BR102019022233A2 - valve for internal combustion engines and process for obtaining valve for internal combustion engines - Google Patents

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BR102019022233A2
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BR102019022233-6A
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Pedro Martín Lerman
Felipe De Sousa Mazuco
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Mahle Metal Leve S.A.
Mahle International Gmbh
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Abstract

A presente invenção refere-se a uma válvula (1) para motores de combustão interna, em que pelo menos uma região da válvula (1) compreende uma camada endurecida (10) com elevada dureza e tensão residual de compressão superficiais, além de elevada dureza e tensão residual de compressão na profundidade da espessura da camada endurecida (10), conferindo excelente resistência à fadiga com consequente aumento da resistência à microcorrosão por pite, proporcionando excelente durabilidade à válvula (1).

Figure 102019022233-6-abs
The present invention relates to a valve (1) for internal combustion engines, wherein at least one region of the valve (1) comprises a hardened layer (10) with high surface hardness and residual compression stress, in addition to high hardness. and residual compression stress in the depth of the hardened layer thickness (10), providing excellent resistance to fatigue with a consequent increase in resistance to microcorrosion by pitting, providing excellent durability to the valve (1).
Figure 102019022233-6-abs

Description

VÁLVULA PARA MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA E PROCESSO PARA OBTENÇÃO DE VÁLVULA PARA MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNAVALVE FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES AND PROCESS FOR OBTAINING VALVE FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES

[001] A presente invenção refere-se a uma válvula para motores de combustão interna que apresenta elevada dureza e tensões de compressão, resultando, assim, em excelente resistência à fadiga e, em particular, excelente resistência à micropites.[001] The present invention relates to a valve for internal combustion engines that has high hardness and compression stresses, thus resulting in excellent fatigue resistance and, in particular, excellent resistance to micropits.

Descrição do Estado da TécnicaDescription of the State of the Art

[002] Durante a última década, muito esforço foi feito no sentido de aumentar a eficiência dos motores de combustão interna e diminuir a emissão de partículas, em especial devido às políticas ambientais extremamente rigorosas.[002] During the last decade, much effort has been made to increase the efficiency of internal combustion engines and reduce particulate emissions, in particular due to extremely strict environmental policies.

[003] Um dos principais impactos para os motores de combustão interna foi o aumento das forças e cargas às quais os componentes estão sujeitos. As válvulas dos motores foram um desses componentes impactados em que o contato do contra corpo do sistema de acionamento com a ponta da válvula se tornou altamente crítico, levando a falhas nessa região, como o micropite.[003] One of the main impacts for internal combustion engines was the increase in forces and loads to which the components are subjected. The engine valves were one of those impacted components in which the contact between the drive system counterbody and the valve tip became highly critical, leading to failures in this region, such as micropite.

[004] O micropite é a perda de material por falha de fadiga e é restrito a algumas centenas de micrometros de profundidade. A figura 3 ilustra uma representação esquemática da formação do micropite. A formação de micropite está relacionada a trincas por fadiga que são iniciadas por tensões hertzianas de cisalhamento na ponta da válvula. As colisões entre rugosidades em superfícies opostas (contra corpo e ponta de válvula) causam deformações plásticas que são acumuladas após muitos ciclos de rodagem do motor e produzem tensões residuais de tração que iniciam, em algum ponto, trincas.[004] Micropit is the loss of material due to fatigue failure and is restricted to a few hundred micrometers in depth. Figure 3 illustrates a schematic representation of micropit formation. Micropit formation is related to fatigue cracks that are initiated by hertzian shear stresses at the valve tip. Collisions between roughnesses on opposite surfaces (against body and valve tip) cause plastic deformations that accumulate after many engine run-in cycles and produce residual tensile stresses that initiate, at some point, cracks.

[005] A ocorrência de micropite pode estar relacionada: i) à condição de lubrificação irregular; ii) à carga elevada; iii) à temperatura alta; iv) à superfície irregular (elevada rugosidade); e v) ao material impróprio (resistência reduzida à fadiga). As três primeiras causas (i, ii e iii) estão relacionadas à operação do motor, enquanto as duas últimas (iv e v) estão diretamente relacionadas ao material e regiões da válvula. As figuras 4 e 5 ilustram fotografias de superfícies atacadas por micropite, enquanto a figura 6 ilustra a formação de uma trinca por fadiga.[005] The occurrence of micropitting can be related to: i) the irregular lubrication condition; ii) to high load; iii) at high temperature; iv) uneven surface (high roughness); and v) to inappropriate material (reduced resistance to fatigue). The first three causes (i, ii and iii) are related to engine operation, while the last two (iv and v) are directly related to valve material and regions. Figures 4 and 5 illustrate photographs of surfaces attacked by micropitting, while Figure 6 illustrates the formation of a fatigue crack.

