BR102014004402B1

BR102014004402B1 - Anel de pistão e seu processo de fabricação

Info

Publication number: BR102014004402B1
Application number: BR102014004402-7A
Authority: BR
Inventors: Sandra Matos Cordeiro Costa; Gisela Ablas Marques
Original assignee: Mahle Metal Leve S/A; Mahle International Gmbh
Priority date: 2014-02-25
Filing date: 2014-02-25
Publication date: 2022-08-09
Also published as: CN106062442A; WO2015128178A1; CN106062442B; DE112015000949T5; BR102014004402A2; US20170016538A1; US10634248B2

Abstract

ANEL DE PISTÃO E SEU PROCESSO DE FABRICAÇÃO. A presente invenção refere-se a um anel de pistão, para utilização no canalete de um pistão de um motor de combustão interna, dotado de um corpo (6) composto por um material ferroso definindo uma porção superior (2) voltada para a cabeça do pistão, uma porção inferior (3), oposta, voltada para a saia do pistão, uma porção interna (4) voltada para o canalete do pistão e uma porção externa (5), oposta, para deslizar de encontro à parede de um cilindro ou camisa, as porções superior e externa (2,5) sendo substancialmente ortogonais entre si e definindo um chanfro superior (Cs) e as porções inferior e externa (3,5) sendo substancialmente ortogonais entre si e definindo um chanfro inferior (Ci); onde (i) as porções superior, inferior e interna (2,3,4) são nitretadas (CN); e (ii) a porção interna (5) e os chanfros superior e inferior (Cs, Ci) são não nitretados e revestidos por pelo menos uma camada de revestimento (7) depositada pelo processo de ion plating.

Description

[001] A presente invenção refere-se a um anel de pistão, particularmente idealizado para uso em motores de combustão interna, com base em aço inoxidável martensítico, o qual apresenta as faces superior, inferior e interna nitretadas e a face externa, que entra em contato com a parede do cilindro/camisa, não nitretada e dotada de pelo menos uma camada de revestimento aplicada pelo processo de ion plating.

[002] Com este novo e aperfeiçoado revestimento de nitreto de cromo, consegue-se aumentar a vida útil do anel de pistão em motores diesel de alta pressão de combustão e alta rotação (denominados comercialmente de motores HSD - High Speed Diesel), mormente quando comparados aos anéis de pistão atualmente utilizados nesse tipo de motor, que é nitretado em sua totalidade e, após a nitretação, recebe em sua face externa e chanfros superior e inferior uma camada de revestimento aplicada pelo processo de deposição física de vapor (doravante denominada PVD, de physical vapour deposition). Essas vantagens são obtidas sem que seja verificada alguma contrapartida técnica desvantajosa e mantendo os custos de fabricação em um nível competitivo.

[003] A presente invenção refere-se ainda ao processo de fabricação do anel.

DESCRIÇÃO DO ESTADO DA TÉCNICA

[004] Nos motores de combustão interna a pistão, os anéis são formados, via de regra, por uma base metálica à qual é aplicada pelo menos uma camada de revestimento, que entra em contato com a parede do cilindro. Como exemplo, pode-se citar base de ferros fundidos ou de aços inoxidável, utilizadas em função do custo e/ou do tipo de solicitação a que o anel será submetido.

[005] O papel da camada de revestimento é dos mais importantes porque busca conferir ao anel propriedades de baixo atrito de deslizamento, grande resistência à escamação, dureza e tenacidade. Cumpre notar, todavia, que algumas dessas propriedades são antagônicas e um acréscimo em uma delas significa uma perda de desempenho em outra, pelo que o tipo de revestimento a ser utilizado vai ser escolhido em função do perfil de funcionamento do motor e aos esforços aos quais os anéis serão submetidos durante sua vida útil.

[006] Em um motor de combustão interna, o anel de compressão, ou anel de primeiro canalete, é o que mais esforços sofre por estar em contato direto com os gases superaquecidos da mistura ar-comprimido inflamada. Estão, por conta de sua própria localização, expostos incessantemente a altas temperaturas e a subprodutos agressivos da combustão.

[007] Uma série de revestimentos foi proposta por aqueles entendidos no assunto, cada qual buscando incrementar as propriedades desejadas, aumentando a resistência dos anéis de pistão. Diversas técnicas anteriores discorrem sobre os revestimentos cerâmicos de nitreto de cromo na forma de CrN e/ou Cr2N, bastante eficientes e interessantes tecnicamente porque balanceiam de maneira bastante competente as propriedades de absorção de estresse interno, elevada dureza e baixa espessura, o que reduz sobremaneira a ocorrência de escamação (spalling).

