BR102015010736B1

BR102015010736B1 - anel de pistão

Info

Publication number: BR102015010736B1
Application number: BR102015010736-6A
Authority: BR
Inventors: Rafael Antônio Bruno; Fábio Mendes De Araújo
Original assignee: Mahle Metal Leve S/A; Mahle International Gmbh
Priority date: 2015-05-05
Filing date: 2015-05-05
Publication date: 2021-05-25
Also published as: EP3292326A1; US20180347695A1; CN107614945A; US10704690B2; CN107614945B; BR102015010736A2; WO2016177626A1

Abstract

ANEL DE PISTÃO. A presente invenção refere-se a um anel de pistão (1) para motores de combustão interna dotado de uma base compreendendo uma superfície externa (3) deslizante, uma superfície interna (4), uma superfície superior (5) e uma superfície inferior (6), a superfície externa (3) compreendendo arestas chanfradas (7, 8), as superfícies externa (3), interna (4), superior (5), inferior (6) e as arestas chanfradas (7, 8) do anel (1) compreendendo uma primeira camada (10) nitretada, a primeira camada (10) compreendendo uma espessura entre 30 e 70 micrômetros nas superfícies superior (5) e inferior (6) e uma espessura de até 7 micrometros na superfície externa (3) e nas arestas chanfradas (7, 8), a superfície externa (3) e a arestas chanfradas (7, 8) com- preendendo uma camada deslizante (11) composta por um revestimento galvãnico de cromo duro ou cromo cerâmico, a camada deslizante (11) sendo aplicada sobre a primeira camada (10), a camada deslizante (11) compreendendo uma espessura entre 80 e 175 micrometros, garantindo elevada durabilidade ao anel (1) devido à excelente resistência ao desgaste.

Description

[001] A presente invenção refere-se a um anel de pistão para motores de combustão interna, o anel de pistão compreendendo um revestimento composto por um tratamento de nitretação e, ao menos uma superfície do anel compreendendo um revestimento galvânico de cromo duro ou cromo cerâmico.U

Descrição do estado da técnica

[002] Motores de combustão interna sejam eles ciclo Diesel, ciclo Otto, dois ou três tempos, compreendem ao menos um anel de pistão. O anel de pistão atua na vedação do espaço entre a camisa de cilindro e o êmbolo do pistão, isolando a câmara de combustão dos demais componentes internos dos motores. O anel de pistão é disposto radialmente na base do êmbolo do pistão, impedindo que os gases da combustão escapem da câmara de combustão em direção ao cárter e evitando que o óleo do motor penetre na câmara de combustão. Usualmente, os motores são dotados de três anéis paralelamente alocados em canaletas dispostas na base do êmbolo

[003] Alguns motores de combustão interna, principalmente motores que operam com ciclo Diesel, trabalham com cargas elevadas. Esses motores operam em baixa velocidade com potência elevada e, portanto, são mais exigentes com seus componentes mecânicos. Nesse sentido, os anéis utilizados nesses motores de alta potência necessitam de elevada resistência ao desgaste, tanto na superfície externa, como nas superficies superior e inferior dos anéis.

[004] Os anéis de pistão apresentados no estado da técnica geralmente compreendem uma base de aço inoxidável com um revestimento nitretado depositado nas superfícies externa, interna, superior, inferior e chanfros dos anéis.

[005] O documento de patente DE 10 2005 023 627 apresenta um anel de pistão dotado de um revestimento nitretado e um revestimento de cromo duro depositado na superfície externa do anel. No entanto, o documento não apresenta uma solução completa, uma vez que o anel, objeto da invenção, compreende apenas uma das arestas da superfície externa chanfrada e com revestimento de cromo duro. Ou seja, o revestimento de cromo duro é aplicado parcialmente na superfície externa, reduzindo a resistência ao desgaste.

