BRPI0610276A2

BRPI0610276A2 - material composto de mancal deslizante, emprego e processo de produção do mesmo

Info

Publication number: BRPI0610276A2
Application number: BRPI0610276-0A
Authority: BR
Inventors: Gerd Andler
Original assignee: Federal Mogul Wiesbaden Gmbh
Priority date: 2005-05-13
Filing date: 2006-05-13
Publication date: 2010-06-08
Also published as: KR101319724B1; EP1883713A1; JP2008540837A; DE102005063325B4; WO2006120018A1; PL1883713T3; WO2006120017A1; ES2374967T3; EP1883713B1; DE102005063325A1; US20100068557A1; JP5284083B2; KR20080014859A; ATE531829T1

Abstract

A presente invenção refere-se a um material composto de mancal deslizante com uma camada de suporte de aço, uma camada de metal de mancal de uma liga de cobre, com um revestimento aplicado a camada de metal de mancal. A liga de cobre pode conter 0,5 - 5% em peso de níquel, 0,2 - 2,5% em peso de silício, <243> 0,1% em peso de chumbo. A camada deslizante pode ser uma camada pulverizada, que é aplicada sem camada intermediária. São também indicados processos de produção.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MATERIALCOMPOSTO DE MANCAL DESLIZANTE, EMPREGO E PROCESSO DE PRODUÇÃO DO MESMO".

A presente invenção refere-se a um material composto de man-cal deslizante conforme reivindicação 1. Refere-se, além disso, a invenção aum emprego e processo de produção do mesmo.

Da DE 44 15 629 C1 é conhecido o emprego de uma liga de co-bre-níquel-silício para a produção de objetos resistentes a desgaste compropriedades de emergência, como por exemplo embolo de fundição de má-quinas de moldagem à pressão. A liga descrita na DE 44 15 629 C1 consisteem 1 - 4% de níquel, 0,1 - 1,5% de silício e o restante de cobre e é empre-gada como material maciço.

A US 2.137.282 descreve uma liga de 0,1 - 30% de níquel, 0,05- 3% de silício e o restante de cobre. Essa liga se destaca após correspon-dente tratamento térmico por grandes durezas e boas propriedades elétricasde condução.

A US 1.658.186 descreve uma liga de cobre-níquel-silício, sendominuciosamente discutidos silicetos atuando como partículas duras. Diver-sos processos de tratamento térmico são indicados para o ajuste da dureza.

Uma outra liga de cobre-níquel-silício se encontra na US2.241.815, situando-se a fração de níquel em 0,5 - 5% e a de silício em 0,1-2%.

A US 2.185.958 descreve ligas de 1% de níquel, 3,5% de silícioe o restante de cobre bem como de 1,5% de silício e 1% de níquel bem co-mo o restante de cobre.

Da DE 36 42 825 C1 é conhecido um material de mancai desli-zante consistindo em 4 a 10% de níquel, 1 - 2% de alumínio, 1 - 3% de es-tanho e o restante de cobre bem como impurezas usuais, que deve apresen-tar uma alta resistência e longa vida útil. Desse material de mancai deslizan-te são produzidas buchas de material maciço.

A GB 2384007 descreve um material composto de mancai desli-zante com um verso de aço, sobre o qual está disposta uma camada sinteri-zada de um liga de cobre, que apresenta uma dureza de no máx. 130 HV. Aliga de cobre apresenta 1 - 11 % em peso de estanho, até 0,2% em peso defósforo, no máx. 10% em peso de níquel ou prata, no máx. 25% em peso dechumbo e bismuto.

Materiais compostos de mancai desjizante, em que uma camadadeslizante está aplicada sobre uma,camada de metal de mancai, são provi-dos de camadas intermediárias de níquel, de um liga de níquel, de níquel-cromo, de zinco ou de uma liga de zinco, como descrito na DE 43 28 921 A1.

Quando uma liga de Cu é empregada como liga de mancai, e quando umaliga contendo Sn é empregada para a camada mais superior, o Sn é entãodifundido ao longo do tempo para dentro da liga de Cu, sendo assim reduzi-do o teor de Sn da camada mais superior. Ao mesmo tempo é produzida umfrágil composto de CuSn na superfície do composto, sendo assim reduzida aresistência da união. Em vista disso, a camada intermediária de Ni ou deuma liga de Ni sobre a liga de mancai é formada por injeção ou borrifação oupor chapeamento elétrico. Sobre ela é então formada por separação a vaporda camada mais superior, podendo ser obtida assim uma ligação mais está-vel.