[006] O estado da técnica obtém um aumento da resistência à fadiga por meio da implementação de aços-ferramenta especiais, ou pela adição de camadas cerâmicas protetivas ou ainda pela melhoria do acabamento superficial na superfície da ponta da válvula, sendo que nenhuma dessas opções resulta em uma válvula totalmente eficiente as condições de funcionamento mais severas, sendo, inclusive, de difícil introdução industrial.[006] The state of the art achieves an increase in fatigue resistance by implementing special tool steels, or by adding protective ceramic layers or by improving the surface finish on the surface of the valve tip, neither of these options results in a fully efficient valve under the most severe operating conditions, even being difficult to introduce industrially.

[007] Como referência do que pode ser encontrado na técnica anterior, tem-se o documento de Patente US20100086397A1 que se refere a componentes de turbina com alta resistência à corrosão por micropites devido à introdução de uma camada protetiva cerâmica.[007] As a reference to what can be found in the prior art, there is the patent document US20100086397A1 which refers to turbine components with high resistance to corrosion by micropits due to the introduction of a ceramic protective layer.

[008] Por sua vez, o documento de Patente US7300622 revela um dispositivo e método para obtenção de nanoestruturas nas superfícies de partes metálicas por meio de jateamento ultrassônico com granalhas (USP - Ultrasonic Shot Peening). Na atual invenção, porém, não se deseja modificação estrutural, pois é necessário que outras características como resistência ao desgaste e compatibilidade com o contra corpo se mantenham originais à do material antes do tratamento.[008] In turn, the patent document US7300622 discloses a device and method for obtaining nanostructures on the surfaces of metal parts by means of ultrasonic shot blasting (USP - Ultrasonic Shot Peening). In the current invention, however, structural modification is not desired, as it is necessary that other characteristics such as wear resistance and compatibility with the counterbody remain original to the material before treatment.

[009] Ainda como referência, o documento de Patente FR2689431 revela um processo para produzir partes metálicas com um invólucro endurecido por meio de jateamento ultrassônico. A desvantagem intrínseca desse processo é o alto nível de rugosidade gerado, o qual torna-se crítico e inviável para aplicações de válvulas, em particular devido ao maior desgaste induzido na contraparte da ponta da válvula.[009] Still as a reference, the patent document FR2689431 discloses a process to produce metal parts with a hardened casing by means of ultrasonic blasting. The intrinsic disadvantage of this process is the high level of roughness generated, which becomes critical and unfeasible for valve applications, in particular due to the greater wear induced in the counterpart of the valve tip.

[0010] Importante notar que o estado da técnica apresenta apenas processos e/ou tratamentos para aumentar a dureza na superfície de um componente, porém, não permitem o aumento de tensões de compressão na superfície ou aumento da resistência à fadiga.[0010] It is important to note that the prior art presents only processes and/or treatments to increase the hardness on the surface of a component, however, they do not allow the increase of compressive stresses on the surface or increase in fatigue strength.

Objetivos da InvençãoInvention Objectives

[0011] Um primeiro objetivo da presente invenção está em prover uma válvula para motores de combustão interna, em que pelo menos uma região da válvula recebe um tratamento superficial por um processo de jateamento ultrassônico com esferas de material duro (USP-Ultrasonic Shot Peening), a microestrutura da região submetida ao tratamento sendo modificada para apresentar, além de elevada dureza, elevadas tensões de compressão, aumentando, assim, a resistência à fadiga na região de aplicação do tratamento e, consequentemente, sua resistência à micropites.[0011] A first objective of the present invention is to provide a valve for internal combustion engines, in which at least one region of the valve receives a surface treatment by an ultrasonic blasting process with hard material balls (USP-Ultrasonic Shot Peening) , the microstructure of the region subjected to the treatment being modified to present, in addition to high hardness, high compression stresses, thus increasing fatigue resistance in the region of application of the treatment and, consequently, its resistance to micropits.

[0012] Ainda, a presente invenção tem por objetivo prover uma válvula dotada de pelo menos uma região endurecida, em que a dureza da superfície dessa região é elevada acima de 20%, em relação às superfícies tratadas previamente por endurecimento por indução a pelo menos 400 micrometros de profundidade de espessura da superfície submetida ao tratamento superficial de jateamento ultrassônico com esferas de material duro. O tratamento de endurecimento por indução é opcional.[0012] Furthermore, the present invention aims to provide a valve provided with at least one hardened region, in which the surface hardness of this region is high above 20%, compared to surfaces previously treated by induction hardening to at least 400 micrometers depth of surface thickness subjected to surface treatment of ultrasonic blasting with hard material spheres. Induction hardening treatment is optional.

