BRPI0413483B1

BRPI0413483B1 - Material composto laminado, fabricação e emprego

Info

Publication number: BRPI0413483B1
Application number: BRPI0413483-4A
Authority: BR
Inventors: Adam Achim; Staschko Klaus
Original assignee: Federal-Mogul Wiesbaden Gmbh & Co. Kg
Priority date: 2003-08-12
Filing date: 2004-08-05
Publication date: 2018-02-06
Also published as: ES2334918T3; RU2354865C2; EP1654470A1; WO2005015036A1; RU2006107256A; CN1846077A; EP1654470B2; BRPI0413483A; PL1654470T3; EP1654470B1; US7575814B2; CN100443753C; DE502004010121D1; US20060263625A1; JP5203606B2; DE10337030A1; ATE443816T1; DE10337030B4; JP2007501898A

Abstract

"material composto laminado, fabricação e emprego". no caso de materiais compostos laminados para mancais deslizantes ou buchas é almejado empregar camadas de deslizamento isentas de chumbo. de acordo com a invenção é sugerido um material composto laminado com uma camada de suporte, uma camada de metal do mancal (3) de uma liga de cobre ou de uma liga de alumínio, com uma camada intermediária de níquel (2) de uma espessura > 4 <109>m, e com uma camada de deslizamento (1) de cerca de 0 a 20% em peso de cobre e/ou de prata e o resto de estanho. a camada de deslizamento (1) é depositada galvanicamente de um eletrólito de ácido metilo sulfônico.

Description

(54) Título: MATERIAL COMPOSTO LAMINADO, FABRICAÇÃO E EMPREGO (51) Int.CI.: F16C 33/12 (30) Prioridade Unionista: 12/08/2003 DE 103 37 030.7 (73) Titular(es): FEDERAL-MOGUL WIESBADEN GMBH & CO. KG (72) Inventor(es): ACHIM ADAM; KLAUS STASCHKO »♦» ·· * • « · · • · · · · • · ♦···· • · · · · • · · • · · ··!···

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para MATERIAL

COMPOSTO LAMINADO, FABRICAÇÃO E EMPREGO.

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A invenção refere-se a um material composto laminado, em particular, para mancais deslizantes ou buchas, com uma camada de suporte, uma camada de metal do mancai de uma liga de cobre ou de uma liga de alumínio, com uma camada intermediária de níquel e uma camada de deslizamento. Além disso, a invenção se refere a empregos do material composto laminado.

Materiais compostos laminados clássicos com a montagem verso de aço como camada de suporte, bronze de chumbo como camada de metal do mancai e camada de deslizamento de cobre, estanho e chumbo, como elas estão descritas, por exemplo, em Glyco-lngenieurberichte 1/91, tem-se comprovado pela alta confiabilidade e capacidade de carga mecânica. A camada de deslizamento, neste caso, é depositada galvanicamente. Em seu caso, trata-se de uma camada multifuncional, na qual podem ser acomodadas partículas externas, que servem como proteção à corrosão, que mostra propriedades de operação de emergência, e que é apropriada, em particular, para a entrada ou a adaptação do parceiro de deslizamento.

Também a camada de metal do mancai apresenta suficientes propriedades de operação de emergência para o caso que, a camada de deslizamento seja completamente desgastada, pelo menos, localmente.

Os materiais compostos laminados clássicos apresentam uma camada de deslizamento sobre base de chumbo. Uma liga corrente é, por exemplo, PbSn10Cu2. Camadas de deslizamento desse tipo apresentam baixa dureza, em tomo de 12 - 15 HV (dureza Vicker). Por isso, elas possuem boa capacidade de acomodação, e não são sensíveis à corrosão. Por motivos de proteção ao trabalho e ao meio-ambiente, sem dúvida, é desejável substituir o metal pesado chumbo por outros materiais apropriados.

Uma abordagem consiste no fato de empregar em apoios altamente solicitados camadas duras como camadas de deslizamento. Por exemplo, por meio de processos de PVD (physical vapor deposition) são depositadas camadas de estanho e alumínio com dureza em torno de 80HV.

