PT99967B - Processo para a obtencao de cabecas de cilindro moldadas compositas - Google Patents
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Description
PROCESSO PARA A OBTENÇÃO DE CABEÇAS DE CILINDRO MOLDADAS COMPÓSITAS
A presente invenção refere-se à realização de cabeças dé cilindro moldadas de ligas de alumínio que comportam pelo menos duas ligas diferentes. As ligas líquidas podem comportar partículas sólidas, no vazamento, com dimensões e formas variadas, de modo a realizar compósitos com matriz metálica depois da solidificação.
Esta técnica permite optimizar a escolha dos materiais de acordo com as funções principais requeridas nas diferentes partes das cabeças de cilindro. A título de ilustração, pode citar-se a procura, na vizinhança da câmara de combustão, de uma tolerância máxima para os danos a quente, em especial nas zonas entre as sedes das válvulas. Pelo contrário, na parte fria da cabeça de cilindro, em particular os pilares de fixação, a propriedade crítica é a resistência mecânica, a fim de conferir à cabeça de cilindro uma rigidez máxima e a melhor aptidão para o aperto, com um peso mínimo da peça acabada.
Ora, actualmente não existe qualquer técnica de fabricação que permita resolver de maneira satisfatória e economicamente viável o problema atrás enunciado.
Com efeito, é de facto possível procurar materiais que apresentem simultaneamente uma grande resistência mecânica e um
bom comportamento ao calor. Todavia, a experiência mostra que este tipo de materiais ê caro. Por exemplo, materiais compósitos com matriz metálica reforçados com partículas de carboneto de silício do tipo DURALCAN custa , de acordo com as estimativas dos produtores, 2 a 3 vezes mais do que as ligas convencionais de moldação, o que exclui a sua utilização para a totalidade da cabeça de cilindro.
De um modo geral, é necessário limitar o emprego de materiais com características elevadas a uma aplicação local, nas zonas onde são indispensáveis, isso devido ao seu custo.
Por outro lado, ao que se sabe, não existe qualquer técnica que permita inserir tais materiais numa cabeça de cilindro. A inserção de ligas de alumínio ou de compósitos com matrizes metálicas, por exemplo as ligas AlFe AlFeCê obtidas por metalurgia dos pós, seguida de afinação, as ligas de qualidade elevada a quente obtidas por um processo de tipo OSPREY, os compósitos com matriz metálica resultantes de uma impregnação de pré-moldes, por exemplo forgamento líquido (Squeeze Casting) colocadas no estado sólido na cabeça de cilindro no momento do vazamento, esbarra com a dificuldade de conseguir com êxito a ligação metalurgicamente do material da cabeça de cilindro com o da peça ou das peças insertas.
Finalmente, uma outra via actualmente desenvolvida para reforçar localmente o material de uma cabeça de cilindro consiste na impregnação no vazamento de pré-moldes (em especial de alúmina ou de carboneto de silício ou~de reforços constituídos /
4por fibras longas). Mas este tipo de tecnologia apresenta custos adicionais de fabricação elevados em relação às técnicas usuais de vazamento por gravidade e/ou a pressões baixas, em especial devido à necessidade de efectuar um vazio parcial e depois aplicar sobrepressões de vários Pa, que obrigam a cobrir os machos de areia com uma camada protectora, a fim de não os impregnar também com metal líquido.
A requerente procurou portanto e pôs em prática técnicas de elaboração que permitem vazar ligas diferentes numa cabeça de cilindro e, em especial, ligas com elevada tolerância para os desgastes no lado da câmara de combustão e ligas com preço de revenda reduzido e com grande resistência mecânica na parte restante da peça.
A peça segundo a presente invenção é constituída por camadas sucessivas unidas sem folga e sensivelmente horizontais.
Mais precisamente, verificou-se que é necessário que cada camada i-1 (i2) satisfaça as condições seguintes no momento do vazamento da camada seguinte
Face inferior da camada i-1 : 50 a 100% de fracção solida rFace superior da camada i-1 : 0 a 80% de fracção solida e, de preferência:
Face inferior da camada i-1 : 70 a 100% de fracção sólida
Face superior da camada i-1 :10a 40% de fracção sólida.
