PT2411553T

PT2411553T - Anel de pistão nitretável

Info

Publication number: PT2411553T
Application number: PT97598924T
Authority: PT
Inventors: Pelsoeczy Laszlo
Original assignee: Federal Mogul Burscheid Gmbh
Priority date: 2009-03-26
Filing date: 2009-11-23
Publication date: 2017-03-17
Also published as: EP2411553B1; CN102282283B; BRPI0924407B8; BRPI0924407A2; BRPI0924407B1; US8317938B2; JP5695635B2; CN102282283A; DE102009015009B3; EP2411553A1; US20120018051A1; JP2012521488A; KR20120022827A; WO2010108528A1

Description

DESCRIÇÃO

ANEL DE PISTÃO NITRETÁVEL A presente invenção refere-se a um anel de pistão, que apresenta uma boa capacidade de nitretação. A presente invenção refere-se ainda a um anel de pistão nitretado, que pode ser produzido a partir do anel de pistão de acordo com a invenção com boa capacidade de nitretação. Além disso, a presente invenção refere-se a um processo para a produção do anel de pistão de acordo com a invenção com boa capacidade de nitretação bem como a um processo para produção do anel de pistão nitretado de acordo com a invenção.

Estado da técnica

Num motor de combustão interna, anéis de pistão vedam a fenda existente entre a cabeça de pistão e a parede de cilindro em relação à câmara de combustão. Aquando do movimento ascendente e descendente do pistão, o anel de pistão desliza de um lado com a sua área periférica exterior em equipamento elástico constante; do outro lado, o anel de pistão, condicionado pelos movimentos de basculamento do pistão, desliza oscilantemente na sua ranhura de anel de pistão, sendo que os seus flancos encostam alternadamente no flanco de ranhura superior ou inferior da ranhura de anel de pistão. Nos parceiros de deslizamento que correm respetivamente uns contra outros, em função do material, ocorre um desgaste mais ou menos intenso, que, num curso em seco, pode conduzir a assim chamadas gripagens, formação de estrias e, finalmente, a uma destruição do motor. Para melhorar o comportamento de deslizamento e desgaste de anéis de pistão relativamente à parede de cilindro, os mesmos foram providos na sua área periférica de revestimentos de distintos materiais.

Para a produção de peças altamente solicitadas de motores de combustão interna como, por exemplo, anéis de pistão, empregam-se em geral materiais de ferro fundido ou ligas de ferro fundido. Anéis de pistão, especialmente anéis de compressão, estão sujeitos decisivamente em motores altamente solicitados a uma carga crescente, inclusive pressão de pico de compressão, temperatura de combustão, EGR e redução de película lubrificante, que influenciam as suas propriedades funcionais, como desgaste, resistência ao desgaste, microssoldagem e resistência à corrosão.

Materiais de ferro fundido, conforme o estado atual da técnica, apresentam, contudo, um alto risco de rutura, de modo que, aquando do emprego de materiais anteriores, há frequentemente ruturas do anel. Cargas mecânico-dinâmicas ascendentes conduzem a tempos de vida mais curtos de anéis de pistão. Igualmente ocorre forte desgaste e corrosão em áreas de rolamento e flancos.

Altas pressões de ignição, emissões reduzidas bem como a injeção direta de combustível significam cargas ascendentes para anéis de pistão. As consequências são avarias e chapeamentos do material do pistão, sobretudo no flanco inferior do anel de pistão.

Devido às elevadas solicitações mecânicas e dinâmicas de anéis de pistão, os produtores de motores requerem cada vez mais anéis de pistão de aço de alto valor (temperado e de alta liga como, por exemplo, material 1.4112). Materiais de ferro com menos de 2,08 % em peso de carbono são então designados como aço. Situando-se o teor de carbono mais alto, fala-se então de ferro fundido. Materiais de aço detêm, em comparação com ferro fundido, melhores propriedades de resistência e tenacidade, pois não há interferência de grafite livre na textura de base.

