BRPI0705602A2 - processo para obtenÇço de anel de pistço e anel de pistço - Google Patents

Abstract

PROCESSO PARA OBTENÇçO DE ANEL DE PISTçO E ANEL DE PISTçO. A presente invenção refere-se a um método de produção de um tratamento de superfície para anéis de pistão fabricados em ferros fundidos lamelares, nodulares ou vermiculares, através da aplicação de um feixe de laser com parâmetros controlados, de forma a obter uma superfície endurecida, resistente ao desgaste e isenta de trincas de solidificação.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "PROCESSOPARA OBTENÇÃO DE ANEL DE PISTÃO E ANEL DE PISTÃO".

CAMPO DA INVENÇÃO

A presente invenção refere-se a presente invenção a um anelde pistão e a um processo para obtenção de anel de pistão do tipo utilizadoem motores de combustão interna e, mais particularmente, para tratamentosuperficial de dito anel de pistão para tais tipos de motores.HISTÓRICO DA INVENÇÃO

Os motores de combustão interna devem atender à demandasde potência elevada e baixo consumo de combustível e óleo lubrificante,com níveis mínimos de emissão de poluentes. Para tanto, têm sido desen-volvidos motores com altas taxas de compressão, altas velocidades de rota-ção e que funcionam com elevadas temperaturas em serviço, exigindo altaresistência estrutural e funcional dos componentes.

Dentre os componentes dos motores de combustão interna sobintensa demanda de desempenho estrutural e funcional estão os anéis depistão. Estes componentes são solicitados a apresentarem uma baixa taxade desgaste e a manterem a integridade estrutural e funcional sob condiçõesde filme de óleo mínimo e temperaturas e pressões elevadas. Em funçãodestas exigências, é conhecida a técnica de se prover a face externa de con-tato do anel de pistão com um revestimento para melhorar a resistência aodesgaste, a resistência à corrosão em ambiente agressivo à temperaturaelevada, para minimizar o desgaste do cilindro do motor e, principalmente,para melhorar a resistência ao engripamento em caso de ruptura do filme deóleo com o cilindro.

No caso dos anéis de pistão os requisitos básicos de projeto,como uma vedação eficaz dos gases de combustão, manutenção do óleolubrificante para os sistemas superiores e otimização do rendimento térmico,devem manter-se praticamente inalterados durante a vida útil do motor, sur-gindo a necessidade de desenvolvimentos que garantam maior resistênciaao desgaste, para minimizar a variação dimensional responsável pela de-gradação das características funcionais do anel de pistão, quanto ao atendimento de níveis máximos de consumo de óleo lubrificante ou de emissãode poluentes.

Como revestimento da face externa de contato dos anéis depistão têm sido utilizadas coberturas à base de cromo eletrodepositado, ourevestimentos efetuados pela aspersão térmica de metais, ligas e/ou mistu-ras de ligas e partículas com materiais cerâmicos ou carbetos na forma depós, assim como anéis de aço ou ferro fundido, com endurecimento da ca-mada externa por tratamentos termoquímicos de nitretaçao, ou sobrepostacom uma camada de material com elevada dureza e baixo coeficiente deatrito, depositados por PVD (Physical Vapor Deposition). Estes revestimen-tos ou tratamentos de modificação da face externa de contato com o cilindrotêm sido utilizados para obtenção de maior resistência ao desgaste abrasivoe também aos demais mecanismos de desgaste.

Os processos para obtenção dessas tecnologias e suas solu-ções técnicas já conhecidas são amplamente descritas na literatura e con-templadas em concessões como o processo para o tratamento termoquímicode nitretaçao a gás e iônica descritos nos documentos de PatenteUS5013371 e US5240514, respectivamente. No documento de PatenteUS4557492 os anéis de pistão de aço ou ferro fundido são tratados em todaa superfície de contato para uma melhoria da resistência ao desgaste e ao""scuffing"". Em algumas aplicações o tratamento de nitretaçao conduz auma maior durabilidade do anel. Entretanto, apresenta uma tendência decausar um desgaste acentuado no cilindro fazendo com que as condiçõestribológicas do par anel-cilindro sejam afetadas e, por vezes, conduzam ãfalha prematura do motor quanto ao atendimento de níveis máximos de con-sumo de óleo lubrificante ou de emissão de poluentes.

