BRPI0903320A2

BRPI0903320A2 - anel de pistão e processo de fabricação de um anel de pistão

Info

Publication number: BRPI0903320A2
Application number: BRPI0903320-3A
Authority: BR
Inventors: Rodrigo Favaron; Robert Richard Banfield
Original assignee: Mahle Metal Leve Sa
Priority date: 2009-09-24
Filing date: 2009-09-24
Publication date: 2011-05-24
Also published as: US9163726B2; US20120248710A1; EP2507538B1; CN102713373B; EP2507538A1; CN102713373A; WO2011035399A1

Abstract

ANEL DE PISTãO E PROCESSO DE FABRICAçãO DE UM ANEL DE PISTãO. A presente invenção refere-se a um anel de pistão, particularmente para uso no canalete de um pistão de um motor de combustão interna ou de um compressor, compreendendo pelo menos uma base metálica (2) substancialmente anelar dotada de pelo menos uma primeira região (20), pelo menos uma segunda região (21) e pelo menos uma abertura (22), a primeira região (20) sendo posicionada de maneira substancialmente oposta à abertura (22), o anel compreendendo pelo menos uma camada nitretada (3) na segunda região (21) e não compreendendo nenhuma camada nitretada (3) na primeira região (20), a camada não nitretada (3) não estando presente na primeira região (20) devido à aplicação prévia de uma camada intermediária não nitretada (4).

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "ANEL DEPISTÃO E PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE UM ANEL DE PISTÃO".

A presente invenção refere-se a um anel de pistão, particular-mente idealizado para utilização no canalete de pistão de um motor de com-bustão interna e/ou compressor, dotado de uma base metálica à qual é apli-cado um revestimento superficial nitretado em toda a sua superfície comexceção de uma região localizada de maneira substancialmente oposta àabertura ou fenda do anel. A presente invenção refere-se ainda ao processode fabricação do anel de pistão.

Descrição do Estado da Técnica

Nos motores de combustão interna dotados de um ou mais pis-tões que se deslocam no interior de respectivos cilindros, cada pistão com-preende um ou mais anéis, que são submetidos a severos esforços quandoo motor está em funcionamento.

Uma das formas de se garantir a resistência ao desgaste de umanel, a fim de que ele apresente uma vida útil elevada, é a aplicação de umacamada de revestimento por sobre o metal base com o qual é constituído. Orevestimento, desenvolvido especificamente para resistir ao desgaste e àabrasão, mantém as propriedades de desempenho do anel mesmo apósmilhões de ciclos de deslocamento do pistão no interior do cilindro.

Uma primeira técnica anterior representativa é a patente norte-americana US 6,698,763, que refere-se a um anel de pistão dotado de umabase de aço inoxidável à qual inicialmente é aplicada uma camada nitretada,onde a camada nitretada compreende uma camada de difusão e uma ca-mada composta, esta última aplicada por sobre a primeira.

Após a aplicação, as extremidades circulares superior e inferiordo anel são chanfradas em toda sua extensão de forma que, nesses locais,toda a camada nitretada é removida, expondo o material base. Por fim, nasuperfície lateral externa do anel, que fica em contato com a parede do ci-lindro, é aplicada uma camada cerâmica de revestimento.

A remoção dos chanfros impede o acúmulo de tensão nesseslocais e reduz sobremaneira o aparecimento e a propagação de trincas.Uma segunda técnica anterior representativa é a patente norte-americana US 6,508,473, que refere-se a um anel de pistão dotado de umabase em aço inoxidável à qual é aplicada uma camada nitretada em todasua extensão com exceção da superfície externa de contato com o cilindro,onde é aplicado um outro revestimento, pelo processo de ion plating ou PVD(Physical Vacuum Deposition), composto por nitreto de cromo (em suas fa-ses CrN e/ou Cr2N) ou nitreto de titânio. Esse segundo revestimento e a ca-mada nitretada são separados, de forma que não se sobreponham ou con-tatem entre si, em respectivas regiões adjacentes às arestas de extremidadesuperior e inferior. O espaçamento entre ambos os revestimentos apresentavalores dentro da faixa de 0,001 milímetros (mm) a 0,3 mm.

