BR102015027438B1

BR102015027438B1 - anéis de pistão em aços-ferramenta fundidos e seu processo de fabricação

Info

Publication number: BR102015027438B1
Application number: BR102015027438-6A
Authority: BR
Inventors: Mário Boccalini Júnior; Eduardo Albertin; Moysés Leite de Lima; Gisela Marques Araujo
Original assignee: Instituto De Pesquisas Tecnológicas Do Estado De São Paulo S/A; Mahle Metal Leve S/A
Priority date: 2015-10-29
Filing date: 2015-10-29
Publication date: 2020-11-17
Also published as: US20180313447A1; DE112016004959T5; CN108350557A; BR102015027438B8; US10309536B2; CN108350557B; WO2017072075A1; BR102015027438A2

Abstract

anéis de pistão em aços-ferramenta fundidos e seu processo de fabricação, pertencente à área de anéis de pistão em aços-ferramenta para motores a combustão interna, refere-se a anéis de pistão fundidos de aços-ferramenta cuja microestrutura é constituída por matriz de martensita revenida com precipitação de carbonetos secundários m2c elou mc (m = v e/ou mo e/ou cr e/ou w) com tamanho típico entre 0,5 (mi)m e 2 (mi)m, apresentando elevada tenacidade, e por carbonetos eutéticos nbc com morfologia cúbica, fração volumétrica entre 1% e 4%, tamanho típico entre 3 (mi)m e 7 (mi)m e distribuição homogênea, e a dureza do material após revenimento situar-se entre 400 hv e 800 hv, com limites de composição química. os anéis de pistão podem ser obtidos a partir de semiacabados fundidos por diferentes processos de fundição, preferencialmente fundição em moldes de areia verde ou areia-resina, fundição em moldes cerâmicos e fundição por centrifugação, submetidos a operações subsequentes de usinagem, e as matérias primas utilizadas no processo de fundição do semiacabado podem ser sucata de aços de baixa liga, retorno de produção e ferro-ligas.

Description

[001] A presente invenção, pertencente à área de anéis de pistão para motores a combustão interna, refere-se à obtenção de anéis fundidos em aços- ferramenta com nióbio, cromo, molibdênio e vanádio, compreendendo a composição da liga e o processo de fabricação.

ESTADO DA TÉCNICA

[002] Nos últimos anos, a fim de minimizar a emissão de gases nocivos ao ambiente, bem como de materiais particulados e/ou outros GEE (gases de efeito estufa), uma série de tecnologias foi incorporada aos motores.

[003] A redução de emissões de gases está relacionada, dentre outros fatores, ao aumento do rendimento térmico do motor e, consequentemente, à redução do consumo específico de combustível. Como consequência, os motores estão desenvolvendo maior potência por volume de deslocamento do pistão no cilindro. Os motores a combustão interna estão trabalhando sob maiores esforços mecânicos, maior rotação e temperatura de combustão mais elevada. Dessa forma, seus componentes devem ser dimensionados para suportar estas condições operacionais mais severas, a fim de garantir tanto a confiabilidade do conjunto como manter a vida útil esperada. Este maior esforço operacional se traduz, igualmente, em um maior esforço sofrido pelos componentes, dentre eles o pistão e os anéis associados ao pistão.

[004] Com maiores taxa de compressão, pressão de combustão, temperatura e rotação, os anéis exercem uma maior pressão sobre o pistão e sobre as paredes do cilindro, conduzindo a um maior desgaste e fadiga dos anéis.

[005] Os aspectos de desgaste e fadiga afetam diretamente a durabilidade dos anéis de pistão, que está ligada à manutenção do desempenho de vedação e controle do filme de óleo dentro dos limites de projeto do motor. Esses limites são relacionados a emissões de poluentes, consumo de combustível e consumo de óleo lubrificante, tópicos associados à saúde pública. Adicionalmente, a menor resistência à fadiga pode levar à ruptura do anel e, consequentemente, ao travamento do motor. Além da importância econômica, o travamento do motor é item primordial na segurança do veiculo.

[006] Os materiais comumente utilizados para fabricação de anéis de pistão são ferros fundidos e aços de alto cromo martensíticos. O processo de fabricação dos anéis de ferro fundido pode ser sintetizado nas seguintes etapas: (1) fusão da liga e acerto de composição; (2) vazamento em moldes de areia verde ou centrifugação; (3) tratamento térmico dos anéis obtidos; (4) usinagem para definição das dimensões finais; (5) tratamentos de superfícies como nitretação ou revestimentos para obter uma superfície com elevada dureza. Há limitação técnica relacionada à resistência mecânica para utilização de anéis de ferro fundido em motores com elevado carregamento ou em motores que demandem dimensões reduzidas de secção dos anéis.

