ES2288232T3 - Capa aplicada por proyeccion de plasma para superficies de deslizamiento de cilindro de bloques de motor. - Google Patents

Capa aplicada por proyeccion de plasma para superficies de deslizamiento de cilindro de bloques de motor. Download PDF

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Abstract

Un polvo para el recubrimiento de un sustrato, particularmente para el recubrimiento de perforaciones de cilindro de bloques de motor de aleaciones de aluminio o magnesio o de hierro colado, o para el recubrimiento de camisas de hierro colado, que comprende la siguiente composición: C = 0, 4 a 1, 5% en peso Cr = 0, 2 a 2, 5% en peso Mn = 0, 2 a 3% en peso en un caso dado pequeñas cantidades de S y P Fe = diferencia hasta el 100% en peso.

Description

Capa aplicada por proyección de plasma para superficies de deslizamiento de cilindro de bloques de motor.
La invención se refiere a un polvo de acuerdo con la reivindicación 1, una capa que contiene hierro para superficies de deslizamiento de cilindro de bloques de motor de acuerdo con la reivindicación 4, y a un método para la producción de tales capas de acuerdo con la reivindicación 10 ó 11.
El material clásico que se sigue utilizando para las superficies de deslizamiento de cilindro de bloques de motor de aluminio o magnesio sigue siendo el hierro fundido con grafito laminar o vermicular, en forma de camisas presionadas o vertidas.
Sin embargo, mediante tales camisas se influye por una parte negativamente en el tamaño y en el peso del bloque de motor. Por otra parte se produce una unión desfavorable entre las camisas de hierro fundido y el bloque de motor de metal ligero. Como alternativa se utilizan también capas galvánicas. Sin embargo, su aplicación es muy costosa y además son propensas a la corrosión frente a ácido sulfúrico y al ácido fórmico.
Por otra parte se conoce desde hace tiempo el recubrimiento de perforaciones mediante el procedimiento de proyección de plasma. De este modo se pueden aplicar diversos materiales metálicos. Después del recubrimiento mediante el procedimiento de proyección de plasma se procesan las capas hasta la dimensión final mediante una bruñidora de diamante y se les proporciona la topografía deseada. La capacidad de procesar las capas y las y las propiedades tribológicas se ven influidas de manera determinante por la microestructura y las propiedades físicas de las capas correspondientes.
El objetivo de la presente invención es mejorar la capacidad de desprendimiento de virutas y las propiedades tribológicas de las capas que contiene hierro para superficies de deslizamiento de cilindro de bloques de motor que se han aplicado mediante proyección de plasma.
Este objetivo se resuelve mediante el polvo de acuerdo con la invención, la capa de acuerdo con la invención y el método de acuerdo con la invención.
La invención se basa en la sorprendente observación de que en una reacción particularmente controlada del polvo utilizado con el oxígeno durante la proyección de plasma, se puede obtener una microestructura que presenta unas características excelentes en cuanto a procesabilidad y tribología. En particular se reducen drásticamente los coeficientes de rozamiento y la tendencia al "scuffing" ("gripado", es decir, el comienzo del desgaste adherente).
Las capas que contienen hierro para superficies de deslizamiento de cilindro de bloques de motor aplicadas mediante proyección de plasma, se caracterizan porque el contenido de oxígeno unido comprende del 1 al 4% en peso y el oxígeno combinado forma con el hierro cristales de FeO y Fe_{3}O_{4}. Para el recubrimiento se consideran particularmente:
- las perforaciones de los cilindros de bloques de motor de aleaciones de aluminio o magnesio o de hierro fundido; o
- la pared interior del cilindro de las camisas de hierro fundido usadas en bloques de motor de aluminio o magnesio.
De forma adecuada, el oxígeno unido forma con la hierro cristales de FeO y de Fe_{3}O_{4}. Preferiblemente, el contenido de Fe_{2}O_{3} es inferior al 0,2% en peso. Se puede influir además en la cantidad de óxidos formados mezclando el aire con nitrógeno o con oxígeno. Si se sustituye el aire por oxígeno puro se reduce la proporción unida de oxígeno en la capa en un factor de aproximadamente dos.
El método de acuerdo con la invención para la producción de las capas de acuerdo con la invención se caracteriza porque durante la proyección de plasma se añade una cantidad de aire de entre 200 y 1000 NLPM (litros normales por minuto, es decir, a 1 bar [=10^{5} Pa] y 20ºC) o una cantidad de gas con entre 40 y 200 NLPM de oxígeno. De forma adecuada la velocidad del flujo de gas en la perforación del cilindro o en la camisa durante el recubrimiento comprende entre 7 y 12 m/s.
Un polvo de acuerdo con la invención para el recubrimiento de un sustrato, particularmente para el recubrimiento de perforaciones de cilindro de bloques de motor de aleaciones de aluminio o magnesio o de hierro colado, o para el recubrimiento de camisas de hierro colado, comprende la siguiente composición:
