ES2711452T3

ES2711452T3 - Método para modificar la superficie de un pistón para un motor de combustión interna, y pistón para motor de combustión interna

Info

Publication number: ES2711452T3
Application number: ES13845632T
Authority: ES
Inventors: Nobuyuki Fujiwara; Yoshio Miyasaka
Original assignee: Fuji Kihan Co Ltd; Art Metal Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Fuji Kihan Co Ltd; Art Metal Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2012-10-09
Filing date: 2013-10-08
Publication date: 2019-05-03
Anticipated expiration: 2033-10-08
Also published as: WO2014057935A1; US20150233320A1; EP2907895A1; CN104736742B; EP2907895B1; JP2014077160A; JP6001989B2; CN104736742A; US9995242B2; EP2907895A4

Abstract

Método para modificar una superficie de un pistón para un motor de combustión interna usando una granalla hecha de una aleación a base de hierro como partícula por expulsar con un diámetro de 20 μm a 200 μm, una conductibilidad térmica de 30 W/m·k o menos a una temperatura de 25 °C y una densidad relativa de 7,5 g/cm3 o más, que incluye: un primer tratamiento de expulsión para expulsar la partícula por expulsar sobre una superficie de un pistón en un espacio en el que hay oxígeno en condiciones en las que se establece un valor de altura de arco en un rango de 0,07 mm (N) a 0,13 mm (N), y donde el pistón está hecho de una aleación de aluminio-silicio o una aleación a base de aluminio-cobre y se obtiene mediante fundición y forja; un segundo tratamiento de expulsión para expulsar la partícula que se va expulsar sobre la superficie del pistón al que se ha aplicado el primer tratamiento de expulsión en un espacio en el que hay oxígeno y en condiciones en las que se establece un valor de altura de arco dentro de un rango de 0,13 mm (N) a 0,22 mm (N); y un tratamiento térmico aplicado posteriormente al pistón durante 1,5 horas o más a una temperatura de 170 °C a 190 °C en un espacio en el que hay oxígeno.

Description

DESCRIPCION

Metodo para modificar la superficie de un piston para un motor de combustion interna, y piston para motor de combustion interna

Campo tecnico

[0001] La presente invencion se refiere a un metodo para modificar una superficie de un piston para un motor de combustion interna en el que no disminuye la fuerza incluso cuando se usa a altas temperaturas y un piston para un motor de combustion interna al que se aplica el metodo para modificar la superficie.

Estado de la tecnica

[0002] Un piston para un motor de combustion interna (de ahora en adelante denominado simplemente "piston" en esta Especificacion) que ejecuta un movimiento alternativo reiteradamente a alta velocidad bajo presion explosiva y condiciones de altas temperaturas. Por tanto, desde el punto de vista de mejorar el consumo de combustible o similar, es necesario que el piston tenga una fuerza elevada y un peso bajo al mismo tiempo.

[0003] En un piston de este tipo, se utilizan una aleacion a base de aluminio-silicio como AC8A para reducir el peso del mismo y granos de cristal finos en el piston del motor de combustion interna, que se granula de forma fina mediante un tratamiento de endurecimiento por precipitacion o similar para mejorar su fuerza. Sin embargo, en un motor de gasolina, por ejemplo, la temperatura de un piston a veces aumenta hasta alcanzar aproximadamente 300 °C y, cuando el piston cuya fuerza ha aumentado mediante el endurecimiento por precipitacion antes mencionado se usa en condiciones de altas temperaturas que superan la temperatura utilizada en el tratamiento de endurecimiento por precipitacion (de aproximadamente 200 °C a 250 °C), los cristales granulados finos formados mediante el endurecimiento por precipitacion se recristalizan y asi los granos de cristal se engrosan, lo que provoca una disminucion considerable de la fuerza del piston.

[0004] Por consiguiente, existe una demanda de un metodo de aumentar la fuerza a altas temperaturas de una aleacion a base de aluminio-silicio que se usa en condiciones de altas temperaturas.

[0005] Aunque los componentes de aleacion aditivos estan siendo reconsiderados como metodo para aumentar la fuerza a altas temperaturas de dicha aleacion basada en aluminio-silicio, por ejemplo anadir una gran cantidad de cobre niquel o similar, que es un componente que aumenta la fuerza a altas temperaturas, aumentara el peso del piston debido a un aumento en la densidad relativa de la aleacion a base de aluminio-silicio. Por lo tanto, aunque es posible aumentar la fuerza, resulta imposible satisfacer el requisito de reduccion de peso.

[0006] Ademas, en el caso de aumentar la fuerza reconsiderando la composicion de los componentes de aleacion, resulta dificil formar componentes de aleacion de grano fino uniforme durante la fundicion. Como resultado de ello, se presenta el problema de que no se mejoran lo suficiente las caracteristicas mecanicas, la calidad es variable y asi sucesivamente. Asimismo, el aumento de la fuerza material causa el deterioro de las propiedades de fundicion y forja y la maleabilidad por un lado, en particular la maleabilidad de corte disminuye considerablemente conforme aumenta la fuerza y, de esta forma, surge el inevitable problema de la compensacion entre aumento de fuerza y disminucion de la maleabilidad.

[0007] Por consiguiente, debido a que el aumento de la fuerza material descrito anteriormente provoca que disminuya la eficiencia de produccion del piston y aumenten los costes de fabricacion, es imposible mejorar simplemente la fuerza.

