BR102013031391A2 - Anel de pistão e processo de tratamento térmico - Google Patents

Abstract

Anel de pistão e processo de tratamento térmico. A presente invenção refere-se a um anel de pistão, particularmente um anel de primeiro canalete, dotado de uma base (2) de aço carbono cuja secção transversal define uma superfície lateral externa (3) deslizavelmente associável à parede (d) de um cilindro, uma superfície superior (4) associável ao canalete (c) de um pistão (p), voltada para o topo do pistão e uma superfície inferior (5) associável ao canalete (c) de um pistão (p), voltada para a saia (s) do pistão, sendo que pelo menos parte da superfície inferior (5) compreende uma camada carbonitretada (7) que apresenta espessura entre 100µm e 300µm e dureza entre 700hv e 1000hv.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "ANEL DE PISTÃO E PROCESSO DE TRATAMENTO TÉRMICO". A presente invenção refere-se a um anel de pistão, sendo particularmente um anel de primeiro canalete, que atende aos requisitos de performance sem possuir nenhum tipo de revestimento em sua superfície inferior. O anel compreende base em aço carbono e sua superfície inferior é endurecida por um processo de cementação ou carbonitretação a laser.

Descrição do estado da técnica O anel de pistão de primeiro canalete, também conhecido como anel de compressão, é aquele que sofre os maiores esforços e solicitações quando o motor está em funcionamento. Quando montado no primeiro canalete do pistão, o anel movimenta-se ligeiramente na direção axial, ocasionando um desgaste em suas superfícies superior e inferior, e não apenas o desgaste na superfície do diâmetro externo, que faceia a parede do cilindro.

Uma das situações mais críticas de desgaste ocorre nos instantes em que o pistão se movimenta no sentido do ponto morto superior (PMS), o que gera uma interferência da superfície inferior do anel com o canalete do cilindro, potencializando desgastes naquela região. Outra situação bastante crítica se dá no início do curso de expansão (PCP), ou seja, quando o pistão de movimenta no sentido do ponto morto inferior (PMI), também gerando interferência na superfície inferior.

Uma forma de reduzir esse desgaste consiste na aplicação de revestimentos no anel. Via de regra, esses revestimentos apresentam propriedades vantajosas no tocante à dureza, o que permite uma boa performance do anel no tocante ao desgaste; de outro lado, a pouca ductilidade desses revestimentos duros ocasionam indesejáveis fraturas, muitas vezes com a ocorrência de destacamento, o que reduz a vida útil do anel de pistão.

Como outra vertente, existem revestimentos que apresentam bons valores de ductilidade e como corolário resistem bastante bem ao destacamento, mas em contrapartida não se desempenham de forma desejada no tocante à resistência ao desgaste.

Diversas soluções de revestimento de anel de pistão foram propostas pelos entendidos no assunto, algumas das quais estão descritas a seguir. A patente japonesa JP4452641 refere-se a um anel de pistão compreendendo uma base metálica ferrosa ou de alumínio, uma camada nitretada e um revestimento na forma de um filme de uma liga de Cr-B-Ti-N, aplicada pelo processo de PVD (physical vapour deposition). Esse revestimento foi idealizado de forma a apresentar boas propriedades de dureza e ductilidade, porém sua aplicação gera um incremento no custo de fabricação do anel que pode não ser comercialmente interessante em certas aplicações. A patente japonesa JP 3239610 refere-se a um anel de pistão para uso no canalete de um pistão feito em uma liga de alumínio (metal ma-trix composite - MMC). O anel compreende uma camada de revestimento nitretada ou um revestimento formado somente na superfície lateral externa. A dureza das superfícies superior e inferior do anel são de cerca de 400HV a 600HV, obtidas pelo processo de cementação ou têmpera. A patente norte-americana US 4.531.985 refere-se a um anel de pistão cujas superfícies externas são tratadas em uma câmara com uma mistura gasosa de um gás com carbono e um gás com nitrogênio, a uma temperatura entre 450°C e 650°C. A proporção dos gases apresenta valores entre 25:75 e 75:25 e essa mistura gasosa carbonitreta as superfícies do anel. Previamente ao tratamento, as superfícies do anel são mecanicamente acabadas.

