BRPI0610282A2

BRPI0610282A2 - material composto para mancal de deslizamento, emprego e processo de fabricação

Info

Publication number: BRPI0610282A2
Application number: BRPI0610282-4A
Authority: BR
Inventors: Maik Wilhelm; Uwe Lehmann; Gerd Andler; Philippe Damour; Neil Graham
Original assignee: Federal Mogul Wiesbaden Gmbh
Priority date: 2005-05-13
Filing date: 2006-05-13
Publication date: 2010-06-08
Also published as: US20100323218A1; DE102005023307A1; US8241758B2; EP1885895B1; DE102005023307B4; EP1885895A2; KR101319814B1; KR20080017353A; WO2006120022A2; ATE478161T1; ES2348175T3; WO2006120022A3; WO2006120023A3; PL1885895T3; WO2006120023A2; DE502006007696D1; JP5154409B2; JP2008540838A

Abstract

A presente invenção refere-se a um material composto para mancal de deslizamento, com uma camada de suporte de uma liga de cobre e com uma camada de metal camada de deslizamento aplicada sobre a camada de suporte do mancal. A liga de cobre pode apresentar de 0,5 a 5% em peso de níquel, de 0,2 a 2,5% em peso de silício, = 0,1% em peso de chumbo. A camada de deslizamento pode ser uma camada de "sputter" (deposição em fase de vapor), que é aplicada sobre a camada intermediária. Também são indicados processos de fabricação.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MATERIALCOMPOSTO PARA MANCAL DE DESLIZAMENTO, EMPREGO E PROCESSO DE FABRICAÇÃO".

Descrição

A presente invenção refere-se a um material composto paramancai de deslizamento de acordo com a reivindicação 1. Além disso, a in-venção refere-se a um emprego e a processos de fabricação.

Da patente DE 44 15 629 C1 é conhecido o emprego de umaliga de cobre, níquel e silício para a fabricação de objetos resistentes aodesgaste com propriedades de operação de emergência como, por exem-plo, êmbolos de fundição de máquinas de fundição por pressão. A liga des-crita na patente DE 44 15 629 C1 é constituída de 1 a 4% de níquel, 0,1 a1,5% de silício e o resto de cobre, e é empregada como material maciço.

A patente U.S. 2.137.282 descreve uma liga de 0,1 a 30% deníquel, 0,05 a 3% de silício e o resto de cobre. Essa liga, depois do trata-mento térmico correspondente, caracteriza-se por grandes durezas e boascondutibilidades elétricas.

A patente U.S. 1.658.186 descreve uma liga de cobre, níquel esilício, sendo que, são discutidos detalhadamente os silicietos que atuamcomo partículas duras. Diversos processos de tratamento térmico são indi-cados para o ajuste da dureza.

Uma outra liga de cobre, níquel e silício encontra-se na patenteU.S. 2.241.815, sendo que a cota de níquel se situa de 0,5 a 5%, e a cotade silício de 0,1 a 2%.

A patente U.S. 2.185.958 descreve ligas de 1% de níquel, 3,5%de silício e o resto de cobre, bem como, de 1,5% de silício e 1% de níquel,bem como, o resto de cobre.

Da patente DE 36 42 825 C1 é conhecido um material paramancai de deslizamento constituído de 4 a 10% de níquel, de 1 a 2% de a-lumínio, de 1 a 3% de estanho e o resto de cobre, bem como, impurezasusuais, que deve apresentar uma alta resistência e uma grande durabilida-de. Desse material para mancai de deslizamento são fabricadas buchas dematerial maciço.

A patente GB 2384007 descreve um material composto paramancai de deslizamento com um dorso de aço, sobre o qual é aplicada umacamada de sinterização de uma liga de cobre, que apresenta uma durezade, no máximo, 130 HV. A liga de cobre apresenta de 1 a 11% em peso deestanho, até 0,2% em peso de fósforo, ho máximo 10% em peso de níquelou prata, no máximo 25% em peso de chumbo e bismuto.

