BR102017020366B1 - Anéis de pistão em aços fundidos nitretáveis e processo de produção - Google Patents

Abstract

A presente invenção ANÉIS DE PISTÃO EM AÇOS FUNDIDOS NITRETÁVEIS E PROCESSO DE PRODUÇÃO descreve uma liga e o processo para obtenção de peças fundidas adequadas para anéis de pistão de aços nitretáveis com teor relativamente alto de N e com baixos teores de Si. Nesta invenção, a fração de carbonetos eutéticos M7C3 é reduzida a frações inferiores a 2,0% em massa com a substituição de parte de C por N e, além disso, esses carbonetos eutéticos são transformados em carbonetos M23C6 durante a etapa de tratamento térmico. Essa transformação é acompanhada de uma alteração na morfologia dos carbonetos, diminuindo o seu tamanho máximo e sua continuidade na microestrutura do material. Essa alteração microestrutural do material da presente invenção se deve à composição química (baixos teores de Si e teores relativamente elevados de N) e tratamentos térmicos adequados. Os anéis de aços nitretáveis fundidos com baixos teores de Si e elevados teores de nitrogênio obtidos na presente invenção superou as limitações impostas pelos processos e/ou materiais pertencentes ao atual estado da técnica, quais sejam: limite de carregamento a que os anéis de ferro fundido podem ser submetidos, limites dimensionais do processo de conformação de fios de aços inoxidáveis (...).

Description

[001] A presente invenção refere-se a anéis de aços nitretáveis fundidos para pistão de motores a combustão interna. A presente invenção propõe a obtenção de anéis para pistão em aços nitretáveis utilizando processos de fundição com ligas com teores relativamente altos de nitrogênio, 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. 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.

[003] Como consequência, os motores estão desenvolvendo maior potência por volume de deslocamento do pistão no cilindro. Os motores a combustão estão trabalhando sob maiores esforços mecânicos, maior rotação e temperatura de combustão mais elevada. Dessa forma, seus componentes devem ser igualmente 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. Com maiores taxa de compressão, pressão de combustão, temperatura e rotação, os anéis também exercem uma maior pressão sobre o pistão e sobre as paredes do cilindro, conduzindo igualmente a um maior desgaste ou fadiga dos anéis e, consequentemente, aumentando a folga existente entre o anel e o cilindro e causando problemas relacionados ao desgaste da camisa do cilindro e/ou do próprio pistão, vazamento de óleo, aumento de consumo de combustível e/ou de óleo e, até mesmo, a quebra do anel.

[004] Os materiais comumente utilizados para fabricação de anéis de pistão são ferros fundidos e aços inoxidáveis. 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 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.

[005] Para essas aplicações nas quais as cargas são elevadas, os anéis de ferro fundido são substituídos por anéis de aços inoxidáveis martensíticos. Estes são obtidos por conformação mecânica de fios de aço inoxidável trefilado, 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) descritas acima. 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.

[006] Um aspecto técnico relevante ligado ao processo de obtenção de anéis por conformação mecânica de fios de aço inoxidável 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 inoxidáveis produzidos por processos de fundição semelhantes aos utilizados para produção de anéis em ferro fundido.

[007] O documento US 20120090462 (“Nitratable steel piston rings and steel cylindrical sleeves, and casting method for the production thereof”) descreve uma liga e possíveis processos de fundição para produção de anéis de pistão de aços nitretáveis. Nessa invenção os principais elementos na composição da liga proposta são: silício (Si) com teores de 2 a 10% em massa, cromo (Cr) com teores entre 4 e 20% em massa e níquel (Ni) entre 2 e 12% em massa. Nesse material o elevado teor de Cr, tal qual para os fios de aço inoxidável, é o responsável pela boa nitretabilidade. Após a obtenção dos anéis fundidos, o processo descrito apresenta as seguintes etapas: tratamento térmico com austenitização (acima da linha Ac3 da liga) e têmpera (preferencialmente em óleo), revenimento (entre 400°C e 700°C) e nitretação.

[008] O documento US 20120090462 descreve como principal conceito o efeito do silício na diminuição da temperatura de início de solidificação da liga (temperatura liquidus), o que facilitaria o processo de fabricação. Entretanto, mesmo com teores elevados, como o teor de 3% utilizado no exemplo de concretização da invenção, cálculos termodinâmicos demonstram que o silício tem uma pequena contribuição no decréscimo da temperatura liquidus da liga (cerca de 30 °C).