[0013] Por fim, a presente invenção tem por objetivo prover uma válvula dotada de pelo menos uma região que apresenta elevada dureza e elevadas tensões de compressão, resultando em excelente resistência à fadiga e resistência a micropite, fornecendo maior durabilidade e propriedades superiores em relação às válvulas atualmente encontradas no mercado.[0013] Finally, the present invention aims to provide a valve equipped with at least one region that has high hardness and high compressive stresses, resulting in excellent fatigue resistance and micropite resistance, providing greater durability and superior properties compared to valves currently found on the market.

Breve Descrição da InvençãoBrief Description of the Invention

[0014] Os objetivos da presente invenção são alcançados por uma válvula para motores de combustão interna dotada de um corpo de substrato ferroso compreendendo cromo ou substrato de liga baseada em níquel, em que pelo menos uma região deste substrato compreende uma camada endurecida com uma dureza de 800 Vickers a 1200 Vickers e uma tensão residual de compressão de 1200 MPa a 1600 MPa a pelo menos 70 micrometros de profundidade, a camada endurecida compreendendo espessura de até 500 micrometros e dureza superficial de 900 Vickers, a camada endurecida compreendendo dureza de pelo menos 800 Vickers a pelo menos 400 micrometros de profundidade, sendo provida em todas as superfícies da válvula e/ou, particularmente, sendo provida em uma região que corresponde à superfície de uma ponta da válvula, o substrato sendo formado por um aço inoxidável martensítico.[0014] The objectives of the present invention are achieved by a valve for internal combustion engines provided with a body of ferrous substrate comprising chromium or nickel-based alloy substrate, wherein at least one region of this substrate comprises a hardened layer with a hardness from 800 Vickers to 1200 Vickers and a residual compressive stress of 1200 MPa to 1600 MPa at least 70 microns deep, the hardened layer comprising thickness of up to 500 microns and surface hardness of 900 Vickers, the hardened layer comprising hardness of at least 800 Vickers at least 400 microns deep, being provided on all valve surfaces and/or particularly, being provided in a region corresponding to the surface of a valve tip, the substrate being formed of a martensitic stainless steel.

[0015] Os objetivos da presente invenção são alcançados também por um processo para obtenção de uma válvula para motores de combustão interna, tal como descrita acima, o processo compreendendo as etapas de: i) forjamento e tratamentos térmicos convencionais; ii) usinagem da geometria da válvula; iii) tratamento superficial de pelo menos uma região da válvula para obtenção de uma camada endurecida com elevadas tenções residuais de compressão e iv) polimento e/ou acabamento por usinagem; a etapa iii) de tratamento superficial sendo realizada por meio de jateamento ultrassônico utilizando uma amplitude de vibração de 70 a 130 um pico a pico, com granalhas cerâmicas ou de metal duro cujas partículas são majoritariamente esféricas, com diâmetro entre 0,2 e 3,3 milímetros e massa ajustada de 2 a 6 gramas/parte, com tempo de exposição de 5 segundos no mínimo e taxa de cobertura maior do que 125%.[0015] The objectives of the present invention are also achieved by a process for obtaining a valve for internal combustion engines, as described above, the process comprising the steps of: i) forging and conventional heat treatments; ii) machining the valve geometry; iii) surface treatment of at least one region of the valve to obtain a hardened layer with high residual compression tensions and iv) polishing and/or finishing by machining; step iii) surface treatment being carried out by means of ultrasonic blasting using a vibration amplitude of 70 to 130 a peak to peak, with ceramic or carbide shots whose particles are mostly spherical, with a diameter between 0.2 and 3, 3 millimeters and adjusted mass of 2 to 6 grams/part, with exposure time of 5 seconds minimum and coverage rate greater than 125%.

[0016] Ademais, os objetivos da presente invenção são alcançados por um motor de combustão interna que compreende pelo menos uma válvula, tal como descrita acima.[0016] Furthermore, the objectives of the present invention are achieved by an internal combustion engine comprising at least one valve, as described above.

Breve Descrição dos DesenhosBrief Description of Drawings

[0017] A presente invenção será, a seguir, mais detalhadamente descrita com base em um exemplo de execução representado nos desenhos. As figuras mostram:[0017] The present invention will be described in more detail below, based on an example of execution represented in the drawings. The figures show:

[0018] Figura 1 - vista esquemática frontal de uma válvula com as partes que a constituem;[0018] Figure 1 - schematic front view of a valve with its constituent parts;

[0019] Figura 2 - desenho esquemático da camada endurecida provida na válvula da presente invenção;[0019] Figure 2 - schematic drawing of the hardened layer provided in the valve of the present invention;

[0020] Figura 3 - representação esquemática da formação do micropite em uma superfície qualquer de um componente mecânico;[0020] Figure 3 - schematic representation of micropit formation on any surface of a mechanical component;

[0021] Figura 4 - fotografia da ponta de uma válvula do estado da técnica ilustrando a ocorrência de micropite no centro da superfície;[0021] Figure 4 - photograph of the tip of a prior art valve illustrating the occurrence of micropit in the center of the surface;

