BR102014015800A2 - processo fabricação de um componente de um motor a combustão interna e componente de um motor a combustão interna - Google Patents

Abstract

processo de fabricação de um componente de um motor a combustão interna e componente de um motor a combustão interna [001] a invenção se refere, de maneira geral, a um processo de fabricação de componente de um motor a combustão interna e, mais especificamente, a invenção está relacionada a processo de uma válvula para um motor a combustão interna que apresenta características melhoradas de resistência à corrosão. de acordo com uma realização da invenção, o processo de fabricação do componente de um motor a combustão interna, sendo que este componente é realizado em material metálico, compreende o passo de aplicação de íons de cromo sobre a camada nitretada.

Description

“PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE UM COMPONENTE DE UM MOTOR A COMBUSTÃO INTERNA E COMPONENTE DE UM MOTOR A COMBUSTÃO INTERNA” Campo da Invenção [001] A invenção se refere, de maneira geral, a um processo de fabricação de componente de um motor a combustão interna e, mais especificamente, a invenção está relacionada a processo de uma válvula para um motor a combustão interna que apresenta características melhoradas de resistência à corrosão.

Antecedentes da Invenção [002] A construção de um motor a combustão interna é bastante conhecida e consiste, basicamente, de um pistão que se move no interior de um cilindro que está associado a um virabrequim. No lado superior do pistão, é prevista uma câmara de combustão que compreende, dentre outros elementos como velas e/ou bicos injetores, pelo menos uma válvula de admissão e uma válvula de exaustão. Os componentes e funcionamento de um motor a combustão interna tanto do ciclo Otto como do ciclo Diesel é de conhecimento comum aos técnicos no assunto, motivo pelo qual são desnecessárias maiores explicações no presente relatório descritivo.

[003] As válvulas de um motor a combustão interna estão sujeitas a trabalhar a altas temperaturas devido ao calor gerado no interior da câmara de combustão, bem como em ciclos de abertura e fechamento em altas rotações. Como hoje existe uma preocupação crescente com a diminuição das emissões de gases geradores do efeito estufa produzidas pela combustão, foram incorporadas nos últimos anos diversas tecnologias tais como a injeção eletrônica, o catalisador, filtros de materiais particulados, a injeção direta de combustível, o common-rail, assim como a utilização em maior escala de tecnologias há muito conhecidas, como compressores mecânicos ou turbocompressores. Estas novas tecnologias vêm aumentando a eficiência do motor e, consequentemente, aumentando a pressão e a temperatura de trabalho na câmara de combustão, assim como, muitas vezes, também a rotação. Isso significa que as válvulas de um motor a combustão interna estão sujeitas a maiores temperaturas e esforços de trabalho.

[004] Um problema relacionado a componentes de um motor a combustão interna e, particularmente, às válvulas de admissão e de exaustão, é a corrosão intergranular. A corrosão intergranular acontece devido à formação de uma zona de empobrecimento dos elementos de liga do material metálico ao longo dos contornos de grão e, nesse caso ficam sujeitos à corrosão e podem perder sua ligação com a matriz, deixando o material fragilizado. No caso das válvulas de um motor a combustão interna, este fenômeno corrosivo acontece devido às altas temperaturas de trabalho, que podem chegar a 500° C ou mais. Mesmo ao se utilizar um material inoxidável para a fabricação de uma válvula de um motor a combustão interna, tal como o aço inoxidável austenítico, quando este é exposto a altas temperaturas, é verificada a precipitação de carbonetos de cromo (Cr23C6) nas bordas dos grãos. Os átomos de cromo desta região, que se encontravam em solução sólida no aço, difundem-se para os contornos de grão formando, assim, carbonetos e diminuindo a resistência à corrosão da matriz austenítica.

[005] A corrosão intergranular é também um defeito típico das ligas de níquel e austeníticas. Em temperaturas entre 482° e 760°C, carbonetos de cromo (Cr23C6) formam-se ao redor dos grãos austeníticos. Isso causa a depleção do cromo dos grãos austeníticos resultando em uma diminuição do filme passivo de proteção à corrosão. Os contornos do grão são atacados anodicamente na presença de um eletrólito. Esse efeito é chamado de sensitização do aço inoxidável. Os carbonetos de cromo formam-se, principalmente, nos contornos de grão, e não dentro dos grãos. Isto é causado pela diferente taxa de difusão dos átomos de cromo pelo volume dos grãos e juntamente com os limites restaurados com imperfeições de cristais moleculares.

