BRPI1103935A2 - anel de pistço - Google Patents

Abstract

ANEL DE PISTçO. A presente invenção refere-se a um anel de pistão, particularmente idealizado para utilização no canalete de pistão de um motor de combustão interna etou compressor, dotado de uma base (10) metálica apresentado çhanfros (15) em sua dimensão final e à qual é aplicada uma nitretação que consiste exclusivamente em uma camada de difusão (5) nitretada, evitando a necessidade de uma usinagem posterior e garantindo uma melhora considerável nas propriedades mecânicas do componente, mais concretamente no tocante as tensões compressivas residuais e na resistência a fadiga.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "ANEL DE

PISTÃO".

A presente invenção refere-se a um anel de pistão, particular- mente idealizado para utilização no canalete de pistão de um motor de combustão interna e/ou compressor, dotado de uma base metálica à qual é aplicada, por toda a sua superfície, uma camada nitretada que consiste exclusivamente na camada de difusão.

Descrição do Estado da Técnica

Nos motores de combustão interna dotados de um ou mais pistões que se deslocam no interior de respectivos cilindros, cada pistão compreende um ou mais anéis, que são submetidos a severos esforços quando o motor está em funcionamento.

Uma das formas de se garantir a resistência ao desgaste de um anel, a fim de que ele apresente uma vida útil elevada, é alcançada com a aplicação de uma ou mais camadas de revestimento sobre o metal base com o qual é constituído. O revestimento, desenvolvido especificamente para resistir ao desgaste e à abrasão, consegue assim manter as proprieda- des de desempenho do anel mesmo após milhões de ciclos de deslocamen- to do pistão no interior do cilindro.

Um dos tratamentos de superfície mais comuns entre anéis de pistão é alcançado através de uma camada de nitretação sobre a superfície do anel, sendo que outros revestimentos podem ser depositados na super- fície do anel.

Note-se que uma camada nitretada é compreendida pela forma- ção de duas camadas, são elas a camada de difusão e, subseqüentemente, a camada branca composta por fase de nitreto de ferro.

Nos anéis do estado da técnica não é diferente e, portanto, os processos tradicionais de manufatura de anéis de pistão nitretados possuem tanto a camada de difusão quanto a camada de composto. Como caracte- rística, a camada branca é muito dura, frágil e porosa. Por sua vez, as arestas vivas de um anel de pistão são pontos de concentração de tensões. Quanto estas regiões recebem a camada branca nitretada ocorre um aumento significativo da concentração de tensões, o que leva a uma fratura mais rápida do anel.

A figura 1 aborda exatamente o fenômeno acima descrito. Uma observação atenta da figura 1 mostra como a trinca do componente se ini- ciou no chanfro inferior esquerdo propagando-se até a fratura total, situação esta típica em anéis de pistão.

Por sua vez, muito embora existam evidências que mostrem que uma tensão residual compressiva é vantajosa na prevenção da formação de trincas, a mesma tensão residual compressiva quando existente nas arestas de um anel de pistão mostra-se diferente.

Tendo por base a figura 2, uma camada nitretada na superfície do anel em uma região próxima a uma aresta resulta nos vetores V1 e V2. A combinação das tensões compressivas dos vetores V1 e V2 na região da aresta resultam num terceiro vetor V3 que contribui para a formação da trin- ca, podendo levar a fratura do componente quando submetido a condições severas de funcionamento.

Note-se que diversos anéis de pistão recebem ainda filmes duros, geralmente gerados por deposição física na fase de vapor (PVD) ou por deposição química na fase de vapor (CVD). Nas soluções do estado da técnica, as superfícies do anel que vão receber o filme duro requerem a remoção da camada dura do composto com vista a melhorar a adesão de tal filme duro.

Em geral, os métodos utilizados para a remoção da camada branca requerem a usinagem do anel por meio de um processo de retifica. Estes processos são conhecidos como potenciais geradores de fraturas devido às forças de corte geradas durante a usinagem. Tendo em conside- ração que a camada nitretada nas regiões dos chanfros já possuem elevada tensão residual, a referida usinagem pode provoar pequenas fraturas nessas superfícies. Dado os esforços esforços cíclicos aos quais o anel do pistão está sujeito, uma pequena fratura pode facilmente levar à quebra do compo- nente.