Os materiais compostos para mancai de deslizamento, nosquais uma camada de deslizamento é aplicada por "sputter" (deposição emfase de vapor) sobre uma camada de metal do mancai, são providas de ca-madas intermediárias de níquel, de uma liga de níquel, de níquel e cromo,de zinco, ou de uma liga de zinco, como é descrito na patente DE 43 28 921A1. Se for empregada uma liga de Cu como liga do mancai, e se uma ligacontendo Sn for empregada para a camada superior, então, no decorrer dotempo, o Sn se difunde dentro da liga de Cu, pelo que o teor de Sn da ca-mada superior é reduzido. Ao mesmo tempo, é produzida uma liga de CuSnquebradiça na superfície de ligação, pelo que a resistência da ligação é re-duzida. Levando isso em consideração, a camada intermediária é formadade Ni ou de uma liga de Ni por meio de pulverização ou de borrifo ou pormeio de revestimento elétrico. A seguir, então, por separação de vapor éformada a camada superior, pelo que pode ser obtida uma ligação mais es-tável.

Camadas de bloqueio por difusão também são mencionadas napatente DE 28 53 774.

A patente DE 195 25 330 descreve um material da camada, noqual diretamente sobre um material de suporte é aplicado por "sputter" (de-posição em fase de vapor) um material do mancai. Como material de supor-te pode ser empregado um metal de suporte de aço, sobre o qual pode seraplicado o material do mancai sem outra camada intermediária. Mas tam-bém existe a possibilidade de empregar como material de suporte um mate-rial de suporte contendo cobre, em particular, de uma liga de cobre, chumboe estanho. Por exemplo, o material de suporte pode ser constituído deCuPb22Sn.

Se a cota de chumbo do material de suporte for da ordem degrandeza da cota de chumbo do material do mancai, então, entre os doismateriais não existe nenhuma queda de concentração ou existe apenasuma pequena queda de concentração, de tal modo que também não podemocorrer processos de difusão entre o material do mancai e o material de su-porte. Se o material de suporte apresentar uma concentração de chumbomais alta que o material do mancai, a migração do chumbo para a superfíciedo material do mancai é favorecida adicionalmente. A liga de cobre, chumboe estanho, que forma o material de suporte pode ser revestida por fundiçãosobre um metal de suporte de aço.

A tarefa da invenção é disponibilizar um material composto paramancai de deslizamento com camadas de deslizamento aplicadas por "sput-ter" (deposição em fase de vapor), que com respeito a suas propriedades deresistência e tribológicas seja comparável com os materiais compostos co-nhecidos, sendo que, independente da composição da camada de desliza-mento possam ser dispensadas as camadas de bloqueio por difusão. Tam-bém é uma tarefa indicar um emprego e processos de fabricação.

Essa tarefa é solucionada com um material composto paramancai de deslizamento de acordo com a reivindicação de patente 1.

Tem-se verificado que, nas ligas de cobre com cotas de níquel esilício solicitadas esses componentes podem atuar inibindo a difusão, emparticular, sobre alumínio e estanho, de tal modo que, quase não ocorreuma difusão. Uma difusão pequena nunca pode ser excluída, porém, nestecaso, se forma somente uma camada intermediária extremamente fina, quenão leva a um desprendimento da camada de deslizamento aplicada sobrea liga de cobre.

As outras vantagens dessas ligas de cobre consistem no fato deque, em relação a sua estrutura, e com isso, a suas propriedades mecâni-cas, elas podem ser ajustadas em uma vasta faixa. Por isso, é possível ajus-tar a resistência e as propriedades mecânicas de tal modo que, a liga decobre assuma a função do dorso de aço, que com isso, pode ser abolido. Aomesmo tempo, apesar da resistência necessária, essas ligas de cobre pos-suem propriedades de amortecimento extraordinárias.

Em virtude da dispensa do dorso de aço, a fabricação do ele-mento do mancai de deslizamento de um material composto para mancai dedeslizamento desse tipo é simplificada e, com isso, de custos mais vantajosos.

No caso dessas ligas, como particularmente vantajosa para oemprego como mancai dè deslizamento para motores altamente solicitados,tem-se comprovado a relação favorável entre módulo de E e a resistênciaajustável.

Uma outra vantagem consiste no fato de que, os coeficientestérmicos de dilatação das ligas de cobre estão na ordem de grandeza doscoeficientes térmicos de dilatação de alumínio, de tal modo que os casqui-lhos do mancai de deslizamento do material composto de acordo com a in-venção podem ser empregados, de preferência, em carcaças de alumínio.Por isso em altas temperaturas, como sempre, é assegurado um bom as-sento de pressão.