[0008] Como se ha comentado previamente, cuando se ajusta la cantidad de material de aleacion, dado que es dificil para conseguir al mismo tiempo un aumento de la fuerza a altas temperaturas del piston de motor de combustion interna y una reduccion del peso del mismo sin sacrificar la eficiencia de la produccion y la maleabilidad, tambien se ha propuesto mejorar las caracteristicas mecanicas mediante un tratamiento realizado ex post facto en una pieza de aleacion de aluminio fabricado mediante la etapa de fundicion y forja (de ahora en adelante, designado simplemente como "pieza de aleacion de aluminio") sin modificar el tratamiento llevado a cabo en la etapa de fundicion y forja.

[0009] Como ejemplo de dicho metodo, se ha propuesto un sistema para modificar una superficie de una pieza de aleacion de aluminio aplicando un tratamiento de granallado de compresion a la superficie de la pieza de aleacion de aluminio. Con el metodo propuesto para modificar la superficie, expulsando una mezcla de materiales de granalla y particulas finas, se lleva a cabo un granallado de compresion con particulas finas incluidas entre los materiales de granalla cuando una parte de la superficie de la pieza de aleacion de aluminio se bombardea con los materiales de granalla y, de esta forma, las particulas finas descritas anteriormente se incrustan de forma dispersa en la parte de superficie de la pieza de aleacion de aluminio (ver Reivindicacion 1 del Documento de patente 1). Con este metodo, se mejoran la resistencia a la abrasion y a la corrosion debido a las propiedades inherentes de las particulas finas que se introducen mediante granallado descritas anteriormente y, de esta forma, se aumenta la fiabilidad de la fuerza de la pieza de aleacion de aluminio (ver Parrafo [0017] del Documento de patente 1).

[0010] Ademas, segun otro metodo propuesto, en una superficie de un piston hecho con una aleacion a base de aluminio-silicio y obtenido mediante fundicion y forja, las particulas por expulsar con diametros de 20 pm a 400 pm y que contienen un elemento de refuerzo como Fe, Mn, Zn, Ti, C, Si, Ni, Cr, W, Cu, Sn, Zr. o similares que aumenten la fuerza de la aleacion difundiendose y penetrando en la aleacion que constituye el piston, se expulsan y se hace que choquen contra la superficie a una velocidad de expulsion de 80 m/s o mas o a una presion de expulsion de 0,3 MPa o mas; y como resultado de la colision con las particulas por expulsar, se eliminan los oxidos de las partes defectuosas de la superficie generadas en la superficie del piston debido a la fundicion y la forja, se reparan los defectos de la superficie generados en la superficie, los elementos de aleacion de la aleacion del piston se granulan finos cerca de la superficie del piston, el elemento de refuerzo contenido en las particulas por expulsar se difunde y penetra en la proximidad de la superficie del piston y, de esta forma, una capa modificada con una estructura metalica granulada fina uniformemente que contiene el elemento de aleacion y el elemento de refuerzo contenido en las particulas por expulsar se forma en la superficie del piston (ver Documento de patente 2).

Documentos de la tecnica relacionada

Documentos de patente

[0011]

Documento de patente 1: Solicitud de patente japonesa no examinada n.° H05-86443

Documento de patente 1: Solicitud de patente japonesa no examinada n.° 2008-51091 Patentes correspondientes: Patente de Estados Unidos n.° 7,767,033 y 8,231,741

Divulgacion de la invencion

Problema que la invencion pretende resolver

[0012] Cuando los metodos para modificar la superficie descrita en los Documentos de patente 1 y 2 se emplean para aumentar la fuerza mecanica de un piston, estas modificaciones de la superficie se aplican al piston despues de una etapa de fundicion y/o forja, de esta forma, se pueden mejorar la fundicion y la forja del piston utilizando un metodo convencional. Como resultado de ello, se eliminan los problemas anteriormente descritos provocados por cambios en los componentes de aleacion.

[0013] Sin embargo, con el metodo descrito en el Documento de patente 1, tal y como se ha descrito previamente, las particulas finas se "incrustan" de forma dispersa en la parte de superficie de la pieza de aleacion de aluminio, y la fiabilidad de la fuerza de la pieza de aleacion de aluminio se incrementa al aumentar la resistencia a la abrasion y la corrosion mediante las propiedades inherentes de las particulas finas que se incrustan de esta forma, con el objetivo de llevar a cabo dicha "incrustacion", se ejecuta un granallado de compresion mezclando las particulas finas por incrustar en los materiales de granalla con un diametro superior a estas particulas finas (ver Parrafo [0040] del Documento de patente 1).

[0014] Por consiguiente, cuando se utilice el metodo descrito en el Documento de patente 1, las particulas finas descritas anteriormente simplemente se "incrustan" en la parte de superficie de la pieza de aleacion de aluminio y las particulas finas no forman enlaces fuertes con la pieza de aleacion de aluminio, por lo tanto, las particulas finas tienden a despegarse y caerse de la parte de superficie y, una vez las particulas finas se despegan y se caen, no se pueden mejorar las caracteristicas mecanicas debidas a las propiedades inherentes a las particulas finas.

[0015] Ademas, el Documento de patente 1 tambien divulga un metodo para difundir las particulas finas incrustadas en la superficie de la pieza de aleacion de aluminio en la superficie de la pieza de aleacion de aluminio. Sin embargo, para difundir las particulas finas de esta manera, es necesario aplicar ademas un tratamiento termico o similar a la pieza de aleacion de aluminio despues de incrustar las particulas finas (Reivindicacion 3, parrafos [0038] y [0039] y similares). De esta forma, el tiempo y los costes del tratamiento aumentan debido al mayor numero de pasos.