[007] Para as aplicações nas quais as cargas são elevadas, os anéis de ferro fundido são substituídos por anéis de aços de alto cromo martensíticos. Estes são obtidos por conformação mecânica de fios trefilados, por exemplo, como revelado no documento US 20070187002 ("Piston ring excellent in resistance to scuffing, cracking and fatigue and method for producing the same, and combination of piston ring and cylinder block’), e passam pelas etapas (4) e (5) antes descritas. Entretanto, há limitações nas dimensões dos anéis que podem ser produzidos por esse processo de fabricação, além de desvantagens técnicas de definição de forma geométrica, demandando um processo de manufatura e acabamento mais complexo. Para atendimento das diversas dimensões, há necessidade de manutenção de grande estoque de material, ampliando os custos envolvidos.

[008] Um aspecto técnico relevante ligado ao processo de obtenção de anéis por conformação mecânica de fios de aço de alto cromo trefilado é a presença de microtrincas decorrentes da decoesão entre carbonetos e matriz causada pelo acúmulo de reduções de secção nas etapas de laminação e trefilação, notadamente nas regiões da microestrutura em que há aglomeração de carbonetos. Esses problemas são resolvidos por anéis de aços de alto cromo produzidos por processos de fundição semelhantes aos utilizados para produção de anéis em ferro fundido.

[009] No caso dos anéis fundidos de aço de alto cromo, a microestrutura do material obtido, conforme a descrição do documento US 20120090462, apresenta carbonetos eutéticos M7C3 grosseiros formados durante a solidificação. A figura 1 apresenta a microestrutura de um material obtido conforme a descrição do exemplo de concretização do documento US 20120090462 nos estados bruto de fundição e após revenimento (etapa final do desenvolvimento da microestrutura), sendo possível observar que os carbonetos eutéticos M7C3 grosseiros precipitados de forma contínua nas regiões interdendríticas não se alteram com a aplicação dos ciclos de tratamento térmico até o revenimento. Redes contínuas de carbonetos eutéticos são sítios preferenciais para a nucleação e a propagação de trincas de fadiga e, assim, sua presença implica prejuízo ao desempenho de anéis de pistão.

[0010] É usual para anéis de pistão a realização de tratamentos de superfície para obter elevada dureza, baixo coeficiente de atrito com a camisa e elevada resistência ao desgaste. A nitretação é 0 processo de tratamento de superfícies utilizado comumente em anéis de pistão, sendo realizada a gás, a plasma ou em banho de sal. Opcionalmente, pode ser aplicado recobrimento antidesgaste na face de contato com o cilindro utilizando materiais e processos de deposição que fazem parte do estado da técnica.

DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[0011] A Figura 1 mostra a microestrutura nos estados bruto de fundição (Figura 1A) e após revenimento a 600 °C (Figura 1B) de material produzido conforme descrição do exemplo de concretização do documento US 20120090462.

[0012] A Figura 2 apresenta gráfico da evolução das frações de fases em função da temperatura durante a solidificação de um aço-ferramenta fundido para anéis de pistão de acordo com a presente invenção.

[0013] A Figura 3 mostra a microestrutura do material obtido no exemplo de concretização da presente invenção no estado bruto de fundição.

[0014] A Figura 4 mostra a microestrutura do material obtido no exemplo de concretização da presente invenção após recozimento (750 °C por 4 horas e resfriamento no forno).

[0015] A Figura 5 mostra a microestrutura do material obtido no exemplo de concretização da presente invenção após têmpera (1050 °C por 2 horas e resfriamento ao ar calmo).

[0016] A Figura 6 mostra a microestrutura do material obtido no exemplo de concretização da presente invenção após revenimento (500 °C - 4 horas e resfriamento ao ar calmo).

[0017] A Figura 7 apresenta gráfico da evolução de dureza do material obtido no exemplo de concretização da presente invenção nas diferentes etapas do processo de fabricação.

