PT2401533T

PT2401533T - Composição de material de aço para produzir anéis de pistão e camisas de cilindro

Info

Publication number: PT2401533T
Application number: PT97443261T
Authority: PT
Inventors: Persoeczy Laszlo
Original assignee: Federal Mogul Burscheid Gmbh
Priority date: 2009-02-26
Filing date: 2009-10-13
Publication date: 2016-09-14
Also published as: CN102265069A; KR20110130394A; EP2401533A1; DE102009010726B3; BRPI0921529A2; JP2012518766A; EP2401533B1; CN102265069B; KR101622384B1; US8277576B2; US20110305592A1; WO2010097107A1; JP5465258B2

Description

DESCRIÇÃO

COMPOSIÇÃO DE MATERIAL DE AÇO PARA PRODUZIR ANÉIS DE PISTÃO

E CAMISAS DE CILINDRO A presente invenção refere-se a um anel de pistão. Além disso a presente invenção refere-se a um método para o fabrico dos anéis de pistão de acordo com a invenção.

Estado da técnica

Os anéis de pistão num motor de combustão interna vedam a folga que existe entre a cabeça do pistão e a parede do cilindro da câmara de combustão. À medida que o pistão se move para cima e para baixo, a superfície periférica externa do anel de pistão desliza ao longo da parede do cilindro em contacto permanentemente, carregado por mola, com a mesma, enquanto que o anel de pistão em si oscila, à medida que viaja, na sua ranhura de anel de pistão devido aos movimentos de oscilação do pistão, fazendo esta oscilação com que os flancos do anel entrem em contacto alternadamente com os flancos superiores e inferiores da ranhura do anel de pistão. Conforme os dois elementos deslizam uns sobre os outros, cada um está sujeito a um certo grau de desgaste, dependendo da natureza do material, e no caso de funcionamento a seco, pode levar a gripagem, escoriação, provocando finalmente danos irreparáveis no motor. A fim de melhorar o comportamento de deslizamento e de desgaste de anéis de pistão em relação à parede do cilindro, as superfícies periféricas dos anéis de pistão têm sido revestidas com vários materiais.

Para a produção de peças que estão expostas a altas tensões, tais como anéis de pistão, são utilizados geralmente materiais de ferro fundido ou de ligas de ferro fundido. Os anéis de pistão, e particularmente anéis de compressão em motores de alto desempenho, estão expostos a tensões crescentes, incluindo pressão de compressão de pico, temperatura de combustão, EGR e redução de película lubrificante entre outros, e que têm um efeito crítico sobre as suas propriedades funcionais, tais como o desgaste, resistência à escoriação, microsoldadura e resistência à corrosão.

Os materiais de ferro fundido de acordo com a técnica anterior apresentam um elevado risco de ruptura, sendo que os anéis muitas vezes quebram-se quando são utilizados os materiais existentes. Cargas mecânicas dinâmicas mais elevadas resultam em duração de vida mais curta para anéis de pistão. As superfícies de rolamento e flancos estão sujeitas a um forte desgaste pelas mesmas razões.

As pressões de ignição mais elevadas, emissões reduzidas, e injecção directa de combustível, contribuem para o aumento de cargas sobre os anéis do pistão. Como resultado, o material do pistão é danificado e acumulam-se depósitos no mesmo, particularmente no flanco inferior do anel de pistão.

Devido às elevadas cargas mecânicas e dinâmicas em anéis de pistão, cada vez mais fabricantes de motores estão a solicitar anéis de pistão que são feitos de aço de alta qualidade (recozido e fortemente ligado, tal como o material 1,4112). Neste contexto, os materiais de ferro que contêm menos do que 2,08% em peso de carbono são classificados como aço. Se o teor de carbono for mais elevado, o material é considerado como sendo ferro fundido. Os materiais de aço apresentam melhores propriedades de resistência e de tenacidade, do que ferro fundido porque as suas microestruturas não são perturbadas por grafite livre.