Camadas de bloqueio da difusão são mencionadas também naDE 28 53 774.

A DE 195 25 330 descreve um material estratificado, em quediretamente sobre um material de suporte é aplicado um material de mancai.Como material de suporte pode ser empregado um metal protetor de aço,sobre o qual o material de mancai pode ser aplicado sem outra camada in-termediaria. Mas também há a possibilidade de empregar como material desuporte um material de suporte contendo cobre, especialmente de uma ligade cobre-chumbo-estanho. Por exemplo, o material de suporte pode consistirem CuPb22Sn.

Quando a fração de chumbo do material de suporte se situa naordem de grandeza da fração de chumbo do material de mancai, entre am-bos os materiais não há ou há apenas uma ligeira queda de concentração,de modo que tampouco podem ocorrer processos de difusão entre o materialde mancai e o material de suporte. Quando o material de suporte apresentauma concentração de chumbo superior ao material de mancai, a migraçãodo chumbo na superfície do material de mancai é adicionalmente favorecida.A liga de cobre-chumbo-estanho, que forma o material de suporte, pode serchapeada por fundição sobre um metal protetor de aço.

Constitui objetivo da invenção disponibilizar um material com-posto de mancai deslizante com camadas deslizantes aplicadas por pulveri-zação, que no tocante a suas propriedades de resistência e tribológicas écomparável com os conhecidos materiais compostos, podendo-se dispensarcamadas de difusão independentemente da composição da camada desli-zante. Constitui objetivo também indicar um emprego e um processo de pro-dução.

Esse objetivo é alcançado com um material composto de mancaisegundo a reivindicação 1.

Verificou-se que nas ligas de cobre reivindicadas com frações deníquel e silício esses componentes atuam bloqueando a difusão, especial-mente em alumínio e estanho, de modo que quase não há uma difusão.Uma pequena difusão jamais pode ser excluída, formando-se contudo entãoporém apenas uma camada intermediária extremamente fina, que não levaao desprendimento da camada deslizante aplicada sobre a liga de cobre.

Comprovou-se que ligas de cobre com níquel-silício podem serajustadas dentro de uma ampla faixa com relação a suas propriedades me-cânicas e tribológicas, de modo que é possível uma adaptação às proprie-dades requisitadas.

O verso do aço garante, graças à sua resistência, o necessárioassento prensado, de modo que a estrutura da textura do material de mancaipode ser ajustada independentemente dos requisitos de resistência. As ligasde cobre reivindicadas podem assim por exemplo ser de tal maneira configu-radas relativamente à sua estrutura de textura que, no que concerne à resis-tência e dureza bem como às propriedades tribológicas, como o comporta-mento de grimpagem, se situa, numa faixa comparável a mancais de chum-bo-bronze clássicos.No total, a faixa de emprego do material composto de mancaideslizante é essencialmente ampliada.

Os materiais compostos com verso de aço, devido a seu coefici-ente térmico de dilatação, também proporcionam vantagens em casos deaplicação com caixas de aço.

O ajuste das propriedades tribológicas do metal de mancai é fei-to, de preferência, por um tratamento termomecânico, especialmente porlaminação e recozimento.

Tal tratamento termomecânico do material composto pode serconfigurado de tal maneira que não prejudique as propriedades do aço ne-cessárias para a peça pronta.

O processo de produção de acordo com a invenção prevê asseguintes etapas de processo segundo uma primeira alternativa.

Produção de material de tira de uma liga de cobre-níquel-silício echapeamento por laminação do material em tira sobre uma camada de su-porte de aço para produção de um composto. Ocorre então uma transforma-ção do metal de mancai e/ou do aço de 50 - 70%.

O tratamento termomecânico subseqüente prevê as seguintesetapas:

- primeiro recozimento do composto a 550 °C até 700 °C por 2 a5 horas, ao menos uma primeira laminação do composto, obtendo-se umgrau de transformação de 20 a 30%,

- ao menos um segundo recozimento a 500 °C - 600 °C por mais1 h,

- eventualmente uma segunda laminação do composto, obtendo-se um grau de transformação de no máx. 30%, com um terceiro recozimentoseguinte a temperaturas > 500 °C por ao menos 1 h.

Segundo uma outra alternativa, a liga de cobre é aplicada sobrea camada de suporte e sinterizada ou fundida.

Por meio da primeira ou da segunda etapa de laminação emcombinação com o recozimento subseqüente é ajustado o limite de estira-mento do metal de mancai, situando-se de preferência o limite de estiramen-to do metal de mancai em 150 a 250 MPa.