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Essas camadas são isentas de chumbo, sem dúvida de fabricação muito onerosa. Mancais desse tipo são muito resistentes ao desgaste. Elas dificilmente possuem, porém, capacidade de acomodação, e por esse motivo, no mais das vezes, são combinadas com camadas macias contendo chumbo como contra-casquilho. Sem dúvida é desejável, também em contra- casquiIhos substituir o chumbo por outros materiais.

Já foi tentado empregar estanho puro como superfície de deslizamento. Com uma dureza de aproximadamente 10 HV, sem dúvida, ainda é mais macio que as ligas de chumbo convencionais, e por isso, não pode receber as cargas, que surgem, por exemplo, em mancais principais do eixo de manivela e em mancais da biela.

Na patente DE 197 28 777 A1 é descrito um material composto laminado para elementos deslizantes, cuja camada de deslizamento é constituída de uma liga isenta de chumbo que apresenta estanho e cobre, sendo que a cota de cobre é de 3 - 20% em peso e a cota de estanho é de 70 a 97% em peso. Através da adição de cobre, a dureza da camada de deslizamento aumenta em relação ao estanho puro. Essa camada de deslizamento é depositada galvanicamente com auxílio de um eletrólito de ácido metil sulfônico, com adições de refinamento de grãos. A camada de deslizamento produzida dessa forma possui a propriedade de camadas de deslizamento ternárias com base de chumbo. Na patente 197 28 777 A1, além disso, é sugerido, para o melhor aperfeiçoamento da resistência ao desgaste prover partículas de material resistente dispersas no banho de eletrólito, que são incorporadas na camada. Isto, porém, está ligado com dispêndio e custos adicionais. Entre o metal do mancai e a camada de deslizamento pode estar prevista uma camada de níquel de 1 a 3 pm de espessura, junto com uma camada de estanho e níquel de 2 a 10 pm de espessura como camada de bloqueio de difusão.

Na patente DE 197 54 221 A1 está publicado um material composto laminado, com uma camada de deslizamento com 3 - 30% em peso de cobre, 60 - 97% em peso de estanho e 0,5 -10% em peso de cobalto. Com isso é obtido um outro aumento da capacidade de carga mecânica, e é im3

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4 4 pedida uma fragilidade da camada de ligação entre a camada de deslizamento e a camada de bloqueio de difusão de níquel. Através do cobalto, a tendência à difusão do estanho é reduzida em relação ao níquel. Devido à adição da liga de cobalto, sem dúvida, o processo de deposição galvânico torna-se mais complexo, o que reduz a segurança do processo. De resto, como na patente DE 197 28 777 A1, a camada de níquel de 1 a 3 pm de espessura pode ser combinada com uma camada de estanho e níquel com uma espessura de 2 a 10 pm como bloqueio de difusão.

Na patente EP 1 113 180 A2 é descrito um material composto laminado para mancais deslizantes, cuja camada de deslizamento possui uma matriz de estanho, na qual estão depositadas partículas de cobre e estanho, que são constituídas de 39 a 55% em peso de cobre e o resto de estanho. Além disso, é característico para o material composto laminado o fato de que, não está prevista apenas uma camada intermediária de níquel, de uma espessura de 1 a 4 mm, mas entre a camada intermediária de níquel e a camada de deslizamento está disposta uma segunda camada intermediária de uma espessura de 2 a 7 pm de estanho e de níquel. A primeira camada intermediária de níquel é aplicada sobre a camada de metal do mancai de um eletrólito de níquel de Watt. Sobre essa primeira camada intermediária é galvanizada uma segunda camada intermediária constituída de níquel e de estanho. Para isso é empregado um eletrólito modificado de cloreto/ fluoreto. Por meio das camadas intermediárias de níquel e de níquel e estanho é produzido um sistema que se auto-adapta à carga, no qual em função de condições térmicas, através de um crescimento da camada de níquel e estanho a capacidade de carga é aumentada.

A tarefa da presente invenção é superar as desvantagens do estado da técnica.