[006] Algumas formas de prevenção da corrosão intergranular conhecidas são: (1) a têmpera, aquecendo-se a peça a uma temperatura acima de 1900 ° F/1038 ° C, seguida de arrefecimento rápido em banho de óleo ou água. Durante a fase de aquecimento, os carbonetos se dissolvem e a sua formação é suprimida pelo resfriamento rápido; (2) a redução da concentração de carbono, em que a sensitização é deprimida em aços inoxidáveis de baixo teor de carbono (max.0.03%), designados com o sufixo L (304L, 316L); e (3) a estabilização por elementos formadores de carboneto, em que a formação de carbonetos de cromo é evitada em aços inoxidáveis austeníticos estabilizados (321, 347), que contêm como elementos formadores de carboneto titânio, nióbio, tântalo, zircónio. O tratamento térmico de estabilização de tais aços resulta na formação preferencial de carbonetos dos elementos de estabilização em vez de carbonetos de cromo.

[007] No entanto, estas soluções propostas envolvem tratamentos térmicos adicionais e/ou incompatíveis com o processo de fabricação de uma válvula de um motor a combustão interna e/ou alteração da composição química do material. Ademais, tais tratamentos térmicos podem alterar a geometria da válvula, um componente que permite limites muito pequenos de variações geométricas.

[008] Pode-se ainda realizar um tratamento de nitretação, que consiste basicamente em um tratamento termoquímico para promover o enriquecimento de nitrogênio na superfície do material metálico. A nitretação é benéfica porque aumenta a dureza superficial do componente metálico, o que é também favorável para aumentar a resistência ao desgaste. Eventualmente, submeter o componente a um processo de nitretação pode igualmente formar uma camada protetora que, eventualmente, minimizaria o efeito da corrosão. Entretanto, o principal problema, particularmente se este componente é realizado em aço inoxidável, é a quebra do filme passivo de CrO em sua superfície, prejudicando a resistência à corrosão. Para aços em geral, a nitretação pode aumentar a resistência à corrosão, mas para aços inoxidáveis, a nitretação piora a resistência à corrosão, uma vez que esta proteção é, justamente, determinada pela quantidade de cromo livre presente na estrutura cristalina. Para manter-se uma boa resistência à corrosão, a quantidade de cromo livre presente na estrutura cristalina do aço inoxidável deve ser superior a 17%. Teores de cromo livre em concentrações inferiores a 17% nas regiões adjacentes dos contornos de grão promovem a corrosão intergranular.

[009] A invenção visa contornar estes inconvenientes, dentre outros.

Descrição da Invenção [010] Portanto, é um primeiro objetivo da invenção prover um componente de um motor a combustão interna que apresenta uma resistência aprimorada contra a corrosão intergranular.

[011] Um objetivo adicional da presente invenção é prover um componente para um motor a combustão interna e, particularmente, uma válvula de um motor a combustão interna, que apresenta uma resistência aprimorada contra a corrosão intergranular.

[012] A fim de atender os objetivos acima mencionados, dentre outros, a presente invenção trata de um processo de fabricação de um componente de um motor a combustão interna realizado em material metálico, e sendo que o processo compreende o passo de aplicação de íons de cromo sobre a camada externa do dito componente.

[013] De acordo com realizações adicionais e/ou alternativas da invenção, as seguintes características, sós ou em combinações tecnicamente possíveis, também podem estar presentes: - dito componente compreende uma camada nitretada, e a aplicação de íons de cromo é realizada sobre a dita camada nitretada. - dito passo de aplicação de íons de cromo é realizado por meio de um processo de implantação iônica; - o dito componente é uma válvula de um motor a combustão interna; - dita válvula é uma válvula de admissão de um motor a combustão interna; - dita válvula é uma válvula de exaustão de um motor a combustão interna; - dito material metálico é um aço inoxidável; - dito aço inoxidável é um aço inoxidável austenítico; e - dito aço inoxidável é um aço inoxidável martensítico.

[014] A invenção trata também de um componente de um motor a combustão interna e, particularmente, uma válvula de admissão ou de exaustão de um motor a combustão interna obtido pelo processo acima descrito.

Descrição de Realizações da Invenção [015] A invenção é agora descrita com relação às suas realizações particulares. Realizações específicas são descritas em detalhes, com o entendimento que devem ser consideradas uma exemplificação de seus princípios, e não se destina a limitar a invenção ao que está apenas descrito no presente relatório. Deve-se reconhecer que os diferentes ensinamentos das realizações discutidas a seguir podem ser empregados separadamente ou em qualquer combinação adequada para produzir os mesmos efeitos técnicos.

[016] Em um primeiro aspecto, a invenção trata de um processo de fabricação de um componente de um motor a combustão interna realizado em material metálico. Dito componente pode compreender, ou não, uma camada nitretada.

[017] Conforme já mencionado, os processos de nitretação são bem conhecidos para os técnicos no assunto e, basicamente, consiste em colocar o componente metálico, geralmente realizado em aço, em um ambiente rico em nitrogênio e a uma temperatura abaixo da temperatura de austenização do material, e pode ser realizado tanto por um processo gasoso como a plasma. O nitrogênio difundido no material cria uma camada que aumenta a sua dureza superficial. Como resultado, a nitretação geralmente cria duas camadas no material metálico. Uma primeira camada com predominância de fase ε (com nitretos Fe2-sN, geralmente contendo N em quantidade superior a 8% em peso) sobre nitretos de fase γ (com nitretos F4N, geralmente contendo N entre 5,9 e 6,5% em peso), e uma segunda camada de difusão.

