BR102015025727A2 - Valve for internal combustion engines - Google Patents

Abstract

válvula para motores de combustão interna. a presente invenção refere-se a uma válvula (1) para motores de combustão interna, em que a pelo menos uma região da válvula (1) é aplicado um revestimento (10) compreendendo uma solução sólida de nitrogênio provida na matriz metálica do substrato (8) da válvula (1), o revestimento (10) sendo aplicado por um processo de nitretação, com elevada adesão do revestimento ao substrato (8) da válvula (1), o revestimento (10) sendo dotado de elevada dureza, conferindo à válvula (1) excelente resistência ao desgaste, além de elevada resistência à corrosão, conciliando propriedades distintas à válvula (1).

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "VÁLVULA PARA MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA".

[001] A presente invenção refere-se a uma válvula para uso em motores de combustão interna, em que pelo menos uma região da válvula recebe um revestimento compreendendo até 10% em peso de nitrogênio em solução sólida provida na matriz metálica da válvula, conferindo excelente resistência ao desgaste, além de elevada resistência à corrosão.

Descrição do Estado da Técnica [002] As válvulas para uso em motores de combustão interna são componentes de alta precisão, submetidos a altas-tensões térmicas e mecânicas. Ficam alojadas no(s) cabeçote(s) do motor, e visam diferentes tarefas, como vedar perfeitamente áreas de fluxo, controlar a troca de gases, selar os cilindros do exterior, além de dissipar o calor absorvido dos gases resultantes da combustão, transferindo-o para o um anel de assento de válvula e para uma guia de válvula.

[003] As válvulas são divididas entre admissão, que controlam a entrada de mistura gasosa no cilindro do motor, e de escape, que permitem a saída dos gases após a explosão. Existe uma diferença genérica entre válvulas de admissão e escape, de modo que as válvulas de admissão, que são refrigeradas pelos gases não queimados, necessitam resistir a tensões mecânicas elevadas, especialmente em seu contato com o assento de válvula.

[004] As válvulas de escape, além das grandes demandas mecânicas, também necessitam suportar altas-tensões térmicas e corrosão química. Ainda, trabalham sob temperaturas que variam em torno de 800°C, abrindo e fechando aproximadamente 70 vezes por segundo, submetidas a uma média de 300 milhões de alternâncias de carga.

[005] Em razão das diferentes solicitações a que uma válvula é submetida, a sua configuração construtiva é, regra geral, muito similar.

Assim, tal como pode ser visto pela figura 1, uma válvula é constituída de uma cabeça em forma de disco que compreende uma região de assentamento e uma região de pescoço que atua como região de transição para a haste, sendo que na extremidade da haste oposta à cabeça fica localizada a ponta da válvula. Ainda, na região da haste, nas adjacências da ponta da válvula, um ou mais rebaixos podem ser observados, que formam as canaletas da válvula. Cada região da válvula é submetida às diferentes condições de trabalho, sendo, portanto, solicitada de modo diferente.

[006] Em suma, as válvulas devem apresentar resistência a três tipos distintos de solicitações, mecânica, térmica e química. No tocante à resistência à mecânica, as válvulas devem apresentar resistência ao impacto na região de assentamento e na região da ponta. Com respeito à resistência ao desgaste as principais partes afetadas são a região de assento, a haste e a ponta da válvula. Por sua vez, a resistência à pressão deverá ser uma característica da frente da cabeça. Por fim, a resistência à fadiga faz-se necessária por conta da constante alternância entre as tensões de tração e compressão.

[007] A necessidade de resistência térmica advém da temperatura de combustão, das altas temperaturas dos gases de escape e da fadiga provocada pela alternância entre temperaturas altas e baixas. Enquanto, a resistência química faz-se necessária para impedir a corrosão que encontra facilidade no ambiente corrosivo dos gases, umidade e temperaturas de trabalho a que a válvula está sujeita.

[008] Os motores atuais são, cada vez mais, solicitados em condições extremas, sejam em elevadas temperaturas e/ou velocidades, com o intuito de aumentar sua eficiência de combustível e entregar maiores potências. Em consequência destas novas solicitações, os componentes dos motores, em particular as válvulas, apresentam sucessivas modificações, visando sempre aumentar a vida útil destes elementos.