[009] Além disso, a microestrutura do material obtido conforme a descrição do documento US 20120090462 apresenta carbonetos eutéticos grosseiros formados durante a solidificação (Figura 1). Carbonetos grosseiros facilitam a nucleação e propagação de trincas nos aços. A permanência desses carbonetos na microestrutura final dos anéis restringe enormemente seu emprego em condições de elevada demanda estrutural, pois diminui a resistência à fadiga devido à iniciação e propagação de trincas.

[0010] No material obtido conforme o documento US 20120090462, esses carbonetos grosseiros formados durante a solidificação são estáveis, permanecendo na microestrutura em todas as etapas de produção do material, incluindo o produto final. A Figura 1 apresenta a microestrutura de um material obtido conforme a descrição do exemplo de concretização do documento US 20120090462 no estado bruto de fundição e após revenimento (etapa final do desenvolvimento da microestrutura). É possível observar que os carbonetos eutéticos grosseiros precipitados de forma contínua nas regiões interdendríticas não se alteram com a aplicação dos ciclos de tratamento térmico até o revenimento. Esses carbonetos eutéticos são formados em consequência da segregação de elementos de liga, principalmente cromo e carbono, nas regiões interdendríticas durante a solidificação da austenita primária.

[0011] A Figura 2 obtida com o uso do software de modelagem termodinâmica ThermoCalc, apresenta a sequência de solidificação do material com composição descrita no documento US 20120090462 e mostra que o carboneto eutético é do tipo M7C3. A análise termodinâmica indica que os carbonetos M7C3 são estáveis na faixa de temperaturas de tratamentos térmicos descrita nesse documento. Esta estabilidade dos carbonetos M7C3 não é observada em ligas similares contendo baixos teores de silício (teores até 1%).

[0012] A Figura 3 apresenta a microestrutura de um material obtido conforme a descrição do exemplo de concretização do documento US 20120090462 no estado revenido, após ataques químicos diferenciais Villela e Murakami. Esses ataques químicos permitem diferenciar os carbonetos do tipo M7C3 e M23C6, sendo que os carbonetos do tipo M7C3 ficam claros e os do tipo M23C6 apresentam coloração. É possível observar na Figura 3 que os carbonetos eutéticos são do tipo M7C3 (carbonetos claros) e, portanto, não sofreram transformação. Nota-se também que esses carbonetos não sofreram alteração significativa de morfologia com relação ao estado bruto de fundição.

[0013] Redes contínuas de carbonetos eutéticos, como o carboneto M7C3, 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.

DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[0014] Figura 1 apresenta micrografia mostrando a microestrutura (a) no estado bruto de fundição e (b) após revenimento a 600°C do material produzido conforme descrição do exemplo de concretização do documento US 20120090462.

[0015] A Figura 2 mostra o gráfico da evolução das frações de fases em função da temperatura durante a solidificação do material com composição descrita no documento US 20120090462.

[0016] A Figura 3 apresenta micrografia mostrando a microestrutura após revenimento a 600°C de um material produzido conforme descrição do exemplo de concretização do documento US 20120090462, após ataque químico Villela e Murakami.

[0017] A Figura 4 apresenta micrografia mostrando a microestrutura do material obtido no exemplo de concretização da presente invenção no estado bruto de fundição.

[0018] A Figura 5 apresenta micrografia mostrando a microestrutura do material obtido no exemplo de concretização da presente invenção após o tratamento térmico a 1040 °C e têmpera ao ar calmo.

[0019] A Figura 6 apresenta micrografia mostrando a microestrutura após revenimento a 600 °C de um material produzido conforme descrição do exemplo de concretização da presente invenção, após ataque químico Villela e Murakami.