[0022] Figura 5 - fotografia da ponta de uma válvula do estado da técnica ilustrando a ocorrência de micropite em toda a superfície;[0022] Figure 5 - photograph of the tip of a state of the art valve illustrating the occurrence of micropitting on the entire surface;

[0023] Figura 6 - fotografia da seção transversal da ponta de uma válvula do estado da técnica ilustrando uma trinca por fadiga, responsável pela ocorrência de micropite;[0023] Figure 6 - photograph of the cross-section of the tip of a prior art valve illustrating a fatigue crack, responsible for the occurrence of micropititis;

[0024] Figura 7 - representação gráfica do perfil de dureza obtido para a válvula da presente invenção em relação às válvulas do estado da técnica;[0024] Figure 7 - graphic representation of the hardness profile obtained for the valve of the present invention in relation to the prior art valves;

[0025] Figura 8 - representação gráfica das tensões residuais obtidas para a válvula da presente invenção em relação às válvulas do estado da técnica;[0025] Figure 8 - graphic representation of the residual stresses obtained for the valve of the present invention in relation to prior art valves;

[0026] Figura 9 - representação gráfica da carga máxima suportada sob compressão cíclica para a válvula da presente invenção em relação às válvulas do estado da técnica;[0026] Figure 9 - graphic representation of the maximum load supported under cyclic compression for the valve of the present invention in relation to the prior art valves;

[0027] Figura 10 - fotografia de uma bancada de teste de compressão cíclica para avaliação da resistência ao aparecimento de trinca por fadiga.[0027] Figure 10 - photograph of a cyclic compression test bench for evaluation of resistance to fatigue crack appearance.

Descrição Detalhada dos DesenhosDetailed Description of the Drawings

[0028] A presente invenção refere-se a uma válvula 1 para motores de combustão interna, em que pelo menos uma região da válvula 1 compreende uma camada endurecida 10 com elevada tensão de compressão, sendo obtida por meio de um tratamento superficial de jateamento ultrassônico com granalhas (USP), conferindo à válvula 1 excelente resistência à fadiga e, consequentemente, elevada resistência à ocorrência de micropite.[0028] The present invention relates to a valve 1 for internal combustion engines, in which at least one region of the valve 1 comprises a hardened layer 10 with high compression tension, being obtained by means of a surface treatment of ultrasonic blasting with shot (USP), giving valve 1 excellent fatigue resistance and, consequently, high resistance to micropitting.

[0029] 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 submetidas a altas-tensões térmicas e mecânicas.[0029] Valves 1 for use in internal combustion engines are high precision components, housed in the engine head, responsible for different tasks and subjected to high thermal and mechanical stresses.

[0030] Em razão das diferentes solicitações e tensões as quais a válvula é submetida, a sua configuração construtiva é, em geral, muito similar. Assim, tal como pode ser visto pela figura 1, uma válvula 1 compreende uma cabeça 2 em forma de disco dotada de uma região de assentamento 3 e uma região de pescoço 4 que atua como porção de transição para uma haste 5, sendo que na extremidade da haste oposta à cabeça fica localizada a ponta 6 da válvula 1. Ainda, na região da haste 5, nas adjacências da ponta 6 da válvula 1, podem ser observados um ou mais rebaixos que formam as canaletas 7 da válvula 1. Cada região da válvula 1 é submetida a diferentes tensões de trabalho, sendo, portanto, solicitada de modos distintos.[0030] Due to the different stresses and strains to which the valve is subjected, its constructive configuration is, in general, very similar. Thus, as can be seen from figure 1, a valve 1 comprises a disk-shaped head 2 provided with a seating region 3 and a neck region 4 which acts as a transition portion for a stem 5, at the end of which of the stem opposite the head is the tip 6 of valve 1. Also, in the region of stem 5, in the vicinity of tip 6 of valve 1, one or more recesses that form the channels 7 of valve 1 can be observed. valve 1 is subjected to different working stresses and is therefore required in different ways.

[0031] Existem, no estado da técnica, alguns processos localizados que buscam melhorar a resistência ao desgaste da ponta da válvula como o endurecimento por indução e a nitretação gasosa. Todavia, quando submetidos a condições severas de trabalho, não evita a ocorrência de micropites. Neste sentido, as válvulas do estado da técnica apresentam durabilidade reduzida, em particular devido à ocorrência de micropites em consequência do aparecimento de trincas de fadiga.[0031] There are, in the prior art, some localized processes that seek to improve the wear resistance of the valve tip, such as induction hardening and gas nitriding. However, when subjected to severe working conditions, it does not prevent the occurrence of micropits. In this sense, prior art valves have reduced durability, in particular due to the occurrence of micropits as a result of fatigue cracks.