[008] Na grande maioria das aplicações o revestimento cerâmico de nitreto de cromo é aplicado pelo processo de PVD, segundo o qual o material a ser depositado como revestimento é vaporizado a partir de uma fonte de sólido em forma de átomos ou moléculas através de gases à baixa pressão (ou plasma) na direção do anel de pistão, onde se condensa. A formação do recobrimento no substrato depende dos materiais vaporizados e do material do substrato, das condições da superfície, da energia disponível (temperatura e bombardeamento de íons) e da atmosfera (reações químicas, deposição reativa, etc.).

[009] O processo de PVD apresenta algumas vantagens interessantes para a produção de recobrimentos tribológicos como, por exemplo, (i) a possibilidade de operar a pressões de trabalho muito baixas no qual possibilita sintetizar materiais de elevada pureza; (ii) a melhoria na adesão do revestimento ao substrato, devido à possibilidade de se "limpar" a superfície dos substratos através do bombardeamento iônico; (iii) a espessura do recobrimento uniforme; (iv) o controle da estrutura cristalina do recobrimento; e (v) as temperaturas de deposição relativamente baixas. Como vantagens adicionais, o bombardeamento iônico fomenta o crescimento epitaxial e melhora a mobilidade atômica e normalmente não são utilizados quaisquer efluentes ou poluentes, dado que na maior parte dos casos não intervêm produtos ou soluções tóxicas.

[0010] No caso específico dos motores do tipo High Speed Diesel, por conta das elevadas pressões de combustão e das altas rotações que eles alcançam, os anéis são bastante exigidos, em especial os anéis de compressão. Por conta disso, em geral especificam-se anéis de compressão com base constituída em aço inoxidável e nitretada em sua totalidade, com um revestimento resistente ao desgaste sendo aplicado à face externa, a posteriori, pelo processo de PVD.

[0011] Esse tipo de anel é reconhecido pela sua grande resistência mecânica e pelo seu preço elevado; porém, em algumas aplicações nem mesmo eles conseguem evitar que haja o surgimento e a propagação de trincas não somente no revestimento, mas em todo o anel, podendo levar a uma falha catastrófica que enseja a desmontagem do motor.

[0012] Nessas situações, trincas se iniciam nos chanfros superior e inferior, que são respectivamente as arestas de união da face lateral com a face superior e com a face inferior. Em alguns casos, a trinca acaba por se propagar por toda a seção transversal do anel, rompendo a peça e exigindo a desmontagem completa do motor.

[0013] Pensando em sanar esse inconveniente, a patente norte- americana US 6.508.473 revela um anel de pistão com base em aço inoxidável a qual é nitretada em suas faces superior e inferior. As superfícies nitretadas apresentam dureza de 700 Hv. O anel compreende ainda um filme de revestimento duro em sua face externa, a qual contata a parede da camisa/cilindro, espaçado de 0,0001 mm a 0,3 mm das faces superior e inferior. Segundo a patente, esse espaçamento, ainda que mínimo, evita a propagação de trincas para até um limite razoável de utilização, mas em regimes de utilização severa essa técnica não consegue garantir a resistência do anel.

[0014] Não havia sido desenvolvido, até o presente momento, um anel de pistão, especialmente um anel de compressão ou primeiro canalete que conseguisse atingir os padrões de durabilidade exigido em aplicações severas, como aquelas exigidas pelos motores Diesel que operam com elevadas pressões de alimentação e sob elevadas rotações.

OBJETIVOS DA INVENÇÃO

[0015] A presente invenção tem por objetivo um anel de pistão, particularmente um anel de compressão ou primeiro canalete para uso em motores de combustão interna, que não apresente a ocorrência de trincas potencialmente catastróficas nem mesmo quando opera nas condições de funcionamento críticas em motores Diesel que operam com elevadas pressões de alimentação e sob elevadas rotações.

[0016] A presente invenção tem por objetivo também um anel de pistão, particularmente um anel de compressão ou primeiro canalete para uso em motores de combustão interna, com base em aço inoxidável martensítico, o qual apresenta as faces superior, inferior e interna nitretadas e a face externa, que entra em contato com a parede do cilindro/camisa, não nitretada e dotada de pelo menos uma camada de revestimento aplicada pelo processo de ion plating.

