BR102013004749A2 - Anel de pistão - Google Patents

Abstract

ANEL DE PISTÃO. A presente invenção refere-se a um anel (10) de pistão para aplicação como anel de compressão em motores a diesel dotados de potência superior de pelo menos 190 kW. Como particularidade da invenção tem-se uma base (1) metálica à qual é associada uma primeira camada exterior (3) deslizante e uma camada intermediária (2) posicionada entre a base (1) e a camada exterior (3), a base (1) sendo composta por um aço compreendendo 0,51% a 0,59% de carbono, 1,20% a 1,60% de silício, 0,60% a 0,80% de manganês, 0,60% a 0,80% de cromo, um máximo de 0,030% de fósforo, um máximo de 0,025% de enxofre, um máximo de 0,12% de cobre e o restante de ferro. O anel (10) da presente invenção apresenta elevada robustez necessária para resistência à fratura, mantendo elevada conformabilidade com vista a facilitar a configuração geométrica do anel, mesmo em geometrias complexas, evitando os problemas de produção dos anéis de ferro fundido e mantendo ainda assim um custo competitivo.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "ANEL DE

PISTÃO".

A presente invenção refere-se a um anel de pistão para uso em motores de combustão a diesel, mais particularmente, a um anel de com5 pressão de aço com elementos de liga de cromo e silício compreendendo nitretação gasosa e uma superfície de deslizamento de nitreto de cromo aplicada por deposição física de vapor com vista a aumentar a resistência ao desgaste e à fratura.

Descrição do Estado da Técnica Como é sabido, motores de combustão interna que operam com

ciclo diesel trabalham sob cargas elevadas. Mais particularmente, os motores a diesel de alta velocidade (High Speed Diesel Engines) com potência superior de pelo menos 190kW, são mais exigentes com seus componentes mecânicos, originando por diversas vezes a fratura de seus anéis de com15 pressão, o que inevitavelmente provoca a parada do motor para a necessária manutenção.

Existem algumas soluções do estado da técnica para melhorar a durabilidade de anéis de compressão de pistão aplicáveis em motores diesel. Via de regra, são utilizados anéis cuja base é de ferro fundido, estes a20 néis melhoram a robustez a fratura devido as propriedades inerentes do ferro fundido. Outras soluções passam pela utilização de uma base metálica de aço inoxidável ou aço compreendendo pelo menos 1% de cromo submetidos a tratamento de nitretação. Neste caso, para alguns motores, o uso de aço inox nitretado com recobrimento por deposição física de vapor (Phisical Va25 pour Deposition - PVD gera problemas de quebra do anel. Embora teoricamente a solução para a quebra de anéis citada acima pudesse ser ultrapassada com o uso de anéis de ferro fundido, há uma demanda do mercado para que se encontre uma solução sem que se altere o material base, ou seja, uma solução resolva a quebra de anéis de aço.

Em termos de tratamentos de superfície de anéis de pistão apli

cáveis em motores a diesel, existem soluções que passam pela nitretação gasosa ou nitretação a gás (Gas Nitride Steel - GNS) e pela deposição de PVD1 ou mesmo pela utilização conjunta destes dois tratamentos superficiais.

A nitretação é um tipo de tratamento superficial que objetiva proporcionar uma melhoria das propriedades mecânicas (neste caso particular, da face deslizante de anéis de pistão), notadamente anéis de compressão em aço.

Por meio da figura 1 e a título meramente ilustrativo do processo de nitretação, pode-se observar o processo químico-físico de uma das mais simples e primordiais formas de nitretação, a nitretação gasosa, também 10 conhecida como nitretação a gás (Gas Nitride Steel - GNS). É também possível observar a dissociação da amônia em nitrogênio e respectiva difusão do Nitrogênio pelo aço. A amônia, quando em contato com o aço, dissociase liberando nitrogênio atômico, que posteriormente pode ser absorvido pelo aço e dissolvido intersticialmente no ferro (Fe). No momento em que a su15 perfície atinge um determinado nível de saturação, é promovida a formação de nitretos através do mecanismo de nucleação e crescimento, sendo para tal necessário um determinado tempo de incubação.

Em geral, o tratamento de nitretação possibilita superfícies com maior dureza, através de um tratamento termoquímico superficial. Nesse 20 tratamento, o nitrogênio é introduzido na fase α (ferrita), fazendo-se uso de um ambiente nitrogenoso a determinada temperatura com o objetivo de alcançar um aumento da dureza e de resistência ao desgaste do aço. Este tratamento de superfície proporciona uma transformação do material até uma certa profundidade da superfície, mantendo-se o núcleo dútil e tenaz e 25 onde, consequentemente, não ocorre mudança de fase quando o aço é resfriado até à temperatura ambiente.