Uma vez que o endurecimento por nitretaçao em anéis de pistãonão corresponde mais aos requisitos, os anéis vêm recebendo uma camadagalvânica de cromo duro, tal como ensinado no documento de patenteEP0507636B1, tendo sido também desenvolvidas soluções com camadasespecialmente resistentes ao desgaste para anéis de compressão, conformeapresentado no documento de patente US4846940. A camada resistente aodesgaste contém partículas cerâmicas, firmemente ancoradas em todo ovolume da camada, que proporcionam a essa última uma capacidade decarga e resistência extremamente elevada. Como a retifica da camada levaao desprendimento das partículas cerâmicas, há restrições em sua utilização.

A técnica de deposição PVD com suas várias ligas já descritasem outros documentos como, por exemplo, US6315840 e DE19940064C2,produzem um filme com elevada resistência ao desgaste e elevada resistên-cia ao engripamento, sem aumentar o desgaste da peça oponente. Entretanto, a deposição do recobrimento por PVD é de elevado custo e necessita deuma complexa limpeza superficial.

Comparado com anéis de pistão tratados com técnicas concor-rentes, como a cromação e a nitretação, a nova técnica de endurecimentopor laser de anéis de pistão oferece muitas vantagens como baixo custo,economia de metais nobres, boa relação de desgaste entre o par tribológicoanel de pistão e cilindro, tecnologia não poluente, economia de energia, fácilautomação na produção, etc. A solução do documento GB2245680A apre-senta um anel de pistão do mesmo tipo, com discretas e localizadas regiõestratadas a laser (borda da face externa de contato e a lateral do anel de pistão), no intuito de evitar destacamento da camada endurecida e/ou trincassuperficiais decorrentes do tratamento contínuo de toda a superfície da faceexterna de contato do anel de pistão.

Outro método que emprega endurecimento por laser em anéisde pistão, como um tratamento após usinagem, é descrito no documento dePatente US4299401. Os anéis produzidos com essa técnica têm uma contí-nua camada endurecida na região de alta solicitação de contato e nas late-rais do anel para melhorar a resistência ao desgaste destas partes com acanaleta do pistão.

Ensaios experimentais e a literatura mostram que, para desgaste sob condições de deslizamento, a superfície com faixas discretas de ca-mada endurecida na superfície de contato dos anéis de pistão, como con-templados nas soluções acima descritas, geram o efeito indesejável de mai-or desgaste, se comparados com o tratamento de toda a superfície de conta-to.

Apesar dos diversos relatos de aplicações industriais e de pes-quisas intensas, as tensões térmicas geradas pelo alto gradiente de extraçãode calor, no tratamento de tempera a laser, são uma variável intrínseca noselevados níveis de dureza superficial conseguidos neste tratamento.

As tensões térmicas são induzidas principalmente pelo gradien-te de temperatura e pela transformação de fase ledeburita, formada no res-friamento rápido a partir da fase líquida, mudando abruptamente para tensãocompressiva quando a distância da superfície aumenta, o que tem grandeinfluência na geração de trincas superficiais.

O mecanismo de absorção da energia e a transferência de calorque ocorrem no material são de grande importância, pois eles afetam o a-quecimento, a fusão, o fluxo de metal líquido e o processo de solidificação.

Isso dificulta o estabelecimento de uma inter-relação entre as variáveis doprocesso, sem que seja realizada uma extensiva experimentação.

No caso de anéis de pistão esse problema tem sido trabalhadotratando faixas distintas ou discretas e localizadas regiões da face do anelonde se deseja maior resistência ao desgaste. Essa solução mostrou-se efi-caz na solução de falha funcional provocada por trincas de solidificação, masnão gera o efeito desejado de resistência ao desgaste, já que as partes daface do anel onde se deseja maior resistência ao desgaste podem expor omaterial de base sem nenhum tipo de tratamento de endurecimento.

OBJETIVOS DA INVENÇÃO

É um objetivo da presente invenção prover um processo de tratamento superficial de anel de pistão que produza um endurecimento da faceexterna de contato de dito anel de pistão, com um determinado grau de du-reza na espessura da porção de superfície, superior àquele do substrato me-tálico de formação do anel de pistão.