Ainda não havia sido desenvolvido e descrito um anel de pistão com base em aço carbono em cuja superfície lateral inferior apresente uma camada cementada ou carbonitretada com espessura entre 100pm e 300pm e dureza entre 700HV e 1000HV.

Objetivos da invenção A presente invenção tem por objetivo um anel de pistão com base em aço carbono cuja superfície inferior é endurecida por um processo de cementação ou carbonitretação a laser. A presente invenção tem por objetivo também um anel de pistão com base em aço carbono cuja superfície inferior é endurecida por um processo de cementação ou carbonitretação a laser até apresentar camada cementada ou carbonitretada com espessura entre 100pm e 300pm e dureza entre 700HV e 1000HV.

Breve descrição da invenção Os objetivos da presente invenção são alcançados por um anel de pistão, particularmente um anel de primeiro canalete, dotado de uma base de aço carbono cuja secção transversal define uma superfície externa deslizavelmente associável à parede de um cilindro, uma superfície superior associável ao canalete de um pistão, voltada para o topo do pistão e uma superfície lateral inferior associável ao canalete de um pistão, voltada para a saia do pistão, sendo que pelo menos parte da superfície inferior compreende uma camada carbonitretada que apresenta espessura entre 100pm e 300pm e dureza entre 700HV e 1000HV.

Também, os objetivos da presente invenção são alcançados por um processo de tratamento térmico para o tratamento de pelo menos parte da superfície inferior do anel de pistão definido no parágrafo anterior, compreendendo as seguintes etapas: Etapa (i): recobrimento da pelo menos parte da superfície inferior do anel com uma cobertura de negro de fumo ou qualquer outro composto à base de carbono; e Etapa (ii): aplicação de um feixe de raios laser por sobre a cobertura de negro de fumo aplicada com controle preciso de localização e profundidade. O feixe de raios laser é aplicado e aquece o local até atingir a temperatura de austenitização, promovendo a difusão de átomos de carbono presentes na cobertura de negro de fumo da superfície em direção ao interior da base. A etapa (ii) compreende o rápido resfriamento da região onde o feixe de raios laser é aplicado para a formação de martensita.

Descrição resumida dos desenhos A presente invenção será, a seguir, mais detalhadamente descrita com base em um exemplo de execução representado nos desenhos. As figuras mostram: Figura 1 - é uma vista esquemática parcial de um anel de primeiro canalete montado em um pistão de motor que se movimenta rumo ao PMS, ilustrando uma situação crítica de desgaste de sua superfície inferior.

Figura 2 - é uma fotografia aumentada de um corte do anel de pistão objeto da presente invenção, em sua superfície inferior.

Figura 3 - é uma vista esquemática um equipamento do processo de carbonitretação a laser aplicado ao anel de pistão objeto da presente invenção.

Figura 4 - é uma vista esquemática comparativa da superfície inferior do anel de pistão antes e após o processo de carbonitretação a laser.

Figura 5 - é uma vista esquemática em corte do anel de pistão objeto da presente invenção antes do processo de carbonitretação a laser.

Figura 6 - é uma vista esquemática em corte do anel de pistão objeto da presente invenção após o processo de carbonitretação a laser.

Figura 7 - é um gráfico de desgaste do anel de pistão objeto da presente invenção frente a outros anéis de pistão pertencentes à arte anterior.

Descrição detalhada das figuras O anel de pistão objeto da presente invenção foi desenvolvido após longos estudos com o objetivo de apresentar vida útil elevada e um custo de produção que viabilize sua aplicação comercial nos motores.

