BRPI0615327A2 - processo para produção de um anel de pistão para motores de combustão interna bem como um anel de pistão desse tipo - Google Patents

Abstract

PROCESSO PARA PRODUçãO DE UM ANEL DE PISTãO PARA MOTORES DE COMBUSTãO INTERNA BEM COMO UM ANEL DE PISTãO DESSE TIPO.A presente invenção refere-se a um processo para produção de um anel de pistão (10) para motores de combustão interna, com as seguintes etapas de processo: - usinagem de uma tira de metal (20), de modo que é obtida ao menos uma área (15,16) chanfrada, que representa ao menos uma parte de um flanco de anel do anel de pistão (10) a ser produzido; - formação de um anel de pistão (10) da tira de metal (20) assim usinada, cuja superfície forma uma área periférica (11, 12) interior e uma exterior bem como um flanco de anel superior e um inferior; - têmpera da superfície do anel de pistão (10). A presente invenção refere-se, ainda, a um êmbolo de pistão (10) para motores de combustão interna, cuja superfície forma uma área periférica (11, 12) interior e uma exterior bem como um flanco de anel superior e um inferior, caracterizado pelo fato de que a superfície é provida de uma camada (21) de espessura uniforme, temperada.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "PROCESSOPARA PRODUÇÃO DE UM ANEL DE PISTÃO PARA MOTORESDE COMBUSTÃO INTERNA BEM COMO UM ANEL DE PISTÃO DESSETIPO".

A presente invenção refere-se a um processo para fabricação deum anel de pistão para motores de combustão interna bem como a um anelde pistão desse tipo.

Anéis de pistão com seção transversal trapezoidal, em que aaltura de anel na área periférica exterior é maior do que na área periféricainterior, são também chamados de anéis trapezoidais. Um anel de pistão,em que um flanco de anel é executado paralelo à área periférica interior eexterior, enquanto que o outro flanco de anel se estende em um ângulo paracom a mesma, é chamado de anel trapezoidal (simples). Um anel de pistão,em que ambos os flancos de anel se estendem em um ângulo para com asáreas periféricas, é chamado de anel trapezoidal duplo. Esses anéis de pis-tão são empregados de preferência em motores diesel como anel de pistãomais superior (anel de topo), sendo que a correspondente ranhura de anelde pistão é executada igualmente trapezoidal. Pois motores diesel tendem àdeposição de resíduos duros contendo carbono na ranhura de anel de pistãomais superior, que podem levar a um endurecimento dos anéis de pistão e,com isso, a falhas de funcionamento. Devido à configuração trapezoidal doanel de pistão mais superior e de sua ranhura de anel de pistão, é via deregra impedido o endurecimento e assim garantida a função de vedação doanel de pistão.

Quando da produção de anéis retangulares para pistões de mo-tores de combustão interna é conhecido aplicar em toda a superfície dosanéis de pistão por meio de um processo de nitração uma camada nitrada,para temperar a superfície e assim proporcionar melhor resistência ao des-gaste. A resistência ao desgaste da área de rolamento dos anéis de pistãopode ser ainda aumentada pela aplicação de revestimentos adicionais. Dapublicação alemã DE 35 06 746 C2 é conhecido, por exemplo, um anel depistão com seção transversal retangular, cujo corpo de anel é provido portoda a sua superfície de uma camada de nitração, que se compõe de umacamada de difusão e de uma camada de união superposta àquela. Na áreade rolamento posterior a camada de união está removida e aplicado um re-vestimento tribológico.

A publicação européia EP 0 605 223 A1 descreve um anel depistão, cuja superfície é temperada por nitração a gás. Sobre a área de ro-lamento posterior, acima da camada de nitração a gás está ainda aplicadauma camada de nitreto de metal como camada tribológica. Também a publi-cação alemã DE 102 07 148 A1 descreve um anel de pistão com uma ca-mada de nitração composta de uma camada de difusão e uma camada deunião, sendo que sobre a área de rolamento posterior depois da remoção dacamada de difusão está prevista uma camada de separação de cerâmicadura.