Os resultados apresentados na tabela abaixo evidenciam o aumento da tensão residual após usinagem da camada nitretada do estado da técnica. Note-se que a tensão residual após nitretação aumentou de cerca de 300 Mpa para cerca de 600 Mpa após a usinagem.

Tabela 1: comparação entre os valores de tensão residual após

nitretação e

Amostra Após Nitretação Após Usinagem MPa MPa 180° 180° 1st ring -229 -534 2nd ring -198 -745 3rd ring -312 -619 4th ring -296 -617 5th ring -226 -728

A fim de melhorar a resistência à fratura dos anéis de pistão nitretados, que naturalmente podem também receber um filme duro, foram desenvolvidas diversas alternativas. Uma primeira técnica anterior represen- tativa de tais tentativas é apresentada pela patente norte-americana US 6.698.736, que se refere a um anel de pistão no qual a camada nitretada é completamente removida da região dos chanfros dado que a sua presença é prejudicial à resistência à fratura.

Assim, o documento revela que é necessário realizar a nitreta- ção com o anel dotado de suas arestas vivas, ou com chanfros extrema- mente reduzidos, pois de outro modo não será possível remover completa- mente a camada nitretada em tais regiões. Tal como explicado acima, estas regiões são fortes concentradoras de tensões que se acentuam com a nitretação. Nesse sentido, a tecnologia proposta pela patente US 6.698.736 apresenta vulnerabilidade pois caso a camada nitretada não seja completa- mente removida das arestas, o fato de a camada residual de nitretação conter elevadas tensões residuais que irá prejudicar a resistência a fratura do componente.

Outra técnica anterior é apontada pelo pedido de patente japo- nês, JP 2002-061746 que descreve um anel de pistão dotado de uma base metálica de ferro fundido ou aço. Tal anel compreende uma porção côncava na região do centro axial da face externa onde é formada uma camada nitre- tada. Após a remoção da camada nitretada da região dos chanfros e cantos, é depositada uma camada de filme cerâmico duro na face externa. Tal como ocorre na tecnologia referida na patente acima, a camada nitretada é removida dos cantos por meio de usinagem ou um processo de retifica para formação dos chanfros. Para que esta tecnologia seja viável, é necessário que as os cantos tenham arestas vivas antes de receberem a camada de nitretação, caso contrário não será possível a total remoção da camada nitretada. Desse modo, a usinagem das arestas vivas nitretadas que contem elevado nível de tensões levam a geração de trincas que irão prejudicar a resistência do anel, provocando a sua fratura.

O documento japonês JP3090520 revela outra solução encontra- da pelo estado da técnica para os problemas descritos acima. Neste caso, um anel de pistão de aço inoxidável é dotado de camadas de nitretação nas superfícies superior, inferior e em seu diâmetro interno, recebendo também um filme cerâmico por deposição iônica na superfície periférica externa. Note-se que neste caso, o tratamento de nitretação ocorre após a deposição por PVD de modo que o filme duro de PVD atua como uma barreira que prevenindo a nitretação. A desvantagem desta invenção ocorre pelo fato que apenas existe o filme de PVD a suportar a superfície de deslizamento que sofre o desgaste. Cumpre notar que caso o filme de PVD seja totalmente consumido, não existirá uma camada de nitretação por baixo do filme de PVD capaz de continuar a suportar o desgaste. Assim, a vida do anel de pistão depende completamente da durabilidade do filme de PVD e, caso este se extinga, o material macio que compõe a base metálica ficará exposto à parede do cilindro provocando o desgaste do anel e, consequentemente, a quebra do motor.

