BRPI0924354B1

BRPI0924354B1 - anel de pistão e respectivos processos de fabricação

Info

Publication number: BRPI0924354B1
Application number: BRPI0924354A
Authority: BR
Inventors: Pelsoeczy Laszlo
Original assignee: Fed Mogul Burscheid Gmbh
Priority date: 2009-03-26
Filing date: 2009-11-23
Publication date: 2020-01-28
Also published as: EP2411709A1; CN102257299A; US20120091663A1; EP2411708B1; JP2012521523A; KR101939340B1; EP2411709B1; DE102009015008B3; PT2411709T; KR20120022828A; BRPI1008470B1; CN102356257B; JP5497884B2; JP5650714B2; CN102356257A; KR20120024561A; US8647448B2; US9650702B2; BRPI1008470A2; KR101647963B1

Abstract

anel de pistão e respectivos processos de fabricação uma composição de material de aço em particular para o fabrico de anéis de pistão e revestimento de cilindros, que tem um boa capacidade de nitretação, contém os seguintes elementos na proporção dada em relação a 100% em peso da composição de material de aço: 0,5-1,2% em peso de c, 4,0-20,0% em peso de cr, 45,30-91,25% em peso de fe, 0,1-3,0% em peso de mn, 0,1-3,0% em peso de mo, 2,0- 12,0% em peso de ni, 2,0-10,0% em peso de si e 0,05-2,0% em peso de v. pode ser produzido fabricando uma fusão dos materiais de partida e moldando o fundido num molde pré-fabricado. a nitretação da composição de material de aço que é obtida leva a uma composição de material de nitretado que, em virtude do fabrico com moldagem por gravidade, excede as propriedades do ferro fundido temperado com grafite nodular.

Description

[0001] A presente invenção refere-se a anéis de pistão que têm boa capacidade de nitretação. Além disso, a presente invenção refere-se a um anel de pistão nitretado que pode ser fabricado a partir do anel de pistão com boa capacidade de nitretação da invenção. Além disso, a presente invenção refere-se a um processo para a fabricação do anel de pistão com boa capacidade de nitretação da invenção e a um processo para a fabricação dos anéis de pistão nitretados em conformidade com a invenção.

Técnica Precedente [0002] Num motor de combustão interno, os anéis de pistão selam a lacuna entre a cabeça do pistão e a parede do cilindro da câmara de combustão. Conforme o pistão se move para trás e adiante, um lado do anel de pistão desliza com sua superfície circunferencial externa contra a parede do cilindro em uma posição acionada por mola permanentemente e, em razão dos movimentos de inclinação do pistão, o outro lado do anel de pistão desliza de uma maneira oscilante em seu sulco do anel de pistão, após o que seus flancos pressionam alternadamente em flancos de sulco superior ou inferior do sulco do anel de pistão. O deslizamento mútuo desses componentes um contra o outro resulta em uma quantidade maior ou menor de desgaste, dependendo do material; se houver deslizamento a seco, isso pode levar à assim chamada fricção, estriamento e, finalmente, à destruição do motor. A fim de melhorar o comportamento de deslizamento e desgaste dos anéis de pistão contra a parede do cilindro, a sua superfície circunferencial tem sido provida de revestimentos formados a partir de vários materiais.

[0003] A fim de produzir peças de motor de combustão interna de

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2/9 alto desempenho, tais como anéis de pistão, são geralmente usados materiais de ferro fundido ou ligas de ferro fundido. Em motores de alto desempenho, as exigências postas sobre os anéis de pistão, em especial anéis de compressão, estão se tornando cada vez mais rigorosas, por exemplo, no que diz respeito à pressão de compressão de pico, temperatura de combustão, EGR e redução de filme lubrificante, que substancialmente afetam suas propriedades funcionais tais como desgaste, resistência a queima, micro-soldagem e resistência a corrosão. [0004] Os miais de ferro fundido da técnica precedente, entretanto, estão em grande risco de quebrar; na realidade, quando se usa materiais atuais, os anéis frequentemente quebram. Cargas mecânico-dinâmicas aumentadas resultam em menores tempos de vida de serviço para anéis de pistão. Ocorrem desgaste e corrosão severos nas faces e flancos corrediços.

[0005] Pressões de ignição mais altas, emissões reduzidas e injeção de combustível direta significam cargas aumentadas nos anéis de pistão. Isso resulta em dano e uma acumulação de material de pistão, especialmente no flanco inferior do anel de pistão.