Quando a medida final foi atingida depois do segundo recozi-mento, é encerrado o tratamento termomecânico. O limite de estiramento é,nesse caso, ajustado pela primeira laminação e pelo segundo recozimento.

Quando a medida final não foi atingida depois do segundo reco-zimento, seguem-se a segunda laminação e uma terceira etapa de recozi-mento, sendo ajustado o limite de estiramento para o valor indicado.

A textura depois do tratamento termomecânico se destaca porfinas precipitações intermetálicas, uniformemente isotropicamente distribuí-das, à base de NiSi dentro da matriz de cobre.

O mencionado limite de estiramento do metal de mancai se situanitidamente aquém daquele de aço, o que é possível porque a camada desuporte de aço prove aqui o requerido assento prensado. A vantagem dosmateriais compostos de acordo com a invenção reside em que o limite deestiramento do metal de mancai pode ser reduzido até que sejam alcança-das as propriedades tribológicas desejadas, especialmente a capacidade deadaptação da camada de metal de mancai, isto é, que não ocorre ou ocorreapenas um desgaste apenas ligeiro do contra-suporte.

Para a produção de elementos de mancai deslizante do compos-to depois da divisão longitudinal são separadas platinas e as platinas sãotransformadas por etapas de transformação conhecidas em elementos demancai deslizante. O processo de conclusão é, de preferência, a usinagemdo mancai deslizante e a aplicação da camada deslizante.

A camada deslizante é aplicada por meio de um processo PVD,especialmente por meio de ação iônica. Eventualmente, sobre a camadadeslizante é aplicada ainda uma camada de implementação.

Pela camada deslizante são ainda mais aperfeiçoadas as propri-edades tribológicas do material composto.

Na liga de cobre-níquel-silício a fração de níquel se situa em 0,5- 5% em peso, de preferência em 1,0 a 3,0% em peso, especialmente em1,5 a 2,2% em peso, e a fração de silício em 0,2 - 2,5%, de preferência em0,4 a 1,2% em peso ou em 0,5 a 1,5% em peso.A liga de cobre-níquel-silício pode apresentar 0,05 - 2,0% empeso de manganês, de preferência 0,15-1,5% em peso.

Verificou-se que, com uma relação em peso de níquel para silí-cio entre 2,5 e 5 (níquehsilício = 2,5 a 5), as propriedades tribológicas podemser aperfeiçoadas; especialmente pode ser nitidamente reduzida uma grim-pagem do material do mancai. A essas relações em peso, são favorecidos eformados em medida suficiente os compostos de níquel-silício responsáveispelas boas propriedades tribológicas.

As ligas de cobre podem apresentar outros microelementos deliga. De preferência, a camada de suporte apresenta 0,05 - 0,4% em peso,de preferência 0,075 a 0,25% em peso, de ao menos um microelemento deliga. Como microelementos de liga vêm ao caso, por exemplo, cromo, titânio,zircônio, zinco e magnésio individualmente ou em combinação.

De preferência entre a camada de metal de mancai e a camadade suporte existe eventualmente por uma camada intermediária uma ligaçãode chapeamento por laminação. Para a camada intermediária pode ser em-pregado cobre ou uma liga de cobre, como por exemplo uma liga de cobre-zinco ou uma liga de cobre-estanho.

A camada de metal de mancai pode também ser uma camadasinterizada ou uma camada fundida, sendo empregadas temperaturas desinterização entre 600°C e 800°C por 10-30 min ou temperaturas de fundi-ção de 1000°C a 1250°C. No processo de sinterização está integrado umprimeiro recozimento.

Camadas pulverizadas consistem, de preferência, em uma ligade alumínio-estanho, liga de alumínio-estanho-silício, liga de alumínio-esta-nho-cobre, uma liga de alumínio-estanho-silício-cobre ou uma liga de alumí-nio-estanho-níquel-manganês.

De preferência nessas ligas a fração de estanho importa em 8 -40% em peso, a fração de cobre em 0,5 - 4,0% em peso, a fração de silícioem 0,02 - 5,0% em peso, a fração de níquel em 0,02 - 2,0% em peso e afração de manganês em 0,02 - 2,5% em peso.

Verificou-se que, nessas camadas pulverizadas, em combinaçãocom as ligas de cobre reivindicadas não se formam fases frágeis, que levamao desprendimento da camada deslizante. Por isso, se pode dispensar acamada intermediária, obtendo-se assim consideráveis economias de custo.

A espessura da camada de metal de mancai se situa de prefe-rência em 0,1 - 0,8 mm, de preferência em 0,1 - 0,5 mm, especialmente em0,15-0,35 mm.