[0032] Diferentemente das válvulas descritas no estado da técnica, a válvula 1 da presente invenção compreende uma camada endurecida 10, ilustrada na figura 2, com uma máxima profundidade efetiva de cerca de 400 micrometros com elevada tensão de compressão.[0032] Unlike the valves described in the prior art, the valve 1 of the present invention comprises a hardened layer 10, shown in Figure 2, with a maximum effective depth of about 400 micrometers with high compression tension.

[0033] A válvula 1 da presente invenção é dotada de uma ponta 6 que compreende um corpo ou substrato 8 formado, preferencialmente, por um aço inoxidável martensítico, previamente endurecido e, opcionalmente, temperado, mantendo uma escala de dureza de, no mínimo, 50 HRC (dureza Rockwell de 50 na escala C).[0033] The valve 1 of the present invention is provided with a tip 6 comprising a body or substrate 8 preferably formed by a martensitic stainless steel, previously hardened and optionally tempered, maintaining a hardness scale of at least 50 HRC (Rockwell hardness of 50 on the C scale).

[0034] A ponta 6 da válvula 1 da presente invenção é submetida a um tratamento superficial de jateamento ultrassônico com esferas de material duro (USP) que introduz modificações microestruturais com base em uma operação controlada a frio de deformação mecânica. As modificações implementadas produzem melhorias perceptíveis em termos de desempenho tribológico e mecânico. Quando aplicado na superfície 6’ da ponta 6 da válvula 1, o tratamento de jateamento ultrassônico com granalhas proporciona elevada resistência à fadiga e ao desgaste, aumentando a durabilidade e vida útil da válvula 1.[0034] Tip 6 of valve 1 of the present invention is subjected to a surface treatment of ultrasonic blasting with hard material balls (USP) that introduces microstructural modifications based on a controlled cold operation of mechanical deformation. The implemented modifications produce noticeable improvements in terms of tribological and mechanical performance. When applied to the 6’ surface of valve 1 tip 6, the ultrasonic blasting treatment with grit provides high resistance to fatigue and wear, increasing the durability and service life of valve 1.

[0035] Em particular, a elevada resistência à fadiga é obtida devido às tensões altamente compressivas introduzidas na superfície 6’ da ponta 6. As tensões de compressão são fundamentais para dificultar o início e a propagação de trincas por fadiga, mitigando, portanto, a formação do micropite. As tensões compressivas ideais para a aplicação só são obtidas pela combinação de três fatores principais: a dimensão de massa das esferas duras, a amplitude de vibração e tempo de exposição.[0035] In particular, the high fatigue strength is obtained due to the highly compressive stresses introduced into the 6' surface of the tip 6. Compressive stresses are essential to hinder the initiation and propagation of fatigue cracks, thus mitigating the micropit formation. Optimal compressive stresses for the application are only obtained by a combination of three main factors: the mass dimension of the hard spheres, the vibration amplitude and the exposure time.

[0036] A válvula 1 da presente invenção pode ser obtida por qualquer fluxo de processo de fabricação já conhecido, sendo, posteriormente, implementada uma etapa final de realização de um tratamento superficial de jateamento ultrassônico com granalhas, o tratamento sendo realizado especialmente na superfície 6’ da ponta 6 da válvula 1, conforme já mencionado.[0036] The valve 1 of the present invention can be obtained by any known manufacturing process flow, with a final step of carrying out a surface treatment of ultrasonic blasting with shot being subsequently implemented, the treatment being carried out especially on the surface 6 ' from tip 6 of valve 1, as already mentioned.

[0037] Dependendo da rugosidade obtida na superfície 6’, pode ser necessário um polimento/acabamento suave para ajustar os resultados aos requisitos de superfície de válvulas. No entanto, cumpre notar que a morfologia de microesferas, resultante do tratamento de jateamento, pode ser útil para a retenção de lubrificante e melhoria das características funcionais da superfície de aplicação, auxiliando para impedir a formação do micropite.[0037] Depending on the roughness obtained on the 6’ surface, a smooth polishing/finishing may be necessary to adjust the results to the surface requirements of valves. However, it should be noted that the microsphere morphology, resulting from the blasting treatment, can be useful for lubricant retention and improvement of the functional characteristics of the application surface, helping to prevent micropit formation.

[0038] Em particular, os parâmetros utilizados para realização do tratamento de jateamento ultrassônico com granalhas na superfície 6’ da ponta 6 da válvula 1 da presente invenção estão descritos abaixo:

Figure img0001
[0038] In particular, the parameters used to carry out the ultrasonic blasting treatment with shots on the 6' surface of the tip 6 of the valve 1 of the present invention are described below:
Figure img0001

[0039] O tratamento superficial de jateamento realizado na superfície 6’ da ponta 6 da válvula 1 da presente invenção, seguindo os parâmetros acima descritos, gerou tensões residuais de compressão muito altas na superfície 6’, resultando na camada endurecida 10, as tensões de compressão podendo ser aumentadas quatro vezes mais com uma profundidade máxima efetiva de cerca de 400 micrometros.[0039] The blasting surface treatment performed on the surface 6' of the tip 6 of the valve 1 of the present invention, following the parameters described above, generated very high residual compression stresses on the 6' surface, resulting in the hardened layer 10, the stresses of compression can be increased four times more with a maximum effective depth of about 400 microns.