[0006] Em razão das tensões dinâmicas e mecânicas mais elevadas em anéis de pistão, mais e mais fabricantes de motor estão exigindo anéis de pistão de aço de alto grau (endurecidos e temperados e de alta liga, tal como grau 1,4112, por exemplo). Materiais ferrosos contendo menos que 2,08 % de peso de carbono são nesse documento conhecidos como aço. Se o teor de carbono for maior, é conhecido como ferro fundido. Comparados com ferro fundido, os aços têm melhores propriedades de resistência e dureza, visto que não há interferência de grafite livre na microestrutura básica.

[0007] Geralmente, são usados aços martensíticos de liga de alto cromo para a fabricação de anéis de pistão de aço. Entretanto, o uso desses aços sofre da desvantagem de que os custos de fabricação são significativamente mais altos do que aqueles de componentes de ferro fundido.

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3/9 [0008] Os anéis de pistão de aço são fabricados a partir de arame perfilado. O arame perfilado é bobinado dentro de uma forma circular, cortado e puxado sobre um mandril “não redondo”. O anel de pistão atinge sua forma não redonda desejada nesse mandril por meio de um processo de recozimento, que transmite as forças tangenciais necessárias. Uma desvantagem adicional da fabricação de anéis de pistão a partir de aço é que, além de certo diâmetro, a fabricação do anel (bobinamento) a partir de arame de aço não é mais possível. Os anéis de pistão formados a partir de ferro fundido, por outro lado, já estão não redondos quando moldados, de modo que desde o princípio eles têm uma forma ideal.

[0009] O ferro fundido tem um ponto de fusão substancialmente mais baixo que o aço. A diferença pode ser até 350°C, dependendo da composição química. Assim, o ferro fundido é mais fácil de fundir e de moldar, visto que um ponto de fusão mais baixo significa que a temperatura de moldagem é mais baixa e, assim, a contração no resfriamento é menor e, dessa maneira, o material de moldagem tem menos defeitos de tubo ou rachadura por calor e frio. Uma temperatura de moldagem mais baixa também resulta nma tensão mais baixa no material do molde (erosão, porosidade de gás, inclusões de areia) e o forno e também resulta em custos de fusão mais baixos.

[00010] O ponto de fusão de um material ferroso não depende simplesmente do teor de carbono, mas também de seu “grau de saturação”. Aplica-se a fórmula empírica que se segue:

Sc = C/(4,26 - 1/3(Si+P)) [00011] Quanto mais próximo o grau de saturação está de 1, mais baixo é o ponto de fusão. Para o ferro fundido, um grau de saturação de 1,0 é geralmente desejável, após o que o ferro fundido tem um ponto de fusão de 1150°C. O grau de saturação de aço é aproximadamente 0,18, dependendo da composição química. O aço eutético tem um ponto de fusão de 1500°C.

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4/9 [00012] O grau de saturação pode ser substancialmente influenciado pelo teor de Si ou P. Como exemplo, um teor de silício mais alto de 3% de peso tem um efeito semelhante a um teor de C mais alto de 1% de peso. Assim, é possível fabricar um aço com um teor ponderal de C de 1% e 9,78% de peso que tem o mesmo ponto de fusão que o ferro fundido com um grau de saturação de 1,0 (C: 3,26% de peso; Si: 3,0% de peso).

[00013] Um aumento drástico no teor de Si pode aumentar o grau de saturação do aço e reduzir o ponto de fusão àquele para o ferro fundido. Assim, é possível fabricar aço com a ajuda da mesma tecnologia que é usada para a fabricação do ferro fundido, por exemplo, GOE 44.

[00014] Os anéis de pistão formados a partir de aço fundido de alto silício são conhecidos na técnica. Entretanto, o silício presente em maiores quantidades tem uma influência negativa na capacidade de endurecimento do material, uma vez que a sua temperatura de transição de austenita, “Ac3”, é aumentada.

[00015] O EP 0 295 111 refere-se a um material de aço adequado para produzir anéis de êmbolo, caracterizado por uma certa combinação de elementos, mas em que o teor de Si e Ni é inferior e o teor de Cr é superior ao da presente invenção.

[00016] O documento US 3.990.892 descreve os aços ligados em relação às sedes das válvulas e não revela relação com os anéis do pistão. Além disso, a combinação reivindicada de elementos nas suas respectivas concentrações não é derivável do US 3.990.892.

[00017] Um processo que é normal na técnica para, contudo, aumentar a dureza da superfície do anel de pistão pode consistir em nitretar o material. Entretanto, tem sido mostrado que moldagens de aço de alto silício da técnica precedente têm capacidade de nitretação deficiente.

