IT8224766A1 - Procedimento di trattamento superficiale di anelli metallici - Google Patents
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Description
" PROCEDIMENTO DI TRATTAMENTO SUPERFICIALE DI ANELLI METALLICI"
RIASSUNTO?
Un anello metallico avente sezione trasversale generalmente rettangolare ha la sua superficie radialmente esterna e le sue superfici later-ali trattate essendo accatastato con i suoi lati a contatto con altri anelli in una camera. L'aria esclusa dalla camera e nella camera ? alimentata una miscela gassosa di un gas di carburazione e un gas contenente azoto ad una temperatura tra 450?C e 650?C. Le proporzioni in volume) dei gas sono tra 25:75 e 75:25* La miscela nitrocenenta sia la superficie esterna radialmente degli anelli accatastati sia i lati dell'anello? Se gii anelli sono lavorati a macchina per la finitura prima del trattamento, essi sono pronti per l'impiegononappena sono rimossi dalla camera. Il trattamento di nitrocementazione riduce l'usura sulle superfici trattate. Gli anelli sono usati come anelli per pistoni oppure anelli per chiusura a tenuta.
DESCRIZIONE
La presente invenzione riguarda la nitrocarburazione di anelli metallici?di sezione trasversale generalmente rettangolare per l'impiego come anelli per pistoni (qui detti talora convenzionalmente stantuffi), o anelli per chiusura a tenuta formando una catasta di anelli a contatto cor anelli adiacenti e nitrocarburando poi gli anelli impilati? Gli anelli per stantuffi e gli anelli per chiusura a tenuta sono comunemente fatti di acciaio o di ghisa e generalmente sono rettangolari nella sezione trasversale. L'anello ? situato in e sporge da una scanala_ tura ed ha tuia superficie radialmente esterna in contatto a scivolo con una superficie di coesercizio, per esempio, un cilindro di ghisa. Due superfici che si prolungano generalmente radialmente (qui dopo chiamate "lati") impegnano le pareti della scanalatura durante il movimento di scivolo. Come risultato di questi sia la superficie radialmente esterna sia i lati sono sottoposti ad usura. Varie tecniche sono state proposte per ridurre in una certa misura questa usura allo scopo di incrementare la durata dell'anello e particolare attenzione ? stata data alla riduzione dell'usura delle superfici radialmente esterne e del cilindro del coesercizio o camicia. Tuttavia, pi? recentemente, le esigenze di durata dei motori richiedono non solo usura ridotta delle superfici radialmente esterne ma anche usura ridotta dei lati e delle pareti scanalate di coesercizio.
Una tecnica per ridurre l'usura delle superfici radialmente esterne degli anelli per stantuffi consiste nell'immergere gli anelli in un bagno salino per la nitrocarburazione contenente sali di sodio e potassio, riscaldando gli anelli ad una temperatura di 400?C? In questo processo di nitrocarburazione, certi acciai e ghise di tutti i tipi, per esempio ghise grigie, carbidica,martensitica, bainitica e sferoidale (ghise grafitiche nodulari),hanno azoto e carbonio simultaneamente diffusi nelle loro superfici per formare lino strato superficiale indurito.
La descrizione del brevetto inglese No. 1.576.143 descrive un pr?? cesso di nitrocarburazione in bagno salino della superficie di un anello metallico sinterizzato per anello di pistone o anello di chiusura a tenuta? Gli anelli sono immersi nel bagno salino in una pila cio? con i loro lati a contatto sotto la pressione di un peso? Questo ? necessario in quanto, se intervallati, gli anelli si deformeranno e perderanno la loro forma e planarit? in quanto il singolo trattamento di ciascun anello richiederebbe consumo di tempo e sarebbe costoso?
Tuttavia, in questo processo soltanto le superfici radialmente esterne degli anelli sono nitrocementate, in quanto gli anelli sono in una pila chiusa. Inoltre, l'impiego di un bagno salino ? lento e pasticciato
Una tecnica alternativa ? stata la cromatura in cui gli anelli sono ancora poeti in una pila chiusa con le loro superfici laterali estese radialmente a contatto e sono poi rivestiti sulle loro superfici radialmente esterne con cromo in un modo convenzionale. Allo scopo di prevenire che il rivestimento formi un ponte tra anelli adiancenti, ? necessario smussare gli spigoli degli anelli tra la superficie radialmente esterna e i lati? Questo ? illustrato nella figura 1 la quale ? una fotomicrografia di una parte di una sezione trasversale di un anello per stantuffo, ad un angolo tra una superficie radialmente esterna dell'anello ed un lato dell'anello?