[0017] Ainda, a presente invenção tem por objetivo um anel de pistão, particularmente um anel de compressão ou primeiro canalete para uso em motores de combustão interna, para uso em motores Diesel que operam com elevadas pressões de alimentação e sob elevadas rotações, que atenda às determinações de projeto e durabilidade mantendo um custo de fabricação competitivo em relação aos anéis atualmente utilizados.

[0018] Finalmente, a presente invenção tem como objetivo um processo de fabricação objetivado nos três parágrafos anteriores.

BREVE DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[0019] Os objetivos da presente invenção são alcançados por um anel de pistão, para utilização no canalete de um pistão de um motor de combustão interna, dotado de um corpo composto por um material ferroso definindo uma porção superior voltada para a cabeça do pistão, uma porção inferior, oposta, voltada para a saia do pistão, uma porção interna voltada para o canalete do pistão e uma porção externa, oposta, para deslizar de encontro à parede de um cilindro ou camisa, as porções superior e externa sendo substancialmente ortogonais entre si e definindo um chanfro superior e as porções inferior e externa sendo substancialmente ortogonais entre si e definindo um chanfro inferior; onde (i) as porções superior, inferior e interna são nitretadas; e (ii) a porção interna e os chanfros superior e inferior são não nitretados e revestidos por pelo menos uma camada de revestimento depositada pelo processo de ion plating.

[0020] Também, os objetivos da presente invenção são alcançados por um processo de fabricação de um anel de pistão tal e qual definido no parágrafo acima, que compreende as seguintes etapas:

[0021] Etapa (i): nitretação das porções superior, inferior e interna; e

[0022] Etapa (ii): deposição de pelo menos uma camada de revestimento à porção interna e aos chanfros superior e inferior, pelo processo de ion plating.

DESCRIÇÃO RESUMIDA DOS DESENHOS

[0023] A presente invenção será, a seguir, mais detalhadamente descrita com base em um exemplo de execução representado nos desenhos. As figuras mostram:

[0024] Figura 1 - é uma vista esquemática em perspectiva de um anel de compressão qualquer.

[0025] Figura 2 - é uma vista em corte magnificado de um anel de compressão da técnica anterior, após fratura em sua seção transversal.

[0026] Figura 3 - é uma vista microscópica em corte de um anel de compressão da técnica anterior na região de seu chanfro superior.

[0027] Figura 4 - é uma vista microscópica em corte de um anel de compressão da técnica anterior na região de seu chanfro inferior.

[0028] Figura 5 - é uma vista esquemática superior de uma concretização não limitante do anel de pistão objeto da presente invenção.

[0029] Figura 5A - é uma vista esquemática em corte A-A do anel de pistão ilustrado na figura 5.

[0030] Figura 5B - é uma vista esquemática ampliada em corte A- A do anel de pistão ilustrado nas figuras 5 e 5A.

[0031] Figura 6 - é uma vista microscópica em corte de uma concretização não limitante do anel de pistão objeto da presente invenção na região de seu chanfro superior.

[0032] Figura 7 - é uma vista de um equipamento de teste com seis anéis objeto da presente invenção para um teste de fadiga.

[0033] Figura 8 - é uma vista esquemática das solicitações a que os anéis são submetidos no equipamento ilustrado na figura 7.

[0034] Figura 9 - é um gráfico representando a tensão sofrida por um anel ao longo dos ciclos do teste da fadiga realizado pelo equipamento ilustrado na figura 7.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS FIGURAS

[0035] A figura 1 representa de forma esquemática um anel de pistão qualquer, para utilização em um motor de combustão interna. A presente invenção refere-se a um anel de pistão para uso no canalete de pistão do pistão de um motor de combustão interna. A concretização preferível do anel 1 objeto da presente invenção é o anel de compressão de um motor que opera segundo o ciclo Diesel de alta rotação em que apresentam pressão de combustão elevada (tipo High Speed Diesel), mas é evidente que ele pode assumir qualquer outra concretização necessária ou desejável, como um anel de segundo canalete, um anel de óleo ou ainda qualquer outra.