[0016] Asimismo, cuando se lleva a cabo el tratamiento termico tal y como se ha descrito anteriormente, el tamano de la pieza de aleacion de aluminio puede cambiar o, en algunos casos, se puede producir una deformacion y, por tanto, se deben controlar estrictamente las condiciones de tratamiento dificiles del tratamiento termico, como la temperatura y el tiempo de tratamiento.

[0017] Notese que, debido a que un defecto de superficie infimo, tal como una junta fria en el piston, provoca fragilizacion en la entalladura o similar, la reparacion del defecto de superficie es un factor importante para aumentar la fuerza. Sin embargo, en el metodo descrito en el Documento de patente 1 no se proporciona ningun mecanismo para reparar dicho defecto en la superficie y, de hecho, se preve que la incrustacion de particulas finas de metal en la pieza de aleacion de aluminio tal como se ha descrito anteriormente sea una causa de fragilizacion en la entalladura.

[0018] Ademas, aunque el granulado fino y uniforme de los elementos de aleacion contribuye a mejorar las caracteristicas mecanicas del piston y conseguir una calidad uniforme, la invencion descrita en el Documento de patente 1 no divulga ni sugiere medios para realizarlo.

[0019] Por lo tanto, cuando se intentan obtener elementos de aleacion de grano fino y uniforme, es necesario realizarlo en las etapas implicadas en la fase de fundicion o de forma simultanea al tratamiento termico llevado a cabo para difundir las particulas finas incrustadas en la superficie de la pieza de aleacion de aluminio en la superficie de la pieza de aleacion de aluminio y, de esta forma, el numero de etapas aumenta y se debe llevar un estricto control de la temperatura o similar durante el tratamiento termico.

[0020] Por otro lado, con el metodo descrito en el Documento de patente 2, no solo es posible aprovechar directamente la ventaja de la invencion descrita en el Documento de patente 1, es decir, se puede mejorar facilmente la fuerza mecanica del piston a un bajo coste sin que ello afecte a la eficiencia de produccion, como las propiedades de fundicion y forja o la maleabilidad haciendo que las particulas expulsadas choquen con una superficie de un piston obtenido mediante fundicion y forja, sino que tambien es posible formar una capa de superficie modificada fuerte e integrada en la superficie del piston sin tener que realizar un tratamiento termico independiente o similar, y en combinacion con ello, es asimismo posible llevar a cabo tratamientos para reparar un defecto de superficie infimo como una junta fria, asi como tratamientos para formar elementos de aleacion de grano fino y uniforme en la proximidad de la superficie del piston o similar.

[0021] Sin embargo, incluso en el caso de que se forme una capa de superficie modificada en un piston de motor de combustion interna utilizando el metodo divulgado por el Documento de patente 2 descrito previamente, se observo un cierto grado de disminucion de la fuerza cuando se utilizo en condiciones de altas temperaturas y fue imposible mantener completamente la fuerza conseguida inmediatamente despues del granallado.

[0022] Por lo tanto, la presente invencion ha sido concebida para resolver los problemas de la tecnica relacionada anteriormente descrita y un objeto del mismo es proporcionar un metodo para modificar una superficie de un piston para un motor de combustion interna y el piston para el motor de combustion interna con una superficie modificada obtenida aplicando el metodo, con el cual la fuerza del piston no disminuye, incluso cuando se usa en condiciones de altas temperaturas despues de realizar un tratamiento para modificar la superficie del piston.

Medios para resolver los problemas

[0023] Para conseguir el objetivo anterior, un metodo para modificar una superficie de un piston para un motor de combustion interna segun la presente invencion utilizando granalla hecha de una aleacion a base de hierro como particula por expulsar, con un diametro de 20 pm a 200 pm, una conductividad termica de 30 W/mk o menos a una temperatura de 25 °C y una densidad relativa de 7,5 g/cm3 o mas incluye:

un primer tratamiento de expulsion para expulsar la particula por expulsar sobre una superficie de un piston en un espacio donde hay oxigeno bajo condiciones en las que se establece un valor de altura de arco en un rango de 0,07 mm (N) a 0,13 mm (N) (en el Ejemplo 0,10 mm (N)), y donde el piston esta hecho a partir de una aleacion a base de aluminio-silicio o una aleacion a base de aluminio-cobre como A2618 y obtenido mediante fundicion y forja;

un segundo tratamiento de expulsion para expulsar la particula por expulsar sobre la superficie del piston al se ha aplicado el primer tratamiento de expulsion, en un espacio donde hay oxigeno bajo condiciones en las que se establece un valor de altura de arco en un rango de 0,13 mm (N) a 0,22 mm (N) (en el Ejemplo, 0,20 mm (N)); y

un tratamiento termico para aplicar calor al piston posteriormente durante 1,5 horas o mas a una temperatura de 170 °C a 190 °C en un espacio en el que hay oxigeno.

[0024] En el metodo anterior para modificar la superficie del piston, es preferible que la particula por expulsar se expulse de forma que una cobertura total en la primera y segunda expulsion sea del 200 % al 500 % (en el Ejemplo 300 %). En este caso, el primer tratamiento de expulsion se puede realizar de modo que la cobertura se encuentre dentro de un rango del 100 % al 200 % (en el Ejemplo 100%) y el segundo tratamiento de expulsion se puede realizar de modo que la cobertura se encuentre dentro de un rango del 100 % al 300 % (en el Ejemplo 200 %).

