BR122013032789B1 - METALLURGICAL COMPOSITION OF PRIVATE MATERIALS, SELF-LUBRICATING SINTERED PRODUCT AND PROCESS FOR OBTAINING SELF-LUBRICATING SINTERED PRODUCTS - Google Patents
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(54) Título: COMPOSIÇÃO METALÚRGICA DE MATERIAIS PARTICULADOS, PRODUTO SINTERIZADO AUTOLUBRIFICANTE E PROCESSO DE OBTENÇÃO DE PRODUTOS SINTERIZADOS AUTOLUBRIFICANTES (73) Titular: UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA. CGC/CPF: 83899526000182. Endereço: Campus Universitário Reitor João David Ferreira Lima, Bairro Trindade, Florianópolis, SC, BRASIL(BR), 88040900; WHIRLPOOL S.A.. CGC/CPF: 59105999000186. Endereço: Av. das Nações Unidas, 12.995, 32° andar, Brooklin Novo, São Paulo, SP, BRASIL(BR), 04578000; LUPATECH S.A.. CGC/CPF: 89463822000112. Endereço: Rua Dalton Lahn dos Reis, 201, Distrito Industrial, Caxias do Sul, RS, BRASIL(BR), 95112090 (72) Inventor: CRISTIANO BINDER; ALOISIO NELMO KLEIN; ROBERTO BINDER; GISELE HAMMES; MOISÉS OLIVEIRA; WALDYR RISTOW JUNIOR(54) Title: METALLURGICAL COMPOSITION OF PARTICULATED MATERIALS, SELF-LUBRICATING SINTERIZED PRODUCT AND PROCESS OF OBTAINING SELF-LUBRICATING SINTERIZED PRODUCTS (73) Holder: FEDERAL UNIVERSITY OF SANTA CATARINA. CGC / CPF: 83899526000182. Address: Campus Universitário Reitor João David Ferreira Lima, Bairro Trindade, Florianópolis, SC, BRAZIL (BR), 88040900; WHIRLPOOL S.A .. CGC / CPF: 59105999000186. Address: Av. Das Nações Unidas, 12.995, 32 ° andar, Brooklin Novo, São Paulo, SP, BRAZIL (BR), 04578000; LUPATECH S.A .. CGC / CPF: 89463822000112. Address: Rua Dalton Lahn dos Reis, 201, Distrito Industrial, Caxias do Sul, RS, BRAZIL (BR), 95112090 (72) Inventor: CRISTIANO BINDER; ALOISIO NELMO KLEIN; ROBERTO BINDER; GISELE HAMMES; MOISÉS OLIVEIRA; WALDYR RISTOW JUNIOR
Prazo de Validade: 10 (dez) anos contados a partir de 02/10/2018, observadas as condições legaisValidity Term: 10 (ten) years from 10/02/2018, subject to legal conditions
Expedida em: 02/10/2018Issued on: 10/02/2018
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Liane Elizabeth Caldeira LageLiane Elizabeth Caldeira Lage
Diretora de Patentes, Programas de Computador e Topografias de Circuitos IntegradosDirector of Patents, Computer Programs and Topographies of Integrated Circuits
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COMPOSIÇÃO METALÚRGICA DE MATERIAIS PARTICULADOS, PRODUTO SINTERIZADO AUTOLUBRIFICANTE E PROCESSO DE OBTENÇÃO DE PRODUTOS SINTERIZADOS AUTOLUBRIFICANTES.METALLURGICAL COMPOSITION OF PARTICULATED MATERIALS, SELF-LUBRICATING SINTERED PRODUCT AND PROCESS OF OBTAINING SELF-LUBRICATING SINTERIZED PRODUCTS.
Dividido do PI0803956-9, de 12/09/2008.Divided from PI0803956-9, of 12/09/2008.
Campo da Invenção [001] A presente invenção diz respeito às técnicas específicas de fabricação de produtos acabados (peças) e semi-acabados (artigos diversos) conformados a partir de uma composição metalúrgica de materiais particulados (na forma de pós metálicos e não metálicos) e a serem sinterizados, ditos produtos compreendendo, além dos elementos constitutivos da matriz metálica estrutural do produto a ser formado durante a etapa de sinterização, um lubrificante sólido, em forma particulada, disperso na matriz metálica, levando à formação da microestrutura de um produto compósito autolubrificante, com matriz metálica continua, e capaz de imprimir, aos produtos sinterizados, um baixo coeficiente de atrito aliado a elevadas resistência mecânica e dureza da peça ou produto sinterizado. A invenção abrange a referida metalúrgica para formação do produto autolubrificante (peças), por sinterização, a referida composição e ainda as técnica:Field of the Invention [001] The present invention relates to specific techniques for manufacturing finished products (parts) and semi-finished products (miscellaneous items) formed from a metallurgical composition of particulate materials (in the form of metallic and non-metallic powders) and to be sintered, said products comprising, in addition to the constituent elements of the structural metallic matrix of the product to be formed during the sintering step, a solid lubricant, in particulate form, dispersed in the metallic matrix, leading to the formation of the microstructure of a composite product self-lubricating, with continuous metallic matrix, and capable of printing, to the sintered products, a low friction coefficient combined with high mechanical resistance and hardness of the sintered product or part. The invention covers the aforementioned metallurgy for the formation of the self-lubricating product (parts), by sintering, said composition and also the techniques:
alternativos específicos para a obtenção das referidas peças ou produtos por metalurgia do pó.specific alternatives for obtaining said parts or products by powder metallurgy.
Histórico da Invenção composição compósito partir da processos ou [002] Na engenharia mecânica, cresce a busca pela obtenção de materiais para aplicações nas quais se requer propriedades como elevada resistência mecânica e ao desgaste, aliadas a um baixo coeficiente de atrito.History of the Invention composite composition from processes or [002] In mechanical engineering, the search for materials for applications in which properties such as high mechanical resistance and wear, combined with a low friction coefficient, is growing.
[003] Atualmente, problemas de desgaste e corrosão[003] Currently, wear and corrosion problems
2/25 somados, representam perdas de 2% a 5% do PIB mundial; cerca de 35% de toda energia mecânica produzida no planeta é perdida por deficiência em lubrificação, sendo convertida em calor por atrito. Além da perda de energia, o calor gerado prejudica o desempenho do sistema mecânico pelo aquecimento. Assim, manter o coeficiente de atrito baixo em peças mecânicas que se atritam é de fundamental importância, não só para economizar energia, mas também, para aumentar a durabilidade das mesmas e dos sistemas mecânicos onde operam; além disso, contribui para a preservação do meio ambiente. [004] A forma utilizada para reduzir desgaste e atrito entre superfícies em movimento relativo é manter estas separadas, intercalando entre elas uma camada de lubrificante. Dentre as possíveis formas de lubrificação, a hidrodinâmica (lubrificantes fluidos) é a mais utilizada. Na lubrificação hidrodinâmica é formada uma película de óleo que separa completamente as superfícies em movimento relativo. Deve ser salientado, no entanto, que o uso de lubrificantes fluidos é muitas vezes problemático, como em aplicações para temperaturas muito altas ou muito baixas, em aplicações onde o lubrificante fluido pode reagir quimicamente e quando o lubrificante fluido pode agir como contaminante. Além disso, em situações de lubrificação limite, decorrentes de paradas de ciclo ou em situações de impossibilidade de formação de um filme de óleo contínuo, existe o contato entre as peças e, consequentemente, o desgaste.2/25 combined, represent losses of 2% to 5% of world GDP; about 35% of all mechanical energy produced on the planet is lost due to deficiency in lubrication, being converted into heat by friction. In addition to the loss of energy, the heat generated impairs the performance of the mechanical system by heating. Thus, keeping the coefficient of friction low on mechanical parts that rub together is of fundamental importance, not only to save energy, but also to increase the durability of the same and the mechanical systems where they operate; in addition, it contributes to the preservation of the environment. [004] The way used to reduce wear and friction between surfaces in relative motion is to keep these separate, intercalating a layer of lubricant between them. Among the possible forms of lubrication, hydrodynamics (fluid lubricants) is the most used. In hydrodynamic lubrication, an oil film is formed that completely separates the surfaces in relative motion. It should be noted, however, that the use of fluid lubricants is often problematic, as in applications for very high or very low temperatures, in applications where the fluid lubricant can react chemically and when the fluid lubricant can act as a contaminant. In addition, in situations of limit lubrication, resulting from cycle stops or in situations where it is impossible to form a continuous oil film, there is contact between the parts and, consequently, wear.
[005] A lubrificação a seco, isto é, com a utilização de lubrificantes sólidos, é uma alternativa à lubrificação tradicional, pois atua pela presença de uma camada de lubrificante que impede o contato entre as superfícies dos[005] Dry lubrication, that is, with the use of solid lubricants, is an alternative to traditional lubrication, since it acts by the presence of a lubricant layer that prevents contact between the surfaces of the
3/25 componentes, sem apresentar, porém, o rompimento da camada formada.3/25 components, without, however, breaking the formed layer.