Com essa constituição, eventuais trincas que surjam têm suapropagação limitada, evitando-se a formação de trincas de extensão tal quelevem ao destacamento do recobrimento.

Uma terceira técnica anterior representativa está revelada nodocumento de patente japonês JP 2002-61746, que refere-se a um anel depistão dotado de uma base em aço ou de ferro fundido que possui um re-baixo côncavo na superfície externa (aquela que contata a parede do cilin-dro). À base, inicialmente é aplicada uma camada nitretada que, porém, ounão é aplicada na, ou é removida justamente da, superfície externa, devidoàs suas propriedades de pouca ductilidade. Por sobre a superfície externa, éaplicada uma camada de nitreto de cromo pelo processo de ion plating ouPVD (Physical Vacuum Deposition), posteriormente lapidada. O anel resul-tante tem boa resistência à abrasão e resistência adequada ao destacamen-to do recobrimento.

Uma quarta técnica anterior representativa está revelada no do-cumento de patente japonês JP 5-172248, que refere-se a um anel de pis-tão dotado de uma base metálica à qual é aplicada uma camada cerâmicaendurecida de nitreto de cromo ou titânio. Logo após, forma-se uma camadanitretada nas superfícies laterais, inferior, superior e na face interna do anel.A extremidade externa, voltada para a parede do cilindro, não recebe ne-nhuma camada nitretada e é provida, portanto, somente com a camada ce-râmica endurecida inicialmente depositada pelo processo de ion plating ouPVD (Physical Vacuum Deposition).

Porém, note-se, nenhum dos documentos apontados acimaconsidera que os esforços sofridos pelo anel variam de maneira não des-prezível, isto é, que o anel não sofre todos os esforços de maneira absolu-tamente homogênea.

Por meio de exaustivos estudos, testes e simulações, a deposi-tante descobriu que a maioria dos esforços sofridos por um anel de pistão ecom potencial para ocasionar destacamento do recobrimento ou danos es-truturais localiza-se em uma região substancialmente oposta à sua abertura("gap"), ou seja, situada substancialmente a 180° da abertura. Nessa região,devido aos esforços sofridos, o surgimento de microtrincas relevantes emuma camada de revestimento formada, por exemplo, por CrN, e sua propa-gação até o ponto de ocorrência de quebra de anel. Em uma série de testeslevados a cabo, verificou-se que nas demais porções do anel o aparecimen-to de trincas na camada de CrN ficava em valores aceitáveis.

Sem recorrer à remoção de chanfros ou outros procedimentosque oneram o custo de fabricação do anel de pistão, a depositante apresen-ta um produto absolutamente novo e original, que não possui camada nitre-tada na porção oposta ao "gap", atendendo com louvor a todos os requisitosde performance e durabilidade.

Objetivos da Invenção

A presente invenção tem por objetivo um anel de pistão, preferi-velmente mas não obrigatoriamente na forma de um anel de compressão,idealizado para utilização em motores de combustão interna ou compresso-res, dotado de uma camada nitretada em toda a sua extensão com exceçãoda região substancialmente oposta à sua abertura, ou "gap".

A presente invenção tem por objeto também um anel de pistão,preferivelmente mas não obrigatoriamente na forma de um anel de com-pressão, idealizado para utilização em motores de combustão interna oucompressores, que possua revestimento de nitreto de cromo depositado pe-lo processo de ion plating ou PVD (Physicai Vaeuum Deposition), e apresen-te reduzidos valores de formação de microtrincas potencialmente destrutivas.

Por fim, a presente invenção tem por objeto o processo de fabri-cação do anel acima objetivado.

Breve Descrição da Invenção

Os objetos da presente invenção são alcançados por um anelde pistão, particularmente para uso no canalete de um pistão de um motorde combustão interna ou de um compressor, compreendendo pelo menosuma base metálica substancialmente anelar dotada de pelo menos umaprimeira região, pelo menos uma segunda região e pelo menos uma abertu-ra, a primeira região sendo posicionada de maneira substancialmente opos-ta à abertura, o anel compreendendo ainda pelo menos uma camada nitre-tada na segunda região e não compreende nenhuma camada nitretada naprimeira região, a camada não nitretada não estando presente na primeiraregião.