[0025] Ademas, en el metodo anterior para modificar la superficie del piston, la particula por expulsar puede estar hecha de acero de corte rapido o acero inoxidable.

[0026] Ademas, un piston para un motor de combustion interna segun la presente invencion incluye una capa de superficie modificada que contiene un oxido de limite de grano constituido por un oxido estable de una aleacion a base de aluminio-hierro en limites de grano de aluminio de grano fino y/o aleacion a base de aluminio y la capa de superficie modificada se forma en un rango de 3 pm a 30 pm en profundidad desde una superficie exterior en una parte de la superficie modificada de un piston hecho de una aleacion de aluminio-silicio o una aleacion a base de aluminio-cobre.

Efectos de la invencion

[0027] Con el metodo anteriormente descrito, mediante la realizacion de un tratamiento de refuerzo de superficie que forma una capa de superficie modificada con una estructura donde los oxidos de limite de grano obtenidos a traves de la oxidacion de aleacion de aluminio y un material a base de hierro contenido en las particulas por expulsar estan presentes en los limites de grano de aluminio de grano fino y/o a base de aleacion de aluminio en una zona de aproximadamente 3 pm a 30 pm desde la superficie exterior, con un piston despues de llevar a cabo el tratamiento de refuerzo de superficie, se pudo obtener un piston cuya dureza superficial no disminuye incluso cuando se usa en condiciones de altas temperaturas (por ejemplo 350 °C) que exceden la temperatura en la que se realiza el tratamiento de endurecimiento por precipitacion (por ejemplo de 200 °C a 250 °C).

[0028] Aunque la razon por la que se evito la disminucion de la dureza cuando se uso en dichas condiciones de altas temperaturas no esta necesariamente clara, con la capa de superficie modificada formada utilizando el metodo anteriormente descrito es probable que los oxidos de limite de grano que son oxidos estables de la aleacion a base de aluminio-hierro y estan presentes en los limites de grano de aluminio de grano fino y/o a base de aleacion de aluminio inhiben la recristalizacion de los granos de cristal del aluminio y/o la aleacion a base de aluminio cuando se someten a altas temperaturas, evitando asi que la dureza disminuya a causa del engrosamiento de los granos de cristal.

Breve descripcion de los dibujos

[0029]

La Fig. 1 es una imagen de microscopio electronico que muestra una seccion transversal tomada en una parte de la superficie de un piston segun el Ejemplo;

La Fig. 2 es una imagen de microscopio electronico que muestra una seccion transversal tomada en una parte de la capa de superficie modificada del piston segun el Ejemplo;

Las Figuras 3 son graficos que muestran los resultados del analisis de los componentes (incluyendo la concentracion de oxigeno) para el Ejemplo, donde la Fig. 3A muestra los resultados del analisis de una parte de "Analisis 1" en la Fig. 2 y la Fig. 3B muestra los del analisis de una parte de "Analisis 2" en la Fig. 2;

La Fig. 4 es un diagrama esquematico que muestra una distribucion de oxidos de limite de grano en la imagen de microscopio electronico de la Fig. 2;

La Fig. 5 es una imagen de microscopio electronico que muestra una seccion transversal tomada en la parte de la superficie del piston segun el Ejemplo despues de someterla a un calentamiento durante 100 horas a 350 °C;

La Fig. 6 es un grafico que muestra los cambios en la dureza de los pistones segun el Ejemplo y el Ejemplo comparativo 5 antes y despues del calentamiento (100 horas a 350 °C); y

Las Figuras 7 son graficos que muestran los resultados del analisis de componentes (incluyendo la concentracion de oxigeno) en los Ejemplos comparativos, donde la Fig. 7A muestra los resultados de los analisis del Ejemplo comparativo 1, la Fig. 7B muestra los resultados de los analisis del Ejemplo comparativo 2 y la Fig. 7C muestra los resultados de los analisis del Ejemplo comparativo 4.

Mejor modo de realizacion de la invencion

[0030] A continuacion, se describe una forma de realizacion de la presente invencion.

Metodo para el tratamiento de superficie

Objeto que va a ser tratado (piston para motor de combustion interna)

[0031] Un piston usado como objeto por tratar en la presente invencion no es particularmente limitado, siempre y cuando sea para un motor de combustion interna, y puede ser para un motor de gasolina, para un motor diesel o para cualquier otro motor.

[0032] El material del piston usado como objeto por tratar es una aleacion a base de aluminio-silicio o un material constituido por, por ejemplo, una aleacion de cobre-aluminio como A2618 o similares, y el piston como objeto por tratar se obtiene mediante fundicion y forja.

[0033] Con el piston anteriormente mencionado, aunque se puede utilizar toda la superficie del mismo como objeto por tratar, no se requiere usar necesariamente toda la superficie del piston como objeto por tratar y es posible aplicar el tratamiento del metodo segun la presente invencion a una parte de la superficie del piston.

[0034] Notese que, en el caso en el que el tratamiento segun el metodo de la presente invencion se aplica a una parte de la superficie del piston, es preferible que el tratamiento de superficie segun el metodo de la presente invencion se aplique a una o a una pluralidad de las siguientes partes.

• Una parte en la que se ha generado un defecto como una junta fria en una superficie durante la fundicion.

• Una parte en la que se requiere fuerza debido a la alta tension.

• Una parte en la que se requiere una reduccion del peso.