Em geral, aços martensíticos de alta liga ao cromo são empregues para a produção de anéis de pistão de aço. Mas o emprego desses aços tem a desvantagem de que os custos de produção são significativamente mais altos em comparação com componentes de ferro fundido.

Anéis de pistão de aço são produtos de arame perfilado. 0 arame perfilado é bobinado em redondo, cortado e estirado por um mandril "não redondo". Nesse mandril ao anel de pistão é conferida por um processo de incandescência a sua forma não redonda desejada, com o que são ajustadas as forças tangenciais requeridas. Outra desvantagem da produção de anéis de pistão de aço é que, a partir de um certo diâmetro, a produção de anel (bobinagem) de arame de aço deixa de ser possível. Anéis de pistão de ferro fundido são, pelo contrário, já fundidos não redondos, de modo que apresentam desde o início uma forma ideal.

Ferro fundido possui uma temperatura de fusão essencialmente menor do que aço. A diferença pode importar em até 3 50 °C dependendo da composição química. Ferro fundido e, portanto, de fusão mais baixa e facil, pois uma temperatura de fusão mais baixa significa uma temperatura de fundição mais baixa e, com isso, uma menor contração condicionada pelo arrefecimento, com o que o material fundido apresenta menos orifícios de escoamento ou fissuras por calor e frio. Uma temperatura de fundição mais baixa conduz, ainda, a uma menor solicitação do material de moldagem (erosão, porosidades de gás, inclusões de areia) e do forno, bem como a menores custos de fusão. A temperatura de fusão do material de ferro depende não apenas do seu teor de carbono, mas sim também do "grau de saturação". Tem-se a seguinte fórmula simplificada:

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

Quanto mais próximo de 1 o grau de saturação, tanto mais baixa a temperatura de fusão. Em ferro fundido procura-se, em geral, um grau de saturação de 1,0, apresentando o ferro fundido uma temperatura de fundição de 1150 °C. 0 grau de saturação de aço, dependendo da composição química, importa em aproximadamente 0,19. Aço eutéctico apresenta uma temperatura de fusão de 1500°C. 0 grau de saturação pode ser nitidamente influenciado pelo teor de Si ou P. Por exemplo, um teor de silício mais alto, em torno de 3 % em peso, tem um efeito de um teor de C mais alto de 1 % em peso. Assim, é 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 ferro fundido com um grau de saturação de 1,0 (C: 3,26 % em peso, Si: 3,0 % em peso) . Por um drástico aumento do teor de Si pode ser aumentado o grau de saturação do material de aço e baixada a temperatura de fusão para o nível de ferro fundido. Assim, é possível produzir aço com auxílio daquela técnica que é empregue também para a produção de ferro fundido, por exemplo GOE 44.

Anéis de pistão de material de aço fundido com alto teor de silício são conhecidos no estado atual da técnica. Todavia, o silício presente em maiores quantidades influencia negativamente a temperabilidade do material, pois a sua temperatura de conversão austenítica "Ac2" é elevada.

Um processo habitual no estado atual da técnica para, não obstante, garantir uma alta dureza da superfície do anel de pistão, consistiria na nitretação do material. Todavia, verificou-se que materiais de aço fundido com alto teor de silício do estado atual da técnica apresentam uma fraca capacidade de nitretação. 0 documento JP 2000282177 A descreve um anel de pistão de um aço que, por peso, apresenta uma composição de 0,50 até 0,80% C, 1,55 até 3,00% Si, 0,20 até 1,50% Mn, 0,60 até 2,00% Cr, 0,05 até 1,00% V e o restante Fe com inevitáveis poluições, sendo o anel de pistão, aquando da produção, sujeito a uma deformação a frio e a um tratamento de nitretação. 0 documento CH 318954 A descreve um processo para produção de partes de máquinas altamente solicitadas com atrito deslizante, especialmente camisas de cilindro. A liga de ferro-carbono então empregue contém 0,8 até 3,0% C, 0,1 até 1,5% Mn e 0,2 até 3 % AI, sendo as partes de máquina produzidas por deformação a quente.