[018] Nesse sentido, de acordo com o processo da invenção, o componente do motor a combustão interna pode ser qualquer componente que já tenha sido sujeito a alguma etapa de fabricação, tais como, porém sem limitação, conformação, usinagem, tratamento térmico etc. Alternativamente, o componente também deve ter sido submetido a um tratamento de nitretação. A invenção propõe que o componente seja submetido a uma etapa adicional de aplicação de íons de cromo sobre a superfície do componente, sem prejuízo a demais etapas às quais o componente possa ser submetido após esta etapa de aplicação de íons de cromo, tais como, porém sem limitação, a etapas adicionais de conformação, usinagem, acabamento superficial, outros tratamentos térmicos etc.

[019] A implantação de íons é um processo já conhecido pelo qual íons de um material são acelerados em um campo magnético e irradiados sobre o material metálico. Podem também encontrar aplicação na indústria de semicondutores, mas que não é o caso da invenção. Como os íons possuem massa e composição distinta do material sobre os quais são irradiados, o impacto faz com que tenham uma penetração limitada, e se fixem no material, criando íons livres presentes na composição do material.

[020] De acordo com a invenção, propõe-se que sejam utilizados íons de cromo, que são acelerados e irradiados no componente do motor a combustão interna, de forma que seja formada uma camada superficial com íons livres de cromo, permitindo, assim, melhorar a resistência à corrosão com componente, particularmente permitir uma maior resistência à corrosão intergranular.

[021] O material do componente da presente invenção pode ser qualquer material metálico apto a ser submetido a um processo de nitretação. Particularmente no caso das válvulas de um motor a combustão interna, este material metálico é, preferencialmente, um aço inoxidável austenítico como, por exemplo, o aço inoxidável DIN 14.882, que apresenta uma composição em porcentagem em peso de 0,45 a 0,55% de C; de 8 a 10% de Mn; de 20 a 22% de Cr; de 3,5 a 5,5% de Ni; de 0,8 a 1,5% de W; e podendo conter ainda de 1,8 a 2,5% de Nb e de 0,4 a 0,6% de N, o balanço sendo formado por Fe e pequenas quantidades de impurezas e outros elementos.

[022] Em uma realização alternativa, o aço inoxidável é um aço inoxidável martensítico, que apresenta uma composição em porcentagem em peso de 0,40% a 0,50% de C; até 0,80% de Mn; de 8,00% a 10,00% de Cr; até 0,04% de P; até 0,03% de S; até 0,60% de Ni; podendo ter ainda de 2,70% a 3,30% de Si, o balanço sendo formado por Fe e pequenas quantidade de impurezas de outros elementos.

[023] A invenção é aplicável para qualquer componente de um motor a combustão interna que esteja sujeito à corrosão intergranular, mas é particularmente útil para aplicação às válvulas, tanto de admissão como de exaustão, de um motor a combustão interna, haja vista que estas estão sujeitas a altas temperaturas de trabalho e intenso desgaste, [024] Apesar de a invenção ter sido descrita com relação às suas realizações particulares, os técnicos no assunto poderão realizar alterações ou combinações não contempladas acima sem, no entanto, se desviar dos ensinamentos aqui descritos, além de expandir para outras aplicações não apreciadas no presente relatório descritivo. Portanto, as reivindicações anexas devem ser interpretadas como cobrindo todos e quaisquer equivalentes que se enquadram dentro dos princípios da invenção.

Claims (11)

1. PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE UM COMPONENTE DE UM MOTOR A COMBUSTÃO INTERNA, componente este realizado em material metálico, caracterizado pelo fato de que o processo compreende o passo de aplicação de íons de cromo sobre a superfície do dito componente.

2. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que dito componente compreende uma camada nitretada, e a aplicação de íons de cromo é realizada sobre a dita camada nitretada.

3. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que dito passo de aplicação de íons de cromo é realizado por meio de um processo de implantação iônica.

4. PROCESSO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que o dito componente é uma válvula de um motor a combustão interna.

5. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que dita válvula é uma válvula de admissão de um motor a combustão interna.

6. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que dita válvula é uma válvula de exaustão de um motor a combustão interna.

7. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que dito material metálico é um aço inoxidável.

8. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que dito aço inoxidável é um aço inoxidável austenítico.

9. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que dito aço inoxidável é um aço inoxidável martensítico.

10. COMPONENTE DE UM MOTOR A COMBUSTÃO INTERNA, caracterizado pelo fato de que é obtido pelo processo tal como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 9.

11. COMPONENTE, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que dito componente é uma válvula de admissão e/ou de exaustão de um motor a combustão interna.