C = 0,4 a 1,5% en peso
Cr = 0,2 a 2,5% en peso
Mn = 0,2 a 3% en peso
Fe = diferencia hasta el 100% en peso.
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Un polvo de acuerdo con la invención para el recubrimiento de un sustrato, particularmente para el recubrimiento de perforaciones de cilindro de bloques de motor de aleaciones de aluminio o magnesio o de hierro colado, o para el recubrimiento de camisas de hierro colado, también puede comprender la siguiente composición:
C = 0,1 a 0,8% en peso
Cr = 11 a 18% en peso
Mn = 0,1 a 1,5% en peso
Mo = 0,1 a 5% en peso
Fe = diferencia hasta el 100% en peso.
\vskip1.000000\baselineskip
De forma adecuada se puede usar para el recubrimiento un polvo pulverizado por gas con la siguiente composición química:
C = 0,4 a 1,5% en peso
Cr = 0,2 a 2,5% en peso
Mn = 0,2 a 3% en peso
S = 0,01 a 0,2% en peso
P = 0,01 a 0,1% en peso
Fe = diferencia hasta el 100% en peso.
\vskip1.000000\baselineskip
Alternativamente se puede usar para el recubrimiento un polvo pulverizado por gas con la siguiente composición química:
C = 0,1 a 0,8% en peso
Cr = 11 a 18% en peso
Mn = 0,1 a 1,5% en peso
Mo = 0,1 a 5% en peso
S = 0,01 a 0,2% en peso
P = 0,01 a 0,1% en peso
Fe = diferencia hasta el 100% en peso.
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En el volumen de FeO y Fe_{3}O_{4} se puede influir mediante la selección de la distribución del tamaño de partículas. El tamaño de partículas del polvo se encuentra convenientemente en el intervalo de entre 5 y 25 \mum,10 y 45 \mum o entre 15 y 60 \mum. Se puede determinar mediante un microscopio óptico o electrónico, en particular un microscopio electrónico de barrido REM o por el método de la difracción de láser MICROTRAC.
De forma adecuada se emplea un polvo obtenido mediante pulverización por gas con argón o nitrógeno.
Los mejores resultados se obtienen si se emplea un polvo modificado mediante la adición de un óxido cerámico tribológico. El óxido cerámico está compuesto de forma adecuada por TiO_{2} o de sistemas de aleación de Al_{2}O_{3}TiO_{2} y/o Al_{2}O_{3}ZrO_{2}. La proporción de óxido cerámico en el polvo empleado comprende preferiblemente entre el 5 y el 50% en peso.
La selección del tamaño óptimo de las partículas de polvo se decide teniendo en cuenta las propiedades tribológicas de las capas obtenidas y el comportamiento mecánico del sustrato de la capa del sistema.
A continuación se describen con mayor detalle ejemplos de realización de la capa de acuerdo con la invención mediante ejemplos. Los dibujos adjuntos muestran:
\newpage
La Fig. 1 un diagrama del que se deduce la disminución del coeficiente de rozamiento en función del tamaño de partículas del polvo y el comportamiento mecánico (adherencia) de la capa sobre sustratos de AlSi en función del tamaño de las partículas del polvo; y
En la Fig. 2 un diagrama del que se deduce la disminución del coeficiente de rozamiento en función de la cantidad de oxígeno unido en el polvo y el comportamiento mecánico (adherencia) de la capa sobre sustratos de AlSi en función de la cantidad del oxígeno unido en el polvo.
Ejemplo 1
Sobre la superficie de deslizamiento de una camisa de cilindro se aplicó un polvo de la composición indicada a continuación con ayuda de un plasmatrón en las siguientes condiciones específicas:
Polvo:
C = 1,1% en peso
\quad
Cr = 1,5% en peso
\quad
Mn = 1,5% en peso
\quad
Fe = diferencia hasta el 100% en peso.
\vskip1.000000\baselineskip
El polvo puede contener en un caso dado también pequeñas cantidades (0,01 - 0,2% en peso) de S y P.
El tamaño de partículas del polvo comprendió entre 5 y 25 \mum y la preparación se efectuó mediante pulverización por gas.
La velocidad del flujo de gas durante el recubrimiento de la camisa comprendió 10 m/s, el caudal de aire para el enfriamiento de la capa y la reacción del polvo 500 NLPM (equivalentes a 100 NLPM de oxígeno). Este caudal de aire se alimentó a través del cuerpo de un plasmatrón, por ejemplo, un plasmatrón de acuerdo con el documento EP-B1-0 645 946.
Los resultados de las investigaciones realizadas muestran que el contenido de oxígeno en la capa obtenida se sitúa en el 3% en peso. De acuerdo con las investigaciones mediante análisis de la microestructura radiográfico, el oxígeno se une con las fórmulas estequiométricas FeO y Fe_{3}O_{4}. Mediante estas investigaciones se comprobó también que la formación de Fe_{2}O_{3} está por debajo del límite de determinación.
Los ensayos en motor realizados después del posterior procesado de las capas obtenidas por medio de bruñidora de diamante han demostrado que los coeficientes de rozamiento entre el anillo del pistón y la pared del cilindro han disminuido notablemente en comparación con las camisas clásicas de hierro fundido con grafito laminar.
Ejemplo 2
Utilizando un polvo con la misma composición química que en el ejemplo 1, pero con un tamaño de partícula de entre 10 y 45 \mum y, por lo demás, en las mismas condiciones límite que en el ejemplo 1, la proporción de oxígeno unido en las capas obtenidas se sitúa en el 2% en peso. Los restantes resultados del análisis de la capa aplicada de esta manera fueron iguales que en el ejemplo 1.