Descrição da Invenção

Constitui, portanto, objetivo da presente invenção disponibilizar anéis de pistão que, como corpo de base, apresentem uma composição de material de aço com alto teor de silício e que apresentem uma boa capacidade de nitretação, bem como disponibilizar anéis de pistão nitretados. A composição de material de aço nitretada dos anéis de pistão nitretados deve superar, pela produção na fundição gravitacional, as propriedades de ferro fundido temperado com grafite esférico em pelo menos um dos seguintes pontos:

Propriedades mecânicas como modulo E, resistência à f1exao

Resistência em relação a ruturas Resistência de forma Desgaste de flancos Desgaste de área de rolagem

Esse objetivo é alcançado de acordo com a invenção por anéis de pistão que apresentam, como corpo de base, uma composição de material de aço que contém os seguintes elementos na fração indicada: AI: 0,5-1,5 % em peso C: 0,5-1,2 %em peso

Fe: 68,2-96,9 % em peso

Mn: 0,1-3,0 % em peso

Si 2,0-10,0 % em peso B: max. 0,1 % em peso

Cr: max. 4,0 % em peso

Cu: max. 2,0 % em peso

Mo: max. 3,0 % em peso Nb : max. 0,05 % em peso Ni: max. 4,0 % em peso P: max. 0,1 % em peso S: max. 0,05 % em peso Sn: max. 0,05 % em peso Ti: max. 0,2 % em peso V: max. 2,0 % em peso W: max. 0,5 % em peso sendo que a composição de material de aço contém apenas elementos selecionados a partir do grupo que consiste em Al, B, C, Cr, Cu, Fe, Mn, Mo, Nb, Ni, P, S, Si, Sn, Ti, V e W, resultando a soma desses elementos em 100 % em peso.

Pressupõe-se que a boa nitretação dos anéis de pistão de acordo com a invenção é garantida pelo teor de 0,5 a 1,5 % em peso de alumínio. Num processo de nitretação, alumínio forma nitretos muito duros.

Por nitretação dos anéis de pistão, de acordo com a invenção, com boa capacidade de nitretação, são obtidos anéis de pistão nitretados de acordo com a invenção.

Os anéis de pistão nitretados de acordo com a invenção têm uma tendência reduzida a alterar a sua forma sob forte aquecimento, e têm assim um desempenho duradouramente elevado e reduzem, além disso, o consumo de óleo.

Os anéis de pistão de aço nitretados de acordo com a invenção apresentam, ainda, a vantagem de que a sua produção é possibilitada com as máquinas e tecnologia necessários para a produção de peças de trabalho de ferro fundido. Ademais, os custos de produção correspondem àqueles de anéis de pistão de ferro fundido, o que proporciona ao produtor uma vantagem de custos e melhor valorização. Parâmetros de material podem então ser ajustados independentemente do fornecedor.

Anéis de pistão de acordo com a invenção são produzidos num processo que compreende as seguintes etapas: a. Produção de uma massa fundida dos materiais de partida e b. Vazamento da massa fundida para um molde pré-fabricado.

Como materiais de partida podem ser empregues, por exemplo, sucata de aço, material de reciclagem e materiais de liga. 0 processo de fusão ocorre num forno, de preferência um forno de cúpula. Em seguida, uma peça em bruto é produzida por solidificação da massa fundida. 0 anel de pistão pode então ser fundido com métodos conhecidos no estado atual da técnica como, por exemplo, fundição centrífuga, fundição por extrusão, processo de prensagem por punção, "croning" ou, de preferência, moldagem de areia verde.

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

Eventualmente, o anel de pistão pode em seguida ser temperado. Isso ocorre pelas seguintes etapas: c. Austenitização do anel de pistão acima de uma temperatura Ac3, d. Arrefecimento brusco do anel de pistão num meio de arrefecimento brusco apropriado, e e. Recozimento do anel de pistão a uma temperatura na faixa de 400 até 700°C num forno de gás de proteção. Como meio de arrefecimento brusco é empregue de preferência óleo.