Quando da produção de anéis trapezoidais e anéis trapezoidaisduplos de aço se parte convencionalmente de uma tira de aço com seçãotransversal retangular, da qual é moldado um anel com seção transversalretangular. Este é usinado mecanicamente e submetido a um processo detêmpera, especialmente um processo de nitração. Depois da remoção dacamada de união resultante quando do processo de nitração ao lado da ca-mada de difusão e de um outro beneficiamento fino mecânico, via de regra,sobre a área periférica exterior é aplicada uma camada tribológica. Na últimaetapa os flancos de anel são esmerilhados em ângulo e assim produzidauma seção transversal trapezoidal do anel. A camada temperada, por exem-plo, a camada de nitração, em função do ângulo de trapézio, é parcial outotalmente removida dos flancos do anel.

Os anéis trapezoidais ou anéis trapezoidais duplos assim produ-zidos apresentam, contudo, maiores danos de desgaste por atrito (assimchamado "fretting") nos flancos de anel quando da operação do motor. Podeser verificada então uma coqueificação adicional. Isso pode ser observadoespecialmente a elevadas pressões de ignição de (200 bar até 220 bar). Es-ses danos aumentam com a vida útil dos anéis de pistão e conduzem, final-mente, a sua falha. Verificou-se, ainda, que esses danos são dependentesdo local, isto é, podem ocorrer com intensidade distinta ao longo da periferiados flancos do anel. Especialmente, naqueles locais, em que a camada denitração fora removida, ocorrem freqüentemente esses danos.

A presente invenção tem por objetivo disponibilizar um processopara produção de um anel de pistão bem como um anel de pistão desse tipo,com que seja amplamente impedido o surgimento de danos aos flancos doanel em anéis trapezoidais ou anéis trapezoidais duplos na operação do mo-tor.

O objetivo é alcançado em um processo com as característicasda reivindicação 1. De acordo com a invenção estão previstas as seguintesetapas de processo:

- usinagem de uma tira de metal, de modo que é obtida ao me-nos uma área chanfrada, que representa ao menos uma parte de um flancode anel do anel de pistão a ser produzido,

- formação de um anel de pistão da tira de metal assim usinada,cuja superfície forma uma área periférica interior e uma exterior bem comoum flanco de anel superior e um inferior,

- tempera da superfície do anel de pistão.

O anel de pistão de acordo com a invenção, cuja superfície for-ma uma área periférica interior e uma exterior bem como um flanco de anelsuperior e um inferior, se destaca pelo fato de que a superfície é provida deuma camada temperada, de espessura uniforme.

Pelo processo de acordo com a invenção são providos anéistrapezoidais ou anéis trapezoidais duplos com flancos de anel resistentes aodesgaste, que apresentam na operação do motor danos de desgaste poratrito (assim chamado "Fretting") essencialmente reduzidos em comparaçãocom o estado atual da técnica. Pela produção de uma seção transversal tra-pezoidal da tira de metal antes da produção do anel de pistão, especialmen-te antes do processo de têmpera, é possível produzir uma camada tempera-da uniforme com profundidade uniforme nos flancos de anel do anel trape-zoidal ou do anel trapezoidal duplo. Com isso são obtidos valores de têmpe-ra uniformemente elevados, de modo que ao longo da periferia dos flancosdo anel essencialmente não mais ocorrem danos de desgaste por atrito pre-judicando a função do anel de pistão. São igualmente impedidas microssol-dagens entre anel de pistão e pistão.

