BR112013006447B1

BR112013006447B1 - anel de pistão e respectivo método de produção

Info

Publication number: BR112013006447B1
Application number: BR112013006447-1A
Authority: BR
Inventors: Richard Mittler; Laszlo Pelsoeczy
Original assignee: Federal-Mogul Burscheid Gmbh
Priority date: 2010-10-13
Filing date: 2011-07-19
Publication date: 2018-12-04
Also published as: WO2012048919A1; RU2563912C2; US20130193648A1; BR112013006447A2; DE102010042402A1; PT2627466T; JP2013540969A; CN103153500A; JP5889906B2; EP2627466B1; CN103153500B; KR20130140720A; RU2013119154A; US9174276B2; KR101852960B1; EP2627466A1

Abstract

anel de segmento e respectivo método de produção. um anel de segmento que exibe partículas capazes de resistência ao desgaste sobre seu ombro é produzido por meio da produção de uma fusão dos materiais de base de um material de metal, adição de particulas cerâmicas à fusão, despejo da fusão em um molde pré-fabricado e resfriamento da fusão. durante o resfriamento, o molde é alinhado de forma que as partículas cerâmicas se acumulam sobre pelo menos um dos ombros de anel de segmmento.

Description

(54) Título: ANEL DE PISTÃO E RESPECTIVO MÉTODO DE PRODUÇÃO (73) Titular: FEDERAL-MOGUL BURSCHEID GMBH. Endereço: Bürgermeister-Schimidt-Str. 17, 51399 Burscheid, ALEMANHA(DE) (72) Inventor: RICHARD MITTLER; LASZLO PELSOECZY.

Prazo de Validade: 20 (vinte) anos contados a partir de 19/07/2011, observadas as condições legais

Expedida em: 04/12/2018

Assinado digitalmente por:

Liane Elizabeth Caldeira Lage

Diretora de Patentes, Programas de Computador e Topografias de Circuitos Integrados

1/8 “ANEL DE PISTÃO

E RESPECTIVO MÉTODO DE PRODUÇÃO”

RELATÓRIO DESCRITIVO

1. A presente invenção refere-se a um método de produção de um anel de pistão em que partículas para a prevenção do desgaste do ombro de êmbolo são engastadas. A presente invenção refere-se ainda a um anel de pistão que foi produzido usando o método de acordo com a invenção.

Estado da Técnica

2. Anéis de pistão em um motor de combustão interna vedam o interstício que existe entre o cabeçote de êmbolo e a parede de cilindro em relação à câmara de combustão. Durante o movimento ascendente e descendente do êmbolo, o anel de pistão, por um lado, desliza com sua superfície periférica externa em contato resiliente constante com a parede de cilindro, por outro lado, o anel de pistão desliza devido aos movimentos de inclinação do êmbolo, de uma maneira oscilante, em sua ranhura de anel de pistão, em que seus ombros alternadamente se encostam ao ombro de fenda superior ou inferior da ranhura de anel de pistão. Dependendo do material usado, um maior ou menor grau de desgaste ocorre nos participantes do deslizamento correndo um contra o outro em cada caso, o dito desgaste conduzindo a fissuras, perfuração e finalmente à destruição do motor no caso de funcionamento a seco. A fim de melhorar o desempenho do deslizamento e o desgaste dos anéis de pistão em relação à parede de cilindro, os ditos anéis foram providos com revestimentos de diferentes materiais sobre a sua superfície periférica.

3. Durante o funcionamento dinâmico do motor, os anéis de pistão

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2/8 são expostos a movimento axial na ranhura de êmbolo por conta de forças de gás, de fricção e de inércia. Eles são sujeitos a contínuo desgaste por deslizamento devido a seu contado constante com o furo do cilindro. Isto é manifestado tanto como desgaste abrasivo da superfície de anel de pistão ou seu revestimento e também como a transferência parcial de material desde a superfície de deslizamento de cilindro para a superfície de deslizamento de êmbolo e vice-versa. Isto causa desgaste abrasivo sobre os ombros do anel de êmbolo, que afeta severamente o desempenho funcional do anel de êmbolo. Este desgaste no ombro tem um efeito direto sobre o desempenho de emissão do motor.