[006] Os lubrificantes sólidos têm sido bastante aceitos em áreas de lubrificação problemática. Eles podem ser utilizados em temperaturas extremas, sob altas cargas e em ambientes quimicamente reativos, onde lubrificantes convencionais não podem ser utilizados. Além disso, a lubrificação a seco (lubrificantes sólidos) é uma alternativa ambientalmente mais limpa.[006] Solid lubricants have been widely accepted in problematic lubrication areas. They can be used in extreme temperatures, under high loads and in chemically reactive environments, where conventional lubricants cannot be used. In addition, dry lubrication (solid lubricants) is an environmentally cleaner alternative.
[007] O lubrificante sólido pode ser aplicado aos componentes de um par tribológico, na forma de filmes (ou camadas) depositados ou gerados na superfície dos componentes ou incorporado ao volume do material de ditos componentes, na forma de partículas de segunda fase. No caso da aplicação de filmes ou camadas específicas, quando acontece desgaste destes filmes ou camadas, ocorre o contato metal-metal e o consequente e rápido desgaste das superfícies desprotegidas confrontantes e dos componentes relativamente móveis. Nessas soluções de aplicação de filmes ou camadas, deve ser ainda considerada a dificuldade de reposição do lubrificante, sua oxidação e sua degradação.[007] The solid lubricant can be applied to the components of a tribological pair, in the form of films (or layers) deposited or generated on the surface of the components or incorporated into the volume of the material of said components, in the form of second phase particles. In the case of the application of specific films or layers, when these films or layers wear, metal-metal contact occurs and the consequent and rapid wear of the confronting unprotected surfaces and relatively mobile components. In these solutions for applying films or layers, the difficulty of replacing the lubricant, its oxidation and its degradation must also be considered.
[008] Assim, uma forma mais adequada e que permite aumentar o tempo de vida do material, ou seja, dos componentes, é a incorporação do lubrificante sólido no volume do material constitutivo do componente, de modo a estruturar o componente, em um material compósito de baixo coeficiente de atrito. Isto é possível por meio da tecnologia de processamento de materiais a partir de pós, ou seja, pela conformação de uma mistura de pó por compactação, incluindo prensagem, laminação, extrusão e outros, ou ainda por[008] Thus, a more suitable way that allows to increase the life span of the material, that is, of the components, is the incorporation of the solid lubricant in the volume of the component's constituent material, in order to structure the component, in a material composite with low friction coefficient. This is possible through the technology of processing materials from powders, that is, by forming a powder mixture by compaction, including pressing, lamination, extrusion and others, or by
4/25 moldagem por injeção, seguida de sinterização, para obtenção de um material compósito contínuo, geralmente já na geometria e nas dimensões finais (produto acabado) ou em geometria e dimensões próximas das finais (produto semi-acabado).4/25 injection molding, followed by sintering, to obtain a continuous composite material, usually already in the final geometry and dimensions (finished product) or in geometry and dimensions close to the final ones (semi-finished product).
[009] Componentes mecânicos autolubrificantes (produtos da metalurgia do pó) apresentando baixo coeficiente de atrito, tal como buchas autolubrificantes sinterizadas, produzidas via metalurgia do pó, a partir de materiais compósitos, compreendendo um precursor particulado, formador da matriz estrutural da peça, e um lubrificante sólido particulado, a ser incorporado na matriz estrutural da peça, vêm encontrando uso em eletrodomésticos e pequenos equipamentos diversos, como: impressoras, barbeadores elétricos, furadeiras, liquidificadores, entre outros. Na maior parte dos casos já bem conhecidos da técnica, para a matriz estrutural utiliza-se bronze, cobre, prata, e ferro puro. Como lubrificante sólido utiliza-se: dissulfeto de molibdênio (MoS2) , prata (Ag), politetrafluoretileno (PTFE) e disseleneto de molibdênio (MoSe2) . Este tipo de bucha autolubrificante, principalmente com matriz de bronze e cobre contendo, como partículas de lubrificante sólido, pó de grafita, dissulfeto de molibdênio e selênio e metais de baixo ponto de fusão, tem sido produzido e utilizado há décadas em diversas aplicações de engenharia.[009] Self-lubricating mechanical components (powder metallurgy products) presenting low friction coefficient, such as sintered self-lubricating bushings, produced via powder metallurgy, from composite materials, comprising a particulate precursor, forming the structural matrix of the part, and a particulate solid lubricant, to be incorporated in the structural matrix of the part, has been found to be used in household appliances and various small equipment, such as: printers, electric shavers, drills, blenders, among others. In most cases already well known in the art, bronze, copper, silver, and pure iron are used for the structural matrix. The solid lubricant used is: molybdenum disulfide (MoS 2 ), silver (Ag), polytetrafluoroethylene (PTFE) and molybdenum diselenide (MoSe 2 ). This type of self-lubricating bushing, mainly with bronze and copper matrix containing, as particles of solid lubricant, graphite powder, molybdenum and selenium disulfide and low melting metals, has been produced and used for decades in several engineering applications .
[0010] No entanto, estas peças não apresentam elevada resistência mecânica em função do seu elevado teor volumétrico (de 25% a 40%) de partículas de lubrificante sólido, o que resulta em um baixo grau de continuidade da fase matriz, que é o elemento microestrutural responsável pela resistência mecânica da peça. Este elevado teor de[0010] However, these parts do not have high mechanical resistance due to their high volumetric content (from 25% to 40%) of solid lubricant particles, which results in a low degree of continuity of the matrix phase, which is the microstructural element responsible for the mechanical resistance of the part. This high content of
5/25 lubrificante sólido tem sido considerado necessário para a obtenção de um baixo coeficiente de atrito em uma situação onde tanto as propriedades mecânicas da matriz metálica (resistência e dureza) quanto os parâmetros microestruturais, como o tamanho das partículas de lubrificante sólido dispersas na matriz e o livre caminho médio entre estas no material compósito formado, não eram otimizados. 0 elevado percentual volumétrico de lubrificante sólido, que possui baixa resistência intrínseca ao cisalhamento, não contribui para a resistência mecânica da matriz metálica. [0011] Além disso, a baixa dureza da matriz metálica permite a obstrução gradativa das partículas de lubrificante sólido na superfície de contato do material ou produto sinterizado. Assim, para manter um coeficiente de atrito suficientemente baixo, um percentual volumétrico elevado de lubrificante sólido tem sido tradicionalmente utilizado na composição de materiais compósitos autolubrificantes a seco. [0012] Um cenário parcialmente diferenciado e mais evoluído, se comparado com o do descrito anteriormente, é apresentado no documento US6890368, que propõe um material compósito autolubrificante para utilização em temperaturas no intervalo entre 300°C a 600°C, com resistência à tração suficiente (6t 400MPa) e coeficiente de atrito menor que5/25 solid lubricant has been considered necessary to obtain a low friction coefficient in a situation where both the mechanical properties of the metallic matrix (strength and hardness) and the microstructural parameters, such as the size of the solid lubricant particles dispersed in the matrix and the average free path between them in the formed composite material, were not optimized. The high volumetric percentage of solid lubricant, which has low intrinsic shear strength, does not contribute to the mechanical strength of the metal matrix. [0011] In addition, the low hardness of the metal matrix allows the gradual blockage of particles of solid lubricant on the contact surface of the sintered material or product. Thus, in order to maintain a sufficiently low friction coefficient, a high volumetric percentage of solid lubricant has traditionally been used in the composition of dry self-lubricating composite materials. [0012] A partially differentiated and more evolved scenario, if compared to that described previously, is presented in document US6890368, which proposes a self-lubricating composite material for use in temperatures in the range between 300 ° C to 600 ° C, with tensile strength enough (6t 400MPa) and friction coefficient less than
0,3. Este documento apresenta uma solução para a obtenção de peças ou produtos de baixo coeficiente de atrito, sinterizados a partir de uma mistura de material particulado de formação de uma matriz estrutural metálica e incluindo, como partículas de lubrificante sólido em seu volume, principalmente nitreto hexagonal de boro, grafita ou uma mistura destes e afirma que o referido material é adequado0.3. This document presents a solution for obtaining parts or products with a low friction coefficient, sintered from a mixture of particulate material forming a metallic structural matrix and including, as particles of solid lubricant in its volume, mainly hexagonal nitride of boron, graphite or a mixture of these and states that said material is suitable
6/26 para utilização em temperaturas no intervalo entre 300°C a 600°C, com resistência a tração suficiente (õt á 400MPa) e coeficiente de atrito menor que 0,3.6/26 for use in temperatures between 300 ° C to 600 ° C, with sufficient tensile strength (õt á 400MPa) and friction coefficient less than 0.3.