Assim, as soluções do estado da técnica apresentam dois gran- des inconvenientes que até ao presente momento ainda não têm solução. Por um lado, nas tecnologias onde ocorre uma nitretação por todo o anel, são necessários processos de usinagem capazes de promover a sua remoção total para que a deposição do filme cerâmico duro tenha boa aderência. Por outro lado, o fato de o filme cerâmico duro ser depositado diretamente sobre a base metálica do anel de pistão, traz o inconveniente de a vida do anel de pistão depender completamente da durabilidade do filme de PVD.

Não foi, portanto, encontrada uma solução que permita uma nitretação por toda a superfície do anel de pistão e que possibilite uma boa adesão de um filme duro cerâmico sem necessidade de qualquer processo intermediário de usinagem, isto é, depositado por cima da camada nitretada.

Objetivos da Invenção

A presente invenção tem por objetivo um anel de pistão idealiza- do para utilização em motores de combustão interna ou compressores, dotado de tratamento superficial de nitretação especial, de modo a que pelo menos uma de suas superfícies nitretada receba um filme cerâmico duro com boa adesão e sem necessidade de processos de usinagem.

A presente invenção tem por objeto também um anel de pistão dotado de um tratamento superficial de nitretação aplicado sobre um anel cujos chanfros já se encontram em sua geometria final e que seja capaz de minimizar as tensões internas da camada nitretada.

A presente invenção tem ainda por objetivo um anel de pistão que garanta uma vida do anel de pistão estendida de modo a que quando a o filme de PVD for consumido, uma camada nitretada existente por baixo do filme PVD possibilite o funcionamento de um motor em plenas condições.

Breve Descrição da Invenção

Os objetos da presente invenção são alcançados por um anel de pistão, particularmente para uso no canalete de um pistão de um motor de combustão interna ou de um compressor, compreendendo pelo menos uma base metálica substancialmente anelar composta primordialmente por ferro e à qual é associada uma camada nitretada, o anel de pistão compreendendo pelo menos uma superfície externa que mantém contato com uma camada de filme de óleo lubrificante e é dotada de pelo menos um chanfro, a camada nitretada apresentando uma espessura substancialmente constante por toda a superfície da base, inclusive na região do pelo menos um chanfro, a camada nitretada que consistindo exclusivamente de uma camada de difu- são nitretada que mantém contato direto com o meio externo e que compreende uma tensão residual que varia entre +100 megapascal e -100 megapascal.

Descrição Resumida dos Desenhos A presente invenção será, a seguir, mais detalhadamente des-

crita com base em um exemplo de execução representado nos desenhos. As figuras mostram:

a figura 1 - é uma fotografia de um anel de pistão que mostra a origem de uma trinca que levou a rotura do anel; a figura 2 - é uma figura da atuação da concentração de tensões

em uma região de uma aresta de um anel de pistão;

a figura 3 - é uma figura de um anel de pistão da presente

invenção; e

a figura 4 - é uma figura de um anel de pistão da presente

invenção.

Descrição Detalhada das Figuras

A presente invenção refere-se a um anel de pistão, particular- mente para uso no canalete de um pistão de um motor de combustão interna ou de um compressor, sendo que tal anel pode tanto ser aplicado como anel de compressão ou anel de raspagem do óleo.

Tal como referido acima, para que um anel de pistão consiga manter o seu desempenho durante milhões de ciclos, a base 10 metálica pelo qual é formado necessita receber um tratamento superficial adequado.

No caso da presente invenção, o anel de pistão receberá pelo menos um tratamento de nitretação especial. Nesse sentido, cumpre notar que a base metálica 10 do anel de pistão compatível com tal tratamento deverá ser composta primordialmente por ferro, podendo ser utilizado ferro fundido, aço, aço inoxidável, aço inoxidável martensítico, ou qualquer outra liga que se mostre compatível. Uma das principais características do anel de pistão da presente

invenção ocorre pelo fato de ser submetido ao tratamento superficial já em sua forma final. Por outras palavras, o anel será submetido ao tratamento especial de nitretação já dotado dos chanfros 15 em sua dimensão final, não existindo qualquer processo de usinagem após a o tratamento especial de nitretação.