Descrição da Invenção

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5/9 [00018] Assim, o objetivo da invenção é fornecer anéis de pistão que têm uma composição de alto silício como o corpo principal e que têm boa capacidade de nitretação, bem como anéis de pistão nitretados. À cerca de fabricação por moldagem por gravidade, as propriedades da composição de aço nitretada dos anéis de pistão nitretados devem ultrapassar as propriedades de ferro fundido de grafite esferoidal temperado e endurecido em pelo menos um dos seguintes pontos:

• propriedades mecânicas tais como módulo de elasticidade, resistência à flexão;

• resistência à ruptura;

• estabilidade da forma;

• desgaste nos flancos;

• desgaste nas superficies corrediças.

[00019] Em conformidade com a invenção, esse objetivo é alcançado por meio de anéis de pistão que, como o corpo principal, têm uma composição de aço que contém os seguintes elementos nas seguintes proporções:

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6/9

C:	0,5 - 1,2	% de peso
Cr:	4,0 - 20,0	% de peso
Fe:	45,30 - 91,25	% de peso
Mn:	0,1 - 3,0	% de peso
Mo:	0,1 - 3,0	% de peso
Ni:	2,0 - 12,0	% de peso
Si:	2,0 - 10,0	% de peso
V:	0,05 - 2,0	% de peso
B:	max 0,5	% de peso
Cu:	max 2,0	% de peso
Nb:	max 0,05	% de peso
P:	max 0,1	% de peso
Pb:	max 0,05	% de peso
S:	max 0,05	% de peso
Sn:	max 0,05	% de peso
Ti:	max 0,2	% de peso
W:	max 0,5	% de peso

em que a composição de aço contem apenas elementos selecionados a partir do grupo que consiste em B, C, Cr, Cu, Fe, Mn, Mo, Nb, Ni, P, Pb, S, Si, Sn, Ti, V e W, sendo a soma dos elementos mencionados 100% de peso.

[00020] Presume-se que a boa capacidade de nitretação dos anéis de pistão da invenção é devida ao teor de cromo 4,0 - 20,0 % de peso. No processo de nitretação, o cromo forma nitretos muito duros. Embora a adição de cromo a uma composição de aço normalmente aumentasse a temperatura de transição de austenita do material ainda mais e assim causasse que a sua capacidade de endurecimento se deterioraria ainda mais, na presente invenção foi observado que a adição de 2,0 - 12,0 % de peso de níquel neutraliza esse aumento na temperatura de transição de austenita. Dessa maneira, a invenção impede um aumento na

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7/9 temperatura de transição de austenita a partir da anulação da melhor capacidade de endurecimento da superfície do material obtenível em razão da capacidade de nitretação melhorada da composição de aço por meio de uma redução simultânea na capacidade de endurecimento do corpo principal.

[00021] Nitretar os anéis de pistão com boa capacidade de nitretação da invenção produz anéis de pistão nitretados em conformidade com a invenção.

[00022] Os anéis de pistão nitretados da invenção têm uma tendência reduzida a mudar sua forma, quando fortemente aquecidos, e, assim, asseguram alto desempenho a longo prazo e, além disso, consumo de óleo reduzido.

[00023] Os anéis de pistão de aço nitretados da invenção também têm a vantagem de que podem ser fabricados usando maquinário e tecnologia para fabricar peças de ferro fundido. Além disso, os custos de fabricação correspondem àqueles de anéis de pistão de ferro fundido, proporcionando redução de custo para o fabricante e melhorando as margens. Da mesma forma, os parâmetros do material podem ser ajustados independentemente do fornecedor.

[00024] Os anéis de pistão em conformidade com a invenção são fabricados num processo que compreende as seguintes etapas:

a. produzir uma massa fundida a partir de materiais primários; e

b. moldar a massa fundida dentro de um molde preparado.

[00025] Exemplos de materiais primários são sucata de aço, sucata de retorno e substâncias de liga. O processo de fusão é executado em um forno, preferencialmente um forno de cúpula. Em seguida, é produzido vácuo, quando a fusão solidifica. O anel de pistão pode, assim, ser moldado usando métodos que são conhecidos na técnica, por exemplo processos de moldagem centrífuga, processos de moldagem contínua,

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8/9 processos de estampagem em matriz, processos Croning ou, como é preferível, moldagem de areia verde.

[00026] Após o anel de pistão ter esfriado, o molde é esvaziado e o vazio obtido é limpo.

