ES2381008T3 - Procedimiento para la fabricación de un pistón para un motor de combustión interna, así como pistón para un motor de combustión interna - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para la fabricación de un pistón (10) para un motor de combustión interna, en el que almenos la zona de la ranura anular superior (12) se entalla al menos parcialmente, a continuación se aplica una capade agente adhesivo con aluminio y después se aplica por proyección térmica una capa de protección contra desgaste (16), aplicándose la capa de protección contra desgaste mediante proyección de alambre por arcoeléctrico, en la que se alimentan dos alambres diferentes, variando la alimentación al menos de un alambre con eltiempo de aplicación de la capa de protección contra desgaste, y concentrándose hierro en el núcleo y aluminio en la zonas dirigidas hacia la pieza en bruto de pistón, y formándose a partir de esto al menos la ranura anular superior (12) al menos parcialmente.
Description
Procedimiento para la fabricación de un pistón para un motor de combustión interna, así como pistón para un motor de combustión interna
La invención se refiere a un procedimiento para la fabricación de un pistón para un motor de combustióninterna, así como a un pistón de este tipo.
En el marco del desarrollo de motores, cada vez más pequeños y más potentes, aumentan las cargas porpresión y temperatura aplicadas sobre los pistones usados. A este respecto, en particular la ranura anular superior,que sirve para la inserción de un anillo de pistón, está especialmente sometida a cargas. En el marco del desarrollode motores existe además el objetivo de minimizar el volumen del espacio muerto, lo que implica una reducción de laaltura de la pared de fuego.
El documento US5,756,150 describe un pistón, en el que se usa una pieza en bruto de pistón con unaranura mayor que la ranura anular prevista en el pistón posterior. Esta ranura comparativamente grande se llena condos capas aplicadas por proyección y a continuación se forma la ranura anular.
En el documento DE2425358A se describe un procedimiento similar que se puede llevar a cabo, porejemplo, con ayuda de una pistola de proyección por arco eléctrico.
El documento DE3246630A1 se refiere a un procedimiento también similar, en el que una ranura mayor quela ranura anular posterior se llena con una aleación de aluminio con contenido de silicio.
El documento WO2004/106721 se refiere a un procedimiento para la fabricación de una camisa de cilindropara un motor de combustión interna, comprendiendo el componente una capa de agente adhesivo y una capa dedesgaste. El procedimiento comprende el uso de un procedimiento de proyección térmica para aplicar la capa deagente adhesivo y la superficie de rodadura tribológica. El documento describe la fabricación de una nueva superficie de rodadura, pero no se da a conocer una zona concreta.
La invención tiene el objetivo de crear un procedimiento para la fabricación de un pistón para un motor decombustión interna, con el que se pueda fabricar un pistón para un motor de combustión interna, mejorado enrelación con el comportamiento del desgaste, en particular en la zona de la ranura anular superior. Se ha deproporcionar además un pistón de este tipo.
El objetivo mencionado arriba se consigue, por una parte, mediante el procedimiento descrito en la reivindicación 1.
Por consiguiente, al menos la zona de la ranura anular superior ya está entallada al menos parcialmente enel marco de la fabricación de un pistón. Con otras palabras, la zona de la ranura anular ya está entallada al fabricarse una pieza en bruto de pistón, por ejemplo, al fundirse, es decir, hay una entalladura o similar en la zona, en la que se va a configurar posteriormente la ranura anular superior. De manera alternativa o complementaria alrespecto, la zona de la ranura anular superior ya puede estar presente completa o parcialmente en la pieza en brutode pistón y el material de la pieza en bruto de pistón se elimina en la zona de la ranura anular superior posterior, porejemplo, mediante el mecanizado por arranque de virutas. En especial, la entalladura descrita es preferentemente almenos un poco mayor que la ranura anular superior posterior, de modo que se pueden ejecutar los pasos siguientes.
Según la invención, se aplica a continuación una capa de agente adhesivo con contenido de aluminio. En elcaso de este tipo de capa se ha comprobado que una capa de protección contra desgaste, aplicada a continuaciónpor proyección térmica según la invención, se une especialmente bien con el material del pistón. La capa de agenteadhesivo descrita se puede aplicar mediante todos los procedimientos para su aplicación que se indican previamente y a continuación para la capa de protección contra desgaste. A continuación, al menos la ranura anular superior se forma al menos parcialmente a partir de la capa de protección contra desgaste. Con otras palabras, losflancos y/o la base de la ranura anular superior se forman al menos parcialmente por el material de la capa deprotección contra desgaste, de modo que la ranura, que aloja el anillo superior de pistón en el estado de uso,soporta las presiones superficiales especialmente altas, así como la zona que rodea la ranura cumple especialmentebien los requerimientos relativos a la carga por presión y temperatura. Esto se apoya según la invención mediante lacapa de agente adhesivo.