[0040] Além das tensões residuais de compressão geradas, a camada endurecida 10 obtida apresenta uma dureza de superfície superior a 20% em relação à dureza da superfície 6’ inicial, anterior à realização do tratamento.[0040] In addition to the residual compression stresses generated, the hardened layer 10 obtained has a surface hardness greater than 20% in relation to the initial 6’ surface hardness, prior to carrying out the treatment.

[0041] A figura 7 ilustra um gráfico comparativo do perfil de dureza da ponta 6 da válvula 1 da presente invenção em relação ao estado da técnica. Neste sentido, foram preparadas duas amostras, em que uma primeira amostra, doravante denominada Amostra A, foi submetida ao tratamento adicional de jateamento ultrassônico com granalhas, de acordo com a presente invenção, e uma segunda amostra, doravante denominada Amostra B, foi submetida apenas a um tratamento térmico localizado representando, portanto, um exemplo do estado da técnica.[0041] Figure 7 illustrates a comparative graph of the hardness profile of the tip 6 of the valve 1 of the present invention in relation to the state of the art. In this sense, two samples were prepared, in which a first sample, hereinafter called Sample A, was subjected to the additional treatment of ultrasonic shot blasting, in accordance with the present invention, and a second sample, hereinafter called Sample B, was subjected only to a localized heat treatment representing, therefore, an example of the state of the art.

[0042] Observa-se que na porção mais externa (distância da superfície igual a zero micrometro) da superfície 6’ da ponta 6 da válvula 1, a dureza obtida para a Amostra A (presente invenção) alcançou até os 1100 Vickers (HV0,05), enquanto que a Amostra B (estado da técnica) alcançou pouco mais de 900 Vickers. Ao se distanciar da porção mais externa da superfície 6’, a Amostra A manteve uma dureza entre 900 Vickers e 1000 Vickers em uma profundidade de 200 micrometros e a Amostra B manteve uma dureza de cerca de 800 Vickers, medida na mesma profundidade. Distanciando-se ainda mais, em uma profundidade de 400 micrometros, a Amostra A alcançou uma dureza mais próxima aos 900 Vickers, enquanto a Amostra B alcançou uma dureza mais próxima aos 800 Vickers.[0042] It is observed that in the outermost portion (distance from the surface equal to zero micrometer) of the 6' surface of the tip 6 of valve 1, the hardness obtained for Sample A (present invention) reached up to 1100 Vickers (HV0, 05), while Sample B (state of the art) reached just over 900 Vickers. By distancing itself from the outermost portion of the 6’ surface, Sample A maintained a hardness between 900 Vickers and 1000 Vickers at a depth of 200 microns and Sample B maintained a hardness of about 800 Vickers, measured at the same depth. Going further, to a depth of 400 microns, Sample A achieved a hardness closer to 900 Vickers, while Sample B achieved a hardness closer to 800 Vickers.

[0043] Por sua vez, a figura 8 ilustra um gráfico comparativo das tensões residuais obtidas na ponta 6 da válvula 1 da presente invenção em relação ao estado da técnica. Neste sentido, foram preparadas três amostras, em que: i) uma primeira amostra, doravante denominada Amostra A, foi submetida a um tratamento de endurecimento por indução e ao tratamento de jateamento ultrassônico com granalhas, de acordo com a presente invenção; ii) uma segunda amostra, doravante denominada Amostra B, foi submetida a tratamento de endurecimento por indução, representando, portanto, o estado da técnica; e iii) uma terceira amostra, doravante denominada Amostra C, foi submetida a um tratamento de endurecimento por indução e à realização do tratamento superficial de jateamento ultrassônico com granalhas com parâmetros diferentes dos descritos na presente invenção.[0043] In turn, Figure 8 illustrates a comparative graph of the residual stresses obtained at the tip 6 of the valve 1 of the present invention in relation to the state of the art. In this sense, three samples were prepared, in which: i) a first sample, hereinafter called Sample A, was subjected to an induction hardening treatment and to an ultrasonic blasting treatment with shot, according to the present invention; ii) a second sample, hereinafter called Sample B, was subjected to induction hardening treatment, thus representing the state of the art; and iii) a third sample, hereinafter called Sample C, was subjected to an induction hardening treatment and to a surface treatment of ultrasonic blasting with grit with parameters different from those described in the present invention.