[0013] Ocorre que peças ou produtos obtidos a partir da consolidação de uma mistura de pós na qual estão presentes ao mesmo tempo os pós da matriz estrutural e os pós de lubrificante sólido, como por exemplo, nitreto hexagonal de boro e grafita, apresentam baixa resistência mecânica e fragilidade estrutural após sua sinterização.[0013] It happens that parts or products obtained from the consolidation of a powder mixture in which the structural matrix powders and the solid lubricant powders, such as hexagonal boron nitride and graphite, are present at a low level. mechanical strength and structural fragility after sintering.
[0014] A deficiência acima citada é decorrência da dispersão inadequada, por cisalhamento, da fase lubrificante sólido 20 entre as partículas de pó da matriz estrutural 10, da condição ilustrada na figura IA dos desenhos anexos, para a condição ilustrada na figura 1B, durante as etapas de mistura e de conformação (densificação) das peças ou produtos a serem produzidos. O lubrificante sólido 20 se espalha, por cisalhamento, entre as partículas da fase matriz estrutural 10, tendendo envolvê-las, durante as etapas de mistura e de conformação como por compactação, por prensagens de pós, laminação de pós, extrusão de pós, bem como por moldagem de pós por injeção, as quais imprimem, ao referido lubrificante sólido, tensões que ultrapassam a sua baixa tensão de cisalhamento, conforme esquematicamente ilustrado na figura 1B dos desenhos anexos.[0014] The aforementioned deficiency is due to the inadequate dispersion, by shear, of the solid lubricating phase 20 between the dust particles of the structural matrix 10, from the condition illustrated in figure IA of the attached drawings, to the condition illustrated in figure 1B, during the stages of mixing and shaping (densification) of the parts or products to be produced. The solid lubricant 20 spreads, by shearing, between the particles of the structural matrix phase 10, tending to involve them, during the mixing and shaping steps as well as compaction, by powder pressing, powder lamination, powder extrusion, as well as well as by injection powder molding, which impart to the said solid lubricant, stresses that exceed its low shear stress, as schematically illustrated in figure 1B of the attached drawings.
[0015] Por outro lado, a presença da camada de lubrificante sólido entre as partículas (do pó) da matriz estrutural, quando se trata de um lubrificante sólido solúvel na matriz, não atrapalha a formação de necks de sinterização entre as partículas da matriz metálica estrutural do compósito. No entanto, neste caso, o[0015] On the other hand, the presence of a solid lubricant layer between the particles (of the powder) of the structural matrix, when it is a soluble solid lubricant in the matrix, does not hinder the formation of sintering necks between the particles of the metallic matrix structural effect of the composite. However, in this case, the
7/25 lubrificante sólido, ao ser dissolvido, durante a sinterização da peça, perde a sua função de lubrificar, pois a fase de lubrificante sólido desaparece por dissolução na matriz. Quando se trata de lubrificante sólido insolúvel na matriz estrutural, como é o caso do nitreto hexagonal de boro, a camada 21 formada por cisalhamento (ver Figura 1B) atrapalha a formação de contatos metálicos entre estas partículas formadoras da matriz estrutural 10 do compósito durante a sinterização; isto contribui para a diminuição do grau de continuidade da fase matriz estrutural 10 do material compósito, fragilizando estruturalmente o material e os produtos obtidos.7/25 solid lubricant, when dissolved, during sintering the part, loses its lubricating function, since the solid lubricant phase disappears by dissolving in the matrix. When it comes to solid lubricant insoluble in the structural matrix, as is the case with hexagonal boron nitride, the layer 21 formed by shear (see Figure 1B) hinders the formation of metallic contacts between these particles forming the structural matrix 10 of the composite during the sintering; this contributes to the decrease in the degree of continuity of the structural matrix phase 10 of the composite material, structurally weakening the material and the products obtained.
[0016] Em função das limitações acima, torna-se necessária uma solução técnica tanto para evitar a solubilização dos lubrificantes solúveis na matriz estrutural, como para reagrupar o lubrificante sólido não solúvel, disperso na forma de camada 21 nas etapas de homogeneização mecânica e de conformação (densificação) da mistura de materiais particulados, em partículas discretas durante a sinterização. [0017] Situação semelhante à descrita ocorre quando da mistura de partículas de lubrificante sólido não solúvel com partículas da matriz estrutural do material compósito, o lubrificante sólido 20 possuindo tamanho de partícula muito menor do que aquele das partículas do material que forma a matriz estrutural 10 do compósito (ver figura 2B dos desenhos anexos). Neste caso, as partículas muito mais finas do lubrificante sólido 20 tendem a formar uma camada 21 relativamente contínua entre as partículas do pó metálico da matriz estrutural 10, mesmo sem tensões cisalhantes durante as etapas de processamento anteriores à sinterização. A[0016] Due to the above limitations, a technical solution is necessary both to prevent solubilization of the soluble lubricants in the structural matrix, and to regroup the non-soluble solid lubricant, dispersed in the form of layer 21 in the stages of mechanical homogenization and conformation (densification) of the mixture of particulate materials, in discrete particles during sintering. [0017] A situation similar to that described occurs when mixing particles of non-soluble solid lubricant with particles of the structural matrix of the composite material, the solid lubricant 20 having a particle size much smaller than that of the particles of the material that forms the structural matrix 10 of the composite (see figure 2B of the attached drawings). In this case, the much finer particles of the solid lubricant 20 tend to form a relatively continuous layer 21 between the particles of the metallic powder of the structural matrix 10, even without shear stresses during the processing steps prior to sintering. THE
8/25 camada 21, quase contínua, de particulado fino do lubrificante sólido 20, prejudica a sinterização entre as partículas da matriz estrutural metálica 10, fragilizando estruturalmente a peça final. Em casos de fases insolúveis, uma distribuição mais adequada é aquela em que as partículas do material particulado da matriz do compósito e as partículas do lubrificante sólido a ser disperso na matriz apresentam tamanho de partícula da mesma ordem de grandeza (ver figura 2A).8/25 layer 21, almost continuous, of fine particulate of the solid lubricant 20, impairs the sintering between the particles of the metallic structural matrix 10, structurally weakening the final piece. In cases of insoluble phases, a more suitable distribution is one in which the particles of the particulate material of the composite matrix and the particles of the solid lubricant to be dispersed in the matrix have a particle size of the same order of magnitude (see figure 2A).
[0018] Como a matriz estrutural 10 metálica é o único elemento microestrutural da composição que confere resistência mecânica ao material compósito a ser formado, quanto maior o grau de continuidade da matriz metálica do referido compósito, maior será a resistência mecânica do artigo ou peça sinterizada produzida com o material. A manutenção do elevado grau de continuidade da matriz estrutural metálica do material compósito autolubrificante a seco sinterizado requer, além de baixa porosidade, baixo percentual volumétrico da fase lubrificante sólido, já que este não contribui para a resistência mecânica do material e, em decorrência, não contribui para a resistência mecânica dos produtos sinterizados.[0018] As the metallic structural matrix 10 is the only microstructural element of the composition that confers mechanical resistance to the composite material to be formed, the greater the degree of continuity of the metallic matrix of said composite, the greater the mechanical resistance of the article or sintered part produced with the material. Maintaining the high degree of continuity of the metallic structural matrix of the self-lubricating dry sintered composite material requires, in addition to low porosity, a low volumetric percentage of the solid lubricating phase, as this does not contribute to the mechanical strength of the material and, as a result, does not contributes to the mechanical strength of sintered products.
[0019] Portanto, torna-se necessária uma solução técnica tanto para evitar a solubilização dos lubrificantes quando solúveis na matriz, como para reagrupar o lubrificante sólido que, por cisalhamento, durante as etapas de homogeneização mecânica da mistura e de conformação (densificação), resultou em uma distribuição na forma de camadas 21 no volume do material, atrapalhando a sinterização e o grau de continuidade da matriz estrutural 10 do compósito. O §/25 lubrificante sólido 20 deve estar disperso no volume do material compósito, na forma de partículas discretas, distribuídas uniformemente, isto é, com um livre caminho médio, λ, regular entre as partículas da matriz estrutural 10 metálica (ver figura 3). Isto permite gerar maior eficiência de lubrificação e, ao mesmo tempo, maior grau de continuidade da matriz do compósito, garantindo maior resistência mecânica ao material compósito autolubrificante, formado durante a sinterização, conforme ilustrado na figura[0019] Therefore, a technical solution is necessary both to prevent the solubilization of lubricants when soluble in the matrix, and to regroup the solid lubricant that, by shearing, during the stages of mechanical mixing and shaping (densification), resulted in a distribution in the form of layers 21 in the volume of the material, hindering the sintering and the degree of continuity of the structural matrix 10 of the composite. § / 25 solid lubricant 20 must be dispersed in the volume of the composite material, in the form of discrete particles, uniformly distributed, that is, with a free medium path, λ, regular between the particles of the metallic structural matrix 10 (see figure 3) . This allows to generate greater lubrication efficiency and, at the same time, a higher degree of continuity of the composite matrix, ensuring greater mechanical resistance to the self-lubricating composite material, formed during sintering, as shown in the figure
3.3.
resultam em autolubrificante [0020] As composições preparadas para gerar compósitos autolubrificantes que apresentam como material para formação da matriz, o elemento metálico ferro ou ligas ferrosas e tendo, ao mesmo tempo, a grafita como lubrificante sólido, um material compósito sinterizado com uma matriz que pode resultar excessivamente dura e fragilizada e com um coeficiente de atrito acima do esperado e desejado, em decorrência da solubilização do carbono pela matriz ferro.result in self-lubricating [0020] The compositions prepared to generate self-lubricating composites that present as a material for forming the matrix, the metallic element iron or ferrous alloys and having, at the same time, graphite as a solid lubricant, a composite material sintered with a matrix that it can be excessively hard and fragile and with a friction coefficient above the expected and desired, due to the solubilization of carbon by the iron matrix.