Os anéis de pistão sofrem desgaste não somente em sua superfície externa, aquela voltada para a parede do cilindro. O constante atrito do anel com o canalete do pistão traz consigo um desgaste em suas superfícies superior (voltada para o topo ou cabeça do pistão) e inferior (voltada para a saia do pistão). O anel de pistão de primeiro canalete, também conhecido como anel de compressão, é aquele que sofre os maiores esforços e solicitações quando o motor está em funcionamento. Quando o motor está em operação, o anel de compressão, que está montado no (primeiro) canalete do pistão, movimenta-se ligeiramente na direção axial, ocasionando um desgaste em suas superfícies superior e inferior. Uma das situações mais críticas de desgaste ocorre nos instantes em que o pistão se movimenta no sentido do ponto morto superior (PMS), o que gera uma interferência da superfície inferior do anel com o canalete do pistão, potencializando desgastes naquela região. Essa situação ocorre milhares de vezes por minuto na operação normal de um motor e está esquematicamente representada na figura 1.

De maneira preferível mas não obrigatória, o anel de pistão 1 objeto da presente invenção é um anel de primeiro canalete, mas é evidente que ele pode assumir outras configurações, como a de um anel de segundo canalete ou a de um anel raspador de óleo, sem que a invenção resultante deixe de estar incluída no escopo de proteção das reivindicações apensas.

Qualquer que seja sua constituição específica, o anel 1 objeto da presente invenção atende aos requisitos de desempenho /performance sem possuir nenhum tipo de revestimento ou nitretação em sua superfície inferior, mas sim um endurecimento em ao menos parte dessa superfície por meio de um processo de cementação ou carbonitretação a laser. Outra característica imperiosa a fim de que esse processo de carbonitretação seja eficaz é que o material base com que o anel 1 é constituído seja aço carbono, com qualquer composição necessária ou desejável.

Descrevendo essencialmente, o anel 1 objeto da presente invenção é dotado de uma base 2 de aço carbono cuja secção transversal pode assumir os formatos mais diversos contanto que definam uma superfície lateral externa 3 deslizavelmente associável à parede D de um cilindro, uma superfície superior 4 associável ao canalete C de um pistão P, voltada para o topo do pistão e uma superfície inferior 5 associável ao canalete C de um pistão P, voltada para a saia S do pistão.

Essa é a geometria básica para que um anel de primeiro canalete seja funcional em sua missão. Um formato não limitante da seção transversal do anel 1 pode ser encontrado na figura 6. É justamente parte da superfície inferior 5, ou toda ela, que sofre o processo de carbonitretação a laser que será descrito logo adiante, e que aumenta a dureza superficial naquela região, diminuindo sobremaneira o desgaste do anel no atrito constante com o canalete do pistão.

Cementação ou Carbonitretação é um tratamento termoquímico que consiste em se introduzir carbono e/ou nitrogênio na superfície de um componente aço-carbono com o intuito de se incrementar a dureza superficial. Os átomos de carbono e/ou nitrogênio fornecidos por um material fonte são inseridos a partir de um aquecimento da região que se deseja cementar, conforme será descrito mais adiante. Posteriormente, a superfície sofre um resfriamento rápido, e o maior teor de carbono nas camadas superficiais traz aumento da dureza superficial, aumento da resistência ao desgaste e aumento da resistência à fadiga por tração. Outra característica resultante desse processo é a variação (geralmente crescimento) do tamanho de grão. A redução rápida de temperatura e o maior teor de carbono adjacentemente à superfície trazem a transformação da austenita em martensi-ta, enquanto a área não cementada permanece como uma microestrutura ferrítica e/ou perlítica que é predominante do aço-carbono, com maior ducti-lidade.