Ainda, os objetos da presente invenção são alcançados por umprocesso de fabricação de um anel de pistão tal como definido no parágrafoanterior, compreendendo as seguintes etapas:

(i) conformação completa da base;

(ii) aplicação de uma camada intermediária não nitretada naprimeira região;

(iii) formação de uma camada nitretada na segunda região;

(iv) remoção da camada intermediária não nitretada; e

(v) aplicação de um revestimento de nitreto de cromo ou afim.

Descrição Resumida dos Desenhos

A presente invenção será, a seguir, mais detalhadamente des-crita com base em um exemplo de execução representado nos desenhos.

As figuras mostram:

figura 1 - é uma vista esquemática em perspectiva do anel depistão objeto da presente invenção;

figura 2 - é uma primeira vista esquemática superior do anel depistão objeto da presente invenção;figura 3 - é uma primeira vista em corte A-A esquemática do a-nel de pistão objeto da presente invenção;

figura 4 - é uma segunda vista em corte B-B esquemática doanel de pistão objeto da presente invenção;

figura 5 - é uma fotografia em corte na posição A-A do anel depistão objeto da presente invenção;

figura 6 - é uma fotografia em detalhe do revestimento da faceexterna do corte na posição A-A ilustrado na figura 5;

figura 7 - é uma fotografia em corte na posição B-B do anel depistão objeto da presente invenção;

figura 8 - é uma fotografia em detalhe do revestimento da faceexterna do corte na posição B-B ilustrado na figura 7; e

figura 9 - é uma segunda vista esquemática superior do anel depistão objeto da presente invenção.

Descrição Detalhada das Figuras

A presente invenção refere-se a um anel de pistão 1, particular-mente para uso no canalete de um pistão de um motor de combustão inter-na ou de um compressor.

De maneira preferível, mas não-limitante, o anel 1 objeto da pre-sente invenção é um anel de compressão para uso em um motor de com-bustão interna que opera segundo um ciclo de quatro tempos, mas é eviden-te que quaisquer outras aplicações podem ser obtidas sem que ele deixe deestar incluído no escopo de proteção das reivindicações apensas, como porexemplo um anel raspador de óleo.

Conforme mencionado anteriormente, a depositante realizouexaustivos estudos, testes e simulações e detectou que, em um anel decompressão utilizado em motores e revestido por uma camada de revesti-mento dura para diminuir o desgaste do anel decorrente do deslocamentodo pistão no cilindro, a quebra se dava, na imensa maioria dos casos, naregião posicionada de maneira substancialmente oposta à abertura ougap.

Mais especificamente, na imensa maioria dos casos, as micro-trincas, que podem levar à ruptura do anel, se iniciavam no perímetro inferiorda superfície externa do anel (aquela voltada para a parede do cilindro), atépor conta de sua aresta pontiaguda.

Uma alternativa era, por meio de mais uma etapa no processode fabricação, chanfrar tal extremidade, quebrando o canto e o arredondan-do, procedimento que naturalmente diminuía o acúmulo e a concentração detensões naquele local. Porém, a realização de tal chanfro precisava ser rea-lizada com absoluta precisão, para evitar que o anel passasse a apresentarníveis inferiores de performance, pois os chanfros ou cantos arredondadosna extremidade inferior da superfície de contato com o cilindro causam dimi-nuição da eficiência na raspagem do óleo da parede. Assim, um chanfro (ouarredondamento) excessivo, se por um lado propicia a redução apreciávelde tensões internas, de outro acarreta um aumento do consumo de óleolubrificante e, por conseqüência, um aumento dos níveis de emissão de po-luentes.