[0021] Nas elevadas temperaturas de sinterização (superiores a 723°C) o elemento químico carbono da grafita é solubilizado na estrutura cúbica de faces centradas do ferro (ferro gama) ou da liga ferrosa austenítica. Assim, a utilização de lubrificante sólido contendo grafita resulta em uma indesejável reação do carbono com o ferro, durante a sinterização, a partir de temperaturas acima de 723°C, resultando em uma peça com reduzida ou nenhuma propriedade autolubrificante, pois todo ou grande parte do carbono da grafita deixa de operar como lubrificante sólido, formando carboneto de ferro.[0021] At high sintering temperatures (above 723 ° C) the chemical element carbon of graphite is solubilized in the cubic structure of centered faces of iron (gamma iron) or austenitic ferrous alloy. Thus, the use of solid lubricant containing graphite results in an undesirable reaction of carbon with iron, during sintering, from temperatures above 723 ° C, resulting in a part with reduced or no self-lubricating properties, since all or a large part of graphite carbon ceases to operate as a solid lubricant, forming iron carbide.
10/25 [0022] O referido documento US6890368 apresenta uma solução de material de formação de matriz metálica no qual, para evitar a interação do lubrificante sólido, definido pela grafita, com as partículas da matriz estrutural ferrosa, é provido o revestimento prévio das partículas de grafita com um metal que, durante as altas temperaturas de sinterização, minimiza a possibilidade de interação da grafita encapsulada a matriz estrutural ferrosa.10/25 [0022] Said document US6890368 presents a solution of metal matrix formation material in which, to avoid the interaction of the solid lubricant, defined by graphite, with the particles of the ferrous structural matrix, the pre-coating of the particles is provided graphite with a metal that, during high sintering temperatures, minimizes the possibility of interaction of the encapsulated graphite with the ferrous structural matrix.
[0023] Apesar de a solução sugerida no documento US6890368 resolver o problema de perda do lubrificante sólido grafita durante a sinterização da peça pelo encapsulamento da grafita, este mesmo encapsulamento dificulta o espalhamento da grafita para formação de uma camada na superfície de trabalho das peças quando em serviço (quando atritadas em movimento relativo), diminuindo a realimentação com lubrificante sólido, tornando a lubrificação menos eficiente. Além disso, apenas o encapsulamento da grafita não resolve o problema de fragilização da matriz metálica quando o lubrificante sólido contém nitreto hexagonal de boro, que pode, por cisalhamento, gerar um filme entre as partículas da matriz durante as etapas de mistura mecânica em moinhos e de conformação (densificação). O problema de fragilização da peça sinterizada, em função do cisalhamento do lubrificante sólido nitreto hexagonal de boro, não é discutido no referido documento norte-americano anterior, apesar desse documento considerar a compactação e a pré-sinterização como uma das possíveis técnicas de moldagem da peça a ser sinterizada, contendo o referido lubrificante sólido de baixa tensão de cisalhamento.[0023] Although the solution suggested in document US6890368 solves the problem of loss of solid graphite lubricant during sintering the part by encapsulating the graphite, this same encapsulation makes it difficult to spread the graphite to form a layer on the work surface of the parts when in service (when rubbed in relative motion), reducing feedback with solid lubricant, making lubrication less efficient. Furthermore, only the encapsulation of graphite does not solve the problem of weakening the metal matrix when the solid lubricant contains hexagonal boron nitride, which can, by shearing, generate a film between the particles of the matrix during the stages of mechanical mixing in mills and conformation (densification). The problem of embrittlement of the sintered part, due to the shearing of the solid hexagonal boron nitride lubricant, is not discussed in the aforementioned North American document, although this document considers compacting and pre-sintering as one of the possible techniques for molding the part to be sintered, containing the said low shear stress solid lubricant.
[0024] Além das deficiências acima, a referida solução de[0024] In addition to the above deficiencies, the aforementioned
11/25 encapsulamento da grafita apresenta um elevado custo em função dos materiais envolvidos e da necessidade de tratamento prévio de metalização desse lubrificante sólido. [0025] Além disso, os tipos de matriz, em geral utilizados até recentemente, para a fabricação de peças ou produtos, em materiais compósitos autolubrificantes, não apresentam a dureza necessária para evitar que as partículas da fase lubrificante sólido sejam encobertas rapidamente pela fase matriz por micro-deformação plástica, decorrente dos esforços mecânicos a que a superfície de trabalho da peça é submetida, dificultando a manutenção de uma tribocamada pelo espalhamento do lubrificante sólido na referida superfície de trabalho da peça.11/25 graphite encapsulation presents a high cost due to the materials involved and the need for previous metallization treatment of this solid lubricant. [0025] In addition, the matrix types, generally used until recently, for the manufacture of parts or products, in self-lubricating composite materials, do not have the necessary hardness to prevent the particles of the solid lubricating phase from being quickly covered by the matrix phase. by plastic micro-deformation, resulting from the mechanical efforts to which the work surface of the part is subjected, making it difficult to maintain a tribocade by spreading the solid lubricant on the work surface of the part.
[0026] A matriz metálica do material necessita elevada resistência à deformação plástica para operar não só como suporte mecânico com a necessária capacidade de carregamento, como também para evitar que as partículas de lubrificante sólido sejam encobertas por escoamento plástico da matriz estrutural durante o funcionamento da peça (quando atritadas em movimento relativo), impedindo o espalhamento do lubrificante sólido na interface onde ocorre o movimento relativo entre as peças.[0026] The metal matrix of the material needs high resistance to plastic deformation to operate not only as a mechanical support with the necessary loading capacity, but also to prevent the particles of solid lubricant from being covered by plastic flow from the structural matrix during the operation of the part (when rubbed in relative motion), preventing the spreading of the solid lubricant on the interface where the relative movement between the parts occurs.
Sumário da Invenção [0027] É, portanto, um objetivo da presente invenção prover uma composição metalúrgica de material compósito, formado por uma matriz estrutural metálica e por um lubrificante sólido não-metálico, e que seja adequada para a fabricação, por meio de operações de conformação (densificação) e de sinterização, de produtos sinterizados (acabados e semi-acabados), apresentando baixo coeficiente deSummary of the Invention [0027] It is, therefore, an objective of the present invention to provide a metallurgical composition of composite material, formed by a metallic structural matrix and a solid non-metallic lubricant, and which is suitable for manufacturing, through operations conformation (densification) and sintering, of sintered products (finished and semi-finished), presenting a low coefficient of
12/25 atrito aliado a uma elevada resistência mecânica e elevada dureza.12/25 friction combined with high mechanical resistance and high hardness.
[0028] Um objetivo adicional da presente invenção é prover uma composição tal como acima citada e que seja de obtenção fácil e de baixo custo.[0028] An additional objective of the present invention is to provide a composition as mentioned above and that is easily obtainable and of low cost.
[0029] É igualmente um objetivo de a presente invenção prover um produto sinterizado, obtido a partir de uma conformação, por compactação via prensagem, laminação, extrusão e outros ou por moldagem por injeção, seguida de uma sinterização, da composição acima definida e que apresente um alto grau de continuidade da matriz estrutural metálica, um baixo coeficiente de atrito e uma alta resistência mecânica, utilizando um lubrificante sólido compreendendo, por exemplo, grafita, nitreto hexagonal de boro ou mistura de ambos.[0029] It is also an objective of the present invention to provide a sintered product, obtained from a conformation, by compacting via pressing, lamination, extrusion and others or by injection molding, followed by sintering, of the composition defined above and which present a high degree of continuity of the metallic structural matrix, a low coefficient of friction and a high mechanical resistance, using a solid lubricant comprising, for example, graphite, hexagonal boron nitride or mixture of both.
[0030] É igualmente um objetivo da presente invenção prover um processo de obtenção de produtos sinterizados, por meio de conformação (densificação) e sinterização, e que evite a necessidade de preparo prévio de partículas da composição utilizada, para garantir a continuidade da matriz metálica e os desejados valores de coeficiente de atrito e de resistência mecânica do produto obtido.[0030] It is also an objective of the present invention to provide a process for obtaining sintered products, through conformation (densification) and sintering, and that avoids the need for prior preparation of particles of the composition used, to guarantee the continuity of the metallic matrix and the desired values of coefficient of friction and mechanical resistance of the product obtained.