In questo processo soltanto le superfici radialmente esterne degli anelli sono rivestite come si noter? dalla figura 1.I lati possono essere cromati in una successiva operazione di rivestimento ma questo ? relativamente Costoso. I bordi smussati degli anelli, quando in uso ten? dono ad aumentare l?infiltrazione di olio oltre gli anelli e cos? tendono ad aumentare il consumo di olio, come pure a ridurre l?efficacia della chiusura a tenuta tra l'anello e il cilindro increment?ndo la perdita di compressione? Cos? gli smussamenti sono indesiderabili. Inoltre, la cromatura si ammorbidisce progressivamente a temperature al di sopra di 250?C?300?C e queeto ? anche uno svantaggio. In aggiunta, gli anelli cromati richiedono operazioni di finitura le quali comportano smerigliatura e questo incrementa il costo della loro produzione.
Secondo un primo aspetto della presente invenzione ? fornito un processo per la nitrocarburazione di anelli metallici di sezione trasversale generalmente rettangolare per l'impiego come anelli per stantuffi o anelli di chiusura a tenuta, del tipo comprendente la formazione di una pila di anelli con anelli adiacenti a contatto nitrocarburando poi gli anelli impilati, caratterizzato dagli stadi di collocazione della pila di anelli in una camera da cui ? esclusa l'aria e alimentando poi nella camera una miscela gassosa di un gas di carburazione e un gas contenente azoto nel rapporto da 25:75 a 75*:5 (% in volume) ad una temperatura tra 400? e 650?C per nitrocarburare la superficie radialmente esterna e i lati degli anelli.
E' stato trovato che l'impiego di nitrocarburazione gassosa permette che il trattamento di nitrocarburazione si estenda non solo sulle superfici radialmente esterne degli anelli in una pila ma anche sui lati anche se gli anelli sono in una pila. Questo perci? fornisce a tutte queste tre superfici una finitura indurita, incrementando cos? la loro resistenza globale all'usura
In accordo con un secondo aspetto della presente invenzione, ? fornito un anello per stantuffo per un motore o un compressore o un anello per chiusura a tenuta in un ammortizzatore quando preparato oon il procedimento secondo il primo aspetto della presente invenzione?
Secondo un terzo aspetto della presente invenzione, ? fornito un anello metallico con sezion? trasversale generalmente rettangolare per l?impiego come anello per stantuffo o un anello per chiusura a tenuta, caratterizzato dal fatto che l'anello ha una superficie radialmente e? sterna e lati induriti per mezzo di nitrocarburazione ed ? finito a macchina prima della nitrocarburazione*
Quanto segue ? una descrizione pi?.particolareggiata di alcune forme di esecuzione della presente invenzione, a scopo di esempio, essendo fatto riferimento alla figura 2 allegata la quale ? una microfotografia di una sezione trasversale di una parte di un anello per stantuffo nitrocarburato all'angolo tra una superficie radialmente esterna e un lato dell?anello?
Uh anello per stantuffo ? preparato ed ? finito a macchina affinch? sia di sezione trasversale generalmente rettangolare con un taglio attraverso l'anello per fornire due estremit? libere. L'anello cos? ha una superficie radialmente esterna la quale,nell'impiego, sar? a contatto per scivolamento con un cilindro del motore, e due superfici che si estendono radialmente o (lati) le quali saranno a contatto con le pareti di una scanalatura per l'anello del pistone, nel pistone nel quale l'anello ? montato. L'anello per stantuffo pu? essere del tipo a sbarra usato come anello di controllo dell'olio oppure un anello superiore (cio? l?anello pi? vicino al cielo del pistone cui ? associato)? in particolare un anello superiore di compressione.