• Una superficie en la que se expone una superficie de fundicion en un producto fabricado.

• Una parte en la que se requiere resistencia a la abrasion y al calor.

Particulas por expulsar

[0035] Las particulas por expulsar estan hechas de una aleacion a base de hierro y tienen un diametro de 20 pm a 200 pm, una conductibilidad termica de 30 W/(mK) o menos a una temperatura de 25 °C y una densidad relativa de 7,5 g/cm3 o mas.

[0036] En este caso, como se describira mas adelante, para generar oxidos de limite de grano constituidos por oxidos de una aleacion a base de aluminio-hierro en limites de grano finos de aluminio de grano fino y/o de aleacion a base de aluminio en la proximidad de una superficie del piston, es necesario hacer que el componente de hierro (Fe) de las particulas por expulsar se difunda y penetre y que ademas genere el calor requerido para la oxidacion y, por tanto, es necesario hacer que las particulas por expulsar choquen con la superficie del piston con una energia alta.

[0037] El diametro, la conductibilidad termica y la densidad relativa de las particulas por expulsar anteriormente mencionadas son condiciones necesarias para obtener la energia de choque y la generacion de calor previamente mencionadas. Cuando el diametro de las particulas por expulsar es inferior a 20 pm, resulta imposible obtener la energia de choque aunque se usen las particulas por expulsar que se encuentran comprendidas dentro del rango de densidad relativa anteriormente descrito. Por otro lado, si el diametro de las particulas por expulsar excede 200 pm, aunque la energia de choque general aumente, la energia se dispersa porque el area de choque es mayor y, por consiguiente, resulta imposible hacer que los componentes de las particulas por expulsar se difundan y penetren en la superficie del piston y, asimismo, resulta imposible obtener un aumento de temperatura necesario porque no se produce una generacion de calor localizada.

[0038] Por anadidura, al usar particulas por expulsar hechas de un material con una conductibilidad termica relativamente baja, es decir, una conductibilidad termica de 30 W/(mK) o menos a una temperatura de 25 °C, el calor generado durante el choque se concentra localmente, permitiendo asi que se genere calor a un nivel requerido para generar oxidos de limite de grano.

[0039] Los ejemplos de metales a base de hierro que tengan la conductibilidad termica y la densidad relativa anteriormente descritos incluyen el acero de corte rapido y el acero inoxidable.

Condiciones para la expulsion

[0040] Las particulas por expulsar descritas anteriormente se expulsan en la superficie del piston anteriormente mencionado usado como objeto por tratar en dos etapas, es decir, una primera expulsion en la que se establece un valor de altura de arco de 0,07 mm (N) a 0,13 mm (N) y una segunda expulsion en la que se establece un valor de altura de arco de 0,13 mm (N) a 0,22 mm (N).

[0041] La razon por la que las particulas por expulsar se expulsan en dos etapas usando valores de altura de arco diferentes es que, debido a que el estado de la superficie exterior de los pistones es variable en los pistones fabricados mediante fundicion y forja a causa de los oxidos, sopladuras, pliegues o similares que se originan durante la fabricacion, es posible formar una capa de superficie modificada uniforme en una superficie del piston procesada si se logra uniformidad en una parte de la superficie exterior del piston en la primera etapa de expulsion en la que el valor de altura de arco se establece relativamente bajo y, posteriormente, se hace que las particulas por expulsar choquen en la segunda etapa de expulsion en la que se aumenta el valor de altura de arco.

[0042] Si se lleva a cabo la expulsion de las particulas por expulsar como se ha descrito anteriormente, es preferible que la expulsion se realice de forma que se consiga una cobertura total (el porcentaje del area de la superficie del piston cubierta por abolladuras) del 200 al 500 % entre las dos etapas de expulsion, es decir, la primera etapa de expulsion y la segunda etapa de expulsion y es todavia mas preferible que, como en el caso de los valores de altura de arco, la cobertura en la primera etapa de expulsion se establezca mas baja que la cobertura en la segunda etapa de expulsion.

[0043] Los rangos de cobertura adecuados en las respectivas etapas son del 100 % al 200 % para la cobertura en la primera etapa de expulsion y del 100 % al 300 % para la cobertura en la segunda etapa de expulsion.

[0044] Como equipo para expulsar las particulas por expulsar como se ha descrito anteriormente, se pueden utilizar varios tipos de equipos de granallado o de granallado de compresion conocidos y, como equipo para expulsar, se puede utilizar una unidad que se sirva de un metodo de presion directa, un metodo de succion o cualquier otro metodo de expulsion.

[0045] Con el choque de las particulas por expulsar en la superficie del piston, con el objetivo de generar oxidos de limite de grano mediante la oxidacion de la aleacion a base de aluminio-silicio y la aleacion a base de hierro como se ha descrito anteriormente, se hace que las particulas por expulsar choquen con la superficie en un espacio en el que hay oxigeno, por ejemplo en el aire y, por lo tanto, es preferible que se use aire comprimido tambien como fluido de aceleracion para la expulsion.

Tratamiento termico

[0046] Cuando se complete la expulsion en dos etapas de las particulas por expulsar como se ha descrito anteriormente, el piston, como objeto por tratar, se calienta en la atmosfera durante 1,5 horas o mas a una temperatura de 170 °C a 190 °C.