4. Materiais de ferro fundido ou ligas de ferro fundido são principalmente usados para produzir anéis de pistão. Anéis de pistão, particularmente anéis de compressão, são sujeitos a uma crescente carga nos motores de alto desempenho, incluindo pressão de pico de compressão, temperatura de combustão, EGR e redução da película de lubrificação, que têm um efeito crucial sobre as propriedades funcionais de ditos motores, tais como desgaste, resistência à formação de marcas de queima, microsoldagem e resistência à corrosão. Os materiais de ferro fundido do estado da técnica exibem um alto risco de fratura, todavia, o que significa que, quando são usados os materiais anteriores, ocorrem fraturas do anel frequentemente. Elevadas cargas mecânicodinâmicas levam a menores vidas úteis de serviço dos anéis de pistão. Ocorre também severo desgaste e corrosão sobre a superfície de deslizamento e o ombro. Devido às maiores tensões mecânicas e dinâmicas sobre os anéis de pistão, cada vez mais os fabricantes de motores são optando por anéis de pistão e revestimentos de cilindro feitos de aço de alto grau. Neste caso, materiais ferrosos com um teor de carbono abaixo de 2,08 % em peso são referidos como aço. Se o teor de carbono é mais alto, eles são referidos como ferro fundido. Os materiais

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3/8 de aço têm melhores propriedades de resistência e tenacidade em comparação com ferro fundido, pois não existe nenhuma interferência devida ao grafite livre na estrutura básica.

5. Os materiais de anéis de pistão atuais, à base de ferro fundido ou aço, constituem um material homogêneo, que em si é insuficientemente resistente ao desgaste no ombro. A fim de reduzir o desgaste no ombro nos anéis de pistão em motores, camadas de proteção contra desgaste são aplicadas aos ombros de anel de pistão. Os anéis de pistão com revestimentos de cromo duro, reforçados com partículas, exibem significantemente melhor resistência à abrasão, por exemplo, em comparação com anéis não revestidos ou nitratados, mas também em comparação com os anéis de pistão com as convencionais camadas de cromo duro e injetadas por plasma sobre uma base de molibdênio. Todavia, esses revestimentos têm também chegado próximo aos limites de sua capacidade de desempenho, devido aos crescentes parâmetros de pressão e temperatura nos modernos motores de combustão. Tem havido, por conseguinte, uma necessidade de novos revestimentos com desgaste ainda menor e resistência à adesão maior do que este foi previamente o caso. A fim de satisfazer esta exigência, pós compostos foram aplicados nas superfícies de anel de pistão por meio de pulverização térmica, os ditos pós contendo uma fase cerâmica em uma matriz de metal. Desta maneira, é possível combinar as boas propriedades tribológicas de cerâmicas com as boas propriedades mecânicas de metais. Uma fusão tenaz, dúctil, das partículas cerâmicas duras, em alguns casos frágeis, na matriz metálica é garantida. As partículas cerâmicas podem, então, assumir funções tribológicas com exposição apropriada sobre a superfície do anel de êmbolo, enquanto uma matriz de metal absorve as cargas mecânicas e reduz tensões, onde necessário, via deformações.

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4/&

6. A produção de anéis de pistão revestidos desta maneira é, todavia, dispendiosa, pois um estágio de revestimento deve ser acrescentado à produção do anel de êmbolo. O problema abordado pela presente invenção é, por conseguinte, aquele da criação de um método de produção de anéis de pistão, os quais são providos de partículas cerâmicas sobre seus ombros, sem que uma etapa de revestimento seja requerida para introduzir essas partículas cerâmicas.

Descrição da Invenção

7. Este problema é solucionado de acordo com a invenção por um método de produção de um anel de pistão que compreende as seguintes etapas:

8. Produção de uma fusão dos materiais de base de um material de metal,

9. Adição de partículas cerâmicas à fusão, em que as partículas cerâmicas exibem uma densidade menor do que 4,0 g/cm³,

10. Despejo da fusão em um molde pré-fabricado, em que o molde somente permite a moldagem de um anel, e

11. Resfriamento da fusão, em que um período maior ou igual a 120 segundos decorre antes de a temperatura liquidus ser atingida e em que o molde é alinhado horizontalmente, de forma que as partículas cerâmicas se acumulam sobre pelo menos um dos ombros de anel de pistão durante o resfriamento.

