MX2007010382A

MX2007010382A - Junta de acero de capas multiples con capa metalica nitrurada.

Info

Publication number: MX2007010382A
Application number: MX2007010382A
Authority: MX
Inventors: Frank Popielas
Original assignee: Dana Corp
Priority date: 2005-02-25
Filing date: 2006-02-16
Publication date: 2007-09-25
Also published as: CA2598963A1; US20060192347A1; WO2006090310A1; CN101155943A; JP2008536058A; KR20070112806A

Abstract

Una junta de acero de capas multiples es producida a traves de una laminacion en frio y por nitruracion de una capa activa. La laminacion en frio proporciona la tenacidad deseada de la capa, y la nitruracion proporciona la fuerza deseada de la capa para resistir el agrietamiento y el desgaste.

Description

JUNTA DE ACERO DE CAPAS MÚLTIPLES CON CAPA METÁLICA NITRURADA CAMPO TÉCNICO La presente invención se refiere a juntas (MLS) de acero de capas múltiples y en particular para los procesos que alteran las características físicas de las capas activas de la junta MLS para mejorar las características deseadas de la junta.

ANTECEDENTES DE LA TÉCNICA En años recientes, las juntas de culata del cilindro MLS se han convertido en la elección de diseño preferida, donde todas (típicamente por lo menos dos) capas de la junta han sido hechas de acero. Las capas con reborde, también llamadas capas 'activas', han sido fabricadas de 301 acero inoxidable, un metal relativamente sólido con una resistencia a punto sedente acorde, para reunir los requisitos de desempeño sobre la vida útil de las juntas. Las tendencias para reducir el consumo de combustible y las emisiones han colocado un incremento de demandas sobre el rendimiento de estas juntas. La reducción del consumo de combustible al utilizar materiales más ligeros en los bloques del cilindro del motor y el ensamble de culata han probado ser satisfactorios, aunque las aleaciones más ligeras utilizadas típicamente experimenten una mayor deflexión con proporciones equivalentes de compresión del cilindro. Esta rigidez puede resultar en una deflexión adicional dentro del ensamble de culata y el bloque del cilindro, dando como resultado un movimiento mayor entre el ensamble de culata y el bloque de cilindro, y así, se incrementa la demanda de una junta de culata del cilindro para alojar una deflexión relativa.