Outras configurações vantajosas resultam das sub-reivindica-ções. Como material de base para o anel de pistão de acordo com a inven-ção é empregada, por exemplo, uma tira de aço com seção transversal re-tangular. Essa tira de aço consiste, de preferência, em aço martensítico comum teor de 12 a 17% em peso de cromo. Quando é selecionado um proces-so de nitração para a têmpera das superfícies, resulta uma zona nitrada emque estão depositados os nitretos de cromo adicionalmente temperados.

Em correspondência à invenção, a tira de metal é levada, porexemplo, mediante usinagem com ou sem aparas, a uma seção transversaltrapezoidal, de preferência por esmerilhagem, por exemplo, do flanco de la-do largo superior e/ou inferior de uma tira de metal com seção transversalretangular para áreas chanfradas. A área ou as áreas assim usinadas devemformar posteriormente o flanco de anel ou flancos de anel do anel de pistãoa ser produzido. É então vantajoso que além da áreas ou áreas chanfradassejam mantidas ainda regiões se estendendo paralelamente entre si. A lar-gura das regiões se estendendo paralelamente entre si importa, de preferên-cia, no máximo em um quarto da largura total da tira de aço. As regiões seestendendo paralelamente quando da usinagem posterior do anel de pistãoservem como áreas de empilhamento para o empacotamento dos anéis tra-pezoidais ou anéis trapezoidais duplos.

Para o processo de acordo com a invenção pode ser empregadae usinada tanto uma tira de metal sem-fim como também uma peça talhada,para se obter a área ao menos uma área chanfrada. Quando do emprego deuma tira de metal sem-fim, a usinagem pode ser feita em um processo con-tínuo. Em outras etapas de trabalho em si conhecidos, a tira de metal agoratrapezoidal em seção transversal é moldada para um anel de pistão, eventu-almente seccionada para o comprimento requerido, caso seja empregadauma tira de metal sem-fim, e depois submetida à outra usinagem, especial-mente a uma usinagem mecânica, por exemplo, das superfícies e/ou a umtratamento térmico.

Para têmpera da superfície do anel de pistão, de preferência sãoempregados processos de nitração ou de nitração ao cromo em si conheci-dos. Em seguida, sobre os flancos de anel inferiores do anel de pistão podeser adicionalmente aplicada uma camada protetora contra desgaste, de pre-ferência uma camada de cromo ou uma camada de nitreto de cromo, pois aexperiência mostra que os flancos de anel inferiores são especialmente efortemente solicitados.

Além disso, na área periférica exterior ou área de rolamentodo anel de pistão pode ser aplicada uma camada protetora contra desgasteadicional ou camada tribológica, de preferência uma camada de nitreto decromo ou uma camada de fosfato de manganês, para aumentar a vida útildos anéis trapezoidais ou anéis trapezoidais duplos. Para aplicação da ca-mada protetora contra desgaste ou anéis tribológicos são os anéis trapezoi-dais ou anéis trapezoidais duplos empilhados para um pacote de preferênciasob protensão axial. Evita-se assim que também os flancos de anel com ca-mada protetora contra desgaste sejam revestidos, quando isso não é dese-jado.

Um exemplo de execução da invenção será detalhadamenteexplicado a seguir com auxílio dos desenhos em apenso. Mostram:

Figura 1 - uma representação esquemática do processo de pro-dução para um anel trapezoidal duplo segundo o estado atual da técnica;

Figura 2 - uma representação esquemática de um anel trapezoi-dal duplo produzido pelo processo de acordo com a invenção;

Figura 3 - uma representação esquemática do processo de pro-dução de acordo com a invenção para um anel trapezoidal duplo;

Figura 4 - uma representação dos danos de desgaste por atritoem função do local nos flancos de anel de um anel trapezoidal duplo segun-do o estado atual da técnica, e segundo a invenção, de outro lado.

