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˜ OFICINA ESPANOLA DE PATENTES Y MARCAS

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11 N´ umero de publicaci´on:

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˜ ESPANA

B22F 3/115 C22C 1/04

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TRADUCCION DE PATENTE EUROPEA

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kN´umero de solicitud europea: 96930115.9 kFecha de presentaci´on : 28.08.1996 kN´umero de publicaci´on de la solicitud: 0 871 791 kFecha de publicaci´on de la solicitud: 21.10.1998

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54 T´ıtulo: Procedimiento para fabricar camisas de cilindro.

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73 Titular/es: Erbsl¨ oh Aktiengesellschaft

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72 Inventor/es: Commandeur, Bernhard;

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74 Agente: Arpe Fern´ andez, Manuel

30 Prioridad: 01.09.1995 DE 195 32 252

Siebeneicker Strasse 235 42553 Velbert, DE

45 Fecha de la publicaci´ on de la menci´on BOPI:

01.02.2001

45 Fecha de la publicaci´ on del folleto de patente:

ES 2 152 560 T3

01.02.2001

Aviso:

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Schattevoy, Rolf y Hummert, Klaus

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En el plazo de nueve meses a contar desde la fecha de publicaci´on en el Bolet´ın europeo de patentes, de la menci´on de concesi´on de la patente europea, cualquier persona podr´a oponerse ante la Oficina Europea de Patentes a la patente concedida. La oposici´on deber´a formularse por escrito y estar motivada; s´olo se considerar´a como formulada una vez que se haya realizado el pago de la tasa de oposici´ on (art◦ 99.1 del Convenio sobre concesi´on de Patentes Europeas). Venta de fasc´ ıculos: Oficina Espa˜ nola de Patentes y Marcas. C/Panam´ a, 1 – 28036 Madrid

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DESCRIPCION Procedimiento para fabricar camisas de cilindro. La invenci´on se refiere a un procedimiento para la fabricaci´ on de camisas de cilindro para motores de combusti´ on interna, de una aleaci´ on supereut´ectica de AlSi, resistentes al calor y a desgaste. Las camisas de cilindro son componentes expuestos a desgaste, que son insertados, introducidos a presi´ on o fundidos en orificios cil´ındricos del carter del cig¨ ue˜ nal del motor de combusti´ on interna. Las superficies de deslizamiento del cilindro de un motor de combusti´ on interna est´ an expuestas a fuertes solicitaciones de fricci´on por el pist´ on o bien por los anillos del pist´ on y a altas temperaturas que aparecen localmente. Por tanto, es necesario que estas superficies est´en constituidas de materiales resistentes a desgaste y resistentes al calor. Para conseguir este objetivo, existen, entre otras cosas, numerosos procedimientos para dotar a la superficie del cilindro de diferentes recubrimientos. Otra posibilidad consiste en disponer en el cilindro un casquillo de deslizamiento de material resistente a desgaste. As´ı, por ejemplo, entre otras cosas se utilizan camisas de cilindro de fundici´on gris, que poseen, sin embargo, una conductividad t´ermica reducida en comparaci´on con los materiales de aluminio y adem´ as presentan otros inconvenientes. El problema ha sido solucionado en principio por medio de un bloque de cilindros fundido de una aleaci´ on supereut´ectica de AlSi. Por razones de la t´ecnica de fundici´ on, el contenido de silicio est´a limitado a un m´ aximo del 20 % en peso. Como otro inconveniente del procedimiento de fundici´on se ha comprobado que durante la solidificaci´ on de la colada, se precipitan part´ıculas primarias de silicio con dimensiones relativamente grandes (aproximadamente 3080 µm). El tama˜ no y su forma angular con aristas vivas, conducen a desgaste del pist´ on y de los anillos del pist´on. Por tanto, resulta obligado proteger los pistones y los anillos de pist´on por medio de revestimientos/recubrimientos correspondientes. La superficie de contacto de las part´ıculas de Si con el pist´ on/anillo del pist´ on es alisada por mecanizaci´on. A una mecanizaci´ on de este tipo sigue entonces un tratamiento electroqu´ımico, con el que la matriz de aluminio entre granos de Si se reduce f´ acilmente, de manera que los granos de Si se proyectan en una medida insignificante como estructura de soporte desde la superficie cil´ındrica. El inconveniente de bandas de deslizamiento de cilindros ya fabricadas reside, por una parte, en un gasto considerable de fabricaci´ on (aleaci´ on cara, mecanizaci´on costosa, pist´ on recubierto de hierro, anillos de pist´ on armados) y, por otra, en la deficiente distribuci´ on de las part´ıculas primarias de Si. As´ı, por ejemplo, existen en la textura zonas muy grandes que est´an exentas de part´ıculas de Si y que, por tanto, est´an sometidas a un desgaste grande. Para evitar este desgaste es necesaria la existencia de una pel´ıcula de aceite relativamente gruesa como me2