[0031] Em um primeiro aspecto da presente invenção, os objetivos acima são alcançados através de uma composição metalúrgica de materiais particulados, para formação de produtos compósitos autolubrificantes, conformados e sinterizados, que compreende um material metálico particulado principal, na forma de um elemento químico preponderante definido por níquel, e pelo menos um elemento endurecedor definido por um elemento selecionado de silício, fósforo e cromo contendo 2% a 5% em peso da composição metalúrgica, ou[0031] In a first aspect of the present invention, the above objectives are achieved through a metallurgical composition of particulate materials, for forming self-lubricating, shaped and sintered composite products, which comprises a main particulate metallic material, in the form of a chemical element preponderant defined by nickel, and at least one hardener defined by an element selected from silicon, phosphorus and chromium containing 2% to 5% by weight of the metallurgical composition, or
13/25 de uma mistura consistindo de silício, fósforo e cromo contendo 2% a 8% em peso da composição metalúrgica, formadores de uma matriz estrutural no produto compósito a ser sinterizado; um lubrificante sólido particulado nãometálico selecionado de grafite, nitreto hexagonal de boro ou uma mistura de ambos, em qualquer proporção; e pelo menos um elemento de liga particulado, definido por pelo menos um dos elementos selecionados entre silício, fósforo, cromo, carbono, magnésio, cobalto e manganês e sendo capaz de formar, durante a sinterização da composição metalúrgica conformada, uma fase líquida entre o material particulado formador da matriz estrutural e o lubrificante sólido particulado, aglomerando este último em partículas discretas. [0032] A fase líquida, formada por interdifusão dos componentes da mistura de particulados, ao se espalhar por sobre as partículas do material da matriz, presentes no material em formação, penetra entre estas e a camada de lubrificante sólido aderido, removendo-o e provocando a aglomeração do lubrificante sólido em partículas discretas dispersas no volume do material da matriz, permitindo a geração de continuidade de matéria entre as partículas da fase matriz durante a sinterização.13/25 of a mixture consisting of silicon, phosphorus and chromium containing 2% to 8% by weight of the metallurgical composition, forming a structural matrix in the composite product to be sintered; a non-metallic solid particulate lubricant selected from graphite, hexagonal boron nitride or a mixture of both, in any proportion; and at least one particulate alloy element, defined by at least one of the elements selected from silicon, phosphorus, chromium, carbon, magnesium, cobalt and manganese and being able to form, during the sintering of the formed metallurgical composition, a liquid phase between the particulate material forming the structural matrix and the particulate solid lubricant, agglomerating the latter into discrete particles. [0032] The liquid phase, formed by interdiffusion of the components of the particulate mixture, when spreading over the particles of the matrix material, present in the forming material, penetrates between these and the layer of adhered solid lubricant, removing it and causing the solid lubricant to agglomerate into discrete particles dispersed in the matrix material volume, allowing the generation of continuity of matter between the particles of the matrix phase during sintering.
[0033] Em outro aspecto da presente invenção, é provida uma composição metalúrgica de material compósito, para a fabricação de produtos sinterizados a partir de um componente previamente conformado (densifiçado) com a composição acima definida e que compreende uma mistura de: e um material particulado definidor de uma matriz estrutural metálica (matriz do compósito) e de um material particulado definidor de um lubrificante sólido passível de reação com o material[0033] In another aspect of the present invention, a metallurgical composition of composite material is provided for the manufacture of sintered products from a previously formed (densified) component with the composition defined above and which comprises a mixture of: and a material particulate defining a metallic structural matrix (composite matrix) and a particulate material defining a solid lubricant liable to react with the material
14/25 particulado da matriz estrutural metálica, nas temperaturas de sinterização deste último material particulado.14/25 particulate of the metallic structural matrix, in the sintering temperatures of this last particulate material.
[0034] Em outro aspecto da presente invenção, os objetivos acima são alcançados através de um produto sinterizado compreendendo uma matriz estrutural metálica obtida por qualquer uma das composições anteriores e apresentando dispersão de partículas discretas de lubrificante sólido, sendo a matriz estrutural metálica contínua e apresentando uma quantidade de lubrificante sólido igual àquela contida na dita composição metalúrgica utilizada para a formação do produto.[0034] In another aspect of the present invention, the above objectives are achieved through a sintered product comprising a metallic structural matrix obtained by any of the previous compositions and presenting dispersion of discrete particles of solid lubricant, the metallic structural matrix being continuous and presenting an amount of solid lubricant equal to that contained in said metallurgical composition used for forming the product.
[0035] Em outro aspecto da presente invenção, os objetivos acima são alcançados através de um processo de obtenção de um produto sinterizado a partir da composição metalúrgica acima definida e apresentando dispersão de partículas de lubrificante sólido, dito processo compreendendo as etapas de: a- misturar, em quantidades pré-determinadas, os materiais particulados definidores da composição metalúrgica e realizar a homogeneização, por exemplo mecânica e em moinho/misturador; b- prover a conformação (densificação) da mistura obtida, imprimindo à dita mistura, o formato do produto (peça) a ser sinterizado; e c- sinterizar o material pré-compactado.[0035] In another aspect of the present invention, the above objectives are achieved through a process of obtaining a sintered product from the metallurgical composition defined above and presenting dispersion of solid lubricant particles, said process comprising the steps of: a- mix, in predetermined quantities, the particulate materials that define the metallurgical composition and perform the homogenization, for example mechanical and in a mill / mixer; b- provide the conformation (densification) of the mixture obtained, printing to said mixture, the shape of the product (piece) to be sintered; and c- sintering the pre-compacted material.
[0036] Quando a conformação da composição metalúrgica, previamente à sinterização, for realizada por extrusão ou por moldagem por injeção é necessário incluir na dita composição um ligante orgânico par imprimir fluidez à composição durante a fase de conformação.[0036] When the shaping of the metallurgical composition, prior to sintering, is carried out by extrusion or injection molding, it is necessary to include in the said composition an organic binder to impart fluidity to the composition during the shaping phase.
O material compósito autolubrificante obtido com a presente invenção pode ser utilizado para a fabricação de componentesThe self-lubricating composite material obtained with the present invention can be used for the manufacture of components
15/25 de elevada resistência mecânica, ou seja, para fabricação de componentes mecânicos tais como engrenagens, pinhões, coroas, garfos e acionadores, pistões e bielas para compressores, etc. e não só para buchas autolubrificantes a seco.15/25 with high mechanical resistance, that is, for the manufacture of mechanical components such as gears, pinions, crowns, forks and drivers, pistons and connecting rods for compressors, etc. and not only for self-lubricating dry bushings.
[0037] O elevado desempenho mecânico e tribológico simultâneos são decorrentes da aplicação de uma série de requisitos específicos relacionados às propriedades mecânicas da matriz e aos parâmetros micro-estruturais projetados para o material da composição, que são os seguintes: dureza e resistência mecânica da matriz, tamanho e livre caminho médio entre as partículas de lubrificante sólido dispersas na matriz; grau de continuidade da matriz; percentual volumétrico de partículas de lubrificante sólido dispersas na matriz metálica; e estabilidade relativa entre a fase lubrificante sólido e a matriz.[0037] The high simultaneous mechanical and tribological performance results from the application of a series of specific requirements related to the mechanical properties of the matrix and the micro-structural parameters designed for the composition material, which are the following: hardness and mechanical resistance of the matrix , size and average free path between the solid lubricant particles dispersed in the matrix; degree of continuity of the matrix; volumetric percentage of solid lubricant particles dispersed in the metal matrix; and relative stability between the solid lubricating phase and the matrix.