En el marco de la aplicación de la capa de agente adhesivo y/o de desgaste se puede decir que el materialde sustrato, o sea, el material de la pieza en bruto de pistón se activa mediante un proceso de chorreo y/o mediantela proyección térmica del material mencionado. Con otras palabras, el material de sustrato se hace rugoso. Esto sepuede llevar a cabo mediante un procedimiento de chorreo (con cuerpos sólidos o agua) o procedimientos conarranque de virutas, como por ejemplo el torneado, en los que, por ejemplo, mediante una cuchilla geométrica, seproduce un perfil con muescas. Después de aplicarse el espesor de capa necesario se puede formar al menosparcialmente la ranura anular superior en el material aplicado, como ya se mencionó.
Mediante la invención se prolonga en general el tiempo de servicio tanto del pistón como del anillo depistón, insertado en la ranura anular superior, tanto en los motores diésel como en los motores Otto. Además, debido a la invención ya no es necesario ventajosamente fundir un soporte de anillo, lo que constituye un procedimiento costoso desde el punto de vista técnico, de modo que este esfuerzo se puede evitar con la invención. El esfuerzo seminimiza especialmente, porque ya no hay que introducir manualmente el soporte de anillo en el molde de fundicióny porque el soporte de anillo ya no se tiene que adquirir como tal. Además, se pueden evitar los errores de posicióny unión que se pueden producir en la fundición del soporte de anillo. Asimismo, no se puede llevar a cabo lafundición de un soporte de anillo en aquellos procedimientos de fabricación que se usan ventajosamente para lospistones de motores Otto, a saber, los procedimientos de moldeado a presión y de forja. Por consiguiente, mediante la invención se pueden mantener estos procedimientos y la ranura superior se puede configurar de manera especialmente resistente al desgaste también en el caso de los pistones de motores Otto. Por consiguiente, la capa de protección contra desgaste descrita constituye ventajosamente un refuerzo de la ranura anular.
En las demás reivindicaciones se describen variantes preferidas del procedimiento según la invención.
Se pueden obtener ventajas especiales si además se entalla primero la zona de la pared de fuego al menosparcialmente y queda terminada después de aplicarse la capa de protección contra desgaste. Con otras palabras, lazona de la pared de fuego ya se puede entallar de manera adicional, al menos parcialmente, durante la fabricaciónde la pieza en bruto de pistón o se puede eliminar de la pieza en bruto de pistón. Al aplicarse también en la zona dela pared de fuego la capa de protección contra desgaste, la pared de fuego posterior se puede formar al menosparcialmente mediante la capa de protección contra desgaste. Esto hace que también esta zona tenga una especialresistencia contra el desgaste y posibilita ventajosamente una reducción de la altura de la pared de fuego, de modoque se puede minimizar el volumen del espacio muerto. En este sentido se observa además un efecto combinado enrelación con la evitación de un soporte de anillo. De hecho, si la altura de la pared de fuego está reducida, unsoporte de anillo se puede usar sólo de manera limitada por razones técnicas. Como mediante el procedimientosegún la invención se puede evitar un soporte de anillo, se puede reducir ventajosamente la altura de la pared defuego sin poner en peligro la resistencia de la zona de la ranura anular superior. En relación con el paso preferido deprocedimiento mencionado arriba, según el cual la zona de la pared de fuego se entalla además al menos parcialmente y queda terminada después de aplicarse la capa de protección contra desgaste, se ha señalado queéste es independiente de los pasos de procedimiento descritos antes y se puede usar también por sí solo en unprocedimiento para la fabricación de un pistón. Sin embargo, este paso de procedimiento se puede combinar contodos los pasos de procedimiento descritos antes y a continuación.
Para la capa de agente adhesivo ha resultado además ventajoso que ésta presente también silicio.
En la capa de protección contra desgaste se comprobaron propiedades especialmente buenas si ésta seforma mediante un acero con al menos uno de los siguientes elementos de aleación: carbono con un porcentaje de0,1 a 1,0%, cromo, molibdeno, níquel. Mediante todos los elementos de aleación mencionados se obtiene una capade protección contra desgaste con una dureza mayor que la del material de base del pistón, de modo que se logranlas propiedades deseadas. En general se prefieren aceros de baja aleación, por ejemplo, St08 con un contenido decarbono de 0,1 a 1,0%, porque durante la aplicación mediante proyección térmica se producen pérdidas porproyección comparativamente altas. Éstas son aceptables desde el punto de vista de los costes si se usa un acerode baja aleación. Este tipo de acero resulta comparativamente económico. Como ejemplos se podrían mencionar FeCr, FeCrMo y FeCrNi.