Para a produção de um anel de pistão nitretado de acordo com a invenção, a seguir às etapas de processo anteriormente mencionadas, ocorre uma nitretação do anel de pistão obtido. Isso pode ocorrer, por exemplo, por nitretação a gás, nitretação a plasma ou nitretação a pressão. 0 exemplo a seguir explica a invenção sem a restringir.

Exemplo

Foi produzido um anel de pistão de uma composição de material de aço bem nitretável de acordo com a invenção da seguinte composição: AI: 1,1 % em peso B: 0,001 % em peso C: 0,7 % em peso Cr: 2,0 % em peso Cu: 0,05 % em peso Mn: 0,45 % em peso Mo: 0,5 % em peso Nb: 0,002 % em peso P: 0,03 % em peso S: 0,009 % em peso Si: 3,0 % em peso Sn: 0,001 % em peso Ti: 0,003 % em peso V: 0,11 % em peso W: 0,003 % em peso Fe: restante

Isso ocorreu por produção de uma massa fundida dos materiais de partida (sucata de aço, material de reciclagem e materiais de liga) e vazamento da massa fundida para um molde de areia verde pré-fabricado. Em seguida, o molde foi esvaziado e o anel de pistão obtido limpo. 0 anel de pistão foi de seguida temperado. Isso ocorre por austenitização acima da temperatura Ac3 da composição de material de aço, arrefecimento brusco em óleo, e recozimento a uma temperatura na faixa de 400 até 700°C num forno de cúpula.

Por fim, ocorreu uma nitretação da superfície do anel de pistão obtido. Nas regiões nitretadas foi obtida uma dureza de mais de 1000 HV, que garante uma elevada resistência contra desgaste de flancos e desgaste de área de rolamento. A dureza foi determinada então segundo DIN 6773 .

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, ο IEP não assume qualquer responsabilidade por eventuais erros ou omissões.

Documentos de patente referidos na descrição • JP 2000282177 A [0015] • CH 318954 A [0016]

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Anel de pistão, que apresenta como corpo de base uma composição de material de aço nitretável, caracterizado por a composição de material de aço conter os seguintes elementos na fração indicada em relação a 100 % em peso da composição de material de aço: AI: 1,1 % em peso C: 0,7 % em peso Mn: 0,45 % em peso Si: 3,0 % em peso B: 0,001 % em peso Cr: 2,0 % em peso Cu: 0,05 % em peso Mo: 0,5 % em peso Nb: 0,002 % em peso P: 0,03 % em peso S: 0,009 % em peso Sn: 0,001 % em peso Ti: 0,003 % em peso V: 0,11 % em peso W: 0,003 % em peso Restante Fe e impurezas : habituais, sendo que a soma desses elementos resulta em 100 % em peso, e sendo que o anel de pistão foi produzido num processo que compreende as seguintes etapas: a. Produção de uma massa fundida dos materiais de partida e b. Vazamento da massa fundida para um molde pré-fabricado.
2. Anel de pistão nitretado caracterizado por ser obtido por nitretação de um anel de pistão de acordo com a reivindicação 1.
3. Anel de pistão, de acordo com a reivindicação 1, em que o processo para a produção compreende ainda as seguintes etapas: c. Austenitização do anel de pistão acima de uma temperatura Ac3, d. Arrefecimento brusco do anel de pistão num meio de arrefecimento brusco apropriado, e e. Recozimento do anel de pistão a uma temperatura na faixa de 400 até 700°C num forno de gás de proteção.
4. Processo para produção de um anel de pistão, de acordo com a reivindicação 2, que compreende as seguintes etapas: a. Execução de um processo de acordo com uma das reivindicações 1 ou 3, e b. Nitretação do anel de pistão obtido.