A Figura 1 mostra novamente a produção de um anel de pistãode um anel trapezoidal segundo o estado atual da técnica. As execuçõesa seguir se aplicam, correspondentemente, naturalmente também a anéistrapezoidais. De uma tira de aço 20 é moldado, de maneira em si conhecida,um anel de pistão 30. Depois de uma primeira usinagem mecânica, que in-clui uma esmerilhagem paralela dos flancos de anel, ocorre a têmpera dasuperfície, tipicamente uma nitração. Forma-se então ao longo da superfíciedo anel de pistão 30 uma camada 21 temperada, nesse caso uma camadade nitração de uma camada difusa e uma camada de união. Depois de umaoutra usinagem mecânica, que especialmente serve para remoção da cama-da de união, a área periférica 32 exterior é provida de uma camada de pro-teção contra desgaste (não representada). Para aplicação da camada deproteção contra desgaste, os anéis de pistão 30 são empilhados para umpacote, de preferência sob protensão axial. Com isso é evitado que tambémos flancos de anel sejam revestidos com a camada protetora contra desgas-te, pois isso não é via de regra desejado. Para terminar, o anel de pistão 30é usinado para que lhe seja conferida a forma desejada de um anel trape-zoidal ou anel trapezoidal duplo. Para tanto, os flancos de anel são esmeri-lhados ao menos parcialmente a um ângulo plano, de modo que resultamflancos de anel 35, 36 superiores e inferiores chanfrados, aos quais se se-guem regiões 33, 34 superiores e inferiores paralelas. A área periférica 32exterior e a área periférica 31 interior do anel de pistão 30 permanecem inal-teradas. Graças a essa modalidade de conformação, a camada 21 tempera-da é ao menos parcialmente desbastada ao longo dos flancos de anel supe-riores e inferiores.

A Figura 2 mostra, esquematicamente, um anel trapezoidal du-plo 10, que é produzido pelo processo de acordo com a invenção, como re-presentado esquematicamente na figura 3. Também aí é válido que as expli-cações a seguir se aplicam correspondentemente também a um anel trape-zoidal. O material de partida é por exemplo, como representado na figura 1,uma tira de aço martensítica 20 (teor de cromo 12 a 17% em peso) com se-ção transversal retangular. Essa tira de aço 20, que pode ser uma tira de açosem-fim ou uma peça talhada, é levada a uma seção transversal trapezoidalem uma etapa de trabalho. Um processo apropriado é a esmerilhagem doslados largos superiores e inferiores da tira de aço 20. Alternativamente àesmerilhagem, a tira de aço pode ser também convertida por laminação afrio dos lados largos em uma seção transversal trapezoidal. No exemplo deexecução resultam áreas 15, 16 chanfradas bem como um lado estreito 12mais alto e um lado estreito 11 mais baixo, permanecendo áreas 13, 14 seestendendo paralelamente entre si, que se conectam às áreas 15, 16 chan-fradas e ao lado estreito 12 mais alto. As áreas 13, 14 se estendendo parale-lamente entre si servem, no exemplo de execução, para garantir a empilha-bilidade dos anéis de pistão, que é vantajosa em algumas das etapas deusinagem seguintes. Sua largura importa, por exemplo, em até um quarto,de preferência em menos de um quarto da largura da tira de aço 20.

A tira de aço 20 assim usinada é então, de maneira em si co-nhecida, moldada para um anel de pistão 10 por dispositivos conhecidos eeventualmente cortada, sendo que o lado estreito mais alto da tira de aço 20é convertido na área periférica 12 exterior e o lado estreito mais baixo da tirade aço 20 na área periférica 11 interior do anel de pistão 10. As áreas 13, 15formam o flanco de anel superior e as áreas 14, 16 o flanco de anel inferiordo anel de pistão 10.

O anel de pistão 10 tem já nessa etapa de fabricação uma se-ção transversal trapezoidal.