A invenção é solucionada por um material composto laminado de acordo com a reivindicação 1, Além disso, a tarefa é solucionada através dos empregos de acordo com as reivindicações 9 e 10.

De forma surpreendente tem-se mostrado que, também sem a existência inicial de uma camada de níquel e estanho, lentamente se forma

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uma camada desse tipo. Durante o aquecimento do material composto laminado, como ocorre, por exemplo, na fase de entrada em buchas e mancais fabricados de material composto laminado de acordo com a invenção, o níquel difunde na camada de deslizamento constituída, em essência, de estanho. Deste modo, devido ao aumento da concentração de uma segunda fase dura contida na matriz de estanho de estanho e cobre e/ou de estanho e prata, forma-se lentamente uma superfície altamente resistente. Por meio da redução da espessura de camada de suporte aumenta-se a resistência à fadiga.

Em oposição ao estado da técnica, de acordo com o qual foram aplicadas camadas de níquel finas de 1 a 3 μίτι, que servem como bloqueio de difusão, a camada de níquel de acordo com a invenção forma uma fonte de níquel para a formação da camada de níquel e estanho não existente no início. A camada de níquel precisa ser mais espessa que 4 μηη, uma vez que, de outra forma, em virtude da difusão do níquel na camada de estanho, a camada de níquel pode ser completamente consumida. Isto podería levara dissolução das camadas de cobertura constituídas da liga de níquel e estanho e da camada de deslizamento de estanho. Até aqui foram evitadas o mais possível camadas de níquel mais espessas, uma vez que elas não possuem boas propriedades de deslizamento, e em caso de emergência podem permitir rapidamente o desgaste no metal do mancai que fica embaixo.

Os metais cobre e prata podem existir individualmente ou em combinação na matriz de estanho. Sua cota total deveria ser entre cerca de 0,5 e 20% em peso. De modo vantajoso, o teor total de cobre e/ou de prata deve ser entre 2 e 8% em peso.

A camada de deslizamento, de forma vantajosa, deve apresentar uma espessura de camada de cerca de 5 a 25 pm. Preferidas são as espessuras de camada de cerca de 4 a 8 μηη para a camada intermediária de níquel, e de cerca de 6 a 14 μηη para a camada de deslizamento. No caso de espessuras de camada nessas ordens de grandeza é assegurado que, nem a camada de níquel, nem a camada de deslizamento sobre base de estanho

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De forma vantajosa, no caso dos metais do mancai trata-se de ligas de alumínio e cobre, de estanho e cobre, de chumbo, estanho e cobre, de zinco e cobre, de silício, zinco e cobre, de silício, zinco e cobre, de alumínio, zinco e cobre, de ferro, alumínio e cobre ou de zinco e cobre. Preferidos são metais do mancai sobre base de cobre ou de alumínio, isto é, cuja cota de cobre ou de alumínio se situa entre 50 e 95% em peso.

Para a fabricação do material composto laminado, de acordo com a invenção, é aplicada a camada intermediária de níquel sobre um composto de aço e metal do mancai, em uma primeira etapa química ou eletroquímica. Depois a camada de deslizamento é depositada de um banho de galvanização de ácido alquil sulfônico binário ou ternário, com adição de agentes de umídificação não iônicos e ácidos alquilo sulfônicos livres. Na fabricação de mancais, inicialmente os mancais são pré-fabricados do composto de aço e metal do mancai, e em outras etapas, são aplicadas a camada intermediária de níquel e a camada de deslizamento.

O material composto laminado de acordo com a invenção apresenta a grande vantagem que, durante a entrada de mancais e buchas fabricados dele, sob as condições de operação, se forma uma camada de interdifusão de estanho e níquel por si, que aumenta a resistência ao desgaste. Ela não precisa ser aplicada separadamente, em uma etapa do processo individual. Existe a possibilidade de exigir a formação da camada de interdifusão através de envelhecimento artificial dos mancais deslizantes ou buchas. Nesse caso, tem-se comprovado particularmente um tratamento térmico em cerca de 150° a 170° C, que se estende ao longo de várias horas até a alguns dias.