L?anello pu? essere di qualsiasi materiale ferroso adatto che possa essere soddisfacentemente nitrocarburato e che mantenga la sua durezza, e quindi la sua elasticit? e la resistenza a deformazione permanente, sia quando trattato che quando usato in un motore. Due di tali materiali sono ghise carbitiche e acciaio ad alta resistenza. Per esempio, un adatto acciaio possiede la composizione 0,47% di carbonio, 0,25% di silicio, 0,757-di manganese, 0,55% di nichel, 1% di crono, 1 di molibdeno, di vanadio, la parte rimanente ferro (tutto in peso) indurito e temperato fino ad una durezza di 450?500 HV.
Una molteplicit? di tali anelli finiti a macchina ? posta su una maschera di montaggio in una pila con i loro lati a contatto con le loro luci aperte. Questo assicura che durante le successive operazioni gli anelli rimangano piani e non distorti.
La pila di anelli ? poi posta in una camera da cui ? esclusa l'aria. Successivamente un gas contenente azoto, quale ammoniaca, e un gas di car burazione, quale un gas idrocarburico esotermico, sono alimentati dentro la camera ad una temperatura tra 450?C e 650?C. La proporzione dei due gas, quello contenente azoto rispetto a quello di carburazione, pu? essere tra 25*75 (percento in volume) e 75:25 (per cento in volume)sebbene prove con ammoniaca e gas idrocarburico esotermico abbiano dimostrato che rapporti di 50:50 (percento in volume) oppure 60:40 (percento in volume) forniscono risultati migliorati.
I gas raggiungono le superfici radialmente esterne degli anelli im? pilati e penetrano anche fra gli anelli per raggiungere i lati degli anelli. Carbonio e azoto dai gas diffondono da queste superfici dentro la ghi sa degli anelli formando uno strato bianco di spessore compreso tra 2 e 10 micrometri da cui ha luogo diffusione dentro la struttura degli anelli. Per un particolare materiale, la profondit? totale di penetrazione dipende dal tempo per il quale i gas sono alimentati e questo pu? essere regolato, per fornire, ad esempio uno strato bianco di spessore 5 micrometri ed una penetrazione totale compresa tra 0,1m e 0,3 mm. Una durezza superficiale di 700-800 HV ? ottenibile diminuendo progressivamente fino alla durezza del materiale di base. Questa durezza ? mantenuta per successiva esposizione degli anelli a temperature fino a 600?C.
La pila di anelli ? poi rimossa dalla camera e gli anelli sono separati dalla pila. Questo ? ottenuto senza difficolt? e gli anelli sono pronti per l'impiego immediato senza alcun ulteriore trattamento. Gli anelli per stantuffi cos? prodotti possono essere anelli di compressione o anelli di controllo dell'olio. Il trattamento ? rapido e pulito e fornisce in un singolo trattamento un anello che ? indurito eu tre superficie
Una parte dell'anello finito ? illustrato in figura 2. Si noter? che la superficie nitrocarburata si estende al di sopra di entrambe la superficie radialmente esterna 10 e il lato 11. Si noter? anche che l'angolo tra queste due superfici ? un angolo retto netto.
I seguenti esempi sono riportati a scopo illustrativo.
Esempio 1
Uh anello per stantuffo di acciaio carbitico ad alta resistenza fu nitrocarburato come prima descritto ad una temperatura di 550?C. In una forma di esecuzione, l'anello per stantuffo ? esposto ai gas di nitrocarburazione per un tempo nel quale forn? una totale penetrazione di 0,10 mm e la superficie bianca di un campo il cui spessore era 0,005 rara? ho strato superficiale aveva una durezza di HVM 700-600.
Una tipica curva di durezza-penetrazione per un tale anello per stantuffo ? illustrata nella figura 3?
Anelli per stantuffi nitro-carburati preparati come prima descritto furono usati come anelli superiori per stantuffi di compressione in un motore da due litri di una automobile. Fu trovato che gli anelli non si alteravano in superficie e fornivano soddisfacente prestazione. Al contrario, anelli cromati per stantuffi preparati come prima descritto in relazione alla figura 1 fu trovato che si alteravano in superficie e non erano non impiegabili. Come risultato di questo, il motore aveva precedentemente usato anelli duri di molibdeno spruzzati a fiamma, i quali sono costosi e difficoltosi da costruire.