As tensões interiores no material do anel de pistão 10, resultan-tes da deformação a frio, são em seguida decompostas em um tratamentotérmico. A posterior usinagem e o tratamento de superfície do anel de pistão10 se dão de maneira em si conhecida. Depois de uma primeira usinagemmecânica (esmerilhagem, escovação, limpeza, etc.), o anel de pistão 10 ésubmetido a um processo de têmpera. De preferência, o anel de pistão 10 énitrado por meio de um processo de nitração a gás em si conhecido por todaa sua superfície, de modo que resulta uma camada de nitração 21 circulante,que consiste no exemplo de execução em uma camada de difusão e umacamada de união, sendo que a profundidade de têmpera por nitração nacamada de difusão pode importar em até 20 μπι. A camada de união possui,por exemplo, uma dureza Vickers 700 HV0,05 com uma espessura de ca-mada de cerca de 5 a 10 μιτι. Quando a tira de aço 20 contém cromo, sãoformados nitretos de cromo duros quando da nitração.

Depois da nitração, a camada união é removida da superfície doanel de pistão 10, isto é, da área periférica exterior, e dos flancos de anel doanel de pistão 10, por exemplo, mediante esmerilhagem. Tem-se agora, emprincípio, o desejado anel de pistão 10, no exemplo de execução em formade um anel trapezoidal duplo.

Opcionalmente, para maior aperfeiçoamento das propriedadesde desgaste, por um processo PVD (separação a vapor física) em si conhe-cido, uma camada de cromo ou de nitreto de cromo pode ser aplicada depreferência ao flanco de anel inferior com as áreas 14, 16, pois especialmen-te nos anéis trapezoidais produzidos segundo o estado atual da técnica fo-ram evidenciados ali os maiores danos de desgaste por atrito.

Na área periférica 12 exterior, que corresponde à área de rola-mento posterior do anel de pistão 10, é eventualmente aplicada uma camadade proteção contra desgaste ou camada tribológica. Por exemplo, por meiodo processo PCD pode ser aplicada por pulverização uma camada de nitretode cromo, de modo em si conhecido, evitando-se uma deposição sobre asáreas 13, 14, 15, 16 dos flancos de anel. No exemplo de execução, umacamada de nitreto de cromo tem entre 10 e 40 μιη de espessura e apresentauma dureza Vickers entre 1200 HV0,05 e 1800 HV0,05.

Alternativamente sobre a área periférica 12 exterior pode tam-bém se aplicada uma camada de cromo dura galvânica ou uma camadatérmica pulverizada ou uma camada de fosfato de manganês.

O revestimento da área periférica 12 exterior e posterior área derolamento do anel de pistão 10 é feito, convenientemente, no estado empi-lhado e axialmente protendido de vários anéis de pistão 10. Especialmenteassim se garante que as áreas 13, 14, 15, 16 dos flancos de anel durante aetapa de revestimento não sejam revestidos com a camada de proteção con-tra desgaste ou a camada tribológica a ser aplicada.

A figura 4 mostra uma representação dos danos de desgastepor atrito locais, no lado periférico, para um motor diesel de 6 cilindroscom um tempo de vida de 100 horas sob carga plena, de um lado paraum anel de pistão segundo o estado atual da técnica e, de outro lado, paraum anel de pistão 10 produzido de acordo com a invenção em forma de umanel trapezoidal duplo. No gráfico se pode ver que o anel de pistão 10 pro-duzido de acordo com a invenção mostra nitidamente menos danos de des-gaste por atrito aos flancos de anel em comparação com o estado atual datécnica.

Claims (17)

1. Processo para produção de um anel de pistão (10) para moto-res de combustão interna, com as seguintes etapas de processo:- usinagem de uma tira de metal (20), de modo que é obtida aomenos uma área (15, 16) chanfrada, que representa ao menos uma parte deum flanco de anel do anel de pistão (10) a ser produzido,- formação de um anel de pistão (10) da tira de metal (20) assimusinada, cuja superfície forma uma área periférica (11, 12) interior e umaexterior bem como um flanco de anel superior e um inferior,- têmpera da superfície do anel de pistão (10).