12. As partículas cerâmicas podem, por exemplo, ser introduzidas na fusão de metal por agitação.

13. A fim de obter a acumulação de partículas cerâmicas sobre os ombros desejados, é feito uso do fato de que as partículas cerâmicas e a fusão de metal exibem uma densidade diferente. É importante aqui que

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5/8 a densidade das partículas cerâmicas seja inferior àquela da fusão de metal. Isto significa que a densidade das partículas cerâmicas deve ser menor do que 4,0 g/cm³. O que é preferível é uma densidade de partículas cerâmicas dentro de uma faixa de 1,0 a menos de 4,0 g/cm³, com maior preferência uma densidade de partículas cerâmicas dentro de uma faixa de 1,8 a menos de 3,0 g/cm³, com maior preferência uma densidade de partículas cerâmicas dentro de uma faixa de 2,1 a menos de 2,8 g/cm³. Uma densidade de partículas cerâmicas dentro de uma faixa de 2,1 a menos de 2,6 g/cm³ é idealmente apropriada. A densidade das partículas cerâmicas pode ser influenciada ou ajustada via um processo de produção de uma maneira conhecida para a pessoa especializada na arte.

14. Além disso, o molde deve permitir que somente um anel seja moldado. Como resultado do método de moldagem individual, o material se solidifica do exterior para o interior durante o resfriamento dos anéis.

15. A fim de assegurar que as partículas cerâmicas se acumulem sobre os ombros desejados, o molde deve ser disposto horizontalmente, a fim de facilitar a separação por meio de força gravitacional. Uma separação parcial do material de moldagem de metal a partir das partículas cerâmicas pode ser alternativamente acelerada através do uso de uma centrífuga, em que uma perpendicular ao plano, que é definido pelo molde de moldagem, está situada no plano da centrífuga. Em outras palavras, o molde é paralelo ao eixo de rotação da centrífuga, de forma que as partículas cerâmicas se acumulam na direção do eixo de rotação. Verificou-se que uma distribuição vantajosa de partículas cerâmicas no material de moldagem de metal pode ser obtida, sobretudo, através de separação por meio de força gravitacional.

16. A fim de assegurar uma adequada acumulação de partículas

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6/8 cerâmicas por meio de força gravitacional, um período maior ou igual a 120 segundos deve decorrer antes que seja atingida a temperatura liquidus. O período antes que seja atingida a temperatura liquidus é preferivelmente maior ou igual a 180 segundos, com maior preferência entre 180 e 300 segundos. De maior preferência é um período entre 180 e 210 segundos.

17. A fim de manter a desejada velocidade de resfriamento, calor pode ser alimentado e dentro para fora, por exemplo. Isto pode, por conseguinte, envolver um molde aquecível. Aiternativamente, aditivos exotérmicos podem ser acrescentados à fusão. Outra possibilidade envolve a seleção e uma particular relação entre volume e superfície da peça em bruto de anel de pistão de V/O igual ou maior do que 0,5 cm.

18. As partículas cerâmicas são preferivelmente selecionadas do grupo compreendendo partículas de AI2O3, Cr2O3, Fe3O4, T1O2, ZrO2 e misturas dos mesmos.

19. Para, por um lado, tornar mais fácil que as partículas cerâmicas se acu-mulem sobre o desejado ombro de anel de pistão e, por outro lado, para garantir boas propriedades tribológicas para o anel de êmbolo, o diâmetro médio das partículas cerâmicas é escolhido na dependência da seção transversal do anel de êmbolo. As partículas cerâmicas podem exibir um diâmetro médio dentro da faixa de 0,1 a 100 pm. As partículas cerâmicas preferivelmente exibem um diâmetro médio dentro da faixa de 0,5 a 80 pm, com maior preferência é um diâmetro médio dentro da faixa de 0,5 a 40 pm, com maior preferência é um diâmetro médio dentro da faixa de 1,0 a 25 pm, com maior preferência é um diâmetro médio dentro da faixa de 5,0 a 25 pm. No máximo preferivelmente é um diâmetro médio dentro da faixa de 5,0 a 15 pm.

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20. O metal da moldagem é preferivelmente ferro fundido ou um material de aço fundido, tal como aço V4. Materiais apropriados para anéis de pistão e também para a produção dos mesmos, exemplos sendo prensas de aço, são conhecidos para a pessoa especializada na arte.