Estas condições podem ser obtidas por ajustamento do modo de arrefecimento do metal vazado, visando uma extracção calorífica máxima pela base de cada camada e esperando o tempo necessário para o estabelecimento das condições anteriores.
Na prática, trata-se de definir o tempo de espera, t^, entre o fim do vazamento de cada camada (i-1) e o inicio da camada i(i^,2), em função das condições de arrefecimento da peça moldada.
Por razões evidentes de produtividade, prócura-se que t^ seja tão pequeno quanto possível, dimensionando em conformidade com isso o sistema de arrefecimento da camada (i-1). O arrefecimento da peça moldada é geralmente assegurado por uma soleira metálica percorrida por um fluido transmissor do calor, tal como a água.
As fracções sólidas são determinadas previamente de maneira experimental por análise térmica, por exemplo colocando pelo menos dois termopares em cada camada (i-1), um na zona próxima da interface com a camada seguinte e o outro na vizinhança da base da camada.
As fracções sólidas são determinadas a partir destas análises térmicas pela utilização de diagramas de equilíbrio do metal vazado, assimilado em geral a uma liga à base de Al. O princípio do cálculo ê apresentado em anexo.
Os sistemas de alimentação serão adaptados de modo que o vazamento de cada camada i(i^,2) não crie erosão inaceitável da camada (i-1) e que as camadas sejam o mais uniformes possível.
Este ajustamento está ao alcance dos especialistas na matéria por exemplo, graças à optimização de caleiras de alimentação ou pela utilização de filtros metálicos ou cerâmicos colocados no sistema de alimentação, para regular o seu caudal. Com efeito, é necessário obter uma interface, ou uma das interfaces, sensivelmente plana, ou sensivelmente planas e regulares, entre as camadas, controlável ou controláveis por exemplo por micrografia, macrografia ou microscopia de varrimento num corte ou em cortes transversais perpendiculares à interface.
Os sistemas de alimentaçao podem ser assimétricos, mas de preferência serão feitos simétricos para facilitar a obtenção de camadas de espessura uniforme.
Finalmente, é possível tornar inerte a cavidade do molde por meio de um gás inerte (C02, árgon, azoto, etc.) para minimizar a camada de óxido naturalmente formada na superfície do metal líquido em curso de vazamento e -portanto favorecer a ligação metalúrgica entre as camadas.
Enchendo o molde nestas condições, obtêm-se cabeças de cilindro que apresentam camadas sucessivas de ligas diferentes com uma ligação metalúrgica de boa qualidade sem defeitos de oxidos (fig. 5 e 6), em conformidade com o caderno de encargos dos construtores de automóveis.
No caso de cabeças de cilindro bi-ligas, forma-se uma camada de material destinada ao comportamento a quente, tendo tipicamente uma espessura de 15 a 25 mm do lado da câmara de combustão, sendo o restante constituído pela segunda liga.
Segundo a presente invenção, o processo de obtenção de uma cabeça de cilindro bi- (ou multi-) metálica realiza-se vazando sucessivamente na cavidade de um molde, metálico, de areia ou misto, duas (ou várias) ligas de alumínio diferentes com uma ou várias zonas de interface, ou interfaces, com a menor espessura possível, constituídas por uma mistura das ligas vazadas e sem vestígios de películas de óxidos.
Para isso, as ligas sao introduzidas na cavidade do molde por sistemas de alimentação independentes. 0 nível de cada camada é obtido doseando a sua quantidade, por exemplo em volume.
Para evitar uma zona de mistura demasiado importante em duas camadas de ligas diferentes e sucessivas, convém deixar arrefecer a liga da camada i-1 (i2) a fim de estar pastosa no momento da chegada do metal líquido destinado a formar a camada (i).
A realização da cabeça de cilindro multi-ligas pode ser feita pela técnica de moldação por gravidade, a baixa pressão, por forjamento líquido (squeeze casting) ou por qualquer outra técnica industrial de fundição adaptada à obtenção das cabeças de cilindro.