Como é conhecido pelos técnicos no assunto, em todos os processos de nitretação a região mais superficial do material é a que recebe maior absorção de nitrogênio e, à medida que a distância do interior do ma30 terial à superfície vai aumentando, vai diminuindo a quantidade de nitrogênio. Analogamente, a dureza do material é maior à superfície, diminuindo paulatinamente com o aumento de profundidade. Cumpre, no entanto notar que determinados tipos de aço, tal como o aço com elementos de liga cromo e silício (Cr-Si), onde o cromo se apresente com teor inferior a 1%, têm como paradigma a impossibilidade de sofrerem este tipo de tratamento de nitretação. Tal entendimento se deve ao 5 fato de que não é possível formar uma camada de difusão (endurecimento), por conta da falta de elementos de liga capazes de formar as fases duras durante a nitretação.

Entre os anéis de pistão existentes, podem citar-se aqueles que fazem uso de aço inoxidável ou de ligas de aço cuja quantidade de cromo é 10 superior a 1%. Tal composição química faz-se necessária para que o aço possa sofrer endurecimento através de uma nitretação gasosa, por exemplo. Adicionalmente, estes anéis podem receber uma camada de PVD. O estado da técnica para anéis de compressão que operam com ciclo diesel e trabalham sob cargas elevadas é composto por um anel de base de aço inoxidá15 vel, com quantidade em peso de cromo ao redor de 17%, submetido a processo de nitretação gasosa em toda a superfície externa do anel visando endurecimento e recoberto na face de contato/deslizamento com nitreto de cromo cerâmico (CrN), depositado via PVD.

A figura 2 mostra um anel dotado de uma base metálica de um 20 aço inoxidável que sofreu nitretação gasosa e recebeu uma camada de PVD. A face direita da figura corresponde à face de contato com o cilindro, face essa recoberta por PVD. De todo o modo o tratamento aplicado não foi suficiente para inibir a fratura do anel em um motor a diesel. A figura 2 ilustra assim uma fratura que teve início na superfície de deslizamento do anel, em 25 seu chanfro inferior, mostrando sinais de fadiga e uma fratura que se deslocou por toda a secção transversal do anel, originando a sua quebra total.

Atualmente as razões para a quebra de anéis de aço inoxidável nitretado e recobertos com PVD não é clara. Existem várias hipóteses sendo estudadas, desde a interação do anel com outros componentes do powertra30 in (pistões, camisas, etc.), até características do próprio anel, tais como algumas características de design ligadas a raio de chanfros e ângulos, passando pela espessura total da camada nitretada (que apesar de ser um elemento que vai reforçar a resistência ao desgaste, é também um elemento fragilizador, uma vez que diminui ductilidade do anel), entre outros.

Note-se ainda que além de os anéis do estado da técnica não oferecerem uma solução efetiva para os problemas de fratura de anéis de 5 compressão de motores diesel, o seu custo é bastante elevado por conta das ligas empregues no material base. Adicionalmente, o mercado tem também atuado como condicionador de soluções técnicas, vindo a solicitar o uso de anéis de aço ao invés de anéis de ferro fundido, por conta da dificuldade de produção destes.

Assim, faz-se necessário um anel compressão para pistões de

motores a diesel que ofereça a robustez necessária para resistência à fratura, mantendo elevada conformabilidade com vista a facilitar a configuração geométrica do anel, mesmo em geometrias complexas que os anéis de ferro fundido não permitiam alcançar. Adicionalmente, evitam-se os problemas de 15 produção dos anéis de ferro fundido, mantendo-se ainda assim um custo competitivo.

Objetivos da Invenção

É, portanto, um objetivo da presente invenção prover um anel de compressão que resista à fratura quando aplicado em motores diesel e que permita elevada conformabilidade.

É também um objetivo da presente invenção prover um anel de pistão com uma base metálica de aço que compreenda cromo e silício como elementos de liga, a base recebendo em toda a sua periferia uma camada nitretada a gás, sendo que a camada nitretada recebe por sua vez na superfície de deslizamento uma camada de nitreto de cromo aplicada por PVD.

É ainda um objetivo da presente invenção oferecer um anel tal como exposto acima a um custo competitivo.