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dio de separaci´ on entre la banda de deslizamiento y las partes implicadas en la fricci´on. Para ajustar el espesor de la pel´ıcula de aceite es decisiva, entre otras cosas, la profundidad de aplicaci´ on de las part´ıculas de Si. Una pel´ıcula de aceite relativamente gruesa conduce a elevadas p´erdidas de fricci´on en el motor y a un fuerte aumento de la emisi´on de substancias nocivas. En cambio, un bloque de cilindros seg´ un el documento DE 4230228, que est´ a fundido a partir de una aleaci´ on supereut´ectica de AlSi y que est´a provisto con camisas de material de aleaci´on supereut´ectica de AlSi, tiene un coste m´ as favorable. Pero tampoco aqu´ı se solucionan los problemas mencionados anteriormente. Para poder aprovechar las ventajas de las aleaciones supereut´ecticas de AlSi como material para camisas de cilindro, ha de modificarse la textura respecto de los granos de Si. Las aleaciones de aluminio, que no se pueden realizar conforme a la t´ecnica de fundici´ on, se pueden fabricar, como se conoce, a medida, por medio de procedimientos de la metalurgia de polvo o de compactaci´ on por pulverizaci´ on. As´ı, por ejemplo, de esta manera pueden fabricarse aleaciones supereut´ecticas de AlSi que, en virtud de alto contenido de Si, de la finura de las part´ıculas de Si y de la distribuci´ on homog´enea, poseen una resistencia a desgaste muy buena y que alcanzan la resistencia al calor requerida por medio de elementos adicionales como por ejemplo, Fe, Ni o Mn. Las part´ıculas primarias de Si, que est´ an presentes en estas aleaciones, tienen un tama˜ no de aproximadamente 0,5 a 20 µm. Con ello, las aleaciones fabricadas de esta manera son adecuadas como material para camisas de cilindro. Aunque las aleaciones de aluminio son, en general, f´ aciles de procesar, la transformaci´ on de estas aleaciones supereut´ecticas es m´as problem´atica. A partir del documento EP-0635318 se conoce un procedimiento para fabricar camisas de cilindro a partir de una aleaci´ on supereut´ectica de AlSi. Aqu´ı, la camisa de cilindro se fabrica mediante prensado por extrusi´ on a presiones y velocidades de prensado por extrusi´ on muy altas de 0,5 a 12 m/min. Para producir camisas de cilindro por medio de prensado por extrusi´ on a la medida final y a bajo coste, son necesarias velocidades de prensado muy altas. Se ha mostrado que en las aleaciones de este tipo, dif´ıciles de prensar, y con los espesores reducidos a conseguir de las camisas de cilindro, las altas velocidades de prensado conducen durante el prensado por extrusi´ on a la rotura de los perfiles. Por los documentos EP-A-411577 y WO87/03012 se conoce la compactaci´on por pulverizaci´on de cilindros huecos, los llamados tubos bastos de paredes gruesas, estando fabricados los tubos bastos de paredes gruesas seg´ un el documento EP-A-411577 de una aleaci´ on supereut´ectica de Al-Si. Por ejemplo, se describe la fabricaci´ on de tubos bastos de paredes gruesas con espesores de pared de 25 a 40 mm. Durante la transformaci´ on de estos tubos bastos de paredes gruesas en tubos de pared fina, por ejemplo, por medio de prensado por extrusi´ on, se plantean los mismos problemas que han sido descritos anteriormente.