Breve Descrição dos Desenhos [0038] A seguir, a invenção será descrita com base nos desenhos em anexo, dados a título de exemplo de concretizações da invenção e nos quais:Brief Description of the Drawings [0038] In the following, the invention will be described based on the accompanying drawings, given as an example of embodiments of the invention and in which:
[0039] A figura IA representa, esquematicamente, da porção microestrutura da composição de uma material particulado da técnica anterior, compreendendo uma matriz estrutural e um lubrificante sólido contendo nitreto hexagonal de boro e/ou grafita, antes de ter sido submetida à operação de homogeneização mecânica da mistura dos materiais particulados e de conformação (densificação) da peça, antes da sinterização;[0039] Figure IA represents, schematically, the microstructure portion of the composition of a particulate material of the prior art, comprising a structural matrix and a solid lubricant containing hexagonal boron nitride and / or graphite, before being subjected to the homogenization operation mechanics of the mixing of particulate and conformation (densification) parts of the part, before sintering;
[0040] A figura 1B representa uma vista semelhante à da figura IA, mas ilustrando a microestrutura da mesma composição de material particulado da técnica anterior, após[0040] Figure 1B represents a view similar to figure IA, but illustrating the microstructure of the same particulate material composition of the prior art, after
16/25 ter sido homogeneizada e conformada, com a formação de uma camada de lubrificante sólido entre as partículas da matriz estrutural;16/25 have been homogenized and shaped, with the formation of a layer of solid lubricant between the particles of the structural matrix;
[0041] A figura 2A representa, esquematicamente, uma porção da microestrutura da composição ou mistura do material particulado da matriz estrutural metálica com o material do lubrificante sólido particulado tendo um tamanho de partícula semelhante (mesma ordem de grandeza) ao tamanho de partícula da matriz estrutural metálica, favorecendo o grau de continuidade da mesma;[0041] Figure 2A schematically represents a portion of the microstructure of the composition or mixture of the particulate material of the metallic structural matrix with the particulate solid lubricant material having a particle size similar (same order of magnitude) to the particle size of the matrix metallic structural, favoring the degree of continuity of the same;
[0042] A figura 2B representa, esquematicamente, uma porção da microestrutura da composição do material particulado da matriz estrutural, com o lubrificante sólido tendo tamanho de partícula muito menor que o da matriz estrutural metálica, com o que as partículas muito mais finas do lubrificante sólido tendem a formar uma camada relativamente contínua entre as partículas da matriz estrutural metálica, mesmo na ausência de tensões cisalhantes durante as etapas de processamento anteriores à sinterização; [0043] A figura 3 mostra, esquematicamente, o lubrificante sólido na forma de partículas discretas distribuídas uniformemente, com um livre caminho médio λ regular entre elas, em uma porção da microestrutura da composição de material particulado objeto da presente invenção;[0042] Figure 2B schematically represents a portion of the microstructure of the particulate material composition of the structural matrix, with the solid lubricant having a particle size much smaller than that of the metallic structural matrix, with which the much finer particles of the lubricant solid tend to form a relatively continuous layer between the particles of the metallic structural matrix, even in the absence of shear stresses during the processing steps prior to sintering; [0043] Figure 3 shows, schematically, the solid lubricant in the form of uniformly distributed discrete particles, with a regular free mean path λ between them, in a portion of the microstructure of the particulate material composition object of the present invention;
[0044] A figura 4 representa uma fotografia da microestrutura do produto sinterizado autolubrificante com a matriz estrutural evidenciando as partículas de grafita e de nitreto hexagonal de boro e a provisão da fase líquida dispersa entre o material particulado da matriz estrutural durante a sinterização.[0044] Figure 4 represents a photograph of the microstructure of the self-lubricating sintered product with the structural matrix showing the graphite and hexagonal boron nitride particles and the provision of the liquid phase dispersed between the particulate material of the structural matrix during sintering.
ΤΊ/25 [0045] A figura 5 representa, esquematicamente e em diagrama simplificado, um exemplo de compactação na formação de uma peça ou produto, a ser posteriormente sinterizado, dita compactação sendo feita de modo a prover uma camada autolubrificante em duas faces opostas do produto a ser sinterizado;25/25 [0045] Figure 5 represents, schematically and in a simplified diagram, an example of compaction in the formation of a part or product, to be subsequently sintered, said compaction being made in order to provide a self-lubricating layer on two opposite sides of the product to be sintered;
[0046] As figuras 6A, 6B e 6C representam exemplos de produtos cuja conformação é obtida por compactação, realizada por extrusão, respectivamente, de uma barra de material compósito autolubrificante, de um tubo em material compósito autolubrificante e de uma barra com núcleo em liga metálica revestido com uma camada externa com material autolubrificante; e [0047] A figura 7 representa, esquematicamente e em diagrama simplificado, um exemplo de compactação na formação de uma peça ou produto, a ser posteriormente sinterizado, dita compactação sendo feita por laminação de um material compósito autolubrificante sobre as faces opostas de uma chapa ou tira em liga metálica.[0046] Figures 6A, 6B and 6C represent examples of products whose conformation is obtained by compacting, carried out by extruding, respectively, a self-lubricating composite material bar, a tube in self-lubricating composite material and a bar with alloy core metal coated with an external layer with self-lubricating material; and [0047] Figure 7 represents, schematically and in a simplified diagram, an example of compaction in the formation of a part or product, to be subsequently sintered, said compaction being made by laminating a self-lubricating composite material on the opposite faces of a plate or metal alloy strip.
Descrição da Invenção [0048] Conforme já anteriormente mencionado, um dos objetivos da invenção é o de prover uma composição metalúrgica de materiais particulados, que possa ser homogeneamente misturada e conformada (densifiçada) por compactação (prensagem, laminação, extrusão) ou por moldagem por injeção, para que possa assumir uma geometria definida (peça) a ser submetida a uma sinterização, para a obtenção de um produto que apresente elevada dureza, resistência mecânica e reduzido coeficiente de atrito, em relação aos produtos obtidos pelos ensinamentos do estado da técnica. A composiçãoDescription of the Invention [0048] As previously mentioned, one of the objectives of the invention is to provide a metallurgical composition of particulate materials, which can be homogeneously mixed and shaped (densified) by compaction (pressing, lamination, extrusion) or by molding by injection, so that it can assume a defined geometry (piece) to be submitted to sintering, to obtain a product that presents high hardness, mechanical resistance and reduced friction coefficient, in relation to the products obtained by the teachings of the state of the art. The composition
18/25 metalúrgica em questão compreende um material metálico particulado composição, principal, preponderante na formação da e pelo menos um elemento endurecedor de liga, particulado, sendo esses componentes os responsáveis pela formação de uma matriz estrutural 10 no produto compósito a ser sinterizado.18/25 metallurgical in question comprises a particulate metallic material, main composition, predominant in the formation of and at least one particulate hardener element, these components being responsible for the formation of a structural matrix 10 in the composite product to be sintered.
[0049][0049]
De acordo com a invenção, material metálico formadores da matriz questão compreende um particulado principal, na forma de um elemento químico preponderante, é níquel, definindo uma matriz estrutural a base de níquel.According to the invention, metallic material forming the question matrix comprises a main particulate, in the form of a preponderant chemical element, which is nickel, defining a nickel-based structural matrix.
[0050] Além dos componentes estrutural 10, a composição em lubrificante sólido particulado 20, não-metálico que é preferivelmente, mas não exclusivamente, definido por nitreto hexagonal de boro, grafita ou ainda por uma mistura de ambos em qualquer proporção, dito lubrificante sólido particulado 20 representando um percentual volumétrico menor ou igual a cerca de 15% do volume do material compósito a ser formado, o que constitui um percentual muito menor do que os usuais 25% a 40% da técnica anterior, contribuindo, de modo relevante, para um maior grau de continuidade da matriz estrutural 10 e, consequentemente, para uma maior resistência mecânica do produto sinterizado a ser obtido.[0050] In addition to structural components 10, the composition in particulate solid lubricant 20, non-metallic which is preferably, but not exclusively, defined by hexagonal boron nitride, graphite or even a mixture of both in any proportion, said solid lubricant particulate 20 representing a volumetric percentage less than or equal to about 15% of the volume of the composite material to be formed, which constitutes a much lower percentage than the usual 25% to 40% of the prior art, contributing, in a relevant way, to a greater degree of continuity of the structural matrix 10 and, consequently, for a greater mechanical resistance of the sintered product to be obtained.
[0051] Conforme já mencionado na discussão da técnica anterior e ilustrado nas figuras ΙΑ, 1B, 2A e 2B, em razão da baixa tensão de cisalhamento do lubrificante sólido e não-metálico utilizado na formação da :, posteriormente, do produto sinterizado particulado composição compósito, durante as etapas de mistura dos materiais particulados da composição e de sua conformação, por[0051] As already mentioned in the discussion of the prior art and illustrated in figures ΙΑ, 1B, 2A and 2B, due to the low shear stress of the solid and non-metallic lubricant used in the formation of: subsequently, the particulate sintered composition composite, during the stages of mixing the particulate materials of the composition and its conformation, for
19/25 compactação ou por moldagem por injeção, as tensões aplicadas ao lubrificante sólido 20 promovem seu espalhamento por entre as partículas formadoras da fase matriz estrutural 10, tendendo a envolvê-las em um filme ou camada 21, prejudicando a formação do necks de sinterização entre as partículas de formação da matriz estrutural metálica 10, quando o lubrificante sólido particulado 20 for insolúvel no material da matriz estrutural 10, como ocorre com o nitreto hexagonal de boro em relação a uma matriz estrutural 10 a base de níquel.19/25 compaction or by injection molding, the stresses applied to the solid lubricant 20 promote its spreading between the forming particles of the structural matrix phase 10, tending to wrap them in a film or layer 21, impairing the formation of the sintering necks between the particles forming the metallic structural matrix 10, when the particulate solid lubricant 20 is insoluble in the structural matrix material 10, as occurs with hexagonal boron nitride in relation to a nickel-based structural matrix 10.