[0047] La generacion de calor provocada por el choque de las particulas por expulsar es una generacion localizada porque ocurre en las zonas en las que particulas por expulsar diminutas han chocado con la superficie del piston, y no se producen oxidos estables porque la generacion de calor y el enfriamiento se repiten rapidamente en un periodo de tiempo corto debido al choque de las particulas por expulsar, lo que resulta en una forma oxidada incompleta con una estructura con un deficit de oxigeno en la que la cantidad de oxigeno que enlaza con los oxidos estables es baja y, por tanto, la estructura con deficit de oxigeno tiende a ser mas predominante, especialmente desde la superficie hacia dentro (ver Parrafo [0120] del Documento de patente 2).

[0048] Por esta razon, despues de finalizar la expulsion de las particulas por expulsar anteriormente descrita, se lleva a cabo un calentamiento en la atmosfera para facilitar la oxidacion de la aleacion a base de aluminio-hierro y, de esta forma, se obtienen oxidos estables.

[0049] Notese que se forman granos de cristal gruesos y las dimensiones del producto cambian cuando se lleva a cabo un calentamiento a alta temperatura antes de que se formen oxidos de limite de grano en un estado oxidado estable. Por otro lado, no se puede promover la oxidacion cuando la temperatura este demasiado baja o el tiempo de calentamiento sea demasiado corto, por consiguiente, el tratamiento termico se realiza durante 1,5 horas o mas a una temperatura de 170 °C a 190 °C.

Funciones

[0050] Cuando las particulas metalicas hechas de una aleacion a base de hierro y con un diametro de 20 pm a 200 pm, una conductibilidad termica de 30 W/(mK) o menos a una temperatura de 25 °C y una densidad relativa de 7,5 g/cm3 o mas se expulsaron en dos etapas de modo que el valor de altura de arco alcanzase los valores anteriormente mencionados y, cuando posteriormente se llevo a cabo el tratamiento termico durante 1,5 horas o mas a una temperatura de 170 °C a 190 °C, tal y como se ha descrito anteriormente, se formo en la superficie del piston hecho de la aleacion a base de aluminio-silicio la capa de superficie modificada provista de los oxidos de limite de grano constituidos por oxidos de la aleacion a base de aluminio-hierro en los limites de grano del aluminio de grano fino y/o de la aleacion a base de aluminio.

[0051] Al llevar a cabo la realizacion de la modificacion de superficie mediante el metodo segun la presente invencion, con el piston hecho de aleacion a base de aluminio-silicio despues de que se le aplique el tratamiento de modificacion de superficie, se observaron excelentes propiedades de altas temperaturas en las que no se producia disminucion de la dureza incluso despues de calentar durante 100 horas a una temperatura de 350 °C, que excede la temperatura a la que se realiza el tratamiento de endurecimiento por precipitacion de la aleacion a base de aluminio-silicio, es decir, de 200 °C a 250 °C.

[0052] Aunque la razon por la que la dureza superficial del piston no disminuye incluso cuando se encuentra en condiciones de altas temperaturas, como se ha descrito anteriormente, no esta necesariamente clara, con la capa de superficie modificada formada en la superficie del piston al que se ha aplicado el tratamiento de modificacion de superficie usando el metodo segun la presente invencion, es posible ya que se evito el engrosamiento de los granos de cristal en la capa de superficie modificada gracias a la presencia de los oxidos de limite de grano anteriormente mencionados en los Hmites de grano de aluminio y/o aleacion a base de aluminio, incluso cuando se aplico un calentamiento a una temperatura relativamente alta, es dedr, de 350 °C.

[0053] Concretamente, los oxidos metalicos se encuentran en un estado estable en comparacion con un metal no oxidado, y un metal oxidado tiene una mayor dureza y un mayor punto de fusion en comparacion con un metal no oxidado.

[0054] Por esta razon, es posible que, al formar los oxidos de limite de grano constituidos por los oxidos de la aleacion a base de aluminio-hierro, que son sustancias estables en los limites de grano de aluminio en los que se ha formado previamente una estructura microcristalina, aunque el engrosamiento de los granos de cristal de aluminio se facilite con el calentamiento, se previene dicho engrosamiento mediante la presencia de los oxidos de limite de grano estables, como resultado de lo cual la capa de superficie modificada retiene la estructura microcristalina incluso despues del calentamiento.

[0055] En consecuencia, con el piston al que se ha aplicado el tratamiento de modificacion de superficie segun el metodo segun la presente invencion, no disminuye la dureza incluso cuando se usa en condiciones de altas temperaturas.

Ejemplos

[0056] A continuacion, se describiran ejemplos experimentales relacionados con el tratamiento de modificacion de superficie utilizando el metodo segun la presente invencion.

(1) Prueba para confirmar las condiciones de la modificacion de superficie

[0057] Con pistones para un automovil de motor de gasolina hecho de una aleacion a base de aluminio-silicio (AC8A) y a la que se ha aplicado el tratamiento de endurecimiento por precipitacion, se llevo a cabo un tratamiento de superficie en una parte del borde de los pistones bajo las condiciones mostradas en la Tabla 1 mas abajo y despues se observaron tambien las estructuras de los pistones tratados en la proximidad de su superficie; asimismo, se verificaron los cambios en la dureza de la superficie del piston despues de un calentamiento durante 100 horas a una temperatura de 350 °C en la atmosfera. Los resultados se muestran en la Tabla 2.