[0044] No gráfico da figura 8 é possível observar que a Amostra A (presente invenção) alcança tensões de compressão superiores a 1600 MegaPascal (MPa) na profundidade entre 0 e 100 micrometros da superfície 6’, enquanto a Amostra B (estado da técnica) alcança tensões de compressão na ordem de 200 a 400 MegaPascal para a mesma profundidade. Adicionalmente, a Amostra C (ponta 6 endurecida, porém, com a realização do tratamento de jateamento com parâmetros diferentes da presente invenção) alcança tensões de compressão superiores a 1200 MegaPascal, medido na profundidade de 0 a 100 micrometros da superfície 6’.[0044] In the graph of figure 8 it is possible to observe that Sample A (present invention) achieves compression stresses greater than 1600 MegaPascal (MPa) at depth between 0 and 100 micrometers from the 6' surface, while Sample B (state of the art ) achieves compression stresses in the order of 200 to 400 MegaPascal for the same depth. Additionally, Sample C (hardened tip 6, however, with the performance of the blasting treatment with different parameters of the present invention) achieves compression stresses greater than 1200 MegaPascal, measured at a depth of 0 to 100 micrometers from the 6’ surface.

[0045] Portanto, a camada endurecida 10 obtida na superfície 6’ da ponta 6 da válvula 1 da presente invenção, Amostra A, apresenta uma dureza de 1000 Vickers a 1100 Vickers e tensão residual de compressão de 1400 MPa a 1600 MPa, medidos em uma profundidade de até 100 micrometros a partir da porção mais externa da superfície 6’, resultando em uma superfície 6’ altamente resistente à fadiga e, por consequência, extremamente resistente ao micropite.[0045] Therefore, the hardened layer 10 obtained on the 6' surface of the tip 6 of the valve 1 of the present invention, Sample A, has a hardness of 1000 Vickers to 1100 Vickers and residual compression stress of 1400 MPa to 1600 MPa, measured in a depth of up to 100 microns from the outermost portion of the 6' surface, resulting in a 6' surface highly resistant to fatigue and therefore extremely resistant to micropitting.

[0046] Tais resultados podem ser comprovados no gráfico representado na figura 9 que ilustra a máxima carga suportada pela ponta 6 da válvula 1 quando submetida à compressão cíclica. Neste gráfico, observa-se que a Amostra A (presente invenção) é capaz de suportar uma carga aplicada de até 20 kN (quilo Newtons), enquanto as amostras do estado da técnica, Amostra B (estado da técnica) e Amostra C (superfície 6’ com endurecimento e realização do tratamento de jateamento com parâmetros diferentes da presente invenção), são capazes de suportar, respectivamente, uma carga de 15 kN e 10 kN, significativamente inferior à carga suportada pela ponta 6 da válvula 1 da presente invenção. Neste sentido, a Amostra A (presente invenção) apresenta incremento notável na resistência à fadiga sob tensões de compressão, fator-chave em relação à resistência ao micropite. A comparação entre a Amostra A e a Amostra C deixa evidente a importância dos parâmetros do tratamento de jateamento ultrassônico, já que os resultados excelentes só foram obtidos na Amostra A, que foi produzida de acordo com a faixa de parâmetros descrita na invenção.[0046] Such results can be seen in the graph represented in Figure 9 which illustrates the maximum load supported by the tip 6 of valve 1 when subjected to cyclic compression. In this graph, it is observed that Sample A (present invention) is capable of supporting an applied load of up to 20 kN (kilo Newtons), while samples of the prior art, Sample B (state of the art) and Sample C (surface 6' with hardening and performance of the blasting treatment with different parameters of the present invention), are capable of supporting, respectively, a load of 15 kN and 10 kN, significantly lower than the load supported by the tip 6 of the valve 1 of the present invention. In this sense, Sample A (present invention) presents a notable increase in fatigue resistance under compressive stresses, a key factor in relation to micropitting resistance. The comparison between Sample A and Sample C makes evident the importance of the parameters of the ultrasonic blasting treatment, since the excellent results were only obtained in Sample A, which was produced according to the range of parameters described in the invention.

[0047] Adicionalmente, a figura 10 apresenta uma montagem de teste de bancada para medição de resistência à fadiga, em que uma esfera, cujo material de fabricação é um carbeto de tungsténio (WC), é pressionada contra a superfície 6’ da ponta 6 da válvula 1, aplicando uma carga cíclica em forma de onda senoidal. Após 5 milhões de ciclos, inspecionou-se a peça submetida ao teste para verificar a incidência de trinca por fadiga. As cargas máximas que cada amostra conseguiu alcançar, sem iniciar qualquer trinca, foram plotadas em um gráfico, ilustrado na figura 9, comprovando a excelente resistência à fadiga obtida para a ponta 6 da válvula 1 da presente invenção.[0047] Additionally, Figure 10 shows a bench test assembly for measuring fatigue resistance, in which a ball, whose manufacturing material is a tungsten carbide (WC), is pressed against the 6' surface of tip 6 of valve 1, applying a cyclic load in the form of a sine wave. After 5 million cycles, the part submitted to the test was inspected to verify the incidence of fatigue cracking. The maximum loads that each sample was able to reach, without starting any crack, were plotted in a graph, illustrated in Figure 9, proving the excellent fatigue resistance obtained for tip 6 of valve 1 of the present invention.