O material composto laminado de acordo com a invenção é apropriado, em particular, para a fabricação de mancais principais do eixo de manivelas, e de mancais de biela, em particular, para o grande furo da biela.

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A invenção deve ser esclarecida, em detalhes, com auxílio de um exemplo e de figuras.

São mostrados:

figura 1 um corte através da camada de metal do mancai, da camada intermediária de níquel e da camada de deslizamento de um material composto laminado de acordo com a invenção;

figura 2 um corte através de um mancai constituído do material composto laminado de acordo com a invenção, após a fase de entrada e figura 3 a distribuição de elementos determinada pela análise de radiografia dispersiva de energia no mancai de acordo com a figura 2, na área lll-HI.

Sobre um mancai pré-fabricado de um composto de aço e de um metal do mancai de CuPb22Sn, após tratamento prévio correspondente é aplicada uma camada de bloqueio de difusão de níquel, de um eletrólito de níquel de Watt.

Sobre a camada intermediária de níquel produzida dessa forma, é depositada galvanicamente a camada de deslizamento sobre base de estanho. Para isto é empregado o seguinte sistema de eletrólito sobre base aquosa:

Sn²⁺ como metanossulfonato de estanho	30 - 45 g/l
Cu²⁺ como metanossulfonato de cobre	2 - 8 g/l
Ag⁺ como metanossulfonato de prata	0,1 -2 g/l
Ácido metano sulfônico	80-140 g/l
Adição N (Cerolyt BMM-T)	30 - 45 g/l
Resorcin	1,5 - 4 g/l
Como material anódico é empregado estanho. A temperatura de

banho para a deposição da camada de deslizamento se situa entre 20 - 40° O. Como densidade de corrente são empregados 1,5 - 3,0 χ 10'² A/m². A distância do anodo para o catodo se situa entre cerca de 300 - 400 mm. A relação de superfície do anodo para o catodo deveria ficar, em essência, em 1:1 (+/- 10%). A fim de afastar Sn⁴⁺ que surge continuamente o eletrólito precisa ser circulado em uma instalação de filtração.

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A figura 1 mostra a estrutura de camada de um material composto laminado obtido como descrito acima, com uma camada de deslizamento de estanho e cobre como figura em corte. Com 1, nesse caso, está designada a camada de deslizamento de estanho e cobre de uma espessura de 13,1 μιτι, com 2, a camada intermediária de níquel, de uma espessura de 4,9 μιτι e com 3, o metal do mancai de CuPb22Sn.

Nesse caso, o traçado limite entre as duas camadas 1 e 2 é esclarecido por uma linha clara.

Na figura 2 é mostrado um mancai do material composto laminado mostrado na figura 1, após o ajuste do estado de operação, isto é, após a fase de adaptação como figura em corte. Para isso, o mancai foi tratado termicamente durante 500 h a 150° C. Através da difusão formou-se a camada de níquel e estanho designada com 4, de uma espessura de 4,1 pm, que leva a uma superfície de deslizamento que pode ser mais carregada e mais resistente ao desgaste. Que se trata de uma camada de níquel e estanho, é constatado através dos resultados representados na figura 3 de uma análise de radiografia. As distâncias para o eixo X estão em concordância com as espessuras de camada correspondentes na área lll-lll na figura

2. A camada de deslizamento Γ e a camada de níquel 2 têm, então, espessuras menores de 10,2 μιτι e 3,3 μιτι.

Nesse caso, o traçado limite das duas camadas 1 ’ e 4 na figura 2 está evidenciado por uma linha clara.

Para a avaliação da capacidade de potência de mancais, que são fabricados do material composto laminado de acordo com a invenção, foram realizados testes de Underwood. Nesse caso, um eixo gira com pesos excêntricos em bielas de conexão montadas rigidamente. O apoio nas bielas de conexão é formado pelos mancais de teste. Os mancais de teste têm uma espessura de parede de 1,4 mm, e um diâmetro de 50 mm. Através da largura do mancai é ajustada a carga específica. O número de rotações é de 4000 rotações/min. Foram medidos continuamente a fadiga da camada de deslizamento e o desgaste depois de 250 h de rotação. Os resultados obtidos nesse teste estão apresentados na tabela 1 (exemplo números de 5 a

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8). Para a comparação, também estão indicados os valores, que são obtidos / $ com materiais de acordo com o estado da técnica (exemplos de 1 a 4).