A espessura da camada deslizante importa de preferência em 4- 30 um, de preferência em 8 - 20 u,m, especialmente em 10-16 u.m.

A espessura da camada de difusão se situa em 0,2 - 12 u.m, depreferência em 0,2 a 6 fim, especialmente em 0,2 a 3 ^im.

Empregos preferidos do material composto de mancai deslizantesão para casquilhos de mancai deslizante.

Ligas de cobre a título de exemplo são:

<table>table see original document page 8</column></row><table>

Um processo a título de exemplo prevê as seguintes etapas deprocesso:

- fundição contínua de uma liga de cobre, especialmente fundi-ção contínua dupla, com uma largura de 300 mm e uma espessura de 10mm para produção de material em tira;

- fresagem bilateral e subseqüente bobinagem do material emtira;

- operações de laminaçao e recozimento até à medida de cha-peamento de laminaçao.

O material de tira é aplicado pré-tratado mecanicamente, porexemplo mediante escovação e por meio de chapeamento por laminaçao,sobre a tira de aço. A tira de aço tem a largura de 300 mm e a espessura de4,5 mm. O chapeamento por laminação com a liga de cobre conduz a umgrau de deformação correspondente a 50 - 75%.

Segue-se então uma primeira etapa de recozimento em um for-no de campânula a 550°C por 2 horas. Em seguida, é realizada uma primei-ra laminação em uma etapa de laminação, ocorrendo uma redução de es-pessura do composto em 28%, o que corresponde à medida final.

Em seguida, o composto é recozido a 550°C por 2 h. Depois o-corre uma divisão longitudinal com dimensões de 95 mm de largura x 1,56mm de espessura.

O limite de estiramento do metal de mancai se situa, nesse e-xemplo, em cerca de 150-170 MPa.

Segundo uma outra variante de processo, a liga de cobre é dis-persa como pó sobre a tira de aço e sinterizada por ao menos uma operaçãode sinterização a 680°C por 10-20 min em atmosfera de gás protetor.

Segundo uma outra alternativa de processo, a liga de cobre éfundida com uma temperatura de 1000°C até 1250°C sobre a tira de aço,que é de preferência préaquecida a mais 1000°C. Em seguida, ocorre umresfriamento para menos de 100°C dentro de í a 5 min, especialmente em 2a 4 min.

As etapas seguintes de laminação e recozimento correspondemà alternativa de chapeamento por laminação.

Exemplos de camadas pulverizadas estão reunidos na tabela 2.

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Todas as camadas deslizantes mencionadas podem ser combi-nadas com as camadas de metal de mancai das ligas de cobre bem comocom as camadas de difusão.Como camadas de difusão nessas combinações de camada po-dem ser empregadas meras camadas de estanho ou índio, bem como todasas mencionadas camadas galvânicas e de plástico, devendo a camada dedifusão ser selecionada de preferência mais macia do que a camada desli-zante empregada.

Claims

1. Material composto de mancai deslizante com uma camada de

suporte de aço, uma camada de metal de mancai de uma liga de cobre, a-presentando 0,5 - 5% em peso de níquel, 0,2 - 2,5% em peso de silício, <- 0,1% em peso de chumbo e o restante cobre e.com uma camada deslizanteaplicada diretamente sobre a camada dé metal de mancai por meio de umprocesso PVD.

2. Material composto de mancai deslizante de acordo com a rei-vindicação 1, caracterizado pelo fato de que a liga de cobre apresenta 0,05 --2% em peso de manganês.

3. Material composto de mancai deslizante de acordo com a rei-vindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a relação em peso de ní-quel para silício se situa entre 2,5 e 5.

4. Material composto de mancai deslizante de acordo com umadas reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que a camada de metalde mancai apresenta 0,05 - 0,4% em peso de microelementos de liga.

5. Material composto de mancai deslizante de acordo com a rei-vindicação 4, caracterizado pelo fato de que os microelementos de liga sãocromo, titânio, zircônio, zinco e/ou magnésio.

6. Material composto de mancai deslizante de acordo com umadas reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que entre a camada demetal de mancai e a camada de suporte existe eventualmente por uma ca-mada intermediária uma ligação de chapeamento por laminação.

7. Material composto de mancai deslizante de acordo com umadas reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que a camada de metalde mancai é uma camada sinterizada.

8. Material composto de mancai deslizante de acordo com umadas reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que a camada de metalde mancai é uma camada fundida.

9. Material composto de mancai deslizante de acordo com umadas reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que a camada deslizanteé aplicada por meio de pulverização.

