de óleo é decisiva, entre outros factores, a profundidade desocupada pelas partículas de Si. Uma película de óleo relativamente espessa provoca perdas por atrito superiores na máquina e um aumento mais significativo da emissão de substâncias poluentes. -3- [/ί4η
Por comparação, um bloco de cilindros de acordo com a patente DE 42 30 228, fundido numa liga AISi hipereutéctica e provido de camisas de cilindro fabricadas em liga AISi hipereutéctica revela-se economicamente vantajoso. Contudo, os problemas atrás mencionados também não são por ele solucionados.
Para que possam ser exploradas as vantagens das ligas AISi hipereutécticas como material para o fabrico de camisas de cilindro, é necessário alterar a estrutura no que respeita aos grãos de Si. É sabido que as ligas à base de alumínio, tecnicamente irrealizáveis por um processo de fundição, podem ser fabricadas por medida por processos metalúrgicos envolvendo pós ou mediante compactação por pulverização.
Por esta via podem ser fabricadas ligas AISi hipereutécticas que possuem uma elevada resistência ao desgaste em virtude do seu elevado teor de Si, do carácter fino das suas partículas de Si e da sua distribuição homogénea e às quais é conferida a necessária resistência ao calor mediante a adição de elementos tais como, por exemplo, Fe, Ni ou Mn. As partículas primárias de Si presentes nestas ligas possuem dimensões compreendidas entre cerca de 0,5 e cerca de 20 μιη. Assim sendo, as ligas deste modo fabricadas revelam-se adequadas como material para o fabrico de camisas de cilindro.
Embora as ligas à base de alumínio sejam em geral facilmente processáveis, a deformação destas ligas hipereutécticas revela-se mais problemático. A patente EP 0 635 318 dá a conhecer um processo para o fabrico de camisas de cilindro fabricadas numa liga AISi hipereutéctica. Neste processo a camisa de cilindro é fabricada mediante extrusão sob pressões muito elevadas e a velocidades de extrusão compreendidas entre 0,5 e 12 m/min. Para produzir com economia camisas de cilindro por medida são necessárias velocidades de extrusão -4- muito elevadas. Revelou-se que, com ligas de tal modo dificilmente passíveis de extrusão e para as pretendidas reduzidas espessuras de parede das camisas de cilindro, as elevadas velocidades de extrusão provocam o rompimento dos perfis no decurso da referida extrusão. A tarefa subjacente ao presente invento consistia portanto na disponibilização de um processo aperfeiçoado e economicamente vantajoso para o fabrico de tubos de paredes delgadas, especialmente destinados a camisas de cilindro de motores de combustão, em que as camisas de cilindro assim fabricadas deverão exibir o requerido melhoramento de propriedades no que respeita à resistência ao desgaste, à resistência ao calor e à redução da emissão de substâncias poluentes.
De acordo com o presente invento, este objectivo é atingido através de um processo composto pelas etapas indicadas na reivindicação 1.
Outros modos de realização do presente invento são apresentados nas reivindicações dependentes.
As propriedades tribológicas requeridas são alcançadas em particular através da presença no material de partículas de silício enquanto precipitações primárias com dimensões compreendidas entre 0,5 e 20 pm ou enquanto adições com a dimensão de 80 pm. Para fabricar estas ligas à base de AI é necessário utilizar processos que permitam uma velocidade de endurecimento do material fundido com um elevado teor de liga que seja muito superior à que pode ser atingida em processos de fundição convencionais.