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Por tanto, el cometido de la invenci´ on consiste en proporcionar un procedimiento mejorado y, adem´ as, de bajo coste, para la fabricaci´ on de tubos de pared fina, en particular para camisas de cilindro de motores de combusti´ on interna, debiendo presentar las camisas de cilindro terminadas las propiedades mejoradas requeridas con relaci´ on a la resistencia a desgaste, la resistencia al calor y la reducci´on de las emisiones de substancias nocivas. Seg´ un la invenci´on, este cometido se alcanza mediante un procedimiento con las etapas del procedimiento indicadas en la reivindicaci´on 1 de patente. Otras configuraciones de la invenci´on se indican en las reivindicaciones dependientes. Las propiedades tribol´ ogicas necesarias se consigue en particular porque est´ an presentes part´ıculas de silicio como precipitaciones primarias comprendidas en un intervalo de magnitud de 0,5 a 20 µm, o como part´ıculas a˜ nadidas en el material comprendidas en un intervalo de magnitud de hasta 80 µm. Para la fabricaci´ on de tales aleaciones de Al deben aplicarse procedimientos que permitan una velocidad de solidificaci´ on muy elevada de una colada de aleaci´on mayor que la posible con procedimientos de fundici´ on convencionales. A ellos pertenece el procedimiento de compactaci´on por pulverizaci´ on (en adelante “compactaci´on por pulverizaci´ on”). Para la consecuci´on de las propiedades deseadas, se atomiza una colada de aleaci´on de aluminio altamente aleada con silicio y se refrigera con chorro de nitr´ ogeno a una velocidad de refrigeraci´ on de 1000◦C/s. Las part´ıculas de polvo en parte a´ un l´ıquidas son pulverizadas sobre un tubo de soporte horizontal, giratorio alrededor del eje longitudinal, de un material del mismo tipo o de un material de aluminio convencional (por ejemplo, AlMgSi0,5). Durante el proceso, el tubo de soporte, que tiene preferentemente espesores de pared de 2 - 3 mm, es desplazado linealmente por debajo del chorro de pulverizaci´ on. Mediante la superposici´on del movimiento de rotaci´ on y de translaci´ on se obtiene un tubo cil´ındrico con un di´ ametro interior fijamente predeterminado. El di´ ametro exterior resulta de la velocidad de avance y de la velocidad efectiva de compactaci´on. De esta manera pueden fabricarse tubos con espesores de pared de 6 a 20 mm. Por medio de sistemas adecuados de alimentaci´on y de conducci´ on de los tubos de soporte puede conseguirse una operativa de producci´ on casi continua. En virtud de las altas velocidades de refrigeraci´on se obtienen en este proceso de compactaci´on por pulverizaci´ on precipitaciones primarias de part´ıculas de hasta 20 µm de magnitud. Se consigue una adaptaci´ on de la magnitud de la precipitaci´on de Si mediante la “relaci´ on gas-metal” (metro c´ ubico de gas normalizado por kilogramo de colada), con la que puede ajustarse la velocidad de solidificaci´ on del proceso. Debido a las altas velocidades de solidificaci´on y a la saturaci´ on de la colada pueden conseguirse contenidos de Si en las aleaciones de hasta el 40 % en peso. En virtud del enfriamiento r´ apido de la colada de aluminio con chorro de gas, casi se “congela” el estado