Os aços utilizados mais frequentemente para fabricar anéis de pistão de aço são aços martensíticos fortemente ligados de liga-cromo. Os anéis de pistão de aço são fabricados a partir de fio de perfil. O fio de perfil é enrolado redondo, cortado no comprimento, e puxado sobre um mandril de "excêntrico". Neste mandril é dado ao anel do pistão a sua forma excêntrica desejada num processo de recozimento, que também configura as forças tangenciais necessárias. Uma desvantagem adicional de fabrico de anéis de pistão de aço é que acima de um certo diâmetro já não é possível produzir (enrolar) anéis de fio de aço. Em contraste, os anéis de pistão de ferro fundido já são vazados redondos, de modo eles estão idealmente moldados desde o início. 0 ferro fundido apresenta uma temperatura de fusão consideravelmente mais baixa do que o aço. A diferença pode ser até 350°C, dependendo da composição química. O ferro fundido é, por conseguinte, mais fácil de fundir e moldar, uma vez que uma temperatura de fusão mais baixa significa uma menor temperatura de fusão e, portanto, também menos contracção devido ao arrefecimento, de modo que o material do cárter apresenta menos bolhas e/ou fissuras quentes ou frias. Uma temperatura de fundição mais baixa também gera menos tensão sobre o material de moldagem (erosão, porosidades de gás, inclusões de areia) e sobre o forno bem como menores custos de fusão. A temperatura de fusão do produto ferroso depende não somente do seu teor de carbono mas também do "grau de saturação". É aplicada a seguinte fórmula, mostrada de forma simplificada:

Sc=C/4,26-1/3(Si+P))

Quanto mais próximo o grau de saturação estiver de 1, mais baixa é a temperatura de fusão. No caso do ferro fundido, é geralmente desejado um grau de saturação de 1,0, em que o ferro fundido apresenta uma temperatura de fusão de 1150°C. O grau de saturação do aço é de cerca de 0,18, dependendo da sua composição química. O aço eutéctico apresenta uma temperatura de fusão de 1500°C. O grau de saturação pode ser consideravelmente influenciado pelo teor de Si ou P. Por exemplo, um aumento de 3% em peso do teor de silício tem um efeito semelhante a um aumento de 1% em peso do teor de C. É assim possível produzir um material de aço com um teor de C de 1% em peso e 9,78% em peso de silício, que apresenta a mesma temperatura de fusão que o ferro fundido com um grau de saturação de 1,0 (C: 3,26% em peso, Si: 3,0% em peso).

Se o teor de Si for aumentado de forma significativa, o grau de saturação do material de aço pode também ser aumentado e a temperatura de fusão reduzida para o mesmo nível que o ferro fundido. Desta forma, é possível produzir aço usando o mesmo equipamento que é utilizado para produzir ferro fundido, por exemplo GOE 44.

Os anéis de pistão feitos de um material de vazamento de aço com alto teor de silício são conhecidos da técnica anterior. No entanto, a presença de uma maior quantidade de silício tem um efeito negativo sobre a temperabilidade do material, porque a sua temperatura de conversão austenítica "Ac3" é aumentada.

Do pedido de patente americano US2165035 é conhecida uma liga de aço resistente ao calor. O pedido de patente americana US2002005616 AI descreve um material de anel de pistão autolubrificante para um motor de combustão interna. Do pedido de patente japonesa JPH07278742 A é conhecido um elemento de apoio que, no caso de carga de tensão repetida apresenta uma mudança retardada da microestrutura. No pedido de patente americana US4957702 A é divulgado um aço endurecível ao ar com uma microestrutura duplex de bainite/martensite, a qual apresenta uma boa resistência, tenacidade e resistência à fadiga e ao desgaste.