Encontra-se nomeadamente nesta situação o processo de compactação por pulverização (doravante designado por “compactação por -5- pulverização”). A fim de alcançar as desejadas propriedades, uma liga fundida à base de alumínio altamente ligada com silício é atomizada e arrefecida num jacto de azoto cuja velocidade de arrefecimento é de 1000°C/s. As partículas de pó parcialmente ainda líquidas são pulverizadas sobre um prato rotativo. O prato é continuamente impelido para a frente no decurso da operação. A sobreposição de ambos os movimentos dá origem a uma cavilha cilíndrica com um comprimento compreendido entre 1000 e 3000 mm e um diâmetro que pode atingir 400 mm. Em virtude das elevadas velocidades de arrefecimento formam-se neste processo de compactação por pulverização precipitações primárias de Si que podem atingir dimensões na ordem de 20 μπι. É possível regular a dimensão das precipitações de Si através da razão “gás/metal” (m3 padrão de gás por kg de material fundido) com que no processo pode ser regulada a velocidade de endurecimento. Em virtude das velocidades de endurecimento e da sobressaturação do material fundido, podem ser obtidas ligas cujo teor de Si pode atingir 40% em peso. Em virtude do rápido arrefecimento do material fundido à base de alumínio sob o jacto de gás, o estado de sobressaturação da cavilha obtida fica quase “congelado”.
Em alternativa ao fabrico de cavilhas podem também ser fabricados mediante compactação por pulverização lingotes tubulares de paredes espessas com diâmetros internos compreendidos entre 50 e 120 mm e espessuras de parede não superiores a 250 mm. Para tal, o jacto de partículas é dirigido, após a atomização, para cima de um tubo de suporte que roda num plano horizontal e m tomo do seu eixo longitudinal, sendo aí compactado. Deste modo, mediante uma ) impulsão contínua e controlada na direcção horizontal, é fabricado um lingote tubular que serve de material de partida para o subsequente processamento mediante extrusão e/ou outro processo de deformação a quente. O tubo de suporte acima referido é constituído por uma liga compactada à base de alumínio ou pela mesma liga enquanto fabricada mediante compactação por pulverização (de 6. ΙλΛη acordo com a técnica). O processo de compactação por pulverização proporciona além disso a possibilidade de, por intermédio de um injector de partículas, introduzir na cavilha ou lingote tubular partículas precedentemente ausentes. Dado que estas partículas podem exibir qualquer forma geométrica e quaisquer dimensões compreendidas entre 2 e 400 pm, existe uma multiplicidade de possibilidades de configuração de uma estrutura. Estas partículas podem ser, por exemplo, partículas de Si com dimensões compreendidas entre 2 e 400 pm ou partículas oxido-cerâmicas (nomeadamente AI2O3) ou partículas não oxido-cerâmicas (nomeadamente SiC, B4C, etc.) com dimensões situadas no domínio precedentemente referido, tais como as comercializadas, desde que adequadas no aspecto tribológico.
Uma outra possibilidade de produzir uma estrutura com uma configuração apropriada consiste na rápido endurecimento de uma liga fundida à base de alumínio sobressaturada com silício (doravante designada “via do pó”). Nesta alternativa é produzido um pó mediante uma atomização do material fundido com o auxílio de ar ou de um gás inerte. Este pó pode, por um lado, ser inteiramente constituído por liga; significa isto que os diversos elementos da liga se encontravam contidos no material fundido. O pó pode, por outro lado, ser misturado num passo subsequente a partir de diversas ligas ou de diversos elementos em pó. O pó totalmente constituído por liga ou o pó obtido por mistura é em seguida comprimido, mediante compressão isostática a frio ou compressão a quente ou compressão a quente sob vácuo, de modo a formar uma cavilha ou um cilindro oco de paredes espessas (lingote tubular). O estado da estrutura das cavilhas ou dos lingotes tubulares fabricados mediante compactação por pulverização, ou das cavilhas ou dos -7- (Μη lingotes tubulares fabricados pela via do pó, pode ser modificado mediante posteriores recozimentos de superenvelhecimento. Mediante este recozimento a estrutura pode ser modificada de modo a exibir grãos de Si com dimensões compreendidas entre 2 e 30 pm, tal como é desejável em termos das propriedades tribológicas requeridas. O crescimento de partículas de Si maiores no decurso do processo de recozimento é realizado mediante a difusão no sólido à custa de partículas de Si menores. Esta difusão é função da temperatura de superenvelhecimento e da duração do recozimento. Quanto mais elevada for a temperatura escolhida, tanto mais rapidamente crescem os grãos de Si. As temperaturas adequadas situam-se na vizinhança de 500°C, sendo suficiente um recozimento com uma duração compreendida entre 3 e 5 horas. A estrutura assim modificada e, por conseguinte, fabricada por medida, ou já não se altera no decurso das etapas subsequentes do processo ou, a alterar-se, fá-lo num sentido que é vantajoso para as requeridas propriedades tribológicas.