Tal característica, por si só, traz já uma vantagem sobre o esta- do da técnica visto que o componente não é submetido a tensões internas adicionais decorrentes de uma usinagem. Por outro lado, o tamanho dos chanfros 15 pode ser maior de modo a evitar as arestas vivas do canto do anel que, como visto na figura 2, permite evitar em elevadas concentrações de tensões.

O somatório da combinação proporcionada pela possibilidade de

se usarem chanfros 15 maiores com o fato de não se submeter o compo- nente a um processo de usinagem, permite reduzir de modo muito signifi- cativo as tensões compressivas do componente após nitretação.

Para se alcançar tal resultado, um anel de pistão compreen- dendo uma base 10 metálica substancialmente anelar é dotado de pelo menos uma superfície externa 11,12,13,14 que manterá contato com uma camada de filme de óleo lubrificante, tal como uma superfície periférica externa, uma superfície periférica interna, uma superfície superior e uma superfície inferior. Note-se que cada superfície externa 11,12,13,14 compre- ende ou não pelo menos um chanfro 15 que se encontra em sua dimensão final (vide figuras 3 e 4).

Tendo por base um anel de pistão com a geometria acima des- crita, submete-se a base 10 metálica a uma camada de nitretação especial. Tal camada de nitretação consiste apenas em uma das duas camadas de nitretação usualmente aplicadas pelo estado da técnica. Desse modo, a superfície externa da base 10 recebe uma camada nitretada que consiste apenas na camada de difusão 5, não ocorrendo a deposição da camada branca que tipicamente é depositada nos anéis do estado da técnica. Note- se que para alcançar os resultados da presente invenção, a espessura da camada de difusão 5 nitretada deve estar compreendida entre 20 e 150 micrômetros. Note-se que a camada de difusão 5 nitretada ficará direta- mente em contato com o ambiente externo, ou seja, manterá contato direto com a película de óleo lubrificante do motor de combustão interna ou do compressor.

Tal como já foi referido, a camada branca é muito dura, frágil e porosa, obrigando a que nos anéis do estado da técnica seja removida para deposição posterior de um qualquer filme cerâmico duro. No caso da pre- sente invenção, a base metálica é exclusivamente dotada de uma camada nitretada de difusão 5, não incorrendo na necessidade de que seja removida caso se queira depositar posteriormente um filme cerâmico duro.

Assim, pode-se, posteriormente à deposição da camada difusão nitretada, depositar diretamente em uma das superfícies externas 11,12,13,14 um filme cerâmico duro gerado por deposição física na fase de vapor (PVD) ou por deposição química na fase de vapor (CVD) com vista a melhorar as propriedades mecânicas.

Por outras palavras, a camada de difusão 5 nitretada é capaz de receber um filme cerâmico duro garantindo uma boa adesão entre os dois revestimentos. A não existência da camada branca evita dificuldades de adesão, bem como as elevadas tensões compressivas resultantes da nitre- tação convencional, proporcionando ao anel de pistão da presente invenção uma série de benefícios em suas propriedades mecânicas.

A tabela 2 apresenta uma série de ensaios de bancada com o intuito de demonstrar as vantagens decorrentes da presente invenção com relação a tensão residual. As amostras foram testadas para avaliar a tensão residual presente no chanfro 15 inferior externo dos anéis da presente invenção (Exp. #3) frente aos anéis do estado da técnica após nitretação (Exp. #1) e após usinagem do chanfro 15 (Exp. #2).

Tabela 2: Comparação da tensão residual entre os anéis da presente invenção e do estado da técnica. Tensão Residual no Chanfro Inferior Externo (MPa) Amostras Técnica anterior Presente invenção Após Nitretação Exp. #1 Após usinagem do chanfro Exp. #2 Após Nitretação Exp. #3 #1 -249 -344 -21 #2 -203 -511 -31 #3 -200 -504 -26 #4 -219 -487 -8 #5 -277 -485 -19 Média -230 -466 -21

Tal como pode ser percebido, a presente invenção apresenta valores de tensão residual 90% menor que o encontrado nos anéis do esta- do da técnica somente devido a nitretação ocorrer no anel já contendo os chanfros. Tais resultados conferem propriedades mecânicas absolutamente desejáveis para a aplicação a que se destinam, sendo, portanto, evidente que a não formação da camada branca é fundamental para o sucesso da presente invenção.