[0036] A figura 2 revela um anel de técnica anterior utilizado em um motor do tipo High Speed Diesel). Vê-se, ali, uma vista em corte magnificado de um anel de compressão da técnica anterior, após fratura em sua seção transversal. A figura permite verificar que o início da trinca deu-se no chanfro inferior e, com o passar do tempo, propagou-se pela seção transversal do anel até a falha catastrófica, que ensejou a desmontagem total do motor.

[0037] A depositante realizou exaustivos testes com este tipo de anel de técnica anterior, um anel de compressão com base constituída em aço inoxidável e nitretada em sua totalidade, com um revestimento resistente ao desgaste sendo aplicado à face externa, a posteriori, pelo processo de PVD.

[0038] Desse estudo, a depositante concluiu que:

[0039] (i) Esse tipo de falha catastrófica tem relação com o fato de a camada de revestimento aplicada por PVD sê-lo por sobre uma superfície nitretada quando a camada era aplicada diretamente sobre a base de material ferroso, a resistência às trincas era maior, ainda que houvesse preocupações quanto ao desgaste por atrito;

[0040] (ii) A trinca se iniciava a cerca de 180° da região de abertura do anel e no chanfro inferior.

[0041] (iii) A ocorrência de trincas era tão maior quanto maior a espessura da camada nitretada na região do chanfro.

[0042] As figuras 3 e 4 ilustram vistas microscópicas em corte de um anel de compressão da técnica anterior, respectivamente na região de seu chanfro superior e inferior. Nessas duas figuras vê-se claramente a grande espessura da camada nitretada 11 nos chanfros, por sobre as quais a camada de revestimento 12 é aplicada por PVD.

[0043] Tendo como base sua pesquisa e desenvolvimento, a depositante desenvolveu o presente anel de pistão 1, que atende com galhardia às exigências técnicas dos motores High Speed Diesel.

[0044] Geometricamente, o anel 1 objeto da presente invenção é como um anel qualquer, ou seja, um anel de pistão para utilização no canalete de um pistão de um motor de combustão interna dotado de um corpo 6 composto por um material ferroso definindo uma porção superior 2 voltada para a cabeça do pistão, uma porção inferior 3, oposta, voltada para a saia do pistão, uma porção interna 4 voltada para o canalete do pistão e uma porção externa 5, oposta, para deslizar de encontro à parede de um cilindro ou camisa (não ilustrados).

[0045] As porções superior e externa 2,5 são substancialmente ortogonais entre si e definem um chanfro superior Cs, ao passo que as porções inferior e externa 3,5, também substancialmente ortogonais entre si, definem um chanfro inferior Ci.

[0046] De maneira preferível, o corpo 6 é constituído por aço inoxidável com substancialmente 17% de cromo, por ser este material o mais adequado às solicitações dos motores Diesel de alta rotação, mas é evidente que ela pode variar se necessário ou desejável. De modo ainda mais preferível, mas não obrigatório, o aço inoxidável utilizado tem a composição representada na tabela abaixo.

[0047] A grande inovação do anel 1 objeto da presente invenção reside no fato de as porções superior, inferior e interna 2,3,4 serem nitretadas (vide a camada CN visível nas figuras 5 e 6), assim como a porção interna 5 e os chanfros superior e inferior Cs,Ci são não nitretados e revestidos por pelo menos uma camada de revestimento 7 depositada pelo processo de ion plating.

[0048] De maneira preferível mas não obrigatória, a camada de revestimento aplicada é composta de nitreto de cromo formada majoritariamente pela fase CrN, mas é evidente que outras alternativas podem ser utilizadas, como o nitreto de cromo com fase majoritária de Cr2N, um revestimento de nitreto de nióbio, um revestimento multicamadas de nitreto de cromo, ou de nitreto de cromo e nitreto de nióbio, ou ainda qualquer outra camada necessária ou desejável. Na concretização preferível da invenção, a camada de revestimento 7 apresenta espessura de substancialmente 20 mícrons.

[0049] Outra característica inovadora do anel 1 objeto da presente invenção reside no fato de que as porções nitretadas (as porções superior, inferior e interna 2,3,4) são submetidas a um tratamento que cria uma camada nitretada com menor dureza, e apresentam uma dureza reduzida, de cerca de 700HV. Pode-se descrever um processo convencional de nitretação gasosa, que é o processo utilizado neste produto. O que vai garantir que a dureza seja mais baixa são os parâmetros de tratamento, ajustados de forma a garantir um máximo de dureza na camada nitretada para evitar formação de trincas e consequente quebra do anel.