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de supersaturaci´on en el tubo obtenido. El proceso de compactaci´ on por pulverizaci´ on ofrece, adem´as, la ventaja de introducir part´ıculas en el tubo basto por medio de un inyector de part´ıculas, que no estaban presentes en la colada. Puesto que estas part´ıculas pueden presentar una geometr´ıa discrecional y un tama˜ no discrecional entre 2 µm y 400 µm, existen una multitud de posibilidades de ajuste de textura. Estas part´ıculas pueden ser, por ejemplo, part´ıculas de Si comprendidas en el intervalo de 2 µm y 400 µm o part´ıculas de o´xido cer´ amico (por ejemplo, amico (por ejemplo, SiC, Al2 O3 ) o no de o´xido cer´ no de part´ıcula B4 C, etc.) en el espectro de tama˜ mencionado anteriormente, tal como pueden obtenerse en el mercado y son convenientes desde el aspecto tribol´ ogico. El estado de la textura del tubo compactado por pulverizaci´ on puede modificarse por medio de recocidos de superenvejecimiento subsiguientes. Por medio del recocido la textura puede ser ajustada a un tama˜ no del grano de Si de 2 a 30 µm, como es deseable para las propiedades tribol´ ogicas requeridas. El crecimiento adicional de las part´ıculas de Si mayores durante el proceso de recocido se realiza por medio de difusi´on en el cuerpo s´olido a costa de part´ıculas de Si m´ as peque˜ nas. Esta difusi´ on depende de la temperatura de superenvejecimiento y de la duraci´on del tratamiento de recocido. Cuanto m´ as elevada se elige la temperatura, tanto m´ as r´apidamente crecen los granos de Si. Las temperaturas adecuadas se encuentran en torno a 500◦ C, siendo suficiente una duraci´ on del recocido de 3-5 horas. La textura ajustada de esta manera y, por tanto, hecha a medida no se modifica ya en las etapas siguientes del procedimiento o se modifica favorablemente en el sentido de las propiedades tribol´ ogicas requeridas. En funci´ on del espesor de pared de partida de los tubos fabricados de esta manera se consigue por medio de transformaci´ on en caliente (son posibles diferentes procedimientos) una reducci´on del espesor de pared a la medida final deseada. Las temperaturas del proceso est´ an preferentemente comprendidas entre 300◦ C y 500◦C. En este caso, la transformaci´ on en caliente no s´olo sirve para la conformaci´on, sino tambi´en para cerrar la porosidad condicionada por el proceso (15 %) del material de partida compactado por pulverizaci´on. El tubo conformado al espesor de pared final se divide entonces en porciones de tubo con la longitud requerida. El procedimiento de fabricaci´ on de camisas seg´ un la invenci´ on tiene como ventaja que el material puede ser cortado. Al mismo tiempo, por medio del tipo de fabricaci´ on descrito se evita con ´exito el alto gasto ocasionado durante el prensado por extrusi´ on en una sola etapa de tubos de pared fina tanto respecto de la presi´on de prensado y la velocidad de prensado como tambi´en con relaci´on a la calidad del producto y la rentabilidad. Ejemplo 1 Una aleaci´on de composici´on AlSi24Cu2,5Mg1Ni1 se compact´o a una temperatura de fundici´ on de 830◦C con una relaci´on gas / metal de 4,5 m3 / kg (metro c´ ubico normalizado de gas por kilo3

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gramo de colada) por medio de compactaci´ on por pulverizaci´ on sobre un tubo de soporte (di´ ametro interior: 69,5 mm, espesor de pared: 2,0 mm) a una velocidad de avance de aproximadamente 0,6 m/min. para obtener un tubo con un espesor de pared de 15,0 mm. En el material compactado por pulverizaci´on exist´ıan, en las condiciones mencionadas, precipitaciones de Si comprendidas en el intervalo de magnitud de 1 µm y 10 µm. El tubo compactado por pulverizaci´ on se someti´o a un tratamiento de recocido de 4 h a 520◦ C. Despu´es de este tratamiento de recocido, las precipitaciones de Si se encontraban en el orden de

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magnitud de 2 µm y 30 µm. Mediante la transformaci´on en caliente subsiguiente por conformaci´on on a 420◦ C, el tubo compactado por pulverizaci´ fue transformado desde un di´ ametro exterior de 98 mm hasta un di´ ametro exterior de 79 mm y a un di´ ametro interior de 69 mm, que se form´ o mediante un mandril. El grado de transformaci´ on era suficiente para cerrar completamente la porosidad residual del tubo compactado por pulverizaci´on mencionada anteriormente. Durante la conformaci´ on no se produjo ning´ un tipo de modificaci´on de la estructura.