[0020] A Figura 7 mostra gráfico da evolução de dureza do material obtido no exemplo de concretização da presente invenção nas diferentes etapas do processo de fabricação.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[0021] Os aços inoxidáveis utilizados atualmente para anéis de pistão apresentam na microestrutura carbonetos eutéticos formados durante a etapa de solidificação das ligas. Esses carbonetos eutéticos são relativamente grandes e contínuos e atuam como concentradores de tensão, como revelado por Tanaka et al (Tanaka, S., Yamamura, K. e Oohori, M. Excellent Satinless Bearing Steel (ES1). Motion & Control. May de 2000, Vol. N° 8, pp. 23-26) e sítios para nucleação e propagação de trincas. No processo de fabricação de anéis via conformação mecânica de fio de aço, esses carbonetos são quebrados mecanicamente e distribuídos na microestrutura. Como decorrência, apresentam trincas e decoesão entre carbonetos e matriz.

[0022] No processo de fabricação por fundição descrito no documento US 20120090462 ocorre a formação desses carbonetos eutéticos e eles são estáveis em todas as etapas de fabricação do anel de pistão. A formação desses carbonetos e sua permanência na microestrutura do produto final foi comprovada na reprodução do estado da técnica de acordo com o exemplo de concretização apresentado no documento US 20120090462, como mostrado nas Figuras 1, 2 e 3.

[0023] A eliminação ou a redução desses carbonetos eutéticos na microestrutura desses materiais é fundamental para melhoria da resistência à fadiga de anéis de pistão. Ou seja, uma microestrutura com carbonetos pequenos e distribuídos de forma homogênea e descontínua levaria a um aumento importante na resistência à fadiga do material.

[0024] A redução da fração de carbonetos na microestrutura de aços inoxidáveis pode ser feita pela redução nos teores de C e Cr, como revelado por Tanaka et al., antes citado. Entretanto, para manutenção da dureza e da resistência à corrosão, os teores desses elementos não podem ser excessivamente reduzidos. Como revelado por Tanaka et al., antes citado, mesmo reduzindo o teor de C para 0,7% em massa e de Cr para 13% em massa os carbonetos eutéticos são observados na microestrutura. Essa constatação é corroborada por simulações termodinâmicas utilizando o modelo de Scheil. Aços ligados com C e N apresentam melhor resistência à fadiga, aumento da resistência da martensita (Tanaka, et al., antes citado) e maior resistência à abrasão, como revelado por Berns (Berns, H. Increasing the wear resistance of stainless steels. Mat.-wiss. u. Werkstoffetech. 6, 2007, Vol. 38.).

[0025] A presente invenção descreve uma liga e o processo para obtenção de peças fundidas adequadas para uso em componentes de motores a combustão interna, preferencialmente, anéis de pistão de aços nitretáveis com teor relativamente alto de N e com baixos teores de Si. Nesta invenção, a quantidade de carbonetos eutéticos M7C3 é reduzida a frações inferiores a 2,0% em massa com a substituição de parte de C por N e, além disso, esses carbonetos eutéticos são transformados em carbonetos M23C6 durante a etapa de tratamento térmico. Essa transformação é acompanhada de uma alteração na morfologia dos carbonetos, diminuindo o seu tamanho máximo e sua continuidade na microestrutura do material. Essa alteração microestrutural do material da presente invenção se deve à composição química (baixos teores de Si e teores relativamente elevados de N) e tratamentos térmicos adequados.

[0026] A Tabela 1 mostra os limites de composição para o material da presente invenção. Tabela 1: Limites de composição da liga

[0027] Na presente invenção, diferentes tipos de processos de fundição podem ser utilizados para produção de peças adequadas à obtenção de anéis de pistão. Podem ser utilizados moldes de areia verde, típicos de fundição para ferro fundido, ou areia-resina. Além disso, podem ser obtidos anéis com dimensões próximas às dimensões finais ou tubos, a partir dos quais são obtidos os anéis por cortes transversais. Opcionalmente, pode ser utilizado o processo de centrifugação para produção de tubos, a partir dos quais são obtidos anéis de pistão. No processo de centrifugação, a liga fundida é vazada em uma centrífuga com corpo metálico, preferencialmente com recobrimento cerâmico na parte interna.

[0028] As matérias primas utilizadas no processo da presente invenção podem ser sucata de aços baixa liga, retorno de produção e ferro-ligas, não se limitando a esses materiais.

[0029] A fusão do material para preparação da liga é realizada preferencialmente em fornos a indução. O forno utilizado para preparação e fusão da liga pode ter controle de atmosfera e pressão, não sendo, porém, estritamente necessário. O vazamento da liga para os moldes deve ser realizado em temperaturas entre 1500 °C e 1650 °C.