10. Material composto de mancai deslizante de acordo com rei-vindicação 9, caracterizado pelo fato de que a camada de pulverização con-siste em uma liga de alumínio-estanho, liga de alumínio-estanho-silício, ligade alumínio-estanho-cobre, uma liga de alumínio-estanho-silício-cobre ouuma liga de alumínio-estanho-níquel-manganês.

11. Material composto de mancai deslizante de acordo com rei-vindicação 10, caracterizado pelo fato de que nas ligas a fração de estanhoimporta em 8 - 40% em peso, a fração de cobre em 0,5 - 4,0% em peso, afração de silício em 0,02 - 5,0% em peso, a fração de níquel em 0,02 - 2,0%em peso e a fração de manganês em 0,02 - 2,5% em peso.

12. Material composto de mancai deslizante de acordo com umadas reivindicações 1 a 11, caracterizado pelo fato de que sobre a camadadeslizante está prevista uma camada de difusão.

13. Material composto de mancai deslizante de acordo com rei-vindicação 12, caracterizado pelo fato de que a camada de difusão é execu-tada como camada de estanho, chumbo, cobre ou índio ou como camada deplástico.

14. Material composto de mancai deslizante de acordo com umadas reivindicações 1 a 13, caracterizado pelo fato de que a espessura dacamada de metal de mancai importa em 0,1 - 0,8 mm.

15. Material composto de mancai deslizante de acordo com umadas reivindicações 1 a 14, caracterizado pelo fato de que a espessura dacamada deslizante importa em 4 - 30 u.m.

16. Material composto de mancai deslizante de acordo com umadas reivindicações 12 a 15, caracterizado pelo fato de que a espessura dacamada de difusão se situa em 0,2 - 12 |im.

17. Emprego de um material composto de mancai deslizantecomo definido na reivindicação 1, para casquilhos de mancai deslizante.

18. Processo para produção de mancai composto de mancaideslizante especialmente para elementos de mancai deslizante, como cas-quilhos de mancai deslizante, com as seguintes etapas de processo:- produção de material de tira de uma liga de cobre como defini-da na reivindicação 1, e chapeamento por laminação do material de tira e-ventualmente com emprego de uma camada intermediária sobre uma cama-da de suporte de aço para produção de um composto,- tratamento termodinâmico do composto com as seguintes etapas:- ao menos um primeiro recozimento do composto a 550°C - 700°C por 2 a 5 horas,- ao menos uma primeira laminação do composto, obtendo-seum grau de transformação de 20 a 30%,- ao menos um segundo recozimento a 500°C - 600°C por mais de 1 h.

19. Processo para produção de mancai composto de mancaideslizante especialmente para elementos de mancai deslizante, como cas-quilhos de mancai deslizante, com as seguintes etapas de processo:- aplicação de uma liga de cobre como definida na reivindicação 1, sobre uma camada de suporte de aço para produção de um composto,- sinterização do composto, sendo um primeiro recozimento in-tegrado no processo de sinterização,- tratamento termomecânico do composto com as seguintes etapas:- ao menos uma primeira laminação do composto, sendo obtidoum grau de transformação de 20 - 30%,- ao menos um segundo recozimento a 500°C - 600°C por maisde 1 h.

20. Processo para produção de mancai composto de mancaideslizante especialmente para elementos de mancai deslizante, como cas-quilhos de mancai deslizante, com as seguintes etapas de processo:- fundição de uma liga de cobre como definida na reivindicação 1, sobre uma camada de suporte de aço para produção de um composto,- tratamento termomecânico do composto com as seguintes etapas:- ao menos um primeiro recozimento do composto a 550°C --700°C por 2 a 5 horas;- ao menos uma primeira laminação do composto, sendo obtidoum grau de transformação de 20 - 30%,- ao menos um segundo recozimento a 500°C - 600°C por maisde 1 h.

21. Processo de acordo com uma das reivindicações 18 a 20,caracterizado pelo fato de que depois do segundo recozimento se segueuma segunda laminação com um grau de transformação de no máx. 30%com um terceiro recozimento subseqüente a temperaturas > 500°C por aomenos 1 h.

22. Processo para produção de elementos de mancai deslizante,especialmente casquilhos de mancai deslizante, caracterizado pelo fato deque é produzido um composto como definido em uma das reivindicações 18a 21, do composto são separadas platinas, essas platinas são transformadaspara elementos de mancai deslizante e uma camada deslizante é aplicadapor pulverização.

23. Processo de acordo com a reivindicação 22, caracterizadopelo fato de que depois da pulverização da camada deslizante é aplicadauma camada de difusão.