Nitretando todas as superfícies do anel com apenas a camada de difusão, não há a necessidade de realizar a etapa de usinagem e por conta disso os dados de tensão residual após usinagem surpreendem com um valor médio 22 vezes menor. Na verdade, um anel da presente invenção pode apresentar valores de tensão residual que variem de um valor positivo de 100 Mpa a um valor negativo de 100 Mpa (+100 a -100 Mpa), o que é absolutamente desejável.

A presente invenção consegue, invariavelmente, alcançar melhores resultados quando comparada com os anéis do estado da técnica. De modo a corroborá-lo, observem-se os resultados apresentados pela tabela 3.

Tabela 3: Testes de bancada realizados com dois milhões de

ciclos em anéis do estado da técnica e da presente invenção..

Teste no Banco de Fadiga (Calculo da tensão após 2 milhões de ciclos sem falha) Estado da técnica 700 MPa resistência a fadiga Presente invenção 900 MPa resistência a fadiga

A tabela acima referente aos testes de fadiga mecânica mostra que os anéis submetidos ao tratamento de nitretação especial da presente invenção proporcionam uma melhoria quando comparados com os anéis do estado da técnica.

Repare-se que os anéis de pistão da presente invenção alcança- ram uma melhoria de 30% no limite de fadiga quando comparados com os anéis convencionais. Os anéis da presente invenção agüentaram dois milhões de ciclos sob uma tensão de 900 Mpa sendo que os anéis do estado da técnica agüentaram esse mesmo número de ciclos, mas a uma tensão máxima de 700 Mpa. Note-se que a uma tensão superior a 700 Mpa1 os anéis do estado da técnica fraturaram antes dos dois milhões de ciclos.

Em suma, a presente invenção consegue evitar os inconvenien- tes do estado da técnica no tocante a falta de adesão de um filme duro, permitindo que o mesmo seja depositado diretamente em contato com a camada de difusão 5 nitretada. Por outro lado, a nitretação realizada pelo estado da técnica permite melhorias ao nível do processo, pois possibilita a realização de chanfros 15 maiores antes da nitretação, não sendo neces- sária qualquer usinagem posterior. Para além de uma facilidade ao nível da produção, o anel de pistão da presente invenção alcança propriedades mecânicas notoriamente superiores ao estado da técnica, possibilitando a aplicação dos anéis da presente invenção sob condições mais severas.

Tendo sido descrito um exemplo de concretização preferido, 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 (4)

1. Anel de pistão, particularmente para uso no canalete de um pistão de um motor de combustão interna ou de um compressor, compre- endendo pelo menos uma base (10) metálica substancialmente anelar com- posta primordialmente por ferro e à qual é associada uma camada nitretada, o anel de pistão compreendendo pelo menos uma superfície externa (11,12,13,14) que mantém contato com uma camada de filme de óleo lubrificante e é dotada de pelo menos um chanfro (15), o anel de pistão sendo caracterizado pelo fato de que a camada nitretada apresenta uma espessura substancialmente constante por toda a superfície da base (10), inclusive na região do pelo menos um chanfro (15), a camada nitretada que consistindo exclusivamente de uma camada de difusão (5) nitretada que mantém contato direto com o meio externo e que compreende uma tensão residual que varia entre +100 megapascal e -100 megapascal.

2. Anel de pistão de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a espessura da camada de difusão (5) está compreendida entre 20 e 150 micrômetros.

3. Anel de pistão de acordo com as reivindicações 1 e 2, carac- terizado pelo fato de que pelo menos uma superfície externa (11, 12, 13, 14) é dotada de um filme cerâmico duro gerado por deposição física na fase de vapor (PVD) ou por deposição química na fase de vapor (CVD) aplicado sobre a camada nitretada.

4. Anel de pistão de acordo com as reivindicações 1 a 3, carac- terizado pelo fato de que a base (10) metálica é constituída por aço inoxi- dável.