Además, en la capa de protección contra desgaste se pudieron determinar buenas propiedades si ésta seformó mediante una capa de cobre o níquel, en especial NiCr, o una capa de aluminio de alta aleación.
En los primeros ensayos se pudo comprobar que la capa de protección contra desgaste se puede aplicar deforma especialmente eficiente por APS (proyección de plasma atmosférico), HVOF (High Velocity Oxygen FlameSpraying, proyección de llama de oxígeno de alta velocidad), proyección de alambre por arco eléctrico o proyecciónde alambre por combustión. En la actualidad se prefiere especialmente la proyección de alambre por arco eléctrico.Este procedimiento resulta ventajoso debido a los costes, en especial en relación con el material de alambre usado y la potencia de aplicación, y es independiente de los pasos de procedimiento descritos antes, de manera similar queel mecanizado de la pared de fuego mencionado arriba, pero se puede combinar con estos al igual que con lospasos de procedimiento descritos a continuación. Por consiguiente, una capa de protección contra desgaste, nocombinada necesariamente con una capa de agente adhesivo, que se aplica mediante proyección de alambre porarco eléctrico, se ha de considerar como objeto de la solicitud con o si combinación con otros pasos de procedimiento.
En el marco de la proyección de alambre por arco eléctrico se pueden combinar además diferentes materiales entre sí al alimentarse dos o más alambres diferentes. En la actualidad se prefiere un alambre dealuminio y otro alambre de hierro. Los dos elementos forman una llamada pseudoaleación en la capa de proteccióncontra desgaste configurada de este modo. En la capa de protección contra desgaste ya se pueden obtener buenaspropiedades al alimentarse de manera correspondiente los dos alambres, como se prefiere en la actualidad, demodo que se crea una mezcla heterogénea, pero uniforme, por ejemplo, de hierro y aluminio. Alternativamente esposible, por supuesto, una capa sola de hierro o aluminio.
Según la invención, la alimentación de al menos un alambre varía con el tiempo de aplicación de la capa deprotección contra desgaste. De este modo se puede variar la concentración de al menos uno de los elementos participantes con el espesor de la capa de protección contra desgaste que aumenta con el tiempo. Asimismo, seconcentra aluminio en las zonas dirigidas hacia la pieza en bruto de aluminio. Esto compensa ventajosamente elcoeficiente de dilatación térmica respecto al material de base del pistón que es usualmente una aleación dealuminio. De manera complementaria al respecto se concentra hierro en el llamado núcleo o en la superficie de laranura posterior.
De manera complementaria al respecto, el procedimiento según la invención se puede usar ventajosamentepara configurar al menos parcialmente un canal de refrigeración al introducirse una masa separable, por ejemplo,una masa de sal, en la entalladura antes de aplicarse la capa de protección contra desgaste, al aplicarse a continuación la capa de protección contra desgaste y eliminarse finalmente la masa separable, de modo que quedauna cavidad que forma el canal de refrigeración. La capa de protección contra desgaste presenta ventajosamenteuna alta porosidad superficial de hasta 20 por ciento en volumen y, por consiguiente, se puede usar como volumende retención de aceite. Por consiguiente, en el marco del procedimiento según la invención se puede evitar tambiénla inserción costosa de un núcleo de sal en el molde de fundición y sustituir por la introducción más simple de lamasa separable en la entalladura. En relación con esta variante del procedimiento según la invención, el contenidodel documento DE102005047035A1 del solicitante se incorpora por completo al objeto de la presente solicitud.
El objetivo mencionado arriba se consigue además mediante el pistón descrito en la reivindicación 10. En correspondencia con el procedimiento de fabricación descrito antes, éste presenta un material de base, una capa deagente adhesivo, aplicada sobre éste al menos por zonas, con aluminio y una capa de protección contra desgasteaplicada por proyección térmica, a partir de la que al menos la ranura anular superior está formada al menos parcialmente. Las variantes preferidas del pistón según la invención corresponden esencialmente a aquellas formasde realización que se pueden producir mediante las formas de realización descritas antes del procedimiento según lainvención. En la actualidad se prefiere además que la capa de protección contra desgaste presente un espesor dehasta 10 mm.
A continuación se explica detalladamente una forma de realización de la invención representada a modo deejemplo en las figuras. Muestran:
Fig. 1 un corte transversal a través del pistón según la invención antes de aplicarse una capa de proteccióncontra desgaste;
Fig. 2 un corte transversal a través del pistón según la invención al aplicarse una capa de protección contra desgaste;
Fig. 3 un corte transversal a través del pistón según la invención con la capa de protección contra desgasteaplicada; y
Fig. 4 el pistón ya terminado en la zona de la ranura anular superior y de la pared de fuego.