Anelli per stantuffo nitro-carburati, preparati come descritto prima con riferimento.all'esempio 1 furono anche confrontati con anelli per stantuffo cromati preparati come prima descritto con riferimento alla figura 1 alloggiando gli anelli nitro-carburati nelle scanalature superiori dell'anello dello stantuffo nei cilindri 1 e 3 di an motore a 4 cilindri da 1,3 litri a benzina. Gli anelli cromati furono alloggiati nelle scanalature superiori degli anelli dei cilindri 2 e 4?
Dopo 50.000 miglia (805OO Km) furono ottenuti i seguenti risultati:
N.C.- Anello nitro-carburato sul diametro globale e sulle facce laterali come descritto prima in via esemplificativa.
Cromo ? Rivestito 'soltanto sul diametro esterno ? non trattate sulle facce laterali.
L'anello dello stantuffo dell?esempio 1 ha un modulo elastico e una durezza del nucleo che non sono influenzati dal trattamento. La resistenza alla fatica ? incrementata di approssimativamente il 10%. Sebbene l?anello dello stantuffo dell?esempio 1 sia pi? fragile di un anello non trattato, quando sottoposto a eccessivo torcimento o apertura del taglio, l'anello possiede ancora le resistenze minime richieste di trazione e di piegature degli anelli come stabiliti per anelli non trattati,
Esempio 2
Un anello per stantuffo di acciaio fu preparato, l'acciaio avendo la seguente composizione in peso:
L'anello dello stantuffo fu indurito e temperato fino ad una durezza di 45?-5?? HV e poi fu nitro-carburato come prima descritto. In una forma di esecuzione, l?anello per stantuffo fu esposto ai gas di nitro?carburazione per un tempo che diede una penetrazione totale di 0,015-0,020 .e uno strato superficiale bianco di composto il cui spessore era 0,005-0,008 mm. Lo strato superficiale aveva una durezza di circa HVM 800.
Una curva tipica della durezza-penetrazione per un tale anello ? illustrata nella figura 4?
Anelli nitro-carburati per stantuffi preparati come prima descritto furono usati negli anelli superiori per stantuffi di compressione in un motore da 2 litri in una automobile. Gli anelli fu trovato che non si alteravano in siiperficie e fornivano soddisfacente prestazione.Al contrario, anelli per pistone cromati preparati come prima descritto in relazione alla figura 1 fu trovato che si alteravano in superficie e non erano usabili. Come risultato di questo il motore aveva anelli di molibdeno duro precedentemente spruzzati a fiamma, i quali sono costosi e difficili da fabbricare. Gli anelli per stantuffi nitro?carburati preparati come descritto precedentemente con riferimento all'esempio 2 furono anche confrontati con anelli per stantuffo cromati preparati come precedentemente descritte con riferimento alla figura 1 alloggiando gli anelli nitro-carburati nelle scanalature superiori dell'anello del pistone nei oilindri 1 e 3 di un motore a benzina a 4 cilindri da 1,3 litri. Gli anelli cromati furono alloggiati nelle soanalature superiori degli anelli dei cilindri 2 e 4
Dopo 180 ore (equivalenti a 15?000 miglia (24150 Km) in condizioni di prova ad alta velocit?) furono tenuti i seguenti risultati:
N.C. ? Anello nitro?carburato nel diametro globale e sulle facce laterali come descritto precedentemente per mezzo dell'esempio.
Cromo ? Cromato sul diametro esterno soltanto ? non trattato sulle facce laterali
L'anello per stantuffo dell'esempio 2 manteneva la sua elasticit? e pressione della parete alle massime temperature di esercizio della scanalatura superiore dell'anello. La sua perdita nel taglio quando chiuso in un manicotto di diametro di alesaggio uguale al diametro dell'anello e riscaldato per 6 ore a 350?C e raffreddato nel manicotto era 5,5%? Questo si confronta con anelli di ghisa modulare grigia sferoidale martensitica (non nitro-carburata) e con il 15% o pi? per anelli di ghisa grigia fosforosa me dia (non nitro-carburata) singolarmente gettati.