[009] Assim, com o intuito de vencer as exigentes condições de trabalho as quais as válvulas são submetidas, é bastante comum que as válvulas sejam monometálicas de ligas especiais, bimetálicas ou que sejam dotadas de insertos.

[0010] As válvulas monometálicas são construídas de um único material e são aplicadas em peças de exigência moderada. Já as válvulas bimetálicas têm aplicação em situações de maior exigência, sendo aplicado um material específico para cada parte da válvula. Naturalmente que estas válvulas têm um custo superior por conta de seu processo de fabricação, apresentando limitações e, portanto, não sendo justificável para boa parte das aplicações.

[0011] Até ao momento, entre as soluções mais comuns de revestimento de válvulas do motor do estado da técnica tem-se a nitretação, que confere à superfície da válvula elevada dureza, pela formação de fases duras de nitretos/carbetos, com consequente elevação de sua resistência ao desgaste.

[0012] No entanto, a nitretação também apresenta uma enorme desvantagem no sentido de diminuir a resistência à corrosão das válvulas. Existem dois principais mecanismos inerentes à nitretação responsáveis por tornar às válvulas suscetíveis à corrosão: [0013] Despassivação - Todos os aços inoxidáveis, principal material de fabricação das válvulas, compreendem um filme de óxido (Cr2O3) "passivo" e rico em cromo, formado naturalmente na superfície do aço. Apesar de o filme ser dotado de uma espessura ínfima (entre 1 e 5 nanômetros), é extremamente aderente e quimicamente estável. O processo de nitretação rompe o filme passivo a fim de tornar possível a difusão do nitrogênio na estrutura. Este rompimento do filme passivo faz com que o aço perca suas propriedades anticorrosivas, diminuindo assim a resistência à corrosão do material;

[0014] Depleção de cromo - O processo de nitretação causa a de-pleção do cromo da solução sólida compreendida na matriz do aço, devido a formação e precipitação de nitretos de cromo. Os nitretos de cromo formados "roubam" o cromo da matriz metálica causando a diminuição da resistência à corrosão da superfície nitretada, podendo inviabilizar o uso do aço em muitas aplicações.

[0015] Neste sentido, apesar de o processo de nitretação garantir elevada resistência ao desgaste à válvula, este também reduz drasticamente resistência à corrosão dos aços inoxidáveis, deixando às válvulas suscetíveis à corrosão em ambientes ácidos.

[0016] Muito embora existam diversas tentativas para tentar minimizar o desgaste, ao qual as válvulas estão sujeitas, as soluções do estado da técnica não oferecem uma válvula de motor que consiga, concomitantemente, apresentar um comportamento superior nos quesitos de resistência ao desgaste e resistência à corrosão.

[0017] Faz-se assim necessária a obtenção de uma válvula para motores de combustão interna, a qual receba um revestimento compreendendo nitrogênio em solução sólida provida na matriz metálica da válvula, conferindo excelente resistência ao desgaste com elevada resistência à corrosão.

Objetivos da Invenção [0018] Um primeiro objetivo da presente invenção está em prover uma válvula para uso em motores de combustão interna, a qual recebe um revestimento composto por nitrogênio em solução sólida provido em uma matriz metálica.

[0019] A presente invenção tem também por objetivo proporcionar uma válvula dotada de um revestimento compreendendo entre 3 e 50 micrômetros, com dureza acima de 900 HV, aplicado por um processo de nitretação, em pelo menos uma região da válvula.

[0020] Por fim, a presente invenção tem por objetivo proporcionar uma válvula que apresente excelente resistência ao desgaste em geral, além de elevada resistência à corrosão, conciliando propriedades distintas à válvula.

Breve Descrição da Invenção [0021] Os objetivos da presente invenção são alcançados por uma válvula para motores de combustão interna dotada de um corpo ferro-so ou substrato compreendendo cromo, de modo que pelo menos uma região da válvula recebe um revestimento compreendendo até 10% em peso de nitrogênio em solução sólida provida na matriz metálica do substrato da válvula, o revestimento compreendendo uma espessura entre 3 e 50 micrômetros e dureza superior a 900 HV.