Al reducir las emisiones incrementando la proporción de compresión del motor también ha probado ser satisfactoria. Sin embargo, este incremente en la presión del cilindro típicamente resulta en un movimiento incrementado entre las superficies de contacto del ensamble de culata y el bloque del cilindro. Estos factores de contribución y otros han dado como resultado la tecnología de juntas MLS que se ha convertido en un área de innovaciones constantes. Las áreas de las juntas adyacentes de manera inmediata a la circunferencia de las aberturas del diámetro del cilindro del motor están sometidas a tensiones considerablemente mayores para asegurar un sellado adecuado que en las áreas de la junta radialmente remota de las aberturas. Estas áreas de la junta inmediatamente adyacentes a la circunferencia de las aberturas del diámetro del cilindro del motor también experimentan un mayor desplazamiento dinámico entre las superficies de contacto que en las áreas de la junta radialmente remota de las aberturas. Este desplazamiento entre las superficies de contacto da como resultado un movimiento axial dentro de las capas activas y crea un micro - movimiento entre la capa activa y cualquier superficie colindante. Este movimiento típicamente da como resultado un desgaste de las superficies en las regiones de movimiento relativo, comúnmente llamado desgaste por frotamiento. Cuando la superficie colindante está en otra capa de la junta, el desgaste en esta capa puede dar como resultado un fisuración o agrietamiento de la junta. Cuando la superficie colindante es uno de los componentes de contacto, la superficie desgastada puede dar como resultado un sellado no efectivo. Típicamente, un revestimiento elastomérico es aplicado a las capas de la junta MLS para mejorar el sellado y permitir que la capa con reborde se deslice a lo largo de la superficie de contacto. Los procesos que incrementan la fuerza de la superficie con el fin de disminuir el desgaste por frotamiento pueden disminuir indeseablemente la capacidad de una porción de reborde para acomodar con respecto al desplazamiento entre las superficies de contacto. Una porción de reborde 301 de acero inoxidable puede ser tratada con calor para incrementar la tenacidad a un rango deseable de entre % de tenacidad y extra tenacidad (350 a 500 Hv). Los procesos de tratamiento de calor típicos se relacionan con el calentamiento del acero en un rango de 400 - 450°C para cambiar el contenido y estructura de la martensita. Estos procesos de tratamiento con calor pueden no ser compatibles con otros procesos que de manera deseable incrementan la fuerza en la superficie de las porciones de reborde. Lo que se necesita, por lo tanto, es una capa activa para una junta metálica que es procesada de una manera que se le permita una tenacidad deseable, una superficie fuerte, y una tasa de resorteo. En una modalidad, la presente invención proporciona una capa de metal para la junta MLS que tiene por lo menos una región de reborde y una superficie sometidas a un proceso de nitruración. La capa de metal no está sometida a un proceso de tratamiento con calor que caliente la capa de metal sobre el rango de temperatura crítica. En otra modalidad, el método para producir una junta MLS con una capa activa incluye la formación de por lo menos medio reborde en una capa activa y nitruración en por lo menos una porción de una capa activa. La nitruración no implica calentar la capa metálica por encima de un rango de temperatura crítica. Además en una modalidad, el método para producir por lo menos una porción de una junta MLS incluye el conformado en frío de una capa metálica, y nitruración en por lo menos una porción de la capa metálica. La nitruración no implica calentar la capa metálica más arriba del rango de temperatura crítica.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La presente invención será ahora descrita, por medio de ejemplos, con respecto a los dibujos que le acompañan, en donde: La Figura 1 es una vista parcial de una junta de culata del cilindro de acero de capas múltiples con una modalidad de la presente invención. La Figura 2 es una vista en sección de la junta de la Figura 1 , tomada a lo largo de la línea 2-2, con las capas separadas para mayor claridad. La Figura 3 es una vista en sección, similar a la Figura 2, de una modalidad alternativa de una junta de conformidad con una modalidad de la presente invención, con las capas separadas para mayor claridad.

DESCRIPCIÓN DE LA MODALIDAD PREFERENTE La Figura 1 muestra una modalidad de una junta metálica 20 la cual es una junta de culata del cilindro. La junta 20 es colada entre las superficies de contacto de un ensamble de culata del cilindro (no mostrado) y un bloque de cilindro (no mostrado) de un motor de combustión interna. La junta 20 incluye por lo menos una capa metálica 24. Como se representa, solo la capa superior metálica 24 es mostrada. Cada capa de metal 24 es definida por una pluralidad de aberturas del cilindro 26, aberturas para pernos 28, y aberturas de camisa 30. Cada abertura de camisa 30 puede transportar un fluido refrigerante, o un fluido lubricante. Las capas de metal 24 están dispuestas para que las aberturas 26, 28, 30 estén generalmente alineadas. La Figura 2 ilustra que la junta 20 además incluye una segunda capa metálica 32. La segunda capa metálica 32 incluye una primera superficie 36, una segunda superficie 38, una superficie de región del cilindro 40, y un borde externo 44. La segunda capa de metal 32 también incluye una región de reborde 46 y una región de tope. Como se ilustró, la segunda capa metálica 32 se extiende en una dirección radial R con la región de reborde 46 y la región de tope 48 que tienen porciones que se extienden en una dirección axial A. Durante la instalación, de la junta de las Figuras 1 y 2, la región de reborde 46 es parcialmente comprimida en la dirección axial A, así causa que la región de reborde 46 reduzca la dirección axial A y las porciones de la región de reborde 46 para experimentar algunos movimientos en la dirección radial R. Durante la operación del motor, el movimiento relativo entre las superficies de contacto en la dirección axial A requiere que las porciones de la región de contacto 46 se muevan elásticamente en la dirección axial A con el fin de sellar de manera adecuada las superficies de contacto. Este movimiento elástico en la dirección axial A de la región de reborde 46 hace que el micro-movimiento de las porciones de la región de reborde 46 en la dirección radial R con respecto a las superficies en contacto con la primera superficie 36 y la segunda superficie 38. Cuando la región de reborde 46 no tiene la fuerza suficiente en las superficies 36, 38, y puede ocurrir un agrietamiento y un desgaste por frotamiento. Para reducir el desgaste por frotamiento, el agrietamiento y otros tipos de desgaste no deseado dentro de las juntas MLS, las capas activas deberán tener la tenacidad y fuerza suficientes. Para asegurar que una región de reborde continúe para sellar durante las operaciones con in desplazamiento axial incrementado, la durabilidad de la región de reborde puede ser mejorada. Para obtener la tenacidad deseada para las capas 32, 132, 134, un proceso de conformado en frío es utilizado. Preferentemente un proceso de laminación en frío es llevado a cabo en la hoja de acero que es después formada en capas metálicas 32, 132, 134. Al utilizar un proceso de conformado en frío, la tenacidad de las capas metálicas 32, 132, 134 es incrementada (debido al endurecimiento por trabajo en frío) a un rango deseable de entre % de tenacidad y extra tenacidad (350 a 500 Hv).