[0048] 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.[0048] Having described an example of preferred embodiment, it should be understood that the scope of the present invention encompasses other possible variations, being limited only by the content of the appended claims, including possible equivalents.

Claims (10)

Válvula para motores de combustão interna dotada de um corpo ou substrato (8) ferroso compreendendo cromo, caracterizada pelo fato de que pelo menos uma região da válvula (1) compreende uma camada endurecida (10) compreendendo uma dureza de 800 Vickers a 1100 Vickers e uma tensão residual de compressão de 1000 MPa a 1600 MPa a pelo menos 100 micrometros de profundidade da espessura da camada endurecida (10).Valve for internal combustion engines provided with a ferrous body or substrate (8) comprising chromium, characterized in that at least one region of the valve (1) comprises a hardened layer (10) comprising a hardness from 800 Vickers to 1100 Vickers and a residual compressive stress of 1000 MPa to 1600 MPa at least 100 microns deep of the hardened layer thickness (10). Válvula de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a camada endurecida (10) compreende espessura de até 500 micrometros.Valve according to claim 1, characterized in that the hardened layer (10) comprises a thickness of up to 500 micrometers. Válvula de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a camada endurecida (10) compreende dureza superficial de, pelo menos, 1100 Vickers.Valve according to claim 1, characterized in that the hardened layer (10) comprises surface hardness of at least 1100 Vickers. Válvula de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a camada endurecida (10) compreende dureza de pelo menos 900 Vickers a pelo menos 400 micrometros de profundidade da espessura da camada endurecida (10).Valve according to claim 1, characterized in that the hardened layer (10) comprises a hardness of at least 900 Vickers at at least 400 micrometers in depth of the thickness of the hardened layer (10). Válvula de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a camada endurecida (10) é provida em todas as superfícies da válvula (1).Valve according to claim 1, characterized in that the hardened layer (10) is provided on all surfaces of the valve (1). Válvula de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a camada endurecida (10) é provida em uma região que corresponde à superfície (6’) de uma ponta (6) da válvula (1).Valve according to claim 1, characterized in that the hardened layer (10) is provided in a region corresponding to the surface (6') of a tip (6) of the valve (1). Válvula de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o substrato (8) é formado por um aço inoxidável martensítico.Valve according to claim 1, characterized in that the substrate (8) is formed by a martensitic stainless steel. Processo para obtenção de uma válvula para motores de combustão interna, tal como definida na reivindicação 1, a válvula (1) sendo dotada de um corpo ou substrato (8) ferroso compreendendo cromo, o processo compreendendo as etapas de:
  • etapa i) forjamento e tratamentos térmicos convencionais;
  • etapa ii) usinagem da geometria da válvula (1);
  • etapa iii) tratamento superficial de pelo menos uma região da válvula (1) para obtenção de uma camada endurecida (10); e
  • etapa iv) polimento e/ou acabamento por usinagem;
o processo sendo caracterizado pelo fato de que a etapa iii) de tratamento superficial é realizada por meio jateamento ultrassônico com granalhas.Process for obtaining a valve for internal combustion engines, as defined in claim 1, the valve (1) being provided with a ferrous body or substrate (8) comprising chromium, the process comprising the steps of:
  • step i) forging and conventional heat treatments;
  • step ii) machining the geometry of the valve (1);
  • step iii) surface treatment of at least one region of the valve (1) to obtain a hardened layer (10); and
  • step iv) polishing and/or finishing by machining;
the process being characterized by the fact that step iii) of surface treatment is carried out by means of ultrasonic shot blasting. Processo de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a etapa iii) de jateamento ultrassônico utiliza uma amplitude de vibração entre 70 μm p/p e 130 pm p/p, com granalhas de cerâmica ou de metal duro com diâmetro entre 0,2 e 3,3 milímetros e massa ajustada entre 2 gramas/parte e 6 gramas/parte, com tempo de exposição entre 5 segundos e 250 segundos e taxa de cobertura maior do que 100%.Process according to claim 8, characterized in that step iii) of ultrasonic blasting uses a vibration amplitude between 70 µm p/p and 130 pm p/p, with ceramic or carbide shots with a diameter between 0. 2 and 3.3 millimeters and adjusted mass between 2 grams/part and 6 grams/part, with exposure time between 5 seconds and 250 seconds and coverage rate greater than 100%. Motor de combustão interna caracterizado pelo fato de que compreende pelo menos uma válvula (1), tal como definida na reivindicação 1.Internal combustion engine characterized in that it comprises at least one valve (1), as defined in claim 1.
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