[0022] Os objetivos são ainda alcançados por uma válvula compreendendo um revestimento aplicado a todas as suas superfícies, sendo preferencialmente uma válvula de admissão.

Breve Descrição 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 - vista esquemática lateral de uma válvula com todas as partes que a constituem;

[0025] Figura 2 - desenho esquemático do revestimento aplicado à válvula da presente invenção;

[0026] Figura 3 - fotografia da camada de revestimento aplicada ao substrato da válvula objeto da presente invenção.

Descrição Detalhada dos Desenhos [0027] A presente invenção refere-se a uma válvula 1 para motores de combustão interna, em que a pelo menos uma região da válvula 1 é aplicado um revestimento 10 compreendendo uma solução sólida de nitrogênio provida na matriz metálica do substrato 8 da válvula 1, o revestimento 10 sendo aplicado por um processo de nitretação, com elevada adesão do revestimento ao substrato 8 da válvula 1, o revestimento 10 sendo dotado de elevada dureza, conferindo à válvula 1 excelente resistência ao desgaste, além de elevada resistência à corrosão, conciliando propriedades distintas à válvula 1.

[0028] Conforme já mencionado anteriormente, as válvulas 1 para uso em motores de combustão interna são componentes de alta precisão, alojados no cabeçote do motor, responsáveis por diferentes tarefas e submetidos a altas-tensões térmicas e mecânicas.

[0029] Em razão destas diferentes solicitações e tensões que a válvula 1 é submetida, a sua configuração construtiva é, em geral, muito similar. Assim, tal como pode ser visto pela figura 1, uma válvula 1 é constituída de uma cabeça 2 em forma de disco que compreende uma região de assentamento 3 e uma região de pescoço 4 que atua como região de transição para a haste 5, sendo que na extremidade da haste 5 oposta à cabeça 2 fica localizada a ponta 6 da válvula 1. Ainda, na região da haste 5, nas adjacências da ponta 6 da válvula 1, um ou mais rebaixos podem ser observados, que formam as canaletas 7 da válvula 1.

[0030] Entre os materiais utilizados na fabricação das válvulas 1 para motores de combustão interna, estão preferencialmente os aços inoxidáveis austeníticos e martensíticos, caracterizados por apresentar excelentes propriedades de resistência à corrosão, porém com baixa dureza superficial e, consequentemente, reduzida resistência ao desgaste.

[0031] Nesse sentido, os processos de endurecimento por nitreta-ção são comumente aplicados, os quais elevam a dureza superficial, porém prejudicam sobremaneira a resistência à corrosão do material devido à intensa precipitação de nitretos e carbonetos que empobrecem a matriz de cromo.

[0032] O processo de nitretação consiste, basicamente, na adição de nitrogênio, em sua forma atômica, na superfície de um metal, usualmente aço. O nitrogênio tende a ocupar os interstícios da estrutura cristalina, migrando por difusão para o interior do metal. Tradicionalmente, os processos de nitretação aplicados aos aços inoxidáveis, utilizam-se de temperaturas na faixa entre 500°C e 600°C, em banhos de sal ou sob atmosfera nitretante-redutora obtida a partir da dissociação de gás amônia.

[0033] Diferentemente das válvulas alcançadas tradicionalmente por processos de nitretação, as válvulas 1 da presente invenção recebem um revestimento 10 compreendendo soluções sólidas com altíssima concentração de nitrogênio providas na matriz metálica da válvula 1, sem a formação dos indesejáveis nitretos, mencionados anteriormente.

[0034] O processo utilizado compreende uma baixa temperatura de difusão do nitrogênio, provendo o endurecimento da superfície juntamente com um método de despassivação, o qual não destrói o filme de óxido de cromo. Deste modo, é formada sobre a superfície uma nova fase, uma solução sólida supersaturada e metaestável, de elevada dureza sem a diminuição da resistência à corrosão, inerente aos aços inoxidáveis.