[0050] A figura 7 é uma vista de um equipamento de teste com seis anéis objeto da presente invenção par um teste de fadiga. Conforme pode ser visto, a máquina possui dois cabeçotes com meios para fixar cinco anéis de pistão, de forma que cada cabeçote segura o anel adjacente à sua abertura. No teste, a máquina aproxima e afasta as extremidades abertas dos anéis, de forma que os anéis são forçados entre uma posição de abertura máxima Amax e de abertura mínima Amin, conforme pode ser visto na figura 8. A figura 9, por seu turno, mostra um gráfico representando a tensão sofrida pelo anel ao longo dos ciclos do teste da fadiga realizado pelo equipamento ilustrado na figura 7. No anel do estado da técnica, após um certo número de ciclos havia o rompimento da peça, ao passo que o anel 1 objeto da presente invenção suportou esse teste sem romper.

[0051] É também uma invenção nova e inventiva o processo de fabricação do anel de pistão ora revelado, que compreende as seguintes etapas:

[0052] Etapa (i): deposição de pelo menos uma camada de revestimento 7 na porção externa (5) e nos chanfros superior e inferior Cs, Ci, pelo processo de ion plating.

[0053] Etapa (ii): nitretação das porções superior, inferior e interna 2,3,4

[0054] Tal e qual mencionado mais acima, a camada de revestimento 7 aplicada na etapa (i) é uma camada de nitreto de cromo formada de modo preferível por CrN, e apresenta espessura preferencial de substancialmente 20 mícrons.

[0055] Por fim, o processo compreende adicionalmente uma etapa de tratamento que cria uma camada nitretada com menor dureza nas porções nitretadas.

[0056] 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

1. Anel de pistão, para utilização no canalete de um pistão de um motor de combustão interna, dotado de um corpo (6) composto por um material ferroso definindo uma porção superior (2) voltada para a cabeça do pistão, uma porção inferior (3), oposta, voltada para uma saia do pistão, uma porção interna (4) voltada para um canalete do pistão e uma porção externa (5), oposta, para deslizar de encontro à uma parede de um cilindro ou camisa, em que a porção superior e a porção externa (2,5) estão dispostas mutuamente ortogonais e definindo um chanfro superior (Cs) em um canto superior do corpo, e a porção inferior e a porção externa (3,5) estão dispostas mutuamente ortogonais e definindo um chanfro inferior (Ci) em um canto inferior do corpo caracterizado por a porção superior, a porção inferior e a porção interna terem cada uma uma porção nitretada, a porção nitretada em pelo menos uma camada superficial tendo uma dureza de 700 HV ou menos; e em que a porção externa, o chanfro superior e o chanfro inferior não são nitretados e incluem pelo menos uma camada de revestimento folheado a íons, a pelo menos uma camada de revestimento disposta diretamente no material ferroso do corpo na porção externa, o chanfro superior, e o chanfro inferior, e em que pelo menos uma camada de revestimento folheado a íons está disposta no chanfro superior e no chanfro inferior sem entrar em contato com uma superfície adjacente da porção nitretada disposta na porção superior e na porção inferior, respectivamente..

2. Anel de pistão de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende pelo menos um entre um anel de compressão e um primeiro canalete.

3. Anel de pistão de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o material ferroso do corpo (6) é composto por aço inoxidável contendo de 13% a 18% de Cromo.

4. Anel de pistão de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a pelo menos uma camada de revestimento (7) é uma camada de nitreto de cromo e em que a camada de nitreto de cromo é predominantemente composta por CrN.

5. Anel de pistão de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a camada de revestimento (7) apresenta espessura de substancialmente 20 mícrons.

6. Processo de fabricação de um anel de pistão conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que compreende as seguintes etapas: Etapa (i): nitretação das porções superior, inferior e interna (2,3,4); e Etapa (ii): deposição de pelo menos uma camada de revestimento (7) à porção interna (5) e aos chanfros superior e inferior (Cs, Ci), pelo processo de ion plating.

7. Processo de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que a camada de revestimento (7) aplicada na etapa (ii) é uma camada de nitreto de cromo formada majoritariamente por CrN.

8. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 6 a 7, caracterizado pelo fato de que a camada de revestimento (7) aplicada na etapa (ii) apresenta espessura de substancialmente 20 mícrons.

9. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 6 a 8, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente uma camada nitretada com uma dureza inferior à dureza da camada superficial.