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REIVINDICACIONES 1. Procedimiento para fabricaci´ on de camisas de cilindro para motores de combusti´ on de una aleaci´on supereut´ectica de AlSi, caracterizado porque - una colada de aleaci´ on de AlSi es depositada mediante compactaci´ on por pulverizaci´on sobre un tubo de soporte giratorio, de manera que se obtiene directamente un tubo de pared gruesa con un espesor de pared de 6 a 20 mm de un material supereut´ectico de AlSi, poseyendo las part´ıculas primarias de Si obtenidas un tama˜ no de 0,5 a 20 µm, con preferencia de 1 a 10 µm, - este tubo de pared gruesa es sometido, en caso necesario, a un recocido de superenvejecimiento para aumentar el tama˜ no de las part´ıculas primarias de Si obtenidas, donde las part´ıculas primarias de Si crecen hasta un tama˜ no de 2 a 30 µm, - este tubo es reducido hasta un espesor de pared de 1,5 a 5 mm., mediante un procedimiento de transformaci´ on en caliente a temperaturas de 250 a 500◦ C. 2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicaci´on 1, caracterizado porque para la fabricaci´on del tubo se emplea una colada de aleaci´ on con la siguiente composici´on: AlSi(17-35) Cu(2,5-3,5) Mg(0,2-2,0) Ni(0,5-2) 3. Procedimiento de acuerdo con la reivindicaci´on 1, caracterizado porque para la fabricaci´on del tubo se emplea una colada de aleaci´ on con la siguiente composici´on:

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AlSi(17-35) Fe(3-5) Ni(1-2). 4. Procedimiento seg´ un la reivindicaci´ on 1, caracterizado porque para la fabricaci´ on del tubo se emplea una colada de aleaci´on con la siguiente composici´on:

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AlSi(25-35). 5. Procedimiento de acuerdo con la reivindicaci´on 1, caracterizado porque para la fabricaci´on del tubo se emplea una colada de aleaci´ on con la siguiente composici´on:

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AlSi(17-35) Cu(2,5-3,3) Mg(0,2-2,0) Mn(0,5-5).

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6. Procedimiento de acuerdo con las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque durante la compactaci´on por pulverizaci´ on, una parte del silicio es introducida en el tubo a trav´es de la colada de la aleaci´on de AlSi empleada y otra parte del silicio es introducida en forma de polvo de Si por medio de un inyector de part´ıculas. 7. Procedimiento de acuerdo con las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque durante la compactaci´on por pulverizaci´ on se introducen adicionalmente, por medio de un inyector de part´ıculas, part´ıculas resistentes a desgaste de naturaleza de o´xido cer´ amico o de no-´ oxido cer´ amico. 8. Procedimiento de acuerdo con las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque el recocido de superenvejecimiento para el incremento del tama˜ no de las part´ıculas primarias de Si se realiza a temperaturas de 460 a 540◦C durante un periodo de tiempo de 0,5 a 10 horas. 9. Procedimiento de acuerdo con las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque la transformaci´ on en caliente del tubo de pared gruesa se realiza por medio de conformaci´on o martilleo. 10. Procedimiento de acuerdo con las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque la transformaci´ on en caliente del tubo de pared gruesa se realiza por medio de laminaci´ on tubular con herramienta interna. 11. Procedimiento de acuerdo con las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque la transformaci´ on en caliente del tubo de pared gruesa se realiza por medio de laminaci´ on a presi´ on. 12. Procedimiento de acuerdo con las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque la transformaci´ on en caliente del tubo de pared gruesa se realiza mediante estiramiento del tubo. 13. Procedimiento de acuerdo con las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque la transformaci´ on en caliente del tubo de pared gruesa se realiza mediante laminaci´on anular. 14. Procedimiento de acuerdo con las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque la transformaci´ on en caliente del tubo de pared gruesa se realiza por medio de extrusionadora hueca de avance o de retroceso opcionalmente con o sin contrapresi´ on. 15. Procedimiento de acuerdo con las reivindicaciones 1 a 14, caracterizado porque el tubo formado con la medida final en cuanto a di´ ametro y espesor de pared es dividido en porciones de tubo de longitud deseada.

NOTA INFORMATIVA: Conforme a la reserva del art. 167.2 del Convenio de Patentes Europeas (CPE) y a la Disposici´ on Transitoria del RD 2424/1986, de 10 de octubre, relativo a la aplicaci´ on del Convenio de Patente Europea, las patentes europeas que designen a Espa˜ na y solicitadas antes del 7-10-1992, no producir´ an ning´ un efecto en Espa˜ na en la medida en que confieran protecci´ on a productos qu´ımicos y farmac´euticos como tales.

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Esta informaci´ on no prejuzga que la patente est´e o no inclu´ıda en la mencionada reserva.

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