[0035] A solução sólida de nitrogênio formada apresenta ainda um gradiente de composição responsável pela adesão do revestimento 10 ao substrato da válvula 1, praticamente impossibilitando o destacamento do revestimento 10. Este gradiente de composição do revestimento 10 compreende até 10% em peso de nitrogênio em solução sólida no exterior do revestimento 10, decrescendo até alcançar o substrato 8 da válvula 1.

[0036] Nesse sentido, a presente invenção apresenta uma válvula 1 para motores de combustão interna, particularmente uma válvula 1 dotada de um corpo ferroso, em que a pelo menos uma região da vál- vula 1 é aplicado um revestimento 10, objetivando, principalmente, o aumento de sua resistência ao desgaste juntamente com elevada resistência à corrosão.

[0037] A válvula 1 objeto da presente invenção tem como inovação o fato de receber, em pelo menos uma de suas partes, um revestimento 10 compreendendo nitrogênio em solução sólida provida na matriz metálica do material. Tal revestimento 10 é aplicado na totalidade do corpo ferroso ou substrato 8 da válvula 1, sendo um revestimento 10 dotado de elevada dureza, com excelente adesão ao substrato 8, não sendo revelado por nenhum documento de técnica anterior, conferindo à válvula 1 excelente resistência ao desgaste, além de elevada resistência à corrosão.

[0038] Ainda de acordo com a concretização preferencial, o revestimento 10 é dotado de uma espessura entre 3 e 50 micrometros, preferencialmente dotado de uma espessura entre 3 e 35 micrometros, sendo depositado por um processo de nitretação, o qual possibilita a adição de nitrogênio em solução sólida provida na matriz metálica do material, obtendo-se assim um revestimento 10 de elevada dureza, sem prejudicar as propriedades anticorrosivas, inerentes aos aços inoxidáveis.

[0039] Em uma concretização preferível, o processo de nitretação é realizado em uma temperatura substancialmente entre 450°C e 550°C, com um tempo de duração do processo de 3 a 20 horas. O revestimento 10 é obtido pela reação da atmosfera rica em nitrogênio com a matriz metálica do substrato 8, evitando a formação de nitretos.

[0040] Foram realizados testes de corrosão por imersão comparando-se três possibilidades de materiais para as válvulas aplicadas em motores de combustão interna: 1) aço inoxidável, austenítico ou martensítico, sem qualquer tratamento de endurecimento superficial; 2) aço inoxidável, austenítico ou martensítico, submetido a um processo convencional de endurecimento por nitretação; 3) aço inoxidável, austenítico ou martensítico, submetido ao processo de endurecimento por nitretação utilizado na presente invenção.

[0041] Os resultados mostraram que o material submetido ao processo de nitretação descrito na presente invenção e o material que não foi submetido a qualquer processo de endurecimento apresentaram altos níveis de resistência à corrosão, enquanto o material submetido ao processo de nitretação convencional apresentou superfície altamente corroída, ou seja, reduzida resistência à corrosão.

[0042] Em suma, a válvula 1 objeto da presente invenção apresenta uma série de vantagens e benefícios em relação às válvulas 1 atualmente conhecidas, sejam elas: I. Aumento da dureza e excelente adesão do revestimento 10, devido à baixa temperatura de difusão da solução sólida de nitrogênio na matriz metálica do substrato 8 da válvula 1; II. Excelente resistência ao desgaste da válvula 1; III. Aumento da resistência à corrosão da válvula 1, devido à presença do nitrogênio em solução sólida e manutenção da camada passiva do material.

[0043] 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.

REIVINDICAÇÕES

Claims (3)

1. Válvula para motores de combustão interna dotada de um corpo ferroso ou substrato (8) compreendendo cromo, caracterizada pelo fato de que pelo menos uma região da válvula (1) recebe um revestimento (10) compreendendo até 10% em peso de nitrogênio em solução sólida provida na matriz metálica do substrato (8) da válvula (1), o revestimento (10) compreendendo uma espessura entre 3 e 50 micrômetros e dureza superior a 900 HV.

2. Válvula de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o revestimento (10) é aplicado a todas as superfícies da válvula (1).

3. Válvula de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que é uma válvula (1) de admissão.