O ajuste da resistência da liga de cobre ocorre, de preferência,por meio de um tratamento termomecânico, em particular, por meio de lami-nação e de recozimento.

O processo de fabricação de acordo com a invenção de materialem tira para o material composto para mancai de deslizamento prevê as e-tapas do processo seguintes:

Fabricação de material em tira de uma liga de cobre, níquel esilício, com tratamento termomecânico em seguida, com as etapas seguintes:

um primeiro recozimento do material em tira em temperaturasmaiores que 500° C por, pelo menos, 3 horas, pelo menos, uma primeiralaminação do material em tira, sendo que, é realizado um grau de remode-lagem de, pelo menos 20%, pelo menos, um segundo recozimento em tem-peraturas maiores que 500°C e, pelo menos, uma segunda laminação domaterial em tira, sendo que, é realizado um grau de remodelagem de maisque 30%.

De preferência, o segundo recozimento é realizado continua-mente em uma instalação de recozimento de tira com uma velocidade deavanço de, pelo menos, 3 m/min, em particular, de 3 a 5 m/min em tempera-turas>500°C.

Por meio da segunda etapa de laminação a resistência do mate-rial em tira é ajustada, sendo que, de preferência, são realizados valores deresistência à tração, de preferência, de 550 a 750 MPa.

Depois do tratamento termomecânico a estrutura caracteriza-sepor uma estrutura da matriz em forma de linhas, sendo que, dentro dessaestrutura de linhas existem precipitações finas, intermetálicas distribuídas demaneira uniforme sobre base de NiSi.

Os valores de resistência à tração mencionados se situam niti-damente acima daqueles do aço do material composto de aço, que já iria sedeformar plasticamente com solicitação menor, o que leva a um aumento dafolga do mancai de deslizamento fabricado do material composto do mancai,e a uma perda das propriedades de amortecimento. A vantagem das ligasde cobre de acordo com a invenção consiste no fato de que, o limite dé es-coamento pode ser aumentado na medida que, no caso de alta solicitaçãodo mancai as propriedades elásticas podem ser mantidas.

Em geral, a espessura do material em tira inicial, bem como, àespessura final do material em tira é especificada. Por isso, a fim de poderobter valores de resistência diferentes, de preferência, a primeira laminaçãoé realizada com graus de remodelagem de tal modo que, durante a segundalaminação, os valores de resistência desejados são ajustados. Isso significaque, por exemplo, para a obtenção de altos valores de resistência, durante aprimeira laminação, é realizada só uma pequena redução de espessura, en-quanto que para valores de resistência mais baixos, já são obtidos altosgraus de remodelagem.

Para a fabricação de elementos de mancai de deslizamento,depois da divisão longitudinal da tira, do material em tira são separadas pla-tinas, e as platinas são remodeladas em elementos de mancai de desliza-mento por meio de etapas de remodelagem conhecidas. O processo que seencerra apresenta, de preferência, o processamento de superfícies de desli-zamento e a aplicação da camada de deslizamento.

A camada de deslizamento é aplicada por meio de um processode PVD, em particular, de "sputter" (deposição, em fase de vapor). Eventu-almente, sobre a camada de deslizamento ainda é aplicada uma camada deentrada.

Através da camada de deslizamento, as propriedades tribologi-cas do material composto são ajustadas.

Na liga de cobre, níquel e silício a cota de níquel se situa de 0,5a 5% em peso, de preferência, de 1,0 a 3,0% em peso, em particular, de 1,5a 2,2% em peso, e a cota de silício se situa de 0,2 a 2,5% em peso, de pre-ferência, de 0,4 a 1,2% em peso ou de 0,5 a 1,5% em peso.

A liga de cobre, níquel e silício pode apresentar de 0,05 a 2,0%em peso de manganês, de preferência, de 0,15 a 1,5% em peso.

Tem-se mostrado que, em uma relação de peso de níquel parasilício entre 2,5 e 5 (níquel : silício = 2,5 até 5) as propriedades tribologicaspodem ser melhoradas, em particular, uma corrosão do material do mancaipode ser nitidamente reduzida. No caso dessas relações de peso, as ligasde níquel e silício responsáveis pelas boas propriedades tribologicas sãofavorecidas e formadas em medida suficiente.