Mais especificamente, o anel 1 objeto da presente invenção sofre um processo de cementação ou carbonitretação a laser. Para tanto, o equipamento que realiza o processo compreende uma fonte emissora de raios laser que serve como fonte de calor de grande potência e precisão, ativando a transferência de carbono e/ou nitrogênio proveniente de um material fonte. A grande vantagem desse processo frente às tecnologias atuais, além das desvantagens/características intrínsecas a um revestimento que pode trincar e desplacar, reside na possibilidade de se controlar cuidadosamente as variáveis desse processo de forma a se obter as características tribológicas desejáveis na região tratada. Mais especificamente, a capacidade da manipulação da fonte de raios laser para o tratamento de áreas muito pequenas com grande precisão, com o controle térmico adequado, da profundidade até a qual se deseja difundir carbono e/ou nitrogênio, da rota do feixe de raios laser aliados à alta capacidade de automação desse processo torna seu uso extremamente vantajoso. A esse respeito, em seus extensos estudos, a depositante trabalhou todas as variáveis até que as propriedades ideais de resistência da superfície inferior 5 tratada fossem alcançadas. A figura 3 revela, de forma esquemática, o equipamento 10 para a realização do processo de carbonitretação com feixe de raios laser 13. Ele compreende uma fonte emissora de raios laser 11, um espelho opcional 12 para direcionamento desse feixe de ondas e uma ou mais lentes de focagem 14 para permitir focalizar todo o espectro do feixe de raios laser 13 em uma área ou ponto bastante reduzido, garantindo com isso tanto uma alta potência de aquecimento quanto um controle muito preciso da área a ser tratada.

De maneira preferível, a superfície a ser tratada 5 é aplicada em um ambiente na presença de um gás à base de nitrogênio, a fim de possibilitar a difusão desse elemento.

Descrevendo essencialmente, o processo de tratamento térmico para o tratamento de pelo menos parte da superfície inferior 5 do anel de pistão objeto da presente invenção é uma invenção incluída no escopo de proteção das reivindicações apensas e compreende a etapa (i), de recobri-mento da pelo menos parte da superfície inferior 5 do anel com uma cobertura de negro de fumo 6 ou qualquer outro composto à base de carbono; e a etapa (ii), de aplicação de um feixe de raios laser 13 por sobre a cobertura de negro de fumo 6 aplicada com controle preciso de localização e profundidade.

Na etapa (ii), o feixe de raios laser 13 é aplicado aquece a superfície 5 até atingir a temperatura de austenitização, promovendo a difusão de átomos de carbono presentes na cobertura de negro de fumo (6) e os átomos de nitrogênio presentes na atmosfera gasosa da superfície 5 em direção ao interior da base. A etapa (ii) compreende ainda o rápido resfriamento da região onde o feixe de raios laser é aplicado para a formação de martensita. A formação da camada carbonitretada 7 está esquematicamente ilustrada na figura 4.

Descrevendo com maior profundidade, o feixe de raios laser ocasiona a rápida fusão do material, mas como é aplicado por pouco tempo e somente na superfície, o restante do material permanece em sua temperatura inicial, denominada doravante temperatura fria e funcionando como uma barreira ao calor. Assim, ocorrem grandes gradientes de temperatura na região de transição entre o material fundido e o restante do material que ficou na temperatura fria. O resultado é uma rápida solidificação assim que a aplicação dos raios laser cessa.

Para todas as fontes emissoras de raios laser, o tempo de exposição (ou pulso) influencia fortemente a profundidade do material que será fundido. Evidentemente, tempos de exposição longos ensejam uma fusão mais profunda. Uma vez que um material fundido com maior profundidade significa obviamente um maior tempo de permanência em estado fundido, maior tempo disponível haverá para que ocorra a difusão de um ou mais elementos de liga (como carbono ou nitrogênio) ali. Assim, um material fundido com maior profundidade e por mais tempo resulta na formação de ligas mais diluídas, e vice-versa.

Outras variáveis no processo são a potência do feixe de raios laser, a espessura da cobertura de negro de fumo e a natureza da atmosfera gasosa na qual o processo ocorre.