2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que como tira de metal é empregada uma tira de aço (20) com seçãotransversal retangular.

3. Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelofato de que é empregada uma tira de aço de aço martensítico com um teorde 12 a 17% em peso mediante usinagem com levantamento de aparas esem levantamento de aparas.

4. Processo de acordo com uma das reivindicações preceden-tes, caracterizado pelo fato de que são formadas duas áreas chanfradas,que representam ao menos uma parte de ambos os flancos de anel do anelde pistão a ser produzido.

5. Processo de acordo com uma das reivindicações preceden-tes, caracterizado pelo fato de que são formadas duas áreas chanfradas,que representam ao menos uma parte de ambos os flancos de anel do anelde pistão a ser produzido.

6. Processo de acordo com uma das reivindicações preceden-tes, caracterizado pelo fato de que é usinada uma tira de metal sem-fim ouuma peça talhada para se obter ao menos uma área chanfrada.

7. Processo de acordo com uma das reivindicações preceden-tes, caracterizado pelo fato de que para formação do anel de pistão a tira demetal usinada é moldada para um anel de pistão, seccionada eventualmentepara o comprimento requerido bem como tratada termicamente e/ou usinadamecanicamente.

8. Processo de acordo com uma das reivindicações preceden-tes, caracterizado pelo fato de que para a têmpera da superfície do anel depistão é empregado um processo de nitração ou processo de nitração aocromo.

9. Processo de acordo com uma das reivindicações preceden-tes, caracterizado pelo fato de que sobre os flancos de anel (14, 16) inferio-res do anel de pistão depois da têmpera é aplicada uma camada de prote-ção contra desgaste, de preferência uma camada de cromo ou uma camadade nitreto de cromo.

10. Processo de acordo com uma das reivindicações preceden-tes, caracterizado pelo fato de que sobre a área periférica (12) exterior ouárea de rolamento do anel de pistão é aplicada uma camada de proteçãocontra desgaste ou camada tribológica, de preferência uma camada de nitre-to de cromo ou uma camada de fosfato de manganês.

11. Processo de acordo com reivindicação 9 ou 10, caracteriza-do pelo fato de que para aplicação da camada de proteção contra desgasteou camada tribológica os anéis de pistão são empilhados para um pacotesob uma protensão axial.

12. Embolo de pistão (10) para motores de combustão interna,cuja superfície forma uma área periférica (11, 12) interior e uma exterior bemcomo um flanco de anel superior e um inferior, caracterizado pelo fato deque a superfície é provida de uma camada (21) de espessura uniforme, tem-perada.

13. Embolo de pistão de acordo com a reivindicação 12, caracte-rizado pelo fato de que o flanco de anel superior e o inferior apresentam umaregião de superfície (13, 14) cada se estendendo paralelamente entre si euma região de superfície (15,16) cada se estendendo inclinadamente.

14. Embolo de pistão de acordo com a reivindicação 13, caracte-rizado pelo fato de que a largura das regiões de superfície (13, 14) paralelasentre si importa no máximo em um quarto da largura do anel de pistão (10).

15. Embolo de pistão de acordo com uma das reivindicações 12a 14, caracterizado pelo fato de que sobre as áreas (14, 16) dos flancos deanel superior e/ou inferior sobre a camada (21) temperada está aplicadauma camada de proteção contra desgaste, de preferência uma camada decromo.

16. Embolo de pistão de acordo com uma das reivindicações 12a 15, caracterizado pelo fato de que sobre a área periférica (12) exterior e/ouinterior do anel de pistão (10) sobre a camada (21) temperada é aplicadauma camada de proteção contra desgaste ou camada tribológica, de prefe-rência uma camada de nitreto de cromo ou uma camada de fosfato de man-ganês.

17. Anel de pistão (10) para motores de combustão interna, pro-duzido por um processo como definido em uma das reivindicações 1 a 11.