Compreender-se-á melhor a presente invenção com o auxílio dos exemplos seguintes, ilustrados nas figuras 1 a 7, que representam;
A fig. 1, esquematicamente, uma vista da peça moldada obtida e o sentido do gradiente térmico aplicado (seta);
A fig. 2, em corte transversal, uma vista esquemática de um molde utilizável para a realização da presente invenção;
A fig. 3, uma outra versão do referido molde, que permite obter a peça moldada representada em perspectiva na fig. 4;
A fig. 5, um corte macrográfico transversal da zona de ligação entre as duas ligas da cabeça de cilindro obtida nas con dições indicadas no Exemplo 1, com a ampliaçao 25X;
A fig. 6, umcorte macrográfico transversal da zona de ligação entre as duas ligas da cabeça de cilindro obtida nas con dições do Exemplo 2, com a ampliação de 50 X;
A fig. 7, uma curva de análise térmica da solidificação de uma liga eutêctica Al-Si; e
A fig. 8, o diagrama de equilíbrio da liga binária correspondente (àl-Si).
Exemplo 1 - Cabeça de cilindro bi-liga: AS7G-AS5U3G (fig. 2)
O molde é constituído por uma soleira metálica (1), de cuprocrómio (composição aproximada Cu 60 %, Cr 40 %) com a espessura de 100 mm e de torrões de areia (2). Esta soleira compreende um circuito de arrefecimento (3), no qual circula água, de modo a manter a sua temperatura entre 80 e 100° C.
molde está provido de dois sistemas de alimentação (4) e (5), respiradouros, machos para os circuitos de circulação de água e de óleo, das condutas de admissão e de escape e de sobrecabeças habituais (não representadas).
O processo de introdução de machos é o processo PEPSET para os torrões (2), os machos dos circuitos de circulação de óleo e as condutas de admissão e escape e o ASHLAND para os machos dos circuitos de circulação de água.
Pela alimentação (4), vaza-se um primeiro metal, o AS7GO,3 (de acordo com a norma francesa NF A 57 702), â temperatura de 710° C (temperatura pretendida), até uma altura de 20 mm correspondente à espessura da mesa da cabeça de cilindro (dosagem volumétrica) . O sistema de alimentação (5) ê calculado de modo que a entrada do AS7GO,3 dure cerca de 15 s, com uma velocidade ou caudal de cerca de 6,5 litros/minuto nos pontos de acesso (6). Depois do fim do vazamento da primeira liga, introduz-se pelo sistema de alimentação (5) a segunda liga, uma AS5U3G (norma 57 702), à temperatura de 720° C, com a velocidade ou caudal de 30 litros/minuto nos pontos de acesso, de modo que a componente horizontal da velocidade desta liga sega de cerca de 0,5 m/s, para encher o resto do molde sem erosão do primeiro metal.
O cálculo das fracções sólidas na primeira liga (AS7GO3) no instante da chegada do segundo metal com o auxílio do registo da temperatura da primeira liga, do diagrama Al-si e da aplicação da regra das alavancas aplicando o processo indicado em anexo, conduz aos resultados seguintes:
- parte inferior (10) (em contacto com a soleira) : 82%
- parte superior (11) (na zona da interface) : 18 %.
»
Exemplo 2 - Cabeça de cilindro bi-liga - DURALCAN F3A -AS5U3G
DURALCAN F3A, constituído por AS7GO,3 + 15% de partículas de SiC, é utilizado como primeira liga e é vazado nas mesmas condições que a AS7G do Exemplo 1. Nao modificando as partículas de SiC a análise térmica da liga, é aplicável o processo de cálculo das fracções solidificadas para as ligas de alumínio normais.
No entanto, a temperatura de vazamento do DURALCAN ê aumentada de 20° C, de modo a obter a mesma fluidez que a da liga de base não carregada, e portanto as mesmas velocidades de enchimento.
ANEXO
Modo de cálculo das fracções solidificadas no caso de ligas de tipo Al-Si hipoeutécticas (caso geral das ligas de fundição para cabeças de cilindro).