Breve Descricão da Invenção

Os objetivos da presente invenção são alcançados através da provisão de um anel de pistão dotado de uma base metálica à qual é associada uma camada exterior deslizante e uma camada intermediária posicionada entre a base e a camada exterior, a base sendo composta por um aço compreendendo pelo menos os elementos de liga cromo e silício, o teor de cromo sendo inferior a 1%, a camada intermediária sendo nitretada e a camada exterior sendo compreendida por um filme de nitreto de cromo. Descrição Resumida dos Desenhos A presente invenção será, a seguir, mais detalhadamente descri

ta com base em exemplos de execução representados nos desenhos. As figuras mostram:

Figura 1 - é um esquema do processo de nitretação gasosa onde é possível observar a dissociação da amônia em nitrogênio e respectiva absorção pelo aço;

Figura 2 - é uma fotografia metalográfica de uma secção transversal de um anel do estado da técnica que mostra uma trinca que teve início no chanfro inferior da face de contato com recobrimento de PVD;

Figura 3 - é um esquema de um anel da presente invenção dotado de uma camada nitretada a gás em toda a periferia do anel e uma camada de nitreto de cromo aplicada por PVD apenas na superfície de deslizamento; e

Figura 4 - é um esquema que representa o teste de fadiga através da aplicação de uma deflexão estática e uma deflexão dinâmica.

Descrição Detalhada das Fiauras

A presente invenção propõe um anel 10 de pistão para motores de combustão interna a diesel, mais particularmente, um anel de compressão para os motores a diesel de alta velocidade (High Speed Diesel Engines) com potência superior de pelo menos 190kW.

Como se sabe, estes motores são bastante exigentes o que pro

voca a fratura prematura de seus anéis de compressão. A presente invenção propõe um novo anel 10 de compressão que seja capaz de resistir à fratura e manter elevada conformabilidade a um custo reduzido.

Para tal, o anel 10 da presente invenção faz uso de uma base 1 metálica de aço dotada de uma composição química particularmente desenvolvida para que seja possível aplicar uma camada nitretada a gás (GNS). Conforme se viu anteriormente, as ligas de aço usualmente utilizadas para anéis de pistão de compressão fazem uso de pelo menos 1% de cromo para que possam sofrer difusão e ser endurecidas através de um processo de nitretação gasosa. A presente invenção apresenta uma composição química que quebra este paradigma das ligas de aço com menos de 1% de cromo ao 5 propor uma liga de aço compreendendo 0,51% a 0,59% de carbono, 1,20% a 1,60% de silício, 0,60% a 0,80% de manganês, 0,60% a 0,80% de cromo, um máximo de 0,030% de fósforo, um máximo de 0,025% de enxofre, um máximo de 0,12% de cobre e o restante de ferro.

Cumpre notar que a quebra de paradigma se dá pelo fato de que 10 a presente invenção apresenta uma liga de aço capaz de oferecer um anel 10 cuja base 1 metálica compreende uma camada de difusão de substancialmente 100 mícrons. Conforme mostra a figura 3, a camada nitretada é uma camada intermediária 2 aplicada em toda a periferia do anel 10. Esta camada intermediária alcança uma dureza de substancialmente 700 Vickers, cer15 ca de 30% superior à dureza do centro do material base 1, garantindo assim a resistência ao desgaste necessária na região lateral.

Adicionalmente, o anel 10 da presente invenção compreende uma camada exterior 3 de nitreto de cromo (CrN) aplicada sobre a camada intermediária 2. Esta camada exterior 3 é aplicada por PVD exclusivamente 20 na superfície deslizante, isto é, na superfície do anel 10 que mantém contato com a parede de um cilindro. A espessura necessária do filme de PVD pode variar de 10 mícrons a 50 mícrons, sendo preferencialmente de substancialmente 30 mícrons, que é a espessura considerada necessária para prover a resistência ao desgaste para a vida útil do anel.

O principal motivo para que o anel da presente invenção resista

a fratura nas circunstancias em que o anel do estado da técnica (aço inox nitretado + PVD) quebra, deve-se às características intrínsecas do aço utilizado na presente invenção, o aço Cr-Si. Este aço de Cr-Si1 mesmo passando por um processo de nitretação gasosa, consegue manter uma ductilidade 30 suficiente para suprimir o aparecimento de trincas e prevenir a sua propagação.