Tabla 2

Confirmacion de los resultados de la capa de superficie modificada y la prueba de calentamiento

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[0058] De los pistones a los que se aplico el tratamiento de modificacion de superficie en las condiciones de tratamiento anteriormente descritas, la Fig. 1 muestra una imagen de microscopio electronico de una seccion transversal tomada a una parte de la superficie del piston a la que se habia aplicado el tratamiento de modificacion de superficie en las condiciones descritas para el Ejemplo, y la Fig. 2 muestra una imagen aumentada de una parte de la capa de superficie modificada.

[0059] Ademas, la Fig. 3A y la Fig. 3B respectivamente muestran resultados del analisis de componentes para las partes indicadas como "Analisis 1" y "Analisis 2" en la imagen de microscopio electronico (imagen aumentada) mostrada en la Fig. 2, y la Fig. 4 presenta un diagrama que muestra esquematicamente una distribucion de los oxidos de limite de grano conforme a los resultados del analisis de componentes.

[0060] Como evidencia la Fig. 1, con el piston al que se habia aplicado el tratamiento de modificacion de superficie usando el metodo segun la presente invencion (Ejemplo) se confirmo la formacion de la capa de superficie modificada con estructura cristalina fino en una region de la superficie exterior a una profundidad de aproximadamente 30 pm.

[0061] Con respecto a las estructuras de las partes individuales en la capa de superficie modificada, el componente de aluminio fue practicamente el unico componente confirmado en la parte indicada como "Analisis 2" en la Fig. 2. Por otro lado, ademas del aluminio (Al), se confirmo la presencia de hierro (Fe) y una cantidad relativamente alta de oxigeno (O) en la parte indicada como "Analisis 1", que esta presente entre los granos de cristal de la parte en la que se detecto el componente de aluminio y otros granos de cristal, y se confirmo que esta parte se formo a partir de oxidos de una aleacion a base de aluminio-hierro.

[0062] En la Fig. 4, las partes en las que estan presentes los oxidos de aleacion a base de aluminio-hierro se indican mediante el sombreado de acuerdo con los resultados de este analisis de componentes, y resulta evidente que estos oxidos (designados como "oxidos de limite de grano" en la presente invencion) estan presentes en una region relativamente amplia en las partes en las que los limites de grano de la aleacion de aluminio y/o a base de aluminio se dan en la capa de superficie modificada.

[0063] De esta forma, en la capa de superficie modificada que tiene la estructura en la que los oxidos con limite de grano, que son los oxidos de la aleacion a base de aluminio-hierro, estan presentes en los limites de grano de la aleacion aluminio y/o a base de aluminio como se ha descrito anteriormente, no se observo una disminucion de la dureza superficial incluso en el caso en el que el tratamiento termico se realizo durante 100 horas a 350 °C despues de llevar a cabo el tratamiento de modificacion de superficie (Fig. 6).

[0064] En cambio, con el piston al que se habia aplicado el tratamiento termico de endurecimiento por precipitacion sin tratamientos adicionales (Ejemplo comparativo 5), la dureza del piston disminuyo considerablemente cuando se sometio a calor durante 100 horas a 350 °C (ver Fig. 6).

[0065] Ademas, en el caso del Ejemplo comparativo 1, donde se usaron particulas por expulsar con una conductibilidad termica de 48 (W/mK), que era superior al rango de la presente invencion, y una densidad relativa de 7,28 (g/cm3) que era inferior al rango de la presente invencion, aunque era posible confirmar la formacion de la capa de superficie modificada y la presencia de oxidos de Hmite de grano, la distribucion de los oxidos de Kmite de grano fue menor en comparacion con el caso del Ejemplo, y la concentracion de ox^geno que se detecto en los oxidos de limite de grano fue inferior a la del caso del Ejemplo (Fig. 7A).

[0066] Asimismo, en el Ejemplo comparativo 2, donde la conductibilidad termica de las particulas por expulsar era de 31 W/mK, lo que excedia ligeramente el rango predeterminado de la presente invencion, aunque se confirmo la presencia de oxidos de limite de grano en la capa de superficie modificada, la concentracion de oxigeno en los oxidos de limite de grano fue ligeramente inferior al caso del Ejemplo (Fig. 7B) y se confirmo una ligera disminucion de la dureza superficial despues del calentamiento durante 100 horas a 350 °C.

[0067] Por anadidura, incluso en el caso en el que se usaron particulas por expulsar conformes a las condiciones de la presente invencion, en el Ejemplo comparativo 4, en el que se omitio el tratamiento termico despues de expulsar las particulas por expulsar, aunque se confirmo la presencia de oxidos de limite de grano, la concentracion de oxigeno fue inferior a la de los Ejemplos comparativos 1 y 2, y el rendimiento en la fase inicial del experimento fue ligeramente inferior (Fig. 7C). Sin embargo, despues calentar durante 100 horas a 350 °C, los resultados fueron casi identicos a los del caso en el que no se habia omitido el tratamiento termico.

[0068] La razon por la que se lleva a cabo el tratamiento termico es prevenir deterioro debido a las influencias criticas en la fuerza, resistencia a la abrasion o similares en la superficie exterior, porque en la fase inicial de funcionamiento del motor no se consigue un rendimiento satisfactorio.

[0069] Notese que, en el Ejemplo comparativo 3, aunque tanto las particulas por expulsar como las condiciones de calentamiento satisfacen las condiciones predeterminadas de la presente invencion, las particulas por expulsar se expulsan en una etapa sin que se divida el proceso en dos etapas, los oxidos de limite de grano se formaron en la capa de superficie modificada, la concentracion de oxigeno de los oxidos de limite de grano formados tambien equivalia a la del Ejemplo y ademas, no se confirmo una clara disminucion de la dureza incluso despues de un calentamiento durante 100 horas a 350 °C.