É também objetivo da presente invenção prover um processo talcomo acima citado e que evite o aparecimento de trincas ou mesmo a ocor-rência de destacamento na camada superficial de dito anel de pistão.É um outro objetivo da presente invenção prover um processotal como acima citado e que permita o tratamento superficial simultâneo detoda a superfície do anel a ser tratada, particularmente a partir de técnicasde tratamento a laser.

É também um objetivo da presente invenção prover um anel depistão, particularmente para motor a combustão, que apresente uma camadasuperficial, de dureza elevada, contínua e homogênea.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

Estes e outros objetivos são alcançados através de um processo de obtenção de anel de pistão para motor de combustão interna e com-preendendo um corpo anelar tendo uma face externa de contato, compreen-dendo as etapas de: a- prover um anel de pistão apresentando um substratometálico em um material tendo uma certa capacidade de absorção de ener-gia térmica por unidade de espessura; b- prover um movimento rotacionalrelativo, com uma velocidade predeterminada, entre o anel de pistão e umafonte de energia; c- submeter, em um intervalo de tempo predeterminado eprogressivo e continuamente, sucessivas porções de superfície da face ex-terna de contato do anel de pistão, definidas, cada uma, por toda a largura epor uma reduzida extensão circunferencial do anel de pistão e toda a exten-são circunferencial da face externa de contato do anel de pistão, durante odito movimento rotacional, a uma determinada carga de energia fornecidapela fonte de energia e suficiente para imprimir uma determinada transfor-mação de fase, a uma espessura de cada porção de superfície, a partir daface externa de contato do anel de pistão; e d- submeter a dita espessura decada porção de superfície, imediatamente após sua transformação de fase,a um resfriamento suficiente para imprimir um determinado grau de dureza àdita espessura da porção de superfície, superior àquele do substrato metáli-co.

Também, os objetivos da presente invenção são alcançados porum processo de tratamento com feixe de laser em anel de pistão, tal anelpossuindo um substrato metálico e uma face externa de contato que com-preende as etapas de: a - prover um movimento rotacional relativo, com umavelocidade predeterminada, entre o anel de pistão e uma fonte de energia naforma de um feixe de laser; b - submeter, em um intervalo de tempo prede-terminado, de forma progressiva e contínua um aporte de energia em suces-sivas porções de superfície da face externa de contato do anel de pistão de-finidas, cada uma dessas porções, por toda a largura e por uma reduzidaextensão circunferencial do anel de pistão ao longo de toda extensão circun-ferencial da face externa de contato do anel de pistão, sendo tal aporte sufi-ciente para imprimir uma determinada transformação de fase resultando emuma camada modificada, e uma espessura determinada de cada porção desuperfície, de tal forma que a dita camada de cada porção de superfície a-presente um valor de dureza superior àquele do substrato metálico; c - sub-meter a dita espessura de cada porção de superfície, imediatamente apóssua transformação de fase, a um resfriamento suficiente para imprimir umdeterminado grau de dureza à dita espessura da porção de superfície, supe-rior àquele do substrato metálico.

Adicionalmente, os objetivos da presente invenção são alcança-dos por um anel de pistão do tipo para motor de combustão interna, caracte-rizado pelo fato de ser obtido pelo processo de fabricação definido no pará-grafo anterior.

Finalmente, os objetivos da presente invenção são alcançadospor um anel de pistão do tipo para motor de combustão interna, caracteriza-do pelo fato de compreender um substrato metálico tendo, ao longo de todaa largura e de toda a extensão circunferencial da face externa de contato,uma determinada camada, submetida a um processo de tempera.

O anel de pistão obtido a partir do processo acima compreendeum substrato metálico apresentando, ao longo de uma determinada espes-sura a partir da face de contato e ocupando toda a largura dessa última, umaestrutura martensítica, circunferencial e axialmente contínua e que pode sus-tentar, externamente, um determinado volume de estrutura ledeburítica, aqual é obtida a partir de um aporte de energia superior ao necessário paraformar só a estrutura martensítica, de acordo com o processo de obtençãode anel acima citado.BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

A invenção será a seguir descrita fazendo-se referência aos de-senhos anexos, nos quais:

A figura 1 representa, esquematicamente, uma vista em plantaparcial do feixe de laser sobre o anel de pistão;