Mediante deformação a quente, de preferência mediante extrusão, pode ser produzido, a partir de uma cavilha em bruto que tenha sido fabricada mediante “compactação por pulverização” ou mediante a “via do pó”, um tubo de paredes espessas com uma espessura de parede compreendida entre 6 e 20 mm. Neste processo, as temperaturas de extrusão encontram-se compreendidas entre 300 e 550°C. A extrusão serve não só para dar forma como também para reduzir a porosidade residual das cavilhas ou lingotes tubulares compactados por pulverização (em 1 a 5%) ou das cavilhas ou lingotes tubulares fabricados pela via do pó (em 1 a 40%) e para consolidar definitivamente o material. -8- Ι/Λη ^ U^-η A ulterior redução da espessura das paredes que ainda se revele necessária é alcançada mediante malaxagem ou outros processos de deformação a quente, sendo realizada a temperaturas compreendidas entre 250 e 500°C. O tubo finalmente provido da espessura de parede definitiva é então dividido em secções tubulares com o comprimento requerido. O processo de acordo com o presente invento apresenta a vantagem de o material para a camisa do cilindro poder ser fabricado por medida. O elevado investimento associado à extrusão, tanto no que respeita à pressão e à velocidade de extrusão como no que respeita à qualidade do produto, é compensado pela subsequente segunda etapa processual correspondente à deformação a quente.
Exemplo 1:
Uma liga com a composição AISi 25 Cu 2,5 Mg 1 Ni 1 é compactada de modo a obter-se uma cavilha pelo processo de compactação por pulverização em que a temperatura do material fundido é de 830°C e a razão gás/metal é de 4,5 m3/kg (m3 padrão de gás por kg de material fundido). Na cavilha compactada por pulverização realizada sob as condições referidas, as dimensões das precipitações de Si encontram-se compreendidas entre 1 e 10 pm (estrutura representada na Fig. 1). A cavilha compactada por pulverização é submetida a um tratamento que consiste num recozimento à temperatura de 520°C com a duração de 4 h. Após este recozimento, as dimensões das precipitações de Si encontram-se compreendidas entre 2 e 30 pm. Mediante uma extrusão realizada a 420°C, com uma velocidade de emergência do perfil de 0,5 m/min. e com o auxílio de uma ferramenta para trabalhar interiores é produzido um tubo com um diâmetro externo de 94 mm e um diâmetro interno de 69,5 mm -9-
(estrutura representada na Fig. 2). A subsequente deformação a quente realizada a 420°C e mediante malaxagem de modo a passar-se de um diâmetro externo de 94 mm para um diâmetro externo de 79 mm e um diâmetro interno de 69 mm, o qual é produzido por um espigão, não é causadora de nenhuma alteração na estrutura.
Exemplo 2:
Uma liga com a composição AISi 8 Fe 3 Ni 2 é compactada de modo a obter-se uma cavilha pelo processo de compactação por pulverização em que a temperatura do material fundido é de 850°C e a razão gás/metal é de j 2,0m /kg. A esta liga são adicionados 20% de partículas de Si com dimensões compreendidas entre 40 e 71 pm por intermédio de um injector de partículas. Por este processo pode ser obtida uma estrutura homogénea (estrutura representada na Fig. 3). Uma vez que a estrutura desejada foi obtida por intermédio do processo de compactação por pulverização, toma-se desnecessário o tratamento consistindo num recozimento. Mediante uma extrusão realizada a 450°C, com uma velocidade de emergência do perfil de 0,3 m/min. e com o auxílio de uma ferramenta para trabalhar interiores é produzido um tubo com um diâmetro externo de 94 mm e um diâmetro interno de 69,5 mm (estrutura representada na Fig. 4). A subsequente deformação a quente realizada a 440°C e mediante malaxagem de modo a passar-se de um diâmetro externo de 94 mm para um diâmetro externo de 79 mm não é causadora de nenhuma alteração na estrutura.