Como se puede observar en la figura 1, la pieza en bruto de pistón 18 representada en la zona derechatiene una entalladura 22 en la zona de la ranura anular superior y de la pared de fuego. A modo de comparación, todas las figuras muestran en la zona izquierda respectivamente un pistón convencional. Debajo de la entalladuradescrita 22, que sirve para configurar la ranura anular superior y la pared de fuego en el caso del pistón según lainvención, están representadas otras ranuras anulares 24.
Como muestra de manera esquemática la figura 2, la entalladura 22 se llena primero casi completamente con una capa de agente adhesivo y a continuación con una capa de protección contra desgaste en el ejemplo derealización mostrado.
En la figura 3 se puede observar la capa de protección contra desgaste que está identificada con el número
16. Por consiguiente, ésta se ha aplicado sobre el material de base 20 de la pieza en bruto de pistón 18 y a partir deesto se puede formar a continuación la ranura anular superior 12 (véase figura 4).
Como se puede observar en la figura 4, los dos flancos de la ranura anular superior 12 se forman en laforma de realización mostrada mediante el material especialmente resistente al desgaste de la capa de proteccióncontra desgaste 16. Además, la capa de protección contra desgaste 16 forma la pared de fuego 14, de modo que sualtura se puede reducir. Esto se observa en una comparación con la zona izquierda de la figura 4.
Claims (14)
- REIVINDICACIONES1. Procedimiento para la fabricación de un pistón (10) para un motor de combustión interna, en el que almenos la zona de la ranura anular superior (12) se entalla al menos parcialmente, a continuación se aplica una capade agente adhesivo con aluminio y después se aplica por proyección térmica una capa de protección contra desgaste (16), aplicándose la capa de protección contra desgaste mediante proyección de alambre por arcoeléctrico, en la que se alimentan dos alambres diferentes, variando la alimentación al menos de un alambre con eltiempo de aplicación de la capa de protección contra desgaste, y concentrándose hierro en el núcleo y aluminio en la zonas dirigidas hacia la pieza en bruto de pistón, y formándose a partir de esto al menos la ranura anular superior(12) al menos parcialmente.
-
- 2.
- Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque además la zona de la pared de fuego (14) seentalla al menos parcialmente y queda terminada después de aplicarse la capa de protección contra desgaste (16).
-
- 3.
- Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque la capa de agente adhesivo presenta además silicio.
-
- 4.
- Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la capa de proteccióncontra desgaste (16) es al menos parcialmente un acero con al menos uno de los siguientes elementos de aleación:carbono con un porcentaje de 0,1 a 1%, cromo, molibdeno, níquel.
-
- 5.
- Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la capa de protección contradesgaste es al menos parcialmente una capa de cobre o níquel, en especial NiCr, o una capa de aluminio de altaaleación.
-
- 6.
- Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en la proyección dealambre por arco eléctrico se alimentan un alambre de aluminio y un alambre de hierro.
-
- 7.
- Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque antes de aplicarse lacapa de protección contra desgaste se introduce en la entalladura una masa separable que se elimina después deaplicarse la capa de protección contra desgaste, de modo que la cavidad creada forma un canal de refrigeración.
-
- 8.
- Pistón (10) para un motor de combustión interna con un material de base (20), una capa de agente adhesivo, aplicada al menos por zonas sobre éste, con aluminio y una capa de protección contra desgaste (16)aplicada por proyección térmica, en la que la concentración al menos de un componente varía con el espesor,concentrándose hierro en el núcleo y aluminio en las zonas dirigidas hacia la pieza en bruto de pistón, y a partir de laque al menos la ranura anular superior (12) se forma al menos parcialmente.
-
- 9.
- Pistón según la reivindicación 8, caracterizado porque además la pared de fuego (14) se forma al menosparcialmente mediante la capa de protección contra desgaste.
-
- 10.
- Pistón según una de las reivindicaciones 8 ó 9, caracterizado porque la capa de agente adhesivo presenta además silicio.
-
- 11.
- Pistón según una de las reivindicaciones 8 a 10, caracterizado porque la capa de protección contradesgaste (16) es al menos parcialmente un acero con al menos uno de los siguientes elementos de aleación: carbono con un porcentaje de 0,1 a 1%, cromo, molibdeno, níquel.
-
- 12.
- Pistón según una de las reivindicaciones 8 a 10, caracterizado porque la capa de protección contradesgaste es al menos parcialmente una capa de cobre o níquel, en especial NiCr o una capa de aluminio de altaaleación.
-
- 13.
- Pistón según una de las reivindicaciones 8 a 12, caracterizado porque la capa de protección contra desgaste presenta un espesor de hasta 10 mm.
-
- 14.
- Pistón según una de las reivindicaciones 8 a 13, caracterizado porque éste presenta además un canal derefrigeración, cuya superficie interior se forma al menos parcialmente mediante la capa de protección contra desgaste (16).
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