Descrição da invenção

Tendo em vista o acima exposto, o objecto da presente invenção é o de proporcionar anéis de pistão de aço com alto teor de silício, que apresentam uma temperabilidade melhorada. Devido à sua produção num processo de fundição por gravidade, a composição do material de aço deve melhorar nas propriedades de ferro fundido recozido com grafite esferoidal em relação a pelo menos um dos seguintes parâmetros:

Propriedades mecânicas, tais como o módulo de elasticidade e resistência à flexão

Resistência à guebra

Estabilidade mecânica

Desgaste de flanco

Desgaste da superfície de rolamento

Este objectivo é alcançado de acordo com a invenção através de anéis de pistão com a característica da reivindicação 1. Além disso, a presente invenção proporciona um processo com as características da reivindicação 3, para produzir um tal anel de pistão. As formas de realização preferidas encontram-se descritas nas reivindicações secundárias.

Os anéis de pistão de acordo com a invenção compreendem, como corpo base, uma composição de material de aço que compreende os seguintes elementos nas proporções indicadas: C: 0.5-1.2% em peso Mn: 3.0-15.0% em peso Si: 2,0-10,0% em peso e opcionalmente

Cr: 0 -3.0% em peso AI: máx. 0,02% em peso P: máx. 0,1% em peso B: máx. 0,1% em peso S: máx. 0,05% em peso

Cu: máx. 2,0% em peso Sn: máx. 0,05% em peso

Mo: máx. 3,0% em peso Ti: máx. 1,5% em peso

Nb: máx. 0,05% em peso V: máx. 1,5% em peso

Ni: máx. 4,0% em peso W: máx. 1,5% em peso 0 ferro residual apresenta um mínimo de 72%, em peso e contaminações habituais, em que a soma das fracções de Nb, Ti, V e W é um máximo de 1,5% em peso, sendo que a composição do material de aço contém apenas elementos seleccionados do grupo constituído por Al, B, C, Cr, Cu,

Fe, Mn, Mo, Nb, Ni, P, S, Si, Sn, Ti, V e W, em que a soma destes elementos é igual a 100% em peso, O manganês contido funciona como um formador de austenite que se estende no dominio gama e desloca a temperatura de conversão austenitica Ac3 para cima. Deste modo, é alcançada uma temperabilidade melhorada do material de aço de acordo com a invenção.

Os anéis de pistão de acordo com a invenção apresentam uma tendência reduzida de se deformarem na presença de altas temperaturas, garantindo assim uma elevada capacidade de rendimento a longo prazo e também reduzindo o consumo de óleo.

Os anéis de pistão de aço de acordo com a invenção apresentam também a vantagem de assim se tornar possível fabricar anéis de pistão em aço, por exemplo utilizando a maquinaria e tecnologias que são normalmente utilizadas para o fabrico de peças de trabalho de ferro fundido. Além disso, os custos de produção são equivalentes àqueles dos anéis de pistão de ferro fundido, proporcionando ao fabricante uma vantagem de custo e criação melhorada de valor. Os parâmetros do material são também ajustáveis independentemente do fornecedor.

Os anéis de pistão de acordo com a invenção são produzidos num método que compreende os seguintes passos: a. Produzir uma massa fundida dos materiais iniciais, e b. Derramar o fundido num molde prefabricado.

Podem ser utilizados, como materiais iniciais, por exemplo sucata de aço, materiais reciclados e ligas. O processo de fundição tem lugar num forno, de preferência num forno de cuba. A seguir a isto, ao fundido é permitido solidificar para produzir uma peça em bruto. O anel de pistão pode ser vazado usando métodos conhecidos no estado da técnica, tal como a fundição centrífuga, fundição contínua, métodos de puncionagem por prensa, Croning, ou de preferência moldagem em areia verde.

Após o anel de pistão ter arrefecido, o molde é esvaziado e a peça em bruto obtida é limpa.

Se necessário, o anel de pistão pode então ser recozido. Isto é realizado nos seguintes passos: c. Austenizar o anel de pistão acima da sua temperatura Ac3, d. Arrefecer o anel de pistão num meio de arrefecimento adequado, e e. Temperar o anel de pistão a uma temperatura na gama de 400 a 700°C num forno com atmosfera controlada.

Como meio de arrefecimento é de preferência utilizado óleo.