Los ensayos realizados mediante una prueba de motor muestran unos resultados favorables similares, donde la disminución del coeficiente de rozamiento se relaciona con la proporción de oxígeno unido.
Ejemplo 3
Para los motores que corren riesgo de corrosión debido a la combustión de carburantes que contengan azufre o de metanol, a temperaturas inferiores al punto de rocío en las condiciones reinantes, se realizó el recubrimiento en las condiciones de acuerdo con al ejemplo 1, utilizando el siguiente polvo:
Polvo:
C = 0,4% en peso
\quad
Cr = 13% en peso
\quad
Mn = 1,5% en peso
\quad
Mo = 2% en peso
\quad
Fe = diferencia hasta el 100% en peso.
\vskip1.000000\baselineskip
El polvo puede contener en un caso dado también pequeñas cantidades (0,01 a 0,2% en peso) de S y P.
El tamaño de partículas del polvo representó entre 10 y 45 \mum y la preparación se realizó mediante pulverización por gas.
Los ensayos que se realizaron en un motor de combustión provisto de una superficie de deslizamiento de cilindro de esta clase han producido esencialmente los mismos resultados que los mencionados en los ejemplos 1 y 2.
Ejemplo 4
AI polvo, de acuerdo con el ejemplo 2, se le añadió una cantidad del 30% en peso de un polvo cerámico de aleación que se componía de un 60% en peso de Al_{2}O_{3} y un 40% en peso de TiO_{2}. Las capas obtenidas mediante esta mezcla de polvos tienen mayor resistencia mecánica debido a la inclusión de las partículas cerámicas (tamaño de partículas de entre 5 y 22 \mum).
Ejemplo 5
De forma análoga al ejemplo 4, se añadió un 30% en peso de un polvo cerámico de aleación que se componía de un 80% en peso de Al_{2}O_{3} y un 20% en peso de ZrO_{2}. Las capas obtenidas mediante esta mezcla de polvos tienen mayor resistencia mecánica debido a la inclusión de las partículas cerámicas (tamaño de partículas de entre 5 y 22 \mum). Se obtuvo el mismo efecto que en el ejemplo 4.
La Figura 1 muestra un diagrama del que se deduce la reducción del coeficiente de rozamiento en función del tamaño de partículas del polvo y el comportamiento mecánico, en particular la adherencia de la capa sobre sustratos de AlSi, en función del tamaño de partículas del polvo. En el diagrama queda claro, por una parte, que el coeficiente de rozamiento disminuye cuando aumenta el tamaño de las partículas del polvo de recubrimiento. Por otra parte queda claro que disminuye la adherencia de la capa sobre sustratos de AlSi si aumenta el tamaño de las partículas del polvo de recubrimiento. Una buena solución de compromiso, en cuanto al tamaño de partículas que se tiene que elegir, puede estar en el intervalo de entre 25-30 \mum, de manera que en la mayoría de los casos se puede contar con una adherencia suficiente de la capa del orden de 45-50 MPa, donde el coeficiente de rozamiento es aproximadamente un 22-25% menor, en comparación con las capas de acuerdo con la técnica antecedente. Pero si se pretende en primer lugar una adherencia notablemente alta de la capa y la disminución del coeficiente de rozamiento tiene más bien una importancia secundaria, se elegirá un polvo de recubrimiento con un tamaño de partículas inferior a 25 \mum. Por otra parte, si se desea en primer lugar un coeficiente de rozamiento notablemente bajo y se puede aceptar una adherencia algo menor, se elegirá un polvo de recubrimiento con un tamaño de partículas superior a 35 \mum.
La Figura 2 muestra un diagrama del que se deduce la disminución del coeficiente de rozamiento en función de la cantidad de oxígeno unido en la capa y del comportamiento mecánico, en particular la adherencia de la capa sobre sustratos de AlSi, en función de la cantidad de oxígeno unido en la capa. En el diagrama queda claro, por una parte, que el coeficiente de rozamiento disminuye cuando aumenta la cantidad de oxígeno unido en la capa. Por otra parte queda claro que disminuye la adherencia de la capa sobre sustratos de AlSi si aumenta la cantidad de oxígeno unido en la capa. Una buena solución de compromiso, en cuanto a la cantidad de oxígeno unido en la capa, puede estar en el intervalo de entre el 2-2,5% en peso, de manera que en la mayoría de los casos se puede contar con una adherencia suficiente de la capa del orden de 40-50 MPa, donde el coeficiente de rozamiento es aproximadamente un 20-25% menor, en comparación con capas de acuerdo con la técnica antecedente. Pero si, como ya se explicó respecto a la Figura 1, se desea en primer lugar una resistencia adherente notablemente alta de la capa y la disminución del coeficiente de rozamiento tiene más bien una importancia secundaria, se elegirá un recubrimiento con una proporción de oxígeno unido inferior al 2% en peso. Por otra parte, si se busca en primer lugar un coeficiente de rozamiento notablemente bajo y se puede aceptar una adherencia algo menor, se elegirá una capa con una proporción de oxígeno unido superior al 2,5% en peso.