Por sua vez, na solução do estado da técnica que faz uso de aço inox, a presença de grande quantidade de elementos de liga leva à formação, após a nitretação, de fases duras de carbonetos, nitretos e carbonitretos. Estas fases podem tanto originar o aparecimento de trincas, devido a heterogeneidade entre matriz de aço e as fases duras, quanto ajudar na 5 propagação de trincas criadas, visto que endurecem a matriz do aço por solução sólida e pela precipitação de nitretos e carbonetos.

Como a quantidade de elementos de liga no aço Cr-Si da presente invenção é muito inferior aquela do aço inox, tem-se a criação de fases duras, mas em menor quantidade, sendo suficientes para fornecer resis10 tência ao desgaste lateral, sem prejuízo para melhora da robustez a fratura. Cumpre notar que o recobrimento de PVD na face de contato é necessário para prover resistência ao desgaste nesta face por ser uma região muito mais demandada que a lateral do anel.

Foram realizados ensaios para comparar a resistência à fadiga entre um dos melhores anéis do estado da técnica com os anéis da presente invenção. A figura 4 mostra um esquema que representa o teste de fadiga através da aplicação de uma deflexão estática e uma deflexão dinâmica que simula a quebra dos anéis de pistão quando em uso em um motor.

O anel do estado da técnica é compreendido por um aço com 20 cromo superior a 1% (usualmente aço inox) e recebe uma nitretação gasosa, seguida de um filme PVD em toda a sua superfície, sendo comumente chamado de anel GNS + PVD. Quando submetido ciclo de testes, o anel do estado da técnica fraturou, sendo que o anel da presente invenção conseguiu terminar o ciclo de simulação intacto. Como resultado, pode-se constatar 25 que o anel do estado da técnica suporta uma carga máxima de 750 Mpa, sendo que o anel da presente invenção suporta uma carga máxima de 1250Mpa.

O anel 10 da presente invenção tem ainda como vantagem o fato de seu custo ser de no máximo 90% do custo de um anel de aço inox nitretado com recobrimento de PVD na face de contato. Tal deve-se principalmente ao fato de o aço cromo silício ser amplamente disponível e conter menor quantidade de elementos de liga, o que para o aço é um fator encarecedor. O material base da presente invenção tem assim uma vantagem competitiva por ser mais barato que os aços inoxidáveis para anéis de pistão, sem falar no fato de conseguir operar sem os problemas de trincas do estado da técnica. Adicionalmente, o anel 10 da presente invenção tem co5 mo características a elevada conformabilidade com vista a facilitar a configuração geométrica do anel.

Tendo sido descrito exemplos de concretizações preferidos, deve ser entendido que o escopo da presente invenção abrange outras possíveis variações, sendo limitado tão somente pelo teor das reivindicações apensas, aí incluídos os possíveis equivalentes.

Claims (10)

1. Anel de pistão dotado de uma base (1) metálica à qual é associada uma camada exterior (3) deslizante e uma camada intermediária (2) posicionada entre a base (1) e a camada exterior (3), o anel (10) sendo caracterizado pelo fato de que a base (1) é composta por um aço compreendendo pelo menos os elementos de liga cromo e silício, o teor de cromo sendo inferior a 1%, a camada intermediária (2) sendo nitretada e a camada exterior (3) sendo compreendida por um filme de nitreto de cromo.

2. Anel de pistão de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a camada intermediária (2) é nitretada a gás (GNS) sendo aplicada em toda a superfície periférica do anel (10).

3. Anel de pistão de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a camada exterior (3) é aplicada por deposição física de vapor (PVD) apenas na face deslizante do anel (10) e compreende uma espessura que varia de 10 mícrons a 50 mícrons.

4. Anel de pistão de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que é um anel (10) de compressão.

5. Anel de pistão de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a resistência à fadiga é superior a 750 (Mpa) e inferior a 1300 (Mpa).

6. Anel de pistão de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que é um anel de compressão aplicado em um motor de combustão interna que opera em ciclo diesel.

7. Anel de pistão de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a superfície da camada intermediária tem uma dureza que varia de 600 Vickers a 900 Vickers.

8. Anel de pistão de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a base (1) metálica compreende uma camada de difusão de que varia de 30 a 150 mícrons.

9. Anel de pistão de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a dureza na camada exterior (3) é pelo menos 30% superior à dureza da base (1) metálica.

10. Anel de pistão de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a base (1) é composta por 0,51% a 0,59% de carbono,1,20% a 1,60% de silício, 0,60% a0,80% de manganês, 0,60% a 0,80% de cromo, um máximo de 0,030% de fósforo, um máximo de 0,025% de enxofre, um máximo de 0,12% de cobre e o restante de ferro.