[006] Ainda, os documentos JP 3090520 e US 6,508,473 apresentam anéis de pistão dotados de um revestimento nitretado aplicado às superfícies interna, superior e inferior, e um revestimento de cromo duro aplicado por um processo de deposição física de vapor (PVD) à superfície externa dos anéis.

[007] Esses documentos apresentam como desvantagem as coberturas de PVD que são limitadas a espessuras menores e por isso em uso restrito em termos de durabilidade, Além do fato de alavancar o processo de fadiga dos anéis, pela ação compressiva da camada de PVD sobre a nitretação.

[008] Faz-se assim necessário encontrar um anel de pistão compreendendo um revestimento nitretado combinado com um revestimento galvãnico composto por cromo depositado na região mais critica do anel, definida como superfície externa e arestas chanfradas, o anel apresentando elevada durabilidade devido à excelente resistência ao desgaste das diferentes faces e seus respectivos pares de contato, camisa e pistão.

Objetivos da invenção

[009] O objetivo da presente invenção está em prover um anel de pistão para motores de combustão interna, particularmente motores que operam com elevada carga e potência, o anel compreendendo um revestimento nitretado disposto na superfície externa do anel para garantir maior resistência à fadiga.

[0010] É, também, um objetivo da presente invenção prover um anel de pistão compreendendo ao menos uma superfície dotada de um revestimento galvânico de cromo, particularmente uma superfície critica do anel, sendo uma superfície externa e arestas chanfradas.

[0011] É, ainda, um objetivo da presente invenção prover um anel de pistão que apresente elevada durabilidade devido à excelente resistência ao desgaste.

[0012] É, por fim, um objetivo da presente invenção prover um anel de pistão compreendendo uma dureza de até 500 HV (dureza Vickers) medido à 20 micrômetros de profundidade e ao menos uma superfície com dureza compreendida entre 700 e 1200 HV (dureza Vickers).

Breve descrição da invenção

[0013] Os objetivos da presente invenção são alcançados por um anel de pistão para motores de combustão interna dotado de uma base compreendendo superfície externa deslizante, uma superfície interna, uma superfície superior e uma superfície inferior, a superfície externa compreendendo arestas chanfradas, as superfícies externa, interna, superior, inferior e as arestas chanfradas do anel compreendem um revestimento dotado de uma primeira camada nitretada, a primeira camada compreendendo uma espessura de até 2% da espessura axial nominal do anel quando aplicada nas superfícies superior e inferior, e uma espessura de até 10% em relação à espessura da primeira camada aplicada nas superfícies superior e inferior quando aplicada na superfície externa e nas arestas chanfradas, a superfície externa e a arestas chanfradas compreendendo uma camada deslizante composta por um revestimento galvânico de cromo duro ou cromo cerâmico, a camada deslizante sendo aplicada sobre a primeira camada, a camada deslizante compreendendo uma espessura entre 80 e 175 micro- metros.

[0014] Os objetivos da presente invenção são ainda alcançados por um anel de pistão compreendendo uma base de aço inoxidável com 10% a 17% em peso de cromo sobre a qual são depositadas uma primeira camada e uma camada deslizante, a primeira camada compreendendo uma espessura entre 30 e 50 micrometros e uma dureza de 500 HV (dureza Vickers) quando medido a 20 micrômetros de profundidade, nas superfícies superior e inferior, e a camada deslizante compreendendo uma dureza entre 700 e 1200 HV (dureza Vickers).

[0015] Os objetivos da presente invenção são alcançados também por um motor de combustão interna compreendendo ao menos um anel de pistão tal como definido acima.