A partir do diagrama de equilíbrio da fig. 7, para uma liga tipo AlSi, de composição global Co, definem-se:
T a temperatura da liga
Ti a temperatura do início da solidificação
T2 a temperatura do fim de solidificação (aqui coincidindo com a temperatura do degrau eutéctico)
C1 a concentração em elemento de adição do metal solidificado em primeiro lugar
C2 concentração em elemento de adição do metal solidificado em último lugar, antes da transformação do líquido eutêctico.
Faz-se CM, composição média, solidificada antes da transformação eutêctica, igual a:
CM — d + C2 2
C3 a concentração eutêctica.
Aplica-se então a regra habitual das alavancas para determinar a fracção solidificada em cada estádio da solidificação que precede a transformação isotérmica (ou eutêctica).
Seja fso a fracção solidificada obtida precisamente antes da solidificação da liga eutêctica (T = T2) :
fso
C3
C3
Co
CM
A fracção solidificada (fs), entre T1 e T2 pode ser calculada, ou por esta mesma regra das alavancas a cada temperatura, ou pela formula seguinte, mais rápida, se assimilarmos o solidus e o liquidus da liga a duas rectas entre T1 e T2 (hipótese completamente aceitável no quadro da utilização deste pedido de patente de invenção):
fs = _(C3-Co) (T1 -T)_ (T2XTZT1) (C3-CM) (ΊΊ-Τ) + (Co-C1)(T-T2)
A fracção solidificada no decurso de um degrau de transformação isotérmica, em especial eutêctica, pode ser estimada a
partir da analise térmica, graças a um termopar colocado na camada considerada, supondo que a fracção solidificada varia linearmente no tempo no decurso da transformação isotérmica.
No caso de uma transformação de tipo binário (fig. 6), podemos pois escrever, com uma aproximação muito boa, que a frac ção total solidificada Fs é igual a:
visto que a liga está totalmente solida no instante t1.
Claims (9)
- REIVINDICAÇÕES1. - Processo de moldação de cabeças de cilindro com pósitas que comportam várias camadas sucessivas (i), constituídas por pelo menos duas ligas diferentes, caracterizado por consistir em vazar na cavidade de um molde (1,2), por um sistema de alimenatção (4,5), cada camada de liga (i-1) (i 2) com tempos de espera (tA) entre o fim do vazamento da camada (i-1) e o início da camada (i), de modo que a camada (i-1) contenha entre 50 e 100Z de fracção sólida na sua parte inferior e 0 a 80^ de fracção sólida na parte superior (zona de interface) quando da introdução da liga (i).
- 2. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a fracção solidificada na parte superior da, ou-13as fracções solidificadas nas partes superiores das camadas (i-1) (i 2) estarem de preferência compreendidas entre 10 e 40Z.
- 3. - Processo de acordo com qualquer das reivindica ções 1 ou 2, caracterizado por a fracção solidificada na parte inferior ou as fracções solidificadas nas partes inferiores da ou das camadas (i-1) (i 2) estarem de preferência compreendi, das entre 70 e 100Z.
- 4. - Processo de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 3, caracterizado por o molde compreender uma soleira metálica (1) arrefecida por meio de um fluido transportador de calor.
- 5. - Processo de acordo com qualquer das reivindica ções 1 a 4, caracterizado por o molde ser protegido por uma at. mosfera inerte (CC>2» Ar, etc.) durante o vazamento.
- 6. - Processo de acordo com qualquer das reivindica ções 1 a 4, caracterizado por as ligas utilizadas serem ligas à base de Al.
- 7. - Processo de acordo com as reivindicações 1 a6, caracterizado por as ligas vazadas poderem ser carregadas com4fibras ou com partículas cerâmicas (SiC, A1203) etc.
- 8. - Processo de acordo com as reivindicações 1 a7, caracterizado por o molde ser, fora da soleira (1), de areia, metálico ou misto.
- 9. - Aplicação do processo com qualquer das reivindicações 1 a 8 na obtenção de cabeças de cilindro de Al ou de uma das suas ligas, vazadas pelos processos· de: baixa pressão, gravidade + baixa pressão ou gravidade.
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