Como pode ser depreendido dos resultados apresentados na tabela 1, os mancais do material composto laminado de acordo com a inven5 ção são superiores aos mancais tradicionais com uma camada de deslizamento sobre base de chumbo, com referência à fadiga da camada de deslizamento, ao desgaste e à carga máxima até o desgaste total. Até o mancai com uma camada de deslizamento de estanho pura (exemplo 5) é comparável com uma camada de níquel espessa quase aos mancais com camada de deslizamento contendo chumbo, e pode ser empregada para solicitações mais leves.

Tabela 1

De acordo com a invenção	00	. SnCu3Ag2	L0 <£	72,5	to	85 • ·
r-	SnAg3	LO ΙΩ	67,5	CO	82,5
CO	to Ξ5 O c co	4,5	70	to	LO CO
IO	Sn	LO	50	CM	65
Estado da técnica		Sn	-	35	Não mensurável	to
CO	CO Σ5 O xr v— c CO .Ω 0_	LO	65 I	σ>	80
CM	LO =5 O o x— C CO .Q Q_	CM	09	-	67,5
	CM Z3 O LO c CO 0.	X—	52,5	lf>	09
	Exemplo número	Composição	Espessura da camada de Ni em pm	Máx. carga em Mpa sem fadiga da camada de deslizamento	Desgaste em pm com 60 Mpa	Máx. carga em Mpa até desgaste total da camada de deslizamento

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Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Material composto laminado, em particular, para mancais deslizantes ou buchas, com uma camada de suporte, uma camada de metal do mancal (3) de uma liga de cobre ou de uma liga de alumínio, com uma camada intermediária de níquel (2) e uma camada de deslizamento (1), caracterizado pelo fato de que a camada deslizante (1) é maior do que 0 - 20% em peso de cobre e/ou de prata e o resto de estanho, e a espessura da camada da camada de níquel é de mais que 4 pm.

2. Material composto laminado de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que, a camada deslizante (1) apresenta pelo menos, 0,5 a 20% em peso de cobre e/ou de prata.

3. Material composto laminado de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que, a camada de deslizamento (1) é constituída de 2 a 8% em peso de cobre e/ou de prata e o resto de estanho.

4. Material composto laminado de acordo com uma das reivindicações de 1 a 3, caracterizado pelo fato de que, a espessura de camada da camada de deslizamento (1) é de 5 a 25 μ m.

5. Material composto laminado de acordo com uma das reivindicações de 1 a 4, caracterizado pelo fato de que, a espessura de camada da camada de deslizamento (1) é de 6 a 14 mm .

6. Material composto laminado de acordo com uma das reivindicações de 1 a 5, caracterizado pelo fato de que a espessura da camada de níquel é superior a 4 e chega até 6 pm.

7. Material composto laminado de acordo com uma das reivindicações de 1 a 6, caracterizado pelo fato de que a camada de metal do mancal (3) é constituída de uma liga de alumínio e cobre, de estanho e cobre, de chumbo, estanho e cobre, de zinco e cobre, de silício, zinco e cobre, de silício, zinco e cobre, de alumínio, zinco e cobre, de zinco e alumínio ou de ferro, alumínio e cobre.

8. Material composto laminado de acordo com uma das reivindicações de 1 a 7, que foi submetido a um processo de envelhecimento e entre a camada intermediário de níquel (2) e a camada de deslizamento (1') de 06/10/2017, pág. 5/9 apresenta uma camada de interdifusão (4) de estanho e níquel.

9. Material composto laminado de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado por integrar um mancal principal do eixo de manivelas.

5 10. Material composto laminado de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado por integrar um mancal de biela, em particular, no grande furo da biela.

Petição 870170076009, de 06/10/2017, pág.

6/9 ι-110 μηη hitt’ 1