[0030] Após o resfriamento, as peças são retiradas dos moldes e o sistema de canais para fundição, quando existente, é removido, separando os anéis ou tubos. Os anéis ou tubos são recozidos em temperaturas entre 600 °C e 800 °C. Durante essa etapa de tratamento térmico ocorre a transformação dos carbonetos M7C3 eutéticos formados na solidificação do material para M23C6. Essa transformação é acompanhada de alteração na morfologia dos carbonetos, com diminuição de tamanhos e de continuidade da estrutura eutética. Essa alteração na morfologia leva a uma melhoria na resistência à fadiga do material, que é uma importante propriedade para aplicação em anéis de pistão.

[0031] Após o recozimento, as peças passam por uma usinagem inicial. Em seguida, tratamentos térmicos são realizados nas peças com o objetivo de obter microestruturas e propriedades adequadas aos anéis. Os tratamentos térmicos consistem em aquecimento das peças em temperaturas entre 1000 °C e 1100 °C (austenitização) e têmpera ao ar (forçado ou calmo) ou em óleo. Esses tratamentos térmicos podem ser realizados em fornos sem atmosfera controlada, mas preferencialmente com atmosfera controlada para evitar alterações de composição nas superfícies das peças. Após o tratamento térmico, as peças devem passar por uma etapa de revenimento em temperaturas entre 500 °C e 700 °C.

[0032] Como é usual para anéis de pistão em aços nitretáveis, tratamentos de superfícies são realizados a fim de obter elevada dureza (em torno de 1000 HV), baixo atrito com a camisa e resistência ao desgaste. A nitretação é um processo de tratamento de superfícies utilizado comumente em anéis de pistão, sendo realizada preferencialmente a gás, a plasma ou em banho de sal.

[0033] Opcionalmente, pode ser aplicado recobrimento antidesgaste na face de contato com o cilindro. Para aplicação desse recobrimento podem ser utilizados os processos usualmente aplicados em anéis de pistão.

[0034] A presente invenção apresenta anéis fundidos de aços nitretáveis com baixos teores de silício e elevados teores de nitrogênio, tendo as seguintes características principais: são adequados a processos comuns de fundição; não apresentam características microestruturais prejudiciais às propriedades mecânicas dos anéis de pistão, como carbonetos eutéticos grosseiros, típicos dos aços inoxidáveis fundidos com elevado teor de silício; e não apresentam microtrincas ou decoesão entre carboneto e matriz, típicos dos aços inoxidáveis conformados mecanicamente. Essas características, além de representarem benefício econômico, implicam em maior capacidade de resistência a quebra durante a manufatura e maior resistência a fadiga dos anéis submetidos a elevado carregamento.

EXEMPLO DE CONCRETIZAÇÃO DA INVENÇÃO

[0035] Uma carga contendo aço baixa liga, retorno de produção e ferro-ligas com elementos de ligas da composição foi fundida em um forno de indução sem câmara para controle de pressão. Para evitar a oxidação excessiva do metal fundido foi utilizada uma injeção de argônio na superfície do banho. Após a completa fusão da carga e controle da temperatura, o metal fundido foi vazado a 1530 °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.

[0036] 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 passou por uma etapa de recozimento a 750 °C. Em seguida, foi realizada uma usinagem inicial e corte do tubo em anéis. Então, os anéis foram submetidos a um tratamento térmico com aquecimento a 1040 °C e resfriamento ao ar calmo, e a um tratamento de revenimento a 600 °C. Por fim, os anéis foram nitretados usando nitretação a gás.

[0037] A Figura 4 mostra a estrutura do material obtido no estado bruto de fundição e a Figura 5 mostra a estrutura do material após o tratamento térmico de têmpera e revenimento. É possível observar na estrutura bruta de fundição (Figura 4) carbonetos eutéticos grosseiros e contínuos formados na região interdendritica, porém, com a composição química e os tratamentos térmicos utilizados na presente invenção, esses carbonetos eutéticos formados durante a solidificação (tipo M7C3) são transformados em carbonetos do tipo M23C6 durante a etapa de tratamento térmico. Essa transformação é acompanhada de uma alteração na morfologia dos carbonetos, diminuindo o tamanho máximo dos carbonetos na microestrutura do material. Essa alteração microestrutural do material se deve à composição química (baixos teores de Si e teores relativamente elevados de N) e tratamentos térmicos adequados. A Figura 6 apresenta a microestrutura de um material obtido na presente invenção após revenimento e que passou por ataque químico Villela e Murakami. É possível observar na Figura 6 que os carbonetos na região interdendritica são do tipo M23C6 (região com coloração) e não apresentam continuidade, comprovando a transformação descrita acima.