[0018] A Figura 8 apresenta gráfico dos resultados de ensaios de desgaste por deslizamento do material obtido no exemplo de concretização da presente invenção no estado fundido e tratado temnicamente (sem tratamento superficial), comparando-os com resultados de aço de alto cromo conformado mecanicamente e nitretado (CM) e de aço de alto cromo fundido e nitretado (F). DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[0019] “ANÉIS DE PISTÃO EM AÇOS-FERRAMENTA FUNDIDOS E SEU PROCESSO DE FABRICAÇÃO” refere-se a anéis de pistão fundidos de aços-ferramenta com elevadas resistência a desgaste e resistência a fadiga, mais especificamente, refere-se a anéis de pistão fundidos de aços-ferramenta cuja microestrutura é constituída por matriz de martensita revenida com precipitação de carbonetos secundários M2C e/ou MC (M = V e/ou Mo e/ou Cr e/ou W) com tamanho típico entre 0,5 pm e 2 pm, apresentando elevada tenacidade, e por carbonetos eutéticos NbC com morfologia cúbica, fração volumétrica entre 1% e 4%, tamanho típico entre 3 pm e 7 pm e distribuição homogênea, apresentando elevada dureza na faixa de 2500 a 3000 HV. Tais características microestruturais conferem elevadas dureza, resistência a fadiga e resistência a desgaste aos anéis de pistão fundidos de aço-ferramenta, tornando seu desempenho em serviço superior aos anéis de pistão fabricados com os materiais representativos do atual estado da técnica (ferros fundidos e aços de alto cromo). Adicionalmente, tais características microestruturais permitem a utilização de anéis de pistão de aço- ferramenta sem tratamentos de superfícies, o que simplifica e barateia o seu processo produtivo.

[0020] As composições químicas do aço-ferramenta compreendidas em “ANÉIS DE PISTÃO EM AÇOS-FERRAMENTA FUNDIDOS E SEU PROCESSO DE FABRICAÇÃO” são baseadas no conceito de “aço matriz”, definido originalmente por G.A. Roberts (Vanadium in high-speed steel. Transactions of the Metallurgical Society of AIME, v. 236, p. 950-63, 1966). Esse conceito permite a obtenção de microestruturas em que se combinam matriz de elevada tenacidade e carbonetos eutéticos de elevada dureza. No caso do aço-ferramenta fundido para anéis de pistão de acordo com a presente invenção, a quase totalidade do nióbio combina com carbono segundo a proporção estequiométrica representada pela fórmula molecular do carboneto NbC, pois a solubilidade do nióbio na austenita é inferior a 0,03% em peso.

[0021] A Figura 2, obtida com o uso do software de modelagem termodinâmica ThermoCalc, apresenta a sequência de solidificação de um aço- ferramenta conforme a presente invenção. Observa-se que ela é praticamente eutética, com a fase líquida decompondo-se quase totalmente no eutético austenita+NbC e, em frações desprezíveis, nos eutéticos austenita+M7C3 e austenita+M2C. Assim, para uma liga com 3% em peso de nióbio, 0,39% em peso de C são consumidos na formação de 3% em volume de NbC, correspondendo à combinação estequiométrica de 0,13% C para cada 1% Nb em peso. A quantidade restante de carbono e praticamente todo o teor de cada um dos demais elementos ficarão dissolvidos na austenita e participarão das reações de sua decomposição durante o resfriamento após solidificação e após os ciclos dos tratamentos térmicos de têmpera e revenimento.

[0022] Na presente invenção, os anéis de pistão podem ser obtidos a partir de semiacabados fundidos por diferentes processos de fundição, preferencialmente fundição em moldes de areia verde ou areia-resina, fundição em moldes cerâmicos e fundição por centrifugação, submetidos a operações subsequentes de usinagem.

[0023] As matérias primas utilizadas no processo de fundição do semiacabado podem ser sucata de aços de baixa liga, retorno de produção e ferro-ligas, não se limitando a esses materiais. A fusão do material para preparação da liga pode ser realizada em fornos a indução, mas não se limita a esse tipo de equipamento. O forno utilizado para preparação e fusão da liga pode ter controle de atmosfera e pressão, não sendo, porém, estritamente necessário o controle dessas variáveis. O vazamento da liga para os moldes deve ser realizado em temperaturas entre 1500 °C e 1650 °C.

[0024] Após o resfriamento nos moldes, o sistema de canais para fundição, quando existente, é retirado, permitindo a separação das peças (anéis ou tubos). Os anéis ou tubos são recozidos em temperaturas entre 600 °C e 800 °C, objetivando homogeneizar a microestrutura do material e facilitar a etapa de corte e usinagem, caso sejam utilizadas.