La Figura 3 ilustra una modalidad alternativa de la junta 30 como la junta 120. La junta 120 incluye una primera capa metálica 124 interpuesta entre una segunda capa metálica 132 y una tercera capa metálica 134. La segunda capa metálica 132 incluye una primera superficie 136, una segunda superficie 138, una superficie de la región del cilindro 140, y un borde externo 144. La segunda capa metálica 132 también incluye una región de reborde 146 y una región de tope 148. La tercer capa metálica 134 incluye una primera superficie 156, una segunda superficie 158, una superficie de la región del cilindro 160, y un borde externo 164. La tercer capa metálica 134 también incluye una región de reborde 166 y una región de tope 168. Para incrementar la fuerza de las capas metálicas 24, 32, 124, 132, 134, se lleva a cabo la nitruración. Mientras el líquido y el plasma de nitruración pueden ser utilizados, la nitruración por gas es llevada a cabo preferentemente. La nitruración por gas es un proceso convencional que expone un componente de metal caliente a un medio rico en nitrógeno, como el amoníaco anhidro. Durante la nitruración, los átomos de nitrógeno son desprendidos del medio y combinados con átomos de hierro para producir una capa difusora dentro del metal. El componente de metal es calentado (típicamente por debajo de los 540°C) para conservar el acero en la condición actual y estimular la reacción nitrógeno - hierro. Por lo tanto, la nitruración es lograda por debajo del rango de temperatura crítico para los aceros como el acero inoxidable 301 , y no implica cambios de fase drásticos en el acero. La nitruración de por lo menos las regiones de reborde 46, 146, 166 forma una capa difusora de Fe (hierro) N (nitrógeno) que incrementa la fuerza de las capas metálicas 32, 132, 134 y por lo tanto reduce el desgaste por frotamiento. Mientras la nitruración es más benéfica dentro de las regiones de reborde 46, 146, 166, todas las porciones de capas metálicas 32, 132, 134 son de preferencia nitruradas. La nitruración, de conformidad con la invención, obtiene una tenacidad superior en la superficie, incrementa la resistencia al desgaste, y mejora el ciclo de fatiga. La nitruración también incrementa la durabilidad del material y la resistencia al agrietamiento. Mientras las capas de metal 32, 132, 134 son de preferencia revestidas con compuestos elastómeros conocidos para mejorar el sellado, las capas activas nitruradas reducen la dependencia en el elastómero para mantener un sellado efectivo a través de la vida de la junta. Las juntas mejoradas producidas de acuerdo con la presente invención pueden también ser utilizadas para sellar entre los ensambles de culata del cilindro y los múltiples de escape, ya que la capa nitrurada, endurecida podría experimentar una reducción de desgaste por frotamiento en otras aplicaciones también. El plasma, o el hierro, la nitruración no está relacionada con la separación de calor de los componentes a ser nitrurados, pero además es realizado al colocar un componente metálico en un vacío y utiliza energía eléctrica de alto voltaje para formar un plasma a través de donde los átomos de nitrógeno son acelerados para incidir en el componente. Mientras esta incidencia de átomos de nitrógeno en la superficie del componente de metal calentará el componente, la nitruración de plasma ofrece la opción de baja temperatura para la nitruración que puede dar como resultado una menor distorsión. Las técnicas protectoras pueden ser empleadas selectivamente en las porciones de nitruro del componente metálico. El proceso de nitruración puede ser llevado a cabo antes o después del proceso de conformado en frío. El proceso de conformado en frío puede también ser empleado para conformar por lo menos una parte de las regiones de reborde 46, 146, 166. Las regiones de reborde 46, 146, 166 pueden tener medios rebordes, rebordes completos, u otras distorsiones formadas dentro de la junta plana que experimenta una deflexión y proporciona un contacto de sellado a medida que la junta 20 es comprimida entre las superficies de contacto. Las capas metálicas 32, 132, 134 se refieren típicamente a las capas activas debido al movimiento experimentado por las regiones de reborde 46, 146, 166. Mientras la invención ha sido descrita con respecto a los ejemplos específicos incluyendo las modalidades preferentes de llevar a cabo la invención, aquellos expertos en la técnica apreciarán que haya numerosas variaciones y permutaciones de los sistemas de los sistemas y técnicas descritos anteriormente que caen dentro del espíritu y alcance de la invención como se estipula en las reivindicaciones que acompañan al presente.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Una junta de acero de capas múltiples, que comprende: una capa metálica que tiene por lo menos una región de reborde y una superficie sometida a un proceso de nitruración, caracterizada porque dicha capa metálica no se somete a un proceso de tratamiento térmico que calienta dicha capa metálica por arriba del rango crítico de temperatura.