Exemplo 3:
Uma liga com a composição AISi 25 Cu 2,5 Mg 1 Ni 1 é atomizada com o auxílio de ar, sendo a temperatura do material fundido 830°C. O pó resultante é reunido e prensado isostaticamente e a frio, sob uma pressão de 2700 bar, de modo a obter-se uma cavilha com um diâmetro externo de 250 mm e um - 10- comprimento de 350 mm. A densidade da cavilha corresponde a 80% da densidade teórica da liga. As precipitações primárias de Si têm dimensões compreendidas entre 1 e 10 pm. A cavilha prensada isostaticamente e a frio é . submetida durante 4 h a um tratamento que consiste num recozimento realizado a 520°C. Após este recozimento, as dimensões das precipitações de Si encontram-se compreendidas entre 2 e 30 pm. Mediante uma extrusão realizada a 420°C, com uma velocidade de emergência do perfil de 0,5 m/min. e com o auxílio de uma ferramenta para trabalhar interiores, o material é totalmente compactado, sendo produzido um tubo com um diâmetro externo de 94 mm e um diâmetro interno de 69,5 mm (estrutura representada na Fig. 4). A subsequente deformação a quente realizada a 420°C e mediante malaxagem de modo a passar-se de um diâmetro externo de 94 mm para um diâmetro externo de 79 mm e um diâmetro interno de 69 mm, o qual é produzido por um espigão, não é causadora de nenhuma alteração na estrutura.
Exemplo 4:
Uma liga com a composição AISi 25 Mg 1 Mn 1 é compactada de modo a obter-se um lingote tubular com um diâmetro externo de 250 mm e um diâmetro interno de 80 mm pelo processo de compactação por pulverização em que a temperatura do material fundido é de 860°C e a razão gás/metal é de 2,5 <3 m /kg. Neste processo utiliza-se como tubo de suporte sobre o qual é pulverizada a liga acima mencionada um tubo de paredes delgadas com um diâmetro externo de 84 mm e uma espessura de parede de 2 mm fabricado numa liga amassada à base de alumínio convencional (AlMgSi 0,5). No lingote tubular produzido mediante compactação por pulverização sob as condições referidas, as dimensões das precipitações de silício encontram-se compreendidas entre 0,5 e 7 pm. O lingote tubular é submetido a um tratamento que consiste no recozimento a uma temperatura de 520°C com a duração de 5, o qual é destinado a modificar as -11 - dimensões das precipitações de silício para valores compreendidos entre 2 e 30 pm. Mediante uma extmsão realizada a 400°C, com uma velocidade de emergência do perfil de 1,5 m/min. é produzido um tubo com um diâmetro externo de 94 mm e um diâmetro interno de 69,5 mm. Neste processo revela-se particularmente positiva no que respeita às forças de compressão e às velocidades a composição AlMgSi 0,5 do material constituinte do tubo de suporte, uma vez que este actua como lubrificante relativamente ao espigão. A subsequente deformação a quente realizada a 430°C e mediante malaxagem de modo a passar-se de um diâmetro externo de 94 mm para um diâmetro externo de 79 mm e um diâmetro interno de 69 mm, o qual é produzido por um espigão, não é causadora de nenhuma alteração na estrutura.