Qualquer que seja sua configuração específica, o anel 1 resultante apresenta, ao final, uma superfície inferior 5 em que a parte tratada compreende uma camada carbonitretada 7 que apresenta espessura entre 100pm e 300pm e dureza entre 700HV e 1000HV. De maneira mais preferível, a camada carbonitretada 7 apresenta espessura de substancialmente 100pm e há ainda uma camada de transição 5’ com espessura de substancialmente 200pm, que se inicia na profundidade de 100pm e alcançando a profundidade de 300pm contada da superfície externa. O uso da técnica de carbonitretação a laser é bastante vantajoso por apresentar benefícios em comparação com os processos de revestimento quando se deseja conferir resistência a superfícies específicas do anel de pistão. Sumarizando, as vantagens são as seguintes: - incremento da tenacidade na superfície tratada pela difusão de carbono, quando comparado com as técnicas anteriores; - aumento da vida útil do anel de pistão (e, por inferência, do motor como um todo) pelo aumento da resistência ao desgaste no local tratado; - possibilidade de estender o uso de anéis de pistão de aço-carbono em aplicações mais exigentes (motores onde os anéis são mais exigidos no tocante à sua performance); e - possibilidade de tratamento localizado, minimizando a influência não desejada da temperatura em outras regiões do componente. O gráfico ilustrado na figura 7 ilustra os valores de resistência ao desgaste do presente anel 1 quando comparado a anéis atualmente utilizados. Testes comprovaram que o anel 1 objeto da presente invenção apresenta valores de desgaste reduzidos, quase tão bons quanto aos apresentados por anéis de aço inoxidável nitretado (GNS) com 60pm e anéis de ferro fundido cinza (GCI), e muito mais vantajosos do que os apresentados pelos anéis de ferro fundido nodular (NCI) e pelos anéis de aço Cr-Si.

Tendo sido descrito um exemplo de concretização preferido, deve ser entendido que o escopo da presente invenção abrange outras possíveis variações, sendo limitado tão somente pelo teor das reivindicações apensas, aí incluídos os possíveis equivalentes.

Claims (11)

1. Anel de pistão dotado de uma base (2) de aço carbono cuja secção transversal define uma superfície lateral externa (3) deslizavelmente associável à parede (D) de um cilindro, uma superfície superior (4) associá-vel ao canalete (C) de um pistão (P), voltada para o topo do pistão e uma superfície inferior (5) associável ao canalete (C) de um pistão (P), voltada para a saia (S) do pistão, caracterizado pelo fato de que pelo menos parte da superfície inferior (5) compreende uma camada carbonitretada (7) que apresenta espessura entre 100pm e 300pm e dureza entre 700HV e 1000HV.

2. Anel de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a camada carbonitretada (7) apresenta espessura de substancialmente 100pm.

3. Anel de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que compreende uma camada de transição (5’) com espessura de substancialmente 200pm.

*4. Anel de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a camada de transição (5’) inicia-se na profundidade de 100pm e alcançando a profundidade de 300pm contada da superfície externa.

5. Anel de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a camada carbonitretada (7) consiste em uma matriz de aus-tenita retida com placas de martensita incorporada.

6. Anel de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a camada carbonitretada (7) é obtida pelo processo de carbonitretação a laser.

7. Anel de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a superfície externa (3) possui um revestimento aplicado pelo processo de deposição física por vapor (physical va-pour deposition - PVD).

8. Processo de tratamento térmico para o tratamento de pelo menos parte da superfície inferior (5) do anel de pistão definido nas reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que compreende as seguintes etapas: Etapa (i): recobrimento da pelo menos parte da superfície inferior (5) do anel com uma cobertura de negro de fumo (6) ou qualquer outro composto à base de carbono; e Etapa (ii): aplicação de um feixe de raios laser por sobre a cobertura de negro de fumo (6) aplicada com controle preciso de localização e profundidade.

9. Processo de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que, na etapa (ii), o feixe de raios laser é aplicado aquece o local até atingir a temperatura de austenitização, promovendo a difusão de átomos de carbono presentes na cobertura de negro de fumo (6) da superfície em direção ao interior da base.

10. Processo de acordo com a reivindicação 8 ou 9, caracterizado pelo fato de que a etapa (ii) compreende o rápido resfriamento da região onde o feixe de raios laser é aplicado para a formação de martensita.

11. Processo de acordo com a reivindicação 8, 9 ou 10, caracterizado pelo fato de que, na etapa (ii), o feixe de raios laser é aplicado em um ambiente com predominância de gás contendo nitrogênio.