[0052] Para evitar a deficiência acima, a composição da presente invenção compreende ainda pelo menos um elemento de liga particulado, capaz de formar, nas temperaturas de sinterização da composição metalúrgica conformada, uma fase líquida entre o material particulado formador da matriz estrutural 10 e o lubrificante sólido particulado 20, forçando esse último a aglomerar-se em partículas discretas, homogeneamente dispersas no material da matriz estrutural 10, conforme ilustrado na figura 3. A formação da fase líquida e sua ação sobre o lubrificante sólido particulado 20 permitem a obtenção de um elevado grau de continuidade da matriz estrutural 10 no produto compósito sinterizado a ser obtido. [0053] Conforme já mencionado, na matriz estrutural 10 da composição metalúrgica a base de níquel, qualquer um dos lubrificantes sólidos, particulados 20, aqui exemplificados como grafita, nitreto hexagonal de boro ou uma mistura de ambos em qualquer proporção, terá a característica de ser insolúvel na referida matriz estrutural 10 de níquel, nas temperaturas de sinterização da composição metalúrgica, de cerca de 1125°C a cerca de 1250°C.[0052] To avoid the above deficiency, the composition of the present invention further comprises at least one particulate alloy element, capable of forming, at the sintering temperatures of the shaped metallurgical composition, a liquid phase between the particulate material forming the structural matrix 10 and the particulate solid lubricant 20, forcing the latter to agglomerate into discrete particles, homogeneously dispersed in the structural matrix material 10, as shown in figure 3. The formation of the liquid phase and its action on the particulate solid lubricant 20 allow to obtain a high degree of continuity of the structural matrix 10 in the sintered composite product to be obtained. [0053] As already mentioned, in the structural matrix 10 of the nickel-based metallurgical composition, any of the solid, particulate lubricants 20, exemplified here as graphite, hexagonal boron nitride or a mixture of both in any proportion, will have the characteristic of be insoluble in said nickel structural matrix 10, at the sintering temperatures of the metallurgical composition, from about 1125 ° C to about 1250 ° C.
20/25 [0054] Na composição metalúrgica com matriz estrutural 10 em níquel, o necessário elemento de liga particulado, com função de formar a fase líquida e aglomerar o lubrificante sólido particulado 20, durante a sinterização da composição metalúrgica, é definido, por exemplo, por pelo menos um dos elementos selecionados de cromo, fósforo, silício, ferro, carbono, magnésio, cobalto e manganês.20/25 [0054] In the metallurgical composition with structural matrix 10 in nickel, the necessary particulate alloy element, with the function of forming the liquid phase and agglomerating the solid particulate lubricant 20, during the sintering of the metallurgical composition, is defined, for example , for at least one of the selected elements of chromium, phosphorus, silicon, iron, carbon, magnesium, cobalt and manganese.
[0055] Na composição metalúrgica da invenção que utiliza uma matriz estrutural 10 a base de níquel, o material metálico particulado principal de níquel apresenta, quando da conformação por compactação, um tamanho médio de partícula preferivelmente situado entre cerca de 10 m e cerca de 90 m, sendo que o elemento endurecedor, com função endurecedora da matriz estrutural 10, e o elemento de liga particulado, com função de formar a fase líquida e aglomerar o lubrificante sólido particulado 20, durante a sinterização da composição metalúrgica conformada por compactação (densificação) , apresentam um tamanho médio de partícula igual ou menor que cerca de 45pm. Quando a conformação da composição é feita por moldagem por injeção, é preferível que o material metálico particulado principal de níquel e o elemento endurecedor com função endurecedora da matriz estrutural 10 e ainda o elemento de liga particulado com função de formar a fase líquida apresentem um tamanho de partícula preferivelmente situado entre cerca de lpm e cerca de 45pm.[0055] In the metallurgical composition of the invention using a structural matrix 10 based on nickel, the main particulate metallic material of nickel presents, when forming by compaction, an average particle size preferably located between about 10 m and about 90 m , with the hardener element, with the hardening function of the structural matrix 10, and the particulate alloy element, with the function of forming the liquid phase and agglomerating the particulate solid lubricant 20, during the sintering of the metallurgical composition conformed by compaction (densification), have an average particle size equal to or less than about 45pm. When the conformation of the composition is made by injection molding, it is preferable that the main particulate metallic material of nickel and the hardening element with the hardening function of the structural matrix 10 and also the particulate alloy element with the function of forming the liquid phase have a size of particle preferably between about 1pm and about 45pm.
[0056] Considerando a composição metalúrgica com matriz estrutural 10 a base de níquel, o elemento endurecedor, com função endurecedora da matriz de níquel, e o elemento de liga particulado, com função de formar a fase líquida e aglomerar o lubrificante sólido particulado 20 em partículas discretas,[0056] Considering the metallurgical composition with structural matrix 10 based on nickel, the hardener element, with the hardening function of the nickel matrix, and the particulate alloy element, with the function of forming the liquid phase and agglomerating the particulate solid lubricant in 20 discrete particles,
21/25 são definidos por um elemento selecionado dentre silício, fósforo e cromo, em teores de cerca de 2% a cerca de 5%, ou de uma mistura de silício, fósforo e cromo, em teores de cerca de 2% a cerca de 8% em peso da composição metalúrgica. [0057] Quando a conformação da composição metalúrgica, previamente à sinterização, é realizada por extrusão ou por moldagem por injeção, a composição deve compreender ainda pelo menos um ligante orgânico selecionado preferivelmente do grupo consistindo de parafina e outras ceras, EVA, e polímeros de baixo ponto de fusão em proporção variando geralmente de cerca de 15% a cerca de 45% do volume total da composição metalúrgica quando da conformação por extrusão e de cerca de 40% a 45% quando da conformação por moldagem por injeção. O ligante orgânico é extraído da composição após a etapa de conformação, por exemplo por evaporação, antes de o produto conformado ser conduzido à etapa de sinterização. [0058] As composições metalúrgicas acima descritas são obtidas por meio da mistura, em misturadores adequados quaisquer, de quantidades predeterminadas dos materiais particulados selecionados para a formação da composição e para a subsequente obtenção de um produto sinterizado autolubrificante.21/25 are defined by an element selected from silicon, phosphorus and chromium, in levels of about 2% to about 5%, or of a mixture of silicon, phosphorus and chromium, in levels of about 2% to about 8% by weight of the metallurgical composition. [0057] When the shaping of the metallurgical composition, prior to sintering, is carried out by extrusion or injection molding, the composition must further comprise at least one organic binder selected preferably from the group consisting of paraffin and other waxes, EVA, and polymers of low melting point in proportion generally ranging from about 15% to about 45% of the total volume of the metallurgical composition when forming by extrusion and from about 40% to 45% when forming by injection molding. The organic binder is extracted from the composition after the forming step, for example by evaporation, before the shaped product is taken to the sintering step. [0058] The metallurgical compositions described above are obtained by mixing, in any suitable mixers, predetermined quantities of the particulate materials selected for the formation of the composition and for the subsequent obtaining of a self-lubricating sintered product.
[0059] A mistura dos diferentes materiais particulados é homogeneizada e submetida a uma operação de densificação por compactação, ou seja, por prensagem, laminação ou extrusão, ou ainda por moldagem por injeção para que possa ser conformada em um formato desejado para o produto a ser obtido por sinterização.[0059] The mixture of the different particulate materials is homogenized and subjected to a densification operation by compaction, that is, by pressing, lamination or extrusion, or by injection molding so that it can be shaped into a desired format for the product to be be obtained by sintering.
[0060] No caso de conformação por moldagem por injeção, a mistura dos componentes contendo o ligante orgânico é[0060] In the case of conformation by injection molding, the mixture of the components containing the organic binder is
22/25 homogeneizada em temperaturas não inferiores àquela de fusão do ligante orgânico, sendo a mistura, assim homogeneizada, granulada para facilitar seu manuseio, armazenamento e alimentação a uma máquina injetora.22/25 homogenized at temperatures not lower than that of the melting of the organic binder, the mixture, thus homogenized, being granulated to facilitate its handling, storage and feeding to an injection machine.
[0061] Após a conformação da composição, a peça conformada é submetida a uma etapa de extração do ligante orgânico, geralmente por processo térmico.[0061] After shaping the composition, the shaped part is subjected to a step of extracting the organic binder, usually by a thermal process.
[0062] A composição metalúrgica homogeneizada e conformada pode ser então submetida a uma etapa de sinterização, em temperaturas de cerca de 1125°C a cerca de 1250°C. Considerando que as composições metalúrgicas, com matriz estrutural 10 a base de níquel, compreendem pelo menos um elemento de liga particulado, com função de formar a fase líquida, durante a sinterização é formada a referida fase líquida pelo elemento de liga particulado e promovida a aglomeração do lubrificante sólido particulado 20 em partículas discretas e dispersas no volume da matriz estrutural 10.[0062] The homogenized and shaped metallurgical composition can then be subjected to a sintering step, at temperatures of about 1125 ° C to about 1250 ° C. Considering that the metallurgical compositions, with a structural matrix 10 based on nickel, comprise at least one particulate alloy element, with the function of forming the liquid phase, during sintering the said liquid phase is formed by the particulate alloy element and promoted agglomeration of the particulate solid lubricant 20 in discrete particles dispersed in the volume of the structural matrix 10.