Para endurecer adicionalmente o anel de pistão de acordo com a invenção, o anel de pistão assim obtido pode ser nitrurado a seguir aos passos do processo descritos anteriormente. Isto pode ser realizado por exemplo por nitruração gasosa, nitruração a plasma ou nitruração a pressão. 0 exemplo seguinte explica a invenção sem estar limitada à mesma.

Exemplo

Foi produzido um anel de pistão de composição de material de aço de acordo com a invenção, com a seguinte composição: AI: 0,002% em peso P: 0,03% em peso B: 0,1% em peso S: 0,009% em peso C: 0,7% em peso Si: 3,0% em peso

Cr: 2,0% em peso Sn: 0,001% em peso

Cu: 0,05% em peso Ti: 0,007% em peso

Mn: 5,0% em peso V: 0,015% em peso

Mo: 0,5% em peso W: 0,011% em peso

Nb: 0,002% em peso Fe: Resíduo

Isto foi feito produzindo uma massa fundida dos materiais iniciais (sucata de aço, material reciclado e ligas), e deitando a massa fundida num molde prefabricado de areia verde. Em seguida, o molde foi esvaziado e o anel de pistão assim obtido foi limpo. 0 anel de pistão foi então recozido. Isto é conseguido pela austenização acima da temperatura Ac3 da composição do material de aço, arrefecimento em óleo, e têmpera num forno de atmosfera controlada a uma temperatura na gama de 400 a 700°C.

DOCUMENTOS REFERIDOS NA DESCRIÇÃO

Esta lista de documentos referidos pelo autor do presente pedido de patente foi elaborada apenas para informação do leitor. Não é parte integrante do documento de patente europeia. Não obstante o cuidado na sua elaboração, o IEP não assume qualquer responsabilidade por eventuais erros ou omissões.

Documentos de patente referidos na descrição • US 2165035 A [0014] • US 2002005616 AI [0014] • JP H07278742 A [0014] • US 4957702 A [0014]

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Anel de pistão que compreende uma composição de material de aço como elemento básico do mesmo, caracterizado por a composição do material de aço conter os seguintes elementos nas proporções indicadas em relação a 100% em peso da composição do material de aço: C: 0,5 - 1,2% em peso Mn: 3,0 - 15,0% em peso Si: 2,0 - 10,0% em peso e opcionalmente Cr: 0 - 3,0% em peso AI: máx. 0,02% em peso B: máx. 0,1% em peso Cu: máx. 2,0% em peso Mo: máx. 3,0% em peso Nb: máx. 0,05% em peso Ni: máx. 4,0% em peso P: máx. 0,1% em peso S: máx. 0,05% em peso Sn: máx. 0,05% em peso Ti: máx. 1,5% em peso V: máx. 1,5% em peso W: máx. 1,5% em peso O ferro residual apresenta um mínimo de 72% em peso e contaminações habituais, em que a soma das fracções de Nb, Ti, V e W é um máximo de 1,5% em peso, e a composição do material de aço contém apenas elementos seleccionados do grupo constituído por Al, B, C, Cr, Cu, Fe, Mn, Mo, Nb, Ni, P, S, Si, Sn, Ti, V e W, em que a soma destes elementos é igual a 100% em peso, em que o anel de pistão foi produzido num processo que inclui os seguintes passos: a. Produzir uma massa fundida a partir dos materiais iniciais, e b. Derramar o fundido num molde prefabricado.
2. Anel de pistão de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o conteúdo de ferro se situar entre 72,0% - 94,5% em peso.
3. Método para produzir um anel de pistão de acordo com as reivindicações 1 ou 2, caracterizado por a produção do anel de pistão incluir os seguintes passos: a. Produzir uma massa fundida a partir dos materiais iniciais, e b. Derramar o fundido num molde prefabricado, bem como os seguintes passos, se necessário: c. Austenizar o anel de pistão acima da sua temperatura Ac3, d. Arrefecer o anel de pistão num meio de arrefecimento adequado, e e. Temperar o anel de pistão a uma temperatura na gama de 400 a 700°C num forno com atmosfera controlada.
4. Método de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por a produção do anel de pistão incluir o seguinte passo: f. Nitrurar o anel de pistão obtido.