As ligas de cobre podem apresentar outros elementos de micro-liga. A camada de suporte apresenta, de preferência, de 0,05 a 0,4% empeso, de preferência, de 0,075 a 0,25% em peso de, pelo menos, um ele-mento de microliga. Como elementos de microliga são empregados, por e-xemplo, cromo, titânio, zircônio, estanho e magnésio individualmente ou emcombinação.

As camadas de "sputter" (deposição em fase de vapor) sãoconstituídas, de preferência, de uma liga de alumínio e estanho, de uma ligade alumínio, estanho e silício, de uma liga de alumínio, estanho e cobre, deuma liga de alumínio, estanho, silício e cobre ou de uma liga de alumínio,estanho, níquel e manganês.De preferência, nessas ligas a cota de estanho é de 8 a 40% empeso, a cota de cobre é de 0,5 a 4,0% em peso, a cota de silício é de 0,02 a5,0% em peso, a cota de níquel é de 0,02 a 2,0% em peso, e a cota demanganês é de 0,02 a 2,5% em peso.

Tem-se mostrado que, com essas camadas de "sputter" (depo-sição em fase de vapor), em combinação com as ligas de cobre solicitadas,não se formam quaisquer fases quebradiças, que levam à reposição da ca-mada de deslizamento. Por isso pode ser renunciado a uma camada inter-mediária, pelo que são obtidas economias de custos consideráveis.

A espessura da camada de suporte é, de preferência, de 1,2 a 4mm, de preferência, de 1,3 a 3,5 mm, em particular, de 1,4 a 3,0 mm.

A espessura da camada de deslizamento é, de preferência, de 4a 30 um, de preferência, de 8 a 20 um, em particular, de 10 a 16 um.

A espessura da camada de entrada está situada em 0,2 a 12um, de preferência, em 0,2 a 6 um, em particular, em 0,2 a 3 um.

Empregos preferidos do material composto para mancai de des-lizamento são aqueles para casquilhos do mancai de deslizamento.

Ligas de cobre exemplares são:

Tabela 1 (Indicações em % em peso)

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

- fundição contínua de uma liga de cobre, por exemplo, fundiçãocontínua dupla com uma largura de 300 mm e uma espessura de 10 mm,para a fabricação de material em tira;

- fresagem em ambos os lados e enrolamento em seguida domaterial em tira.

Segue, então, uma primeira etapa de recozimento em um fornode campânula em 6509C por 4 horas. Em seguida a isto, é executada umaprimeira laminação com 3 etapas de laminação. Em todas as três etapas delaminação é realizada uma remodelagem de 31%, sendo que, na primeiraetapa de laminação é realizada a espessura para 5,5 mm, na segunda etapade laminação, para 3,8 mm, e na terceira etapa de laminação, para 2,6 mm.

Em seguida, em uma instalação de recozimento de tira, a tira érecozida em 650-C com uma velocidade de avanço de 4 m/min. A esta sesegue uma segunda laminação com uma etapa de laminação, com um graude remodelagem de 40%, sendo que, a espessura é reduzida para 1,56 mm.Em seguida ocorre uma divisão longitudinal com dimensões de 95 mm delargura x 1,56 mm de espessura.

Exemplos para camadas de "sputter" (deposição em fase devapor) estão reunidos na tabela 2.

Tabela 2 (Indicações em % em peso)

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Todas as camadas de deslizamento mencionadas podem sercombinadas com as camadas de suporte de ligas de cobre.

Como camadas de entrada sobre estas combinações de cama-das podem ser empregadas camadas puras de estanho ou de índio, bemcomo, todas as camadas galvânicas e de material sintético mencionadas,sendo que, a camada de entrada deve ser selecionada, de preferência, maismacia que a camada de deslizamento empregada.

Claims

1. Material composto para mancai de deslizamento, com umacamada de suporte apresentando uma liga de cobre de 0,5 a 5% em pesode níquel, 0,2 a 2,5% em peso de silício, ^ 0,1% em peso de chumbo, e oresto de cobre e com uma camada de deslizamento aplicada sobre a cama-da de suporte por meio de um processo de PVD.

2. Material composto para mancai de deslizamento de acordocom a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que, a liga de cobre apre-senta de 0,05 a 2% em peso de manganês.