[0063] Com a composição metalúrgica aqui proposta, com uma matriz estrutural 10 a base de níquel, passa a ser possível obter peças ou produtos sinterizados autolubrificantes, a partir de materiais particulados que não exigem tratamento prévio para o lubrificante sólido particulado, não metálico, peças ou produtos esses apresentando uma dureza HV 240, um coeficiente de atrito μ 0,20, uma resistência mecânica a tração ót 350 MPa e ainda uma dispersão de partículas discretas de lubrificante sólido 20 com tamanho médio de partícula entre cerca de 10 [im e cerca de 60 [lm para os produtos conformados por compactação e entre cerca de 2 [im e cerca de 2 0 [lm para os produtos conformados por moldagem por[0063] With the metallurgical composition proposed here, with a structural matrix 10 based on nickel, it becomes possible to obtain self-lubricating sintered parts or products, from particulate materials that do not require previous treatment for the solid particulate, non-metallic lubricant, parts or products with an HV 240 hardness, a friction coefficient μ 0.20, an optimum tensile strength of 350 MPa and a dispersion of discrete particles of solid lubricant 20 with an average particle size between about 10 [im and about 60 [lm for products formed by compaction and between about 2 [im and about 20 [lm for products formed by molding
23/25 inj eção.23/25 injection.
[0064] As figuras 5, 6A, 6B, 6C e 7 dos desenhos anexos têm por finalidade exemplificar diferentes possibilidades de conformação da composição metalúrgica em questão, por compactação de uma certa quantidade predeterminada da composição metalúrgica para um formato qualquer desejado, o qual pode ser aquele da peça ou produto final sinterizado e autolubrificante que se deseja obter ou um formato próximo daquele final desejado.[0064] Figures 5, 6A, 6B, 6C and 7 of the attached drawings are intended to exemplify different possibilities of conformation of the metallurgical composition in question, by compacting a certain predetermined quantity of the metallurgical composition to any desired shape, which can be that of the sintered and self-lubricating part or final product to be obtained or a shape close to that desired end.
[0065] Entretanto, em um grande número de aplicações, a característica autolubrificante é necessária apenas em uma ou mais regiões superficiais de uma peça ou componente mecânico, a serem submetidas a contato atritante com outro elemento relativamente móvel.[0065] However, in a large number of applications, the self-lubricating characteristic is necessary only in one or more surface regions of a part or mechanical component, to be subjected to an attractive contact with another relatively mobile element.
[0066] Assim, o produto autolubrificante desejado pode ser constituído, conforme ilustrado na figura 5, por um substrato estrutural 30 preferivelmente conformado em material particulado e recebendo, em uma ou em duas faces opostas 31, uma camada superficial 41 da composição metalúrgica 40 objeto da presente invenção. No exemplo ilustrado, o substrato estrutural 30 e as duas camadas superficiais opostas da composição metalúrgica 40 são compactadas no interior de um molde M adequado qualquer, por dois punções opostos P, formando um produto compósito 1, compactado e conformado, que é posteriormente submetido a uma etapa de sinterização. Nesse exemplo, apenas as duas faces opostas 31 do substrato estrutural 30 apresentarão as desejáveis propriedades autolubrificantes.[0066] Thus, the desired self-lubricating product can be constituted, as illustrated in figure 5, by a structural substrate 30 preferably formed of particulate material and receiving, on one or two opposite faces 31, a superficial layer 41 of the metallurgical composition 40 object of the present invention. In the illustrated example, the structural substrate 30 and the two opposing surface layers of the metallurgical composition 40 are compacted inside any suitable mold M, by two opposing punches P, forming a composite product 1, compacted and shaped, which is subsequently subjected to a sintering step. In this example, only the two opposite faces 31 of the structural substrate 30 will exhibit the desirable self-lubricating properties.
Nas figuras 6A e 6B são exemplificados produtos na forma de uma barra 2 e de um tubo 3, respectivamente, obtidos porFigures 6A and 6B show products in the form of a bar 2 and a tube 3, respectively, obtained by
24/25 extrusão da composição metalúrgica 40 em uma matriz de extrusão adequada (não ilustrada). Nesse caso, a conformação por compactação da composição metalúrgica 40 é realizada na etapa de extrusão dessa última. A barra 2 ou o tubo 3 podem ser então submetidos à etapa de sinterização, para a formação da matriz estrutural 10 a base de níquel e incorporando partículas discretas e dispersas do lubrificante sólido particulado 20, conforme esquematicamente representado nas figuras 3 e 4.24/25 extruding the metallurgical composition 40 into a suitable extrusion die (not shown). In this case, the forming by compaction of the metallurgical composition 40 is carried out in the extrusion stage of the latter. The bar 2 or the tube 3 can then be subjected to the sintering step, for the formation of the nickel-based structural matrix 10 and incorporating discrete and dispersed particles of the particulate solid lubricant 20, as schematically represented in figures 3 and 4.
[0067] A figura 6C ilustra outro exemplo de produto formado por uma barra compósita 4, compreendendo um núcleo estrutural 35, em material particulado, circunferencial e externamente envolvido por uma camada superficial 41 formada a partir da composição metalúrgica 40 da invenção. Também nesse caso, a conformação e a compactação (densificação) do núcleo estrutural 35 e da camada externa 41 na composição metalúrgica 40 são obtidas por co-extrusão das duas partes da barra compósita 4, a qual é então submetida à etapa de sinterização.[0067] Figure 6C illustrates another example of a product formed by a composite bar 4, comprising a structural core 35, in particulate material, circumferential and externally surrounded by a surface layer 41 formed from the metallurgical composition 40 of the invention. Also in this case, the conformation and compacting (densification) of the structural core 35 and the outer layer 41 in the metallurgical composition 40 are obtained by co-extrusion of the two parts of the composite bar 4, which is then subjected to the sintering step.
[0068] Quando a compactação da composição metalúrgica 20 é realizada por extrusão, como ocorre, por exemplo, na formação das barras 2, 3 e 4 das figuras 6A, 6B e 6C, a referida composição pode compreender ainda um ligante orgânico que é termicamente removido da composição, após a conformação dessa última e antes da etapa de sinterização, por qualquer uma das técnicas conhecidas para a referida remoção.[0068] When the compaction of the metallurgical composition 20 is carried out by extrusion, as occurs, for example, in the formation of bars 2, 3 and 4 of figures 6A, 6B and 6C, said composition may further comprise an organic binder that is thermally removed from the composition, after forming the latter and before the sintering step, by any of the known techniques for said removal.
[0069] O ligante orgânico pode ser, por exemplo, qualquer um selecionado do grupo consistindo de parafina e outras ceras, EVA, e polímeros de baixo ponto de fusão.[0069] The organic binder can be, for example, any one selected from the group consisting of paraffin and other waxes, EVA, and low melting point polymers.
[0070] A figura 7 representa, também esquematicamente,[0070] Figure 7 represents, also schematically,
25/25 outro caminho para se obter um produto sinterizado compósito, apresentando uma ou mais regiões superficiais tendo características autolubrificantes. Nesse exemplo, o produto 5 a ser obtido apresenta um substrato estrutural 30 formado em material particulado, conformado previamente em tira, sendo que em pelo menos uma das faces opostas do substrato estrutural 30, em tira contínua, é laminada uma camada superficial 41 da composição metalúrgica 40 objeto da presente invenção. 0 produto compósito 5 é então submetido a uma etapa de sinterização.25/25 another way to obtain a composite sintered product, presenting one or more surface regions having self-lubricating characteristics. In this example, the product 5 to be obtained has a structural substrate 30 formed of particulate material, previously formed into a strip, with at least one of the opposite faces of the structural substrate 30, in continuous strip, a surface layer 41 of the composition is laminated. metallurgical 40 object of the present invention. The composite product 5 is then subjected to a sintering step.
[0071] Apesar de a invenção ter sido aqui apresentada por meio de alguns exemplos de possíveis composições metalúrgicas e associações a diferentes substratos estruturais, deve ser entendido que tais composições e associações podem sofrer alterações evidentes àqueles versados na matéria, sem que se fuja do conceito inventivo do controle da distribuição em partículas discretas do lubrificante sólido na matriz estrutural e ainda de eventual tendência de dissolução daquele na referida matriz, durante a etapa de sinterização, conforme definido nas reivindicações que acompanham o presente relatório.[0071] Although the invention was presented here by means of some examples of possible metallurgical compositions and associations with different structural substrates, it must be understood that such compositions and associations can undergo evident changes to those versed in the matter, without departing from the concept inventive control of the distribution in discrete particles of the solid lubricant in the structural matrix and also of any tendency to dissolve it in the said matrix, during the sintering step, as defined in the claims accompanying this report.
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