Descrição resumida dos desenhos

[0016] A presente invenção será, a seguir, mais detalhadamente descrita com base em um exemplo de execução representado nos desenhos. As figuras mostram:

[0017] Figura 1 - vista em perspectiva de um anel de pistão com todas as partes que o constituem;

[0018] Figura 2 - corte transversal do anel de pistão da presente invenção;

[0019] Figura 3 - corte transversal representando a aplicação do revestimento da presente invenção às superfícies superior e inferior do anel:

[0020] Figura 4 - desenho esquemático de um corte transversal representando a aplicação do revestimento em uma primeira concretização da presente invenção à superfície externa do anel;

[0021] Figura 5 - desenho esquemático de um corte transversal representando a aplicação do revestimento em uma segunda concretização da presente invenção à superfície externa do anel;

[0022] Figura 6 - gráfico representando a relação entre a durabilidade do anel de pistão e a espessura do revestimento nitretado apli cado às superfícies superior e inferior do anel em relação à espessura do anel

Descrição detalhada dos desenhos

[0023] A presente invenção refere-se a um anel de pistão para motores de combustão interna, o anel de pistão compreendendo um revestimento nitretado. ao menos uma superfície do anel compreendendo um revestimento galvânico de cromo duro ou cromo cerâmico.

[0024] A figura 1 apresenta um anel de pistão 1 metálico dotado de uma base substancialmente anelar, compreendendo aço inoxidável com 10% a 17% em peso de cromo e sendo dotado de uma superfície externa 3, uma superfície interna 4, uma superfície superior 5 e uma superfície inferior 6. A superfície externa 3 atua como porção deslizante na interface entre o anel 1 e uma camisa de cilindro, enquanto a superfície interna 4 é associada a uma parede de um pistão e as superfícies superior 5 e inferior 6 são associadas a canaleta do pistão.

[0025] A intersecção entre a superfície externa 3 e a superfície superior 5 compreende uma primeira aresta chanfrada 7, enquanto a intersecção entre a superfície externa 3 e a superfície inferior 6 compreende uma segunda aresta chanfrada 8, vide figura 2.

[0026] O anel de pistão 1 da presente invenção é dotado de uma base sobre a qual são depositadas uma primeira camada 10 nitretada e uma camada deslizante 11, a qual compreende um revestimento galvânico de cromo duro ou cromo cerâmico.

[0027] A primeira camada 10 nitretada é aplicada às superfícies externa 3. interna 4. superior 5. inferior 6 e arestas chanfradas 7, 8 do anel, de tal modo que a espessura dessa primeira camada 10 é diferente para cada superfície.

[0028] O anel de pistão 1 compreende uma espessura nominal, distância entre a superfície superior 5 e a superfície inferior 6, entre 3,0 e 4,0 milímetros. Nesse sentido, a espessura da primeira camada 10 nitretada aplicadas nas superfícies superior 5 e inferior 6 não deve exceder 2% da espessura axial nominal do anel 1. Levando em consideração a espessura nominal do anel 1, a primeira camada 10 compreende uma espessura entre 60 e 70 micrometros aplicada nas superfícies superior 5 e inferior 6.

[0029] Observando a figura 6 é possível compreender que o valor de 2% da espessura nominal do anel 1 representa um valor ótimo para a espessura da primeira camada 10. Esse valor garante a aplicação da primeira camada 10, atuando de modo a elevar a resistência ao desgaste, sem que essa primeira camada 10 nitretada interfira na robustez do anel 1. Caso sejam utilizados valores de 3%, 4% etc. em relação à espessura nominal do anel 1, a incidência de quebra do anel 1 aumenta significativamente, de tal forma que tal camada interfere na estrutura do anel 1.

[0030] Em uma configuração preferencial, a primeira camada 10 compreende uma espessura entre 30 e 50 micrometros aplicada nas superfícies superior 5 e inferior 6 do anel 1 (vide figura 3).

[0031] Ainda, a primeira camada 10 pode ser aplicada à superfície externa 3 e arestas chanfradas 7, 8 do anel 1, porém com uma espessura menor. A espessura da primeira camada 10 aplicada na superfície externa 3 e arestas chanfradas 7, 8 não deve exceder 10% da espessura da primeira camada 10 aplicada nas superfícies superior 5 e inferior 6. Sendo assim, a espessura da primeira camada 10 aplicada na superfície externa 3 e arestas chanfradas 7. 8 compreende entre 6 e 7 micrometros. Em uma configuração preferencial, a primeira camada 10 aplicada na superfície externa 3 e arestas chanfradas 7, 8 compreende um espessura entre 3 e 5 micrometros (vide figura 4).