Si noter? dai precedenti esempi 1 e 2 che l'usura sulla superficie radiale pi? esterna degli anelli nitro?carburati ? confrontabile con quella di anelli cromati ma che l'usura dei lati ? molto minore dell'usura dei lati degli anelli cromati. Si apprezzer? che questa resistenza all'usura ? conseguita in un singolo stadio di trattamento. Questa riduzione nell'u? sura migliora la prestazione di tenuta degli anelli e incrementa anche la loro durata in quanto l'incremento nella resistenza alla fatica accoppiata alla ridotta usura del lato riduce l'incidenza di rottura e riduce il tasso di incremento di perdita di compressione?
Le superfici radiali esterne degli anelli nitrocarburati hanno una migli?re resistenza alla usura delle corrispondenti superfici degli anelli cromati. Questo ? parzialmente dovuto al fatto della migliore resistenza delle superfici nitro-carburate a?temperature al di sopra di 250?C? 300?C e perch? l'olio non bagna facilmente il cromo mentre la superficie nitro-carburata conserva le cavit? formate da scaglie di grafite nel ferro e queste agiscono come riserve di olio.
Si apprezzer? inoltre che il procedimento di nitrocarburazione preceden temente descritto con riferimento alla figura 2 pu? essere usato per indurire le superfici di qualsiasi forma di anelli per stantuffi quali anelli per controllo di olio o anelli intermedi di compressione, o qualsiasi forma di anelli di chiusura a tenuta, quali anelli di chiusura a tenuta per ammortizzatori.
Quando gli anelli sono fatti di acciaio, l'impiego della tecnica di nitro?carburazione prima descritta a scopo di esempio permette che la larghezza degli anelli sia ridotta a 1 mm o meno perch? l'usura ridotta del lato riduce l'incidenza della rottura. Laddove gli anelli sono del tipo a rotaia, la nitro-carburazione dei lati dell'anello riduce l'usura tra l'anello e l'espansore usato in quei complessi di anelli per il controllo di olio e rende minimo il taglio .nella rotaia delle alette fomite sull'espansore.
Claims (1)
- RIVENDICAZIONI1 Procedimento per nitrocarburare anelli metallici di sezione trasversale generalmente rettangolare per l'impiego come anelli per pistoni o anelli per chiusura a tenuta, del tipo comprendente formatura di una pila di anelli, con gli anelli adiacenti a contatto? e nitro-carburando poi gli anelli impilati, caratterizzato dagli stadi di collocazione della pila di anelli in una camera da cui ? 'esclusa aria e alimentando poi nella camera una miscela gassosa di un gas di carburazione e di un gas contenente azoto nel rapporto tra 25:75 e 75:25 (percento in volume) ad una temperatura fra 450?C e 650?C per nitro-carburare la superficie radialmente esterna e i lati degli anelilo2o Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il gas contenente azoto ? ammoniaca e il gas di carburazione ? un gas idrocarburico esotermicoo3. Procedimento secondo la rivendicazione 1 o secondo la rivendicazione 2 caratterizzato dal fatto che le proporzioni dei gas sono 50:50 (percento in volume) oppure 60:40 ( percento in volume).4 Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 3, caratterizzato dal fatto che gli anelli sono finiti a macchina prima di essere impilati, in modo che dopo il processo di nitro-carburazione essi sono pronti per l'impiego.5 Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 4 in cui gli anelli hanno in essi un taglio, e formeranno anelli per pistoni, caratterizzato dal fatto che gli anelli sono impilati con i loro tagli aperti6. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 5,caratterizzato dal fatto che il tempo per cui la nitro-carburazione haJLupgo ? tale che la profondit? totale della nitrocarburazione sulle superfici degli anelli sia da 0,015 mm a 0,3 mm.7.Anello per pistone per un motore o un compressore o un anello per chiusura a tenuta per un ammortizzatore quando preparato con il procedimento di una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 6.8 Anello metallico di sezione generalmente rettangolare per l?impiego come anello per pistone o come anello per chiusura a tenuta, caratterizzato dpi fatto che l?anello ha una superficie radialmente esterna e lati induriti mediante nitro-carburazione ed ? finito a macchine prima della nitro-carburazione?9 Anello metallico secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che la profondit? della nitro-carburazione ? tra 0,015 mm e 0,3 mm.10. Anello metallico secondo la rivendicazione 8 o 9 caratterizzato dal fatto che l?anello ? di ghisa o acciaio
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