2. La junta de acero de capas múltiples de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizada además porque dicha capa metálica es rolada en frío para incrementar la tenacidad.

3. La junta de acero de capas múltiples de conformidad con la reivindicación 2, caracterizada además porque dicha tenacidad está en el rango de Hv = 350 a aproximadamente Hv =500.

4. La junta de acero de capas múltiples de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizada además porque dicha capa metálica está formada de acero inoxidable 301.

5. La junta de acero de capas múltiples de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizada además porque dicha junta selectivamente sella entre un ensamble de culata y un ensamble de escape.

6. La junta de acero de capas múltiples de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizada además porque dicha junta selectivamente sella entre un ensamble de culata y un bloque de cilindros.

7. La junta de acero de capas múltiples de conformidad con la reivindicación 6, caracterizada porque comprende además un tope colocado alrededor de la abertura.

8. La junta de acero de capas múltiples de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizada además porque dicha región de reborde incluye un reborde completo.

9. Un método para producir una junta MLS con una capa activa que no es tratada con calor, el método comprende los siguientes pasos: formar por lo menos un semi reborde en una capa activa; y nitrurar por lo menos una porción de dicha capa activa, caracterizado porque la nitruración no involucra el calentamiento de dicha capa metálica por arriba de un rango crítico de temperatura.

10. El método de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado además porque dicha nitruración incluye nitruración por gas. 1 1. El método de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado además porque dicha nitruración incluye nitruración por plasma. 12. El método de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado además porque dicha nitruración incluye nitruración líquida. 13. El método de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado porque además comprende el paso de formar un reborde total en dicha capa activa. 14. El método de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado porque además comprende el paso de formar por lo menos un semi reborde en dicha capa activa. 15. El método de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado porque además comprende el paso de trabajar endureciendo dicha capa metálica para incrementar la tenacidad. 16. Un método para producir por lo menos una porción de una junta MLS que comprende los siguientes pasos: formar en frío una capa metálica; y nitrurar por lo menos una porción de dicha capa metálica, caracterizada porque dicha nitruración no involucra calentar la capa metálica por arriba del rango de temperatura crítico. 17. El método de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado además porque dicho paso de formación en frío es llevado a cabo antes de dicho paso de nitruración. 18. El método de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado además porque dicho paso de nitruración es llevado a cabo antes de dicho paso de formado en frío. 19. El método de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado además porque dicho paso de formado en frío además comprende laminación en frío. 20. El método de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado porque además comprende la formación de una porción de reborde en dicha capa metálica para producir una capa activa.