21. Se o metal de moldagem for ferro fundido, este preferivelmente conterá os seguintes elementos na proporção indicada em relação a 100 % em peso da composição de ferro fundido: C, 2,0 - 3,8 % em peso; Si e/ou Al, 1,0 - 4,0 % em peso; Mn, 0,05 - 1,5 % em peso; P, 0 - 0,7 % em peso; S, 0 - 0,1 % em peso; Cr, 0,05 - 1,5 % em peso; Cu, 0,05 - 2,5 % em peso; Sn, 0 - 2,5 % em peso; N, 0 - 0,08 % em peso, o restante Fe.

22. Se o metal da moldagem for um material de aço, este preferivelmente conterá os seguintes elementos na proporção indicada em relação a 100 % em peso da composição de material de aço: C, 2,00 - 4,00 % em peso; Si, até 0,10 % em peso; P, até 0,10 % em peso; S, até 0,20 % em peso; Mn, até 1.30 % em peso; Cu, até 0,50 % em peso; Cr,

1.7 to 5,00 % em peso; Ni e lantanídeos, 0,10 - 2,00 % em peso; Mo, 0,1 % to 2,0 % em peso; Co, até 0,20 % em peso e pelo menos um elemento selecionadas do grupo compreendendo Ti, V e Nb totalizando até 1,5 % em peso, o restante Fe.

23. Onde apropriado, o anel de pistão pode ser temperado como se segue. Isto é realizado por meio das seguintes etapas:

24. Austenitização do anel de pistão acima de sua temperatura de Ac3,

25. Têmpera do anel de pistão em um meio de Têmpera apropriado, e

26. O revenimento do anel de pistão a uma temperatura dentro da

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8/8 faixa de 400 a 700 °C em um forno de atmosfera controlada.

27. É preferivelmente usado óleo como meio de têmpera.

28. Além disso, um revestimento resistente à abrasão, feito de um material conhecido para a pessoa especializada na técnica pode estar presente na superfície de deslizamento do anel e/ou o ombro de anel do anel de êmbolo. Uma camada deste tipo pode ser aplicada através de uma série de processos conhecidos no estado da arte. A camada pode, por conseguinte, ser aplicada por um processo de revestimento térmico, tal como pulverização por plasma, pulverização por arco de arame, pulverização por gás frio, pulverização por chama de arame e revestimento por HVOF, por exemplo. Alternativamente, a camada pode ser depositada por meio de galvanização, PVD, CVD, pintura e nitratação. Igualmente, podem também ser usadas combinações dos processos.

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Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Método de Produção de Anel de Pistão, caracterizado pelo fato de que compreende as seguintes etapas:

a. Produção de uma fusão dos materiais de base de um ferro fundido ou material de aço fundido,

b. Adição de partículas cerâmicas à fusão, em que as partículas cerâmicas exibem uma menor densidade que a fusão;

c. Despejo da fusão em um molde pré-fabricado, em que o molde somente permite a moldagem de um anel e

d. Resfriamento da fusão, em que uma velocidade de resfriamento é mantida, de forma que decorre um período maior do que 120 segundos antes que a temperatura liquidus seja atingida e em que o molde é alinhado horizontalmente, a fim de facilitar a separação por meio de força gravitacional, de forma que as partículas cerâmicas se acumulam sobre pelo menos um dos ombros de anel de pistão durante o resfriamento.
2 - Método de Produção de Anel de Pistão, de acordo com a Reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as partículas cerâmicas exibem uma densidade menor do que 4,0 g/cm³.
3 - Método de Produção de Anel de Pistão, de acordo com qualquer uma das Reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que as partículas cerâmicas são selecionadas do grupo que compreende partículas de AI2O3, Cr2C>3, Fe3O₄, T1O2, ZrC>2 e misturas dos mesmos.
4 - Método de Produção de Anel de Pistão, de acordo com qualquer uma das Reivindicações de 1 a 3, caracterizado pelo fato de que as partículas cerâmicas exibem um diâmetro médio de 0,1 a 100 pm.

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5 - Método de Produção de Anel de Pistão, de acordo com qualquer uma das Reivindicações de 1 a 4, caracterizado pelo fato de que compreende ainda as seguintes etapas:

e. Austenitização do anel de pistão acima de sua temperatura de Ac3,

f. Têmpera do anel de pistão em um meio de Têmpera apropriado, e

g. Revenimento do anel de pistão a uma temperatura dentro da faixa de 400 a 700°C em um forno de atmosfera controlada.
6 - Anel de Pistão, caracterizado pelo fato de que pode ser produzido usando um método de acordo com qualquer uma das Reivindicações de 1 a 5.

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