Da necessidade de contornar esse inconveniente sem a neces-sidade de se realizar chanfros de grande dimensão é que nasceu o anel ob-jeto da presente invenção, o qual não possui camada nitretada na porçãooposta à abertura, atendendo com louvor a todos os requisitos de perfor-mance e durabilidade.

Descrevendo pormenorizadamente, o anel de pistão 1 objeto dapresente invenção compreende pelo menos uma base metálica 2 substanci-almente anelar dotada de pelo menos uma primeira região 20, pelo menosuma segunda região 21 e pelo menos uma abertura 22.

De maneira preferível, a base 2 é constituída por aço inoxidávelcontendo 10% a 17% de cromo em peso, mas é evidente que se trata tão-somente de uma dentre as inúmeras configurações possíveis. Pode-se, al-ternativamente, idealizar uma base 2 de aço carbono, ferro fundido, titânioou ainda constituída de qualquer outra liga, até porque todos esses materi-ais já são fartamente utilizados na fabricação de anéis de pistão.

Conforme pode ser visto nas figuras, a primeira região 20 é po-sicionada de maneira substancialmente oposta à abertura 22. Considerandoo formato substancialmente anelar da base 2, e definindo que a abertura 22fica posicionada em uma posição de 0o (zero graus), a primeira região é po-sicionada na, e substancialmente adjacentemente à, posição de 180°, que éaquela que sofre os maiores esforços, propiciando o aparecimento de micro-trincas quando a ela é aplicado um revestimento duro e de pouca ductilidade.

Não se pode esquecer que, quando está posicionado no canale-te do pistão (e que este se movimenta linear e alternadamente no interior docilindro), o anel sofre uma série de esforços cujos efeitos são potencializa-dos justamente na região oposta à abertura, tornando-a a mais crítica notocante ao surgimento de microtrincas e até mesmo à eventual quebra doanel, com conseqüente colapso estrutural.

Estudos levados a cabo pela depositante indicaram que a pri-meira região 20 não corresponde apenas ao ponto posicionado exatamentea 180° da abertura 22, mas sim a uma região maior que se prolonga, aindaque de maneira discreta, angularmente em direção à abertura 22. De manei-ra preferível, a primeira região 20 é a região disposta substancialmente entre140° e 220° contados a partir da abertura 22, correspondendo, portanto, acerca de 80° da base 2, que apresenta, como não podia deixar de ser, 360°.

Assim, pouco menos de 25% do anel correspondem à região naqual não se aplica a camada nitretada sob pena do aparecimento de micro-trincas potencialmente destrutivas.

Evidentemente, entretanto, a abrangência da primeira região 20pode variar, sendo perfeitamente possível um anel de pistão 1 construído deacordo com os ditames da presente invenção no qual ela corresponda amenos do que 80°, ou, alternativamente, até mais, sem que a invenção re-sultante deixe de estar incluída no escopo de proteção das reivindicações.Porém, para efeitos de ordem prática, pode-se considerar que dificilmente aprimeira região 20 corresponderá a 180° ou mais da base 2 como um todo.

Para evitar o surgimento de trincas potencialmente destrutivas, aprimeira região 20 da base 2 do anel 1 objeto da presente invenção recebeinicialmente uma camada intermediária não nitretada 4 que impede a forma-ção de uma camada nitretada 3 ali, ao passo que na segunda região 21, quecorresponde à maioria da base 2 do anel 1 e onde não ocorrem esforços demonta tão elevados, é permitida a formação dessa camada nitretada 3.

Posteriormente, após a formação da camada nitretada na se-gunda região 21, é aplicado um revestimento de nitreto de cromo (CrN e/ouO2N) 5 pelo processo de ion plating ou PVD (Physical Vacuum Deposition)por toda a extensão do anel, (compreendendo as primeira e segunda regi-ões 20 e 21), garantindo a resistência do anel 1 ao atrito sucessivo da cons-tante movimentação do pistão no interior do cilindro, por milhões de ciclosde funcionamento do motor.