[0070] Sin embargo, en el piston al que se aplico el tratamiento de modificacion de superficie usando el metodo segun el Ejemplo comparativo 3 no se eliminaron completamente las sopladuras y los pliegues generados durante la fundicion y la forja y permanecieron en la superficie incluso despues del tratamiento de modificacion de superficie y, por tanto, existe un riesgo de fragilizacion en la entalladura provocado por dichas sopladuras y pliegues.

[0071] Notese que la Fig. 5 es una imagen de microscopio electronico que muestra una seccion transversal tomada en proximidad de la superficie despues de que el piston, al que se habia aplicado el tratamiento de modificacion de superficie en las condiciones segun el Ejemplo, fuera calentado durante 100 horas a 350 °C.

[0072] Como evidencia la Fig. 5, en la capa de superficie modificada formada en la region de la superficie exterior a 30 pm (aproximadamente 10 pm en la Fig. 5), la estructura microcristalina se retuvo incluso despues del calentamiento.

[0073] Por otro lado, en las partes por debajo de la capa de superficie modificada y mas cercanas al material de base, resulta evidente que los granos de cristal son mas gruesos si se comparan con los del piston antes de haber sido calentado durante 100 horas a 350 °C (ver Fig. 1) y, esta claro que, en una estructura en la que el granulado fino unicamente se ha llevado a cabo mediante el tratamiento termico de endurecimiento por precipitacion y no se han generado los oxidos de limite de grano en los limites de grano, cuando se calienta durante 100 horas a 350 °C, se produce un engrosamiento de los granos de cristal.

[0074] De los resultados anteriores se puede concluir que la presencia de los oxidos de limite de grano presentes en la capa de superficie modificada previene el engrosamiento de los granos de cristal en el piston sometido a condiciones de altas temperaturas y retiene la estructura microcristalina, evitando asi la disminucion de la dureza.

[0075] Asimismo, la concentracion de oxigeno de dichos oxidos de limite de grano es alta y, por lo tanto, se entiende que la capacidad de prevenir la disminucion de la dureza despues de la exposicion a condiciones de altas temperaturas se incrementa con un aumento de la estabilidad del estado oxidado.

[0076] De este modo, al obtener los oxidos de limite de grano en tal estado de oxidacion estable, se confirmo que resulta eficaz expulsar las particulas por expulsar mediante las dos etapas de expulsion usando particulas por expulsar que se encuentren dentro de los rangos valor definidos por la presente invencion, y tambien llevar a cabo un tratamiento termico durante 1,5 horas o mas a una temperatura de 170 °C a 190 °C despues de expulsar las particulas por expulsar.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Metodo para modificar una superficie de un piston para un motor de combustion interna usando una granalla hecha de una aleacion a base de hierro como particula por expulsar con un diametro de 20 pm a 200 pm, una conductibilidad termica de 30 W/mk o menos a una temperatura de 25 °C y una densidad relativa de 7,5 g/cm3 o mas, que incluye:

un primer tratamiento de expulsion para expulsar la particula por expulsar sobre una superficie de un piston en un espacio en el que hay oxigeno en condiciones en las que se establece un valor de altura de arco en un rango de 0,07 mm (N) a 0,13 mm (N), y donde el piston esta hecho de una aleacion de aluminio-silicio o una aleacion a base de aluminio-cobre y se obtiene mediante fundicion y forja; un segundo tratamiento de expulsion para expulsar la particula que se va expulsar sobre la superficie del piston al que se ha aplicado el primer tratamiento de expulsion en un espacio en el que hay oxigeno y en condiciones en las que se establece un valor de altura de arco dentro de un rango de 0,13 mm (N) a 0,22 mm (N); y

un tratamiento termico aplicado posteriormente al piston durante 1,5 horas o mas a una temperatura de 170 °C a 190 °C en un espacio en el que hay oxigeno.

2. Metodo para modificar la superficie del piston para el motor de combustion interna segun la Reivindicacion 1, donde la particula se expulsa de forma que una cobertura total en el primer tratamiento de expulsion y el segundo tratamiento de expulsion es del 200 % al 500 %.

3. Metodo para modificar la superficie del piston para el motor de combustion interna segun la Reivindicacion 2, donde el primer tratamiento de expulsion se lleva a cabo de forma que una cobertura se encuentre dentro de un rango del 100 % al 200%, y el segundo tratamiento de expulsion se lleva a cabo de forma que una cobertura se encuentre dentro de un rango del 100 % al 300 %.

4. Metodo para modificar la superficie del piston para el motor de combustion interna segun cualquiera de las Reivindicaciones 1 a 3, donde la particula por expulsar esta hecha de acero de corte rapido o acero inoxidable.

5. Piston para un motor de combustion interna, donde la superficie del piston se ha modificado mediante un metodo segun una de las reivindicaciones 1 a 4, que incluye:

una capa de superficie modificada que contiene un oxido de limite de grano constituido por un oxido estable de una aleacion a base de aluminio-hierro en limites de grano de aluminio de grano fino y/o aleacion a base de aluminio y donde la capa de superficie modificada se ha formado dentro de un rango de 3 pm a 30 pm de profundidad a partir de una superficie exterior en una parte de la superficie modificada de un piston para un motor de combustion interna hecho de una aleacion de aluminio-silicio o una aleacion a base de aluminio-cobre.