[00027] Se necessário, o anel de pistão pode então ser resfriado e temperado. As seguintes etapas realizam isso:

c. austenitização do anel de pistão acima de sua temperatura Ac3;

d. temperar o anel de pistão em um meio de resfriamento adequado; e

e. revenir o anel de pistão em uma temperatura na faixa de 400°C a 700°C em um forno de atmosfera controlada.

[00028] De preferência, é usado óleo como meio de resfriamento.

[00029] A fim de fabricar um anel de pistão nitretado em conformidade com a invenção, seguindo as etapas de processo mencionadas acima, a nitretação do anel de pistão obtido é realizada. Isso pode, por exemplo, ser realizado por nitretação a gás, nitretação de plasma ou nitretação de pressão.

[00030] O Exemplo que segue ilustra a invenção, sem a limitar.

Exemplo [00031] Um anel de pistão foi fabricado a partir de uma composição de aço altamente nitretável em conformidade com a invenção tendo a seguinte composição:

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B:	0,001% de peso	Pb:	0,16% de peso
C:	0,7% de peso	S:	0,009% de peso
Cr:	18,0% de peso	Si:	3,0% de peso
Cu:	0,05% de peso	Sn:	0,001% de peso
Mn:	0,45% de peso	Ti:	0,003% de peso
Mo:	1,05% de peso	V:	0,11% de peso
Nb:	0,002% de peso	W:	0,003% de peso
Ni:	3,15% de peso	Fe:	restante

[00032] Foi obtido produzindo uma massa fundida a partir de materiais primários (sucata de aço, sucata de retorno e substâncias de liga) e moldando o metal fundido dentro de um molde de areia verde preparado. Em seguida, o molde foi esvaziado e o anel de pistão obtido foi limpo. O anel de pistão foi então temperado e revenido. Isso foi realizado por austenitização acima da temperatura Ac3 da composição de aço, resfriando em óleo e temperando a uma temperatura na faixa de 400°C a 700°C em um forno de atmosfera controlada.

[00033] Finalmente, a superfície do anel de pistão obtido foi nitretada. Nas regiões nitretadas, foi obtida uma dureza de mais do que 1000 HV, o que garantiu uma maior resistência ao desgaste do flanco e desgaste da face corrediça. A dureza nesse caso foi determinada em conformidade com DIN 6773.

Claims

1. Anel de Pistão, que compreende como seu corpo principal uma composição de material de aço que tem boa capacidade de nitretação, caracterizado por que a composição de material de aço consiste nos seguintes elementos nas proporções dadas, expressas com relação a 100% em peso da composição de material de aço:

C: 0,5 - 1,2 % em peso Cr: 4,0 - 20,0 % em peso Fe: 45,30 - 91,25 % em peso Mn: 0,1 - 3,0 % em peso Mo: 0,1 - 3,0 % em peso Ni: 2,0 - 12,0 % em peso Si: 2,0 - 10,0 % em peso V: 0,05 - 2,0 % em peso B: max 0,5 % em peso Cu: max 2,0 % em peso Nb: max 0,05 % em peso P: max 0,1 % em peso Pb: max 0,05 % em peso S: max 0,05 % em peso Sn: max 0,05 % em peso Ti: max 0,2 % em peso W: max 0,5 % em peso

em que a composição de material de aço consiste nos elementos selecionados a partir do grupo que consiste em B, C, Cr, Cu, Fe, Mn, Mo, Nb, Ni, P, Pb, S, Si, Sn, Ti, V e W, sendo a soma dos referidos elementos 100% em peso.

2. Anel de Pistão, de acordo com a Reivindicação 1, caracterizado por que o anel de pistão é nitretado, segundo processo conforme definido na

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Reivindicação 5.

3. Processo de Fabricação de Anel de Pistão, conforme definido na

Reivindicação 1, caracterizado por que compreende as seguintes etapas:

a. produção de uma massa fundida a partir de materiais primários; e

b. moldagem de massa fundida dentro de um molde preparado.

4. Processo de Fabricação de Anel de Pistão, de acordo com a Reivindicação 3, caracterizado por que compreende ainda as seguintes etapas:

c. austenitização do anel de pistão acima de sua temperatura Ac3;

d. têmpera do anel de pistão num meio de resfriamento adequado; e

e. revenido do anel de pistão numa temperatura na faixa de 400°C a 700°C num forno de atmosfera controlada.

5. Processo de Fabricação de Anel de Pistão, conforme definido na Reivindicação 1, caracterizado por que compreende as seguintes etapas:

a. executar um processo conforme definido na

Reivindicação 3 ou Reivindicação 4; e

b. nitretar o anel de pistão obtido.