Claims (4)

1. Un polvo para el recubrimiento de un sustrato, particularmente para el recubrimiento de perforaciones de cilindro de bloques de motor de aleaciones de aluminio o magnesio o de hierro colado, o para el recubrimiento de camisas de hierro colado, que comprende la siguiente composición:
C = 0,4 a 1,5% en peso
Cr = 0,2 a 2,5% en peso
Mn = 0,2 a 3% en peso
en un caso dado pequeñas cantidades de S y P
Fe = diferencia hasta el 100% en peso.
2. Un polvo para el recubrimiento de un sustrato, particularmente para el recubrimiento de perforaciones de cilindro de bloques de motor de aleaciones de aluminio o magnesio o de hierro colado, o para el recubrimiento de camisas de hierro colado, que comprende la siguiente composición:
C = 0,1 a 0,8% en peso
Cr = 11 a 18% en peso
Mn = 0,1 a 1,5% en peso
en un caso dado pequeñas cantidades de S y P
Mo = 0,1 a 5% en peso
Fe = diferencia hasta el 100% en peso
3. Un polvo de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, en el que el contenido de azufre y fósforo:
S = 0,01 a 0,2% en peso
P = 0,01 a 0,1% en peso.
4. El uso de un polvo de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes para el recubrimiento de un sustrato, particularmente para el recubrimiento de perforaciones de cilindro de bloques de motor de aleaciones de aluminio o magnesio o de hierro colado, o para el recubrimiento de camisas de hierro colado.
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