A figura 2 representa, esquematicamente, uma vista em cortetransversal ampliado de anéis de pistão, tomados segundo a linha II - II dafigura 1;

A figura 3 representa, esquematicamente, o dispositivo de fixação do anel;

A figura 4 ilustra um gráfico apresentando a variação de espes-sura da face externa de contato do anel de pistão provida com uma estruturaledeburítica pelo aporte de energia, indicando a região de falha e a possibili-dade de ocorrência de trincas de solidificação em dita estrutura ledeburítica;

A figura 5 ilustra uma típica curva de dureza do tratamento detempera por laser, para uma espessura de estrutura ledeburítica de 7 a 15mícrons;

A figura 6 representa um corte transversal ampliado do anel depistão após tratamento laser e um detalhe de sua estrutura ledeburítica;

A figura 7 ilustra, graficamente, um resultado comparativo deteste de motor para o qual foram submetidos anéis de pistão obtidos de a-cordo com as variantes da presente invenção; e

A figura 8 ilustra, graficamente, um resultado comparativo deteste de bancada de corpos de prova obtidos de acordo com as variantes dapresente invenção, sob uma condição de carga de 667N, a 500 rpm e duran-te 50.000 ciclos.

DESCRIÇÃO DAS CONFIGURAÇÕES ILUSTRADAS

A presente invenção será descrita para um anel de pistão dotipo utilizado em motores de combustão interna, dito anel apresentando umcorpo formado em um substrato metálico 1 onde é provida, a partir de umarespectiva face externa um tratamento térmico à laser 4, sobre o qual sãoprovidas, conforme descrito adiante, uma camada operacional de estruturamartensítica 5 e, em outra opção da presente invenção, de uma estruturaledeburítica 5a a partir do tratamento térmico ocasionado pelo perfeito aco-plamento da energia laser com a face de contato do anel de pistão. De acor-do com a presente invenção, o substrato metálico 1 apresenta uma dasconstituições definidas por ferro fundido lamelar, nodular ou vermicular.

Tais estruturas são obtidas a partir de um processo de tratamen-to superficial do anel de pistão 1, a ser descrito adiante e que utiliza umafonte de energia 2, por exemplo, uma fonte de laser apresentando parâme-tros controlados, de forma a obter uma superfície endurecida e resistente aodesgaste (no caso da estrutura martensítica) e isenta de trincas de solidifica-ção (no caso da estrutura ledeburítica).

A utilização de uma fonte de energia 2 na forma de um feixe delaser, em materiais metálicos, pode ocasionar uma sucessão de variaçõesmetalúrgicas e físicas dependendo da energia do feixe de laser e do tempode interação entre esta energia e a matéria sobre a qual dita energia estásendo aplicada. Essas transformações podem ir desde um aquecimento lo-calizado com transformação de fase no estado sólido, passando pormicrofusão até uma vaporização localizada de material. A integridade dasuperfície do anel de pistão e o seu nível de endurecimento, após o trata-mento por uma fonte de energia 2 na forma de um laser, são dependentesdo nível de energia transferido pelo laser para a superfície em tratamento eda taxa de resfriamento de dita superfície, tratada. Tanto o nível de endure-cimento da superfície quanto a integridade desta dependem da correta sele-ção do aporte de energia aplicado pela fonte de energia 2, em função deparâmetros do tratamento, tais como densidade de potência e movimentorelativo entre o anel de pistão 1 e a fonte de energia 2.

O tratamento a laser é caracterizado por um aquecimento locali-zado da superfície, resultando na austenitização e tempera da porção desuperfície transformada, através do resfriamento rápido imposto pela trocade calor com o restante da peça não aquecida, podendo ser auxiliado porresfriamento externo forçado. Para uma mesma energia laser, diferentesmateriais atingem diferentes temperaturas.Para a realização da presente invenção, a fonte de energia 2deve prover uma densidade de potência entre 102W/cm2 e 105W/cm2 emintervalos de tempo de aplicação de energia térmica definido entre 10"2s e10s, conforme descrito adiante.