Uma concretização preferível da invenção, ilustrada nas figuras,apresenta uma primeira região 20 que é totalmente revestida de uma cama-da não nitretada 4 (ou seja, aplicada ao longo de toda a sua secção trans-versal). Entretanto, é perfeitamente possível, e viável, um anel de pistão 1no qual a camada intermediária não nitretada 4 (que impede a formação dacamada nitretada 3) seja aplicada não ao longo de toda a área superficial daprimeira região 20 da base 2, mas somente naqueles locais mais críticos noque tange ao acúmulo de tensões internas, como justamente no perímetroinferior da superfície externa, voltada para a parede do cilindro, ou aindaqualquer outra solução que seja viável tecnicamente.

De maneira largamente preferida, a camada intermediária nãonitretada 4 é uma fina camada de níquel metálico, porém, de modo alternati-vo, a camada de níquel pode ser substituída por revestimentos especiaisque possuem a mesma função de impedir a formação de camada nitretada,ou seja, de funcionalidade equivalente.

Para fabricação do anel 1 objeto da presente invenção, após aconformação completa da base 2 (que pode variar enormemente, tal comomencionado anteriormente) aplica-se inicialmente a camada intermediárianão nitretada 4 de níquel na primeira região 20. Esse níquel pode ser apli-cado por qualquer processo que seja tecnicamente viável, como por exem-plo processos químicos ou eletroquímicos quaisquer. A composição da ca-mada é preferivelmente de níquel puro com espessuras que variam de 1 a20 μm.

A camada de níquel pode ser aplicada ao longo de toda a sec-ção transversal da primeira região 20 ou somente naqueles locais mais críti-cos no que tange ao acúmulo de tensões internas, como justamente no pe-rímetro inferior da superfície externa, voltada para a parede do cilindro, emfunção específica das propriedades do anel que se deseja obter.

Finda a aplicação da camada intermediária não nitretada 4 naprimeira região 20, é formada a camada nitretada 3 que, devido justamenteà presença da camada 4, acaba por não aderir/se formar nessa primeiraregião 20, sendo porém formada no restante da base 2, ou seja, na segundaregião 21.

A camada intermediária não nitretada 4 tem, pois, função pri-mordialmente protetiva, evitando a nitretação da primeira região 20 do anel.

Após a formação da camada nitretada 3 na segunda região 21,a camada intermediária não nitretada 4 é removida da primeira região 20(afinal, a camada nitretada 3 não se formou ali) por processos químicos (taiscomo, por exemplo, chemical etching) e/ou mecânicos (lapidação, abrasão,grit blasting, etc).

Portanto, removida a camada intermediária não nitretada 4, oanel apresenta camada nitretada 3 apenas na região desprotegida pelo ní-quel (segunda região 21), sendo que na primeira região 20 o anel apresenta-se na forma natural, ou seja, sem nenhuma camada nitretada que favoreçao acúmulo de tensões internas e possibilite com maior facilidade o surgi-mento de microtrincas potencialmente destrutivas.

Seguindo as operações comuns de usinagem, o anel recebena etapa final do processo a aludida camada de revestimento de nitreto decromo 5 (de CrN e/ou Cr2N) ou outro material necessário ou desejável, apli-cada preferível mente por PVD, mas que evidentemente pode sê-lo por qual-quer outro método que seja funcional.

Por fim, é ainda uma invenção nova e inventiva, incluída no es-copo de proteção das reivindicações, o processo de fabricação do presenteanel de pistão 1, compreendendo as seguintes etapas:(i) conformação completa da base 2;

(ii) aplicação de uma camada intermediária não nitretada 4 naprimeira região 20;

(iii) formação de uma camada nitretada 3 na segunda região 21;

(iv) remoção da camada intermediária não nitretada 4; e

(v) aplicação de um revestimento de nitreto de cromo 5 (CrNe/ou Cr2N) aplicado pelo processo de Ion plating ou PVD, ou afim.

Na etapa (ii), a camada intermediária não nitretada 4 é aplicadaem toda a secção transversal da base 2 na primeira região 20 ou, alternati-vãmente, ao longo de parte da secção transversal da base 2 na primeiraregião 20, mais especificamente no perímetro inferior da superfície externa,voltada para a parede do cilindro. De modo preferível, a camada intermediá-ria não nitretada 4 aplicada na etapa (ii) possui níquel em sua composição.