[0032] Essas proporções entre a espessura nominal do anel 1 e as espessuras da primeira camada 10 aplicada nas superfícies externa 3, superior 5, inferior 6 e arestas chanfradas 7, 8 garantem ao anel 1 ele- vada durabilidade e ganhos de desempenho quando em funcionamento.

[0033] O anel 1 da presente invenção compreende também uma camada deslizante 11 aplicada sobre a primeira camada 10 na superfície externa 3 e arestas chanfradas 7, 8. A camada deslizante 11 compreende um revestimento galvânico composto por cromo duro ou cromo cerâmico com uma espessura igual ou maior a 100 micrometros.

[0034] Na configuração preferencial, a camada deslizante 11 da presente invenção compreende uma espessura de até 5% da espessura nominal do anel 1. Novamente, levando em consideração a espessura nominal do anel 1, a camada deslizante 11 compreende uma espessura entre 80 e 175 micrometros

[0035] Em outra configuração possível, a primeira camada 10 é aplicada somente nas superfícies interna 4, superior 5 e inferior 6. Desse modo, a superfície externa 3 e arestas chanfradas 7, 8 compreendem apenas a camada deslizante 11 (vide figura 5).

[0036] Ademais, a primeira camada 10 apresenta uma dureza mínima de 500 HV (dureza Vickers) quando medida a 20 micrometres de profundidade, nas superfícies superior 5 e inferior 6 do anel 1, e a camada deslizante 11 apresenta uma dureza entre 700 e 1200 HV (dureza Vickers) na superfície externa 3 e arestas chanfradas 7, 8.

[0037] Em suma, a presente invenção consegue, por meio das proporções das espessuras da primeira camada 10 e da camada deslizante 11, garantir elevada durabilidade devido a excelente resistência ao desgaste alcançada, sem o prejuízo à resistência à fadiga.

[0038] 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 (1) para motores de combustão interna dotado de uma base compreendendo superfície externa (3) deslizante, uma superfície interna (4), uma superfície superior (5) e uma superfície inferior (6), a superfície externa (3) compreendendo arestas chanfradas (7, 8), o anel (1) sendo caracterizado pelo fato de que as superfícies externa (3), interna (4), superior (5), inferior (6) e as arestas chanfradas (7, 8) do anel (1) compreendem um revestimento dotado de uma primeira camada (10) nitretada, a primeira camada (10) compreendendo uma espessura de até 2% da espessura axial nominal do anel (1) quando aplicada nas superfícies superior (5) e inferior (6), e uma espessura de até 10% em relação à espessura da primeira camada (10) aplicada nas superfícies superior (5) e inferior (6) quando aplicada na superfície externa (3) e nas arestas chanfradas (7, 8), a superfície externa (3) e a arestas chanfradas (7, 8) compreendendo uma camada deslizante (11) composta por um revestimento galvânico de cromo duro ou cromo cerâmico, a camada deslizante (11) sendo aplicada sobre a primeira camada (10), a camada deslizante (11) compreendendo uma espessura entre 80 e 175 micrometros.

2. Anel de pistão (1) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende uma base de aço inoxidável com 10% a 17% em peso de cromo sobre a qual são depositadas a primeira camada (10) e a camada deslizante (11).

3. Anel de pistão (1) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a primeira camada (10) compreende uma espessura entre 30 e 50 micrometros, nas superfícies superior (5) e inferior (6).

4. Anel de pistão (1) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a primeira camada (10) compreende uma dureza mínima de 500 HV (dureza Vickers) a 20 micrômetros de profundidade, nas superfícies superior (5) e inferior (6).

5. Anel de pistão (1) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a camada deslizante (11) compreende uma dureza entre 700 e 1200 HV (dureza Vickers).