3. Material composto para mancai de deslizamento de acordocom a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que, a relação de pe-so de níquel para silício se situa entre 2,5 e 5.

4. Material composto para mancai de deslizamento de acordocom uma das reivindicações de 1 a 3, caracterizado pelo fato de que, a ca-mada de suporte apresenta de 0,05 a 0,4% em peso de elementos de mi-croliga.

5. Material composto para mancai de deslizamento de acordocom a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que, os elementos dé mi-croliga são cromo, titânio, zircônio, estanho e/ou magnésio.

6. Material composto para mancai de deslizamento de acordocom uma das reivindicações de 1 a 5, caracterizado pelo fato de que, a ca-mada de deslizamento é aplicada por meio de "sputter" (deposição em fasede vapor).

7. Material composto para mancai de deslizamento de acordocom a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que, a camada de "sputter"(deposição em fase de vapor) é constituída de uma liga de alumínio e esta-nho, de uma liga de alumínio, estanho e silício, de uma liga de alumínio, es-tanho e cobre, de uma liga de alumínio, estanho, silício e cobre ou de umaliga de alumínio, estanho, níquel e manganês.

8. Material composto para mancai de deslizamento de acordocom a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que, nas ligas a cota deestanho é de 8 a 40% em peso, a cota de cobre é de 0,5 a 4,0% em peso, acota de silício é de 0,02 a 5,0% em peso, a cota de níquel é de 0,02 a 2,0%em peso, e a cota de manganês é de 0,02 a 2,5% em peso.

9. Material composto para mancai de deslizamento de acordocom uma das reivindicações de 1 a 8, caracterizado pelo fato de que, sobrea camada de deslizamento está prevista uma camada de entrada.

10. Material composto para mancai de deslizamento de acordocom a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que, a camada de entradaé executada como camada de estanho, de chumbo, de cobre ou de índio,ou como camada de material sintético.

11. Material composto para mancai de deslizamento de acordocom uma das reivindicações de 1 a 10, caracterizado pelo fato de que, aespessura da camada de suporte é de 1,2 a 4 mm.

12. Material composto para mancai de deslizamento de acordocom uma das reivindicações de 1 a 11, caracterizado pelo fato de que, aespessura da camada de deslizamento é de 4 a 30 |xm.

13. Material composto para mancai de deslizamento de acordocom uma das reivindicações de 9 a 12, caracterizado pelo fato de que, aespessura da camada de entrada é de 0,2 a 12 |j,m.

14. Emprego de um material composto para mancai de desliza-mento como definido na reivindicação 1 para casquilhos de mancai de desli-zamento.

15. Processo para a fabricação de material em tira, em particu-lar, para elementos de mancai de deslizamento, como por exemplo, casqui-lhos de mancai de deslizamento, com as etapas de processo seguintes:- fabricação de material em tira de uma liga de cobre de acordocom a reivindicação 1,- tratamento termomecânico do material em tira com as seguin-tes etapas:- pelo menos, um primeiro recozimento do material em tira emuma temperatura maior que 550°C por, pelo menos, 3 horas- pelo menos, uma primeira laminação do material em tira, sen-do que, é realizado um grau de remodelagem de, pelo menos, 20%,- pelo menos, um segundo recozimento em uma temperaturamaior que 500°C e- pelo menos, uma segunda laminação do material em tira, sen-do que, é realizado um grau de remodelagem de mais que 30%.

16. Processo de acordo com a reivindicação 15, caracterizadopelo fato de que, o segundo recozimento é realizado continuamente em umainstalação de recozimento de tira com uma velocidade de avanço de, pelomenos, 3 m/min em temperaturas > 500° C.

17. Processo para a fabricação de elementos de mancai de des-lizamento, em particular, de casquilhos de mancai de deslizamento, caracte-rizado pelo fato de que, é fabricado um material de tira de acordo com a rei-vindicação 15 ou 16,pelo fato de que, do material de tira são separadas platinas,pelo fato de que, essas platinas são remodeladas em elementosde mancai de deslizamento epelo fato de que, é aplicada uma camada de deslizamento.

18. Processo de acordo com a reivindicação 17, caracterizadopelo fato de que, após o "sputter" (deposição em fase de vapor) da camadade deslizamento é aplicada uma camada de entrada.