Por fim, na etapa (iv), o revestimento composto por nitreto decromo 5 ou afim é aplicado em toda a extensão do anel, que compreende asregiões 20 e 21, sendo sua aplicação preferivelmente pelo processo dePVD.

Tendo sido descrito um exemplo de concretização preferido, de-ve ser entendido que o escopo da presente invenção abrange outras possí-veis variações, sendo limitado tão-somente pelo teor das reivindicações a-pensas, aí incluídos os possíveis equivalentes.

Claims

1. Anel de pistão, particularmente para uso no canalete de umpistão de um motor de combustão interna ou de um compressor, compreen-dendo pelo menos uma base metálica (2) substancialmente anelar dotadade pelo menos uma primeira região (20), pelo menos uma segunda região(21) e pelo menos uma abertura (22), a primeira região (20) sendo posicio-nada de maneira substancialmente oposta à abertura (22), o anel sendo ca-racterizado pelo fato de que compreende pelo menos uma camada nitretada(3) na segunda região (21) e não compreende nenhuma camada nitretada(3) na primeira região (20), a camada não nitretada (3) não estando presen-te na primeira região (20).

2. Anel de pistão de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que apresenta uma camada intermediária não nitretada (4) apli-cada na primeira região (20) e que impede a formação da camada nitretada(3) na primeira região (20).

3. Anel de pistão de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracte-rizado pelo fato de que a primeira região (20) é a região da base (2) dispostasubstancialmente entre 140° e 220° contados a partir da abertura (22), que éposicionada a 0°.

4. Anel de pistão de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que a base (2) é constituída por aço inoxidável contendo 10% a 17% de cromo em peso.

5. Anel de pistão de acordo com a reivindicação 2, caracterizadopelo fato de que a camada intermediária não nitretada (4) é aplicada ao Ion-go de toda a secção transversal da base (2) na primeira região (20).

6. Anel de pistão de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que a camada intermediária não nitretada (4) é aplicada ao lon-go de parte da secção transversal da base (2) na primeira região (20), maisespecificamente no perímetro inferior da superfície externa, voltada para aparede do cilindro.

7. Anel de pistão de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que a camada intermediária não nitretada (4) é constituída poruma fina camada de níquel metálico.

8. Anel de pistão de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que a camada intermediária não nitretada (4) da primeira região(20) é removida após a formação da camada nitretada (3) na segunda regi-ão (21).

9. Anel de pistão de acordo com a reivindicação 8, caracterizadopelo fato de que recebe a aplicação de uma camada de revestimento denitreto de cromo (5).

10. Processo de fabricação de um anel de pistão tal como defi-nido nas reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de que compreende asseguintes etapas:(i) conformação completa da base (2);(ii) aplicação de uma camada intermediária não nitretada (4) na primeira região (20);(iii) formação de uma camada nitretada (3) na segunda região (21);(iv) remoção da camada intermediária não nitretada (4); e(v) aplicação de um revestimento de nitreto de cromo (5) ou afim.

11. Processo de acordo com a reivindicação 10, caracterizadopelo fato de que, na etapa (ii), a camada intermediária não nitretada (4) éaplicada ao longo de toda a secção transversal da base (2) na primeira região (20).

12. Processo de acordo com a reivindicação 10, caracterizadopelo fato de que, na etapa (ii), a camada intermediária não nitretada (4) éaplicada ao longo de parte da secção transversal da base (2) na primeiraregião (20), mais especificamente no perímetro inferior da superfície exter-na, voltada para a parede do cilindro.

13. Processo de acordo com a reivindicação 10, 11 ou 12, ca-racterizado pelo fato de que a camada intermediária não nitretada (4) apli-cada na etapa (ii) possui níquel na sua composição.

14. Processo de acordo com a reivindicação 10, caracterizadopelo fato de que, na etapa (v), é aplicado um revestimento (5) composto pornitreto de cromo, ou afim, pelo processo de PVD.