[0038] Os carbonetos M23C6 têm dureza inferior aos carbonetos M7C3, como revelado por Li, Yefei, et al (Li, Yefei, et al. The electronic, mechanical properties and theorical hardness of chromium carbides by first-principles calculations. Journal of Alloys and Compounds. 2011, Vol. 509, pp. 5242-5249), o que torna os carbonetos M23C6 menos frágeis com relação aos M7C3. Essa característica dos carbonetos M23C6 torna o material obtido mais tenaz do que os materiais do estado da arte que possuem carbonetos M7C3.

[0039] A Figura 7 mostra a evolução da dureza do material obtido ao longo do processo de fabricação. Embora o recozimento não reduza sensivelmente a dureza, essa etapa é fundamental para a determinação das propriedades do material tendo em vista as alterações microestruturais com transformações dos carbonetos como descrito acima. Como esperado, a têmpera aumenta a dureza do material com a formação de martensita. O resultado de dureza do material obtido após o revenimento é de 600 HV, o que é substancialmente superior ao resultado de 420 HV encontrado no estado da técnica (US 20120090462). Esse resultado de dureza superior no material se deve à composição química (teor relativamente elevado de N) e aos tratamentos térmicos realizados.

[0040] A obtenção de anéis de aços nitretáveis fundidos com baixos teores de Si e elevados teores de nitrogênio superou as limitações impostas pelos processos e/ou materiais pertencentes ao atual estado da técnica, quais sejam: limite de carregamento a que os anéis de ferro fundido podem ser submetidos, limites dimensionais do processo de conformação de fios de aços inoxidáveis e formação de carbonetos grosseiros nas ligas propostas no documento US 20120090462.

Claims (8)

1. ANÉIS DE PISTÃO EM AÇOS NITRETÁVEIS FUNDIDOS caracterizados por conterem os limites de composição química conforme tabela abaixo, e por apresentarem, na solidificação, frações inferiores a 2,0% em massa de carbonetos eutéticos M7C3 e, na microestrutura final, exclusivamente carbonetos M23C6 formados durante tratamento térmico sem a necessidade de etapas de conformação mecânica;

2. PROCESSO DE PRODUÇÃO dos anéis de pistão em aços nitretáveis fundidos, de acordo com a reivindicação 1, e constituído por fundição de um produto semiacabado e as seguintes etapas posteriores à fundição: recozimento realizado em temperaturas entre 400 °C e 800 °C; tratamento térmico de têmpera realizado em temperaturas entre 950 °C e 1100 °C.; revenimento realizado em temperaturas entre 400 °C e 700 °C; e opcionalmente tratamentos de superfícies por nitretação e recobrimentos antidesgaste; sendo este processo caracterizado pela transformação dos carbonetos eutéticos M7C3 em M23C6 com alteração de morfologia durante as etapas de tratamento térmico; e pela dureza do material antes do tratamento de superfícies estar entre 300 HV e 600 HV

3. PROCESSO DE PRODUÇÃO, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por utilizar o processo de fundição por gravidade;

4. PROCESSO DE PRODUÇÃO, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por utilizar por processo de fundição por centrifugação;

5. PROCESSO DE PRODUÇÃO, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por serem produzidos utilizando moldes de areia verde ou areia- resina na etapa de fundição;

6. PROCESSO DE PRODUÇÃO, de acordo com a reinvindicação 2, caracterizado por as etapas de recozimento, têmpera e revenimento serem realizadas em forno com atmosfera controlada;

7. PROCESSO DE PRODUÇÃO, de acordo com reivindicação 2, caracterizado por a nitretação ser realizada a gás, a plasma ou em banho de sal;

8. PROCESSO DE PRODUÇÃO, de acordo com reivindicação 2, caracterizado por o recobrimento antidesgaste na face de contato com o cilindro ser obtido por processo galvânico, ou por aspersão ou deposição física por vapor;