Lisboa, 25 de Outubro de 2000
LUÍS SILVA CARVALHO
Agente Oficial da Propriedade Industrial RUA VICTOR CORDON, 14 1200 LISBOA

Claims (13)

  1. - 1 - 1/ísU^ REIVINDICAÇÕES 1. Processo para o fabrico de camisas de cilindro para motores de combustão a partir de uma liga AISi hipereutéctica, caracterizado - por serem fabricados cavilhas ou lingotes tubulares mediante a compactação por pulverização de uma liga fundida ou mediante a compactação a quente ou a frio de uma mistura de pó metálico ou de liga pulverizada obtida por uma atomização pelo ar ou por um gás inerte produtora de partículas com dimensões inferiores a 250 μτη, em que as partículas primárias de Si têm dimensões compreendidas entre 0,5 e 20 pm e de preferência dimensões compreendidas entre 1 e 10 m, - por estas cavilhas ou lingotes tubulares serem submetidos, se necessário, a um recozimento de superenvelhecimento destinado a tomar mais grosseiras as partículas primárias de Si neles contidas, em que as partículas primárias de Si aumentam para dimensões compreendidas entre 2 e 30 pm, - por as cavilhas ou lingotes tubulares, mantidos a temperaturas de extrusão compreendidas entre 300 e 550C, serem submetidos a uma extrusão produtora de tubos de paredes espessas cuja espessura se encontra compreendida entre 6 e 20 mm e - por a espessura das paredes dos tubos de paredes espessas ser reduzida para valores compreendidos entre 1,5 e 5 mm mediante um processo de deformação das paredes realizado a temperaturas compreendidas entre 250 e 500°C. -2- [/,t/foj
  2. 2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por, no fabrico de cavilhas ou lingotes tubulares, ser utilizada uma mistura de pós, uma liga pulverizada ou uma liga fundida com a seguinte composição: AISi (17-35) Cu (2,5-3,5) Mg (0,2-2,0) Ni (0,5-2).
  3. 3. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por, no fabrico de cavilhas ou lingotes tubulares, ser utilizada uma mistura de pós, uma liga pulverizada ou uma liga fundida com a seguinte composição: AISi (17-35) Fe (3-5) Ni (1-2).
  4. 4. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por, no fabrico de cavilhas ou lingotes tubulares, ser utilizada uma mistura de pós, uma liga pulverizada ou uma liga fundida com a seguinte composição: AISi (25-35).
  5. 5. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por, no fabrico de cavilhas ou lingotes tubulares, ser utilizada uma mistura de pós, uma liga pulverizada ou uma liga fundida com a seguinte composição: AISi (17-35) Cu (2,5-3,5) Mg (0,2-2,0) Ni (0,5-5).
  6. 6. Processo de acordo com as reivindicações 1 a 5, caracterizado por, na compactação por pulverização, o silício introduzido na cavilha ou no tubo em bruto com o auxílio de um injector de partículas sê-lo em parte por intermédio da liga AISi introduzida e em parte sob a forma de pó de Si. -3 -
  7. 7. Processo de acordo com as reivindicações 1 a 6, caracterizado por o recozimento de superenvelhecimento destinado a tomar mais grosseiras as partículas primárias de Si ser efectuado a temperaturas compreendidas entre 460 e 540°C e no decurso de 0,5 a 10 horas.
  8. 8. Processo de acordo com as reivindicações 1 a 7, caracterizado por a deformação a quente do tubo de paredes espessas ser efectuada mediante malaxagem ou estampagem.
  9. 9. Processo de acordo com as reivindicações 1 a 7, caracterizado por a deformação a quente do tubo de paredes espessas ser efectuada mediante laminagem tubular com uma ferramenta interna.
  10. 10. Processo de acordo com as reivindicações 1 a 7, caracterizado por a deformação a quente do tubo de paredes espessas ser efectuada mediante repuxamento com um cilindro compressor.
  11. 11. Processo de acordo com as reivindicações 1 a 7, caracterizado por a deformação a quente do tubo de paredes espessas ser efectuada mediante estiramento dos tubos.
  12. 12. Processo de acordo com as reivindicações 1 a 7, caracterizado por a deformação a quente do tubo de paredes espessas ser efectuada mediante laminagem anular.
  13. 13. Processo de acordo com as reivindicações 1 a 12, caracterizado por o tubo deformado para as medidas finais no que respeita ao diâmetro e à -4- espes das paredes ser dividido em secções de comprimento desejado. Lisboa, 25 de Outubro de 2000 LUIS SILVA CARVALHO Agente Oficial da Propriedade Industrial RUA VICTOR CORDON, 14 1200 LISBOA
PT96930971T 1995-09-01 1996-08-28 Processo para o fabrico de tubos de paredes delgadas PT858517E (pt)

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