[0025] Após o recozimento, as peças passam por tratamentos térmicos de têmpera e revenimento, objetivando obter matriz de martensita revenida com carbonetos secundários do tipo M2C e/ou MC e dureza entre 400 HV e 800 HV. Os tratamentos térmicos consistem em aquecimento das peças em temperaturas entre 900 °C e 1150 °C (austenitização) e têmpera ao ar (forçado ou calmo) ou em óleo. Esses tratamentos térmicos são realizados preferencialmente em fornos com atmosfera controlada para evitar alterações de composição nas superficies e oxidação excessiva das peças. Após o tratamento térmico de têmpera, as peças podem passar por uma etapa de revenimento em temperaturas até 650 °C, visando adequar a dureza à aplicação desejada.

[0026] A Tabela 1 mostra os limites dos teores dos principais elementos de liga constituintes do aço-ferramenta fundido para anéis de pistão de acordo com a presente invenção. Tabela 1: Limites de composição do aço-ferramenta

[0027] O carbono e o nióbio participam da formação dos carbonetos eutéticos NbC durante a solidificação do aço-ferramenta. O carbono participa também da precipitação de carbonetos secundários do tipo M2C e/ou MC durante o resfriamento após a solidificação ou durante o tratamento de revenimento e do endurecimento da martensita da matriz. O mínimo teor de carbono garante a formação dos carbonetos eutéticos NbC e, ao mesmo tempo, a elevada dureza da matriz martensítica. A limitação do teor de carbono ao máximo indicado na Tabela 1 evita que a matriz martensítica tenha baixa tenacidade e também que o aço- ferramenta torne-se demasiadamente hipereutético, com a formação de carbonetos NbC primários de grandes dimensões e morfologia dendrítica, prejudicando a resistência a fadiga. O teor mínimo de nióbio garante a formação da fração volumétrica mínima de NbC para obtenção de elevadas dureza e resistência a desgaste. A limitação do teor de nióbio evita que o aço-ferramenta torne-se demasiadamente hipereutético.

[0028] O cromo propicia elevada temperabilidade com custo baixo. O limite superior garante a formação de fração desprezível de carbonetos eutéticos M7C3 no final da solidificação, evitando sua precipitação de forma contínua em regiões interdendríticas.

[0029] Os elementos vanádio, molibdênio e tungsténio são os principais responsáveis pela precipitação de carbonetos secundários M2C e/ou MC durante os ciclos de revenimento, garantindo 0 endurecimento secundário da matriz. Os limites superiores garantem a formação de fração desprezível de carbonetos eutéticos M2C no final da solidificação, evitando sua precipitação de forma contínua em regiões interdendríticas.

[0030] O titânio é responsável pela formação, em temperaturas superiores à liquidus, de partículas de carbonitretos Ti(C,N) que atuam como efetivas nucleantes dos carbonetos eutéticos NbC e, consequentemente, promovem a precipitação desses carbonetos sob a forma de partículas cúbicas isoladas e homogeneamente distribuídas. O limite inferior garante a função de nucleante, enquanto o limite superior evita a formação excessiva de óxido de titânio, que é prejudicial à resistência à fadiga.

[0031] O silício atua como desoxidante no processo de fundição do aço- ferramenta. O limite inferior garante sua função desoxidante, enquanto o limite superior impede que ele atue como fragilizante.

[0032] O manganês atua como desoxidante no processo de fundição do aço-ferramenta e como neutralizador do enxofre, formando MnS. O limite inferior garante sua função desoxidante, enquanto o limite superior evita a depressão excessiva da temperatura de início da formação de martensita.

[0033] O fósforo e o enxofre são impurezas do aço-ferramenta com efeito fragilizante e, portanto, seus teores devem ser os menores possíveis. O limite superior de 0,05% garante que esse efeito não se manifeste e permite que sejam empregadas matérias primas de pureza comercial na fundição do aço ferramenta. EXEMPLO DE CONCRETIZAÇÃO DA INVENÇÃO

[0034] Uma carga contendo aço de baixa liga, retorno de produção e ferro-ligas foi fundida em forno a indução sem câmara para controle de pressão, a fim de se obter o aço-ferramenta para anéis de pistão de acordo com a presente invenção. Para evitar a oxidação excessiva do metal fundido foi utilizada injeção de argônio na superfície do banho. Após a completa fusão da carga e controle da temperatura, o metal fundido foi vazado a 1580 °C em molde de areia-resina. Durante o vazamento, foram retiradas amostras para análise de composição química cujo resultado está apresentado na Tabela 2. Tabela 2: Composição química medida em amostra obtida no exemplo de concretização

[0035] Fundiu-se um tubo com diâmetros interno e externo com dimensões próximas às de um anel de pistão. Após o resfriamento, o tubo foi limpo e submetido a tratamento térmico de recozimento (750 °C - 4h horas e resfriamento no forno). Em seguida, o tubo recozido foi submetido à usinagem de desbaste e corte em anéis, sendo então os anéis submetidos a tratamentos térmicos de têmpera (1050 °C - 2h horas e resfriamento ao ar calmo) e de duplo revenimento (500 °C - 2 horas e resfriamento ao ar calmo).

[0036] A Figura 3 mostra a microestrutura do material no estado bruto de fundição, em que se identificam os carbonetos eutéticos NbC. As Figuras 4, 5 e 6 mostram a microestrutura do material após os tratamentos térmicos de recozimento, têmpera e revenimento, respectivamente.

[0037] A Figura 7 mostra a evolução da dureza do material obtido no exemplo de concretização da presente invenção em cada etapa do processo de fabricação. Após o revenimento, o valor de dureza é de 694 HV, que é substancialmente superior aos valores de dureza típicos dos ferros fundidos e aços inoxidáveis comumente utilizados na fabricação de anéis de pistão. Esse resultado de dureza superior no material da presente invenção se deve à sua composição química e aos ciclos de tratamento térmico realizados no processo de produção.

[0038] Os valores de dureza após tratamento térmico e a presença de carbonetos eutéticos NbC na microestrutura implicam na possibilidade de utilização dos anéis produzidos segundo a presente invenção sem que seja necessária a etapa de tratamento de superfícies (nitretação e recobrimentos cerâmicos), normalmente utilizada nos materiais usados pelo estado da técnica em anéis de pistão.

[0039] A Figura 8 mostra resultados de ensaios de desgaste por deslizamento do material obtido no exemplo de concretização da presente invenção no estado fundido e tratado termicamente (sem tratamento superficial), comparando-os com resultados de aço de alto cromo conformado mecanicamente e nitretado (CM) e de aço de alto cromo fundido e nitretado (F). Os ensaios foram conduzidos em tribômetro universal, empregando contra-corpo de ferro fundido cinzento perlítico, e a figura mostra os valores médios de desgaste do corpo (material do anel) e do contra-corpo (material da camisa).

[0040] Observa-se que o aço ferramenta não requer o tratamento de nitretação para atingir valores de taxas de desgaste da mesma ordem que os obtidos com os demais materiais nitretados.

Claims

1. ANÉIS DE PISTÃO EM AÇOS-FERRAMENTA FUNDIDOS E SEU PROCESSO DE FABRICAÇÃO, caracterizados por conterem os limites de composição química conforme tabela 01 e cuja microestrutura é constituída por matriz de martensita revenida com precipitação de carbonetos secundários M2C e/ou MC (M = V e/ou Mo e/ou Cr e/ou W) com tamanho menor do que 3 pm, e por carbonetos eutéticos NbC com morfologia cúbica, fração volumétrica entre 1% e 4%, tamanho entre 3 e 7 pm e distribuição homogênea, e a dureza do material após revenimento situar-se entre 400 HV e 800 HV;

2. Processo para obtenção do produto definido na reivindicação 1, caracterizado por serem produzidos por processo de fundição por gravidade;

3. Processo para obtenção do produto definido na reivindicação 1, caracterizado por serem produzidos por processo de fundição por centrifugação;

4. Processo para obtenção do produto definido na reivindicação 1 e de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por serem produzidos utilizando moldes de areia verde ou de areia-resina ou moldes cerâmicos;

5. Processo para obtenção do produto definido na reivindicação 1, caracterizado por realizar as seguintes etapas posteriores à fundição: recozimento, realizado em temperaturas entre 600 °C e 800 °C; tratamento térmico de têmpera, realizado em temperaturas entre 900 °C e 1150 °C; revenimento, realizado em temperaturas até 650 °C;

6. Processo para obtenção do produto definido na reivindicação 1 e de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por opcionalmente realizar tratamentos de superfícies por nitretação e recobrimentos antidesgaste;

7. Processo para obtenção do produto definido na reivindicação 1 e de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pela etapa de têmpera ser realizada em forno com atmosfera controlada;

8. Processo para obtenção do produto definido na reivindicação 1 e de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pela nitretação ser realizada a gás, a plasma ou em banho de sal;

9. Processo para obtenção do produto definido na reivindicação 1, caracterizado por o recobrimento antidesgaste na face de contato com o cilindro ser obtido por processo galvânico, ou aspersão ou deposição física por vapor;

10. Processo para obtenção do produto definido na reivindicação 1 e de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por o recobrimento antidesgaste na face de contato com o cilindro ser obtido por processo galvânico, ou aspersão ou deposição física por vapor.