O processo de produção do anel de pistão com a camada dotratamento térmico, a laser, de acordo com a presente invenção, consiste,após uma etapa inicial de prover dito substrato metálico 1 em um materialtendo a certa capacidade de absorção de energia térmica por unidade deárea, a um movimento rotacional relativo, com uma velocidadepredeterminada, em relação à fonte de energia 2, seguida de uma etapa desubmeter, em um intervalo de tempo predeterminado e progressiva e conti-nuamente, sucessivas porções de superfície A da face externa de contato 4do anel de pistão 1, definidas, cada uma, por toda a largura e por uma redu-zida extensão circunferencial do anel de pistão 1, e toda a extensão circunfe-rencial da face externa de contato 4 do anel de pistão 1, durante o dito mo-vimento rotacional, a uma determinada carga de energia fornecida pela fontede energia 2 e suficiente para imprimir uma determinada transformação defase, a uma espessura de cada porção de superfície A, a partir da face ex-terna de contato 4 do anel de pistão 1.

Os intervalos de tempo do processo em questão são definidospelo tempo de interação entre a fonte de energia 2 e a porção de superfícieA da face externa de contato 4 do anel de pistão 1, conforme descrito adian-te.

O movimento relativo entre o anel de pistão 1 e a fonte de energia 2 pode ser obtido com o movimento simultâneo de ditas partes ou aindacom o movimento de uma de ditas partes, mantendo-se a outra imóvel, porexemplo, mantendo a fonte de energia 2 imóvel e rotacionando o anel depistão.

O processo de tratamento de anel de pistão em questão prevê,em uma etapa imediatamente posterior àquela de transformação de faseacima citada para a dita espessura de cada porção de superfície A, subme-ter dita espessura a um resfriamento suficiente para imprimir um determina-do grau de dureza a essa, superior àquele do substrato metálico 1.

Este processo determina a formação de uma camada de estru-tura martensítica 5 na porção de superfície A da face externa de contato 4do anel de pistão 1 e que sustenta, em uma condição de aporte de energiasobre dita estrutura martensítica 5, uma estrutura ledeburítica 5A, conformedescrito adiante. Para a obtenção da estrutura martensítica 5, a densidadede potência da fonte de energia 2 e respectivo intervalo de tempo predeter-minado de aplicação da energia sobre a espessura de cada porção de su-perfície A são dimensionados para produzirem, nesta última, uma transfor-mação de fase na forma de uma tempera suficiente para definir, na dita por-ção de superfície A do substrato metálico 1, uma estrutura martensítica 5.

Para a obtenção da estrutura ledeburítica 5A sem que esta con-duza ao aparecimento de trincas de superfície, o processo da presente in-venção prove aporte de energia suficiente para fusão superficial com umconseqüente resfriamento suficiente para imprimir um determinado grau dedureza à dita espessura da porção de superfície A, superior àquele do subs-trato metálico 1, em uma espessura de camada fundida inferior àquele deformação de trincas em dita espessura.

De acordo com a presente invenção, para a obtenção da estru-tura martensítica 5, a fonte de energia 2 provida com uma densidade de po-tência entre 102 W/cm2 e 104 W/cm2, é aplicada em um intervalo de tempopredeterminado definido entre 10-2s e 10s, para a obtenção da determinadatransformação de fase conduzindo a uma austenitização de dita porção desuperfície A da face de contato 4, suficiente para definir nesta última, umaestrutura martensítica 5, por exemplo, apresentando uma espessura inferiora 20 mícrons com dito volume sendo definido entre 0,3% a 10% do volumetotal do anel de pistão 1.

De acordo com a presente invenção, para a obtenção da estru-tura ledeburítica 5A o processo em descrição compreende, num mesmomomento, o desenvolvimento da estrutura ledeburita e martensítica por umaporte de energia superior aquele que origina apenas a estrutura martensíti-ca, sendo que esta solução técnica é utilizada quando o desgaste da super-fície definida pelo conceito 1 (apenas estrutura martensita) não é suficientepara ultrapassar as severas condições de início do funcionamento do motor.

Para esta etapa do processo em descrição, a densidade de po-tência da fonte de energia 2 é definida entre 103 W/cm2 e 105 W/cm2. O re-sultado final é a obtenção de uma transformação de fase para a porção desuperfície A que não atinge a fusão. Nesse caso, a transformação de faseresulta em uma austenitização e tempera da porção de superfície A.

Com esses parâmetros, densidade de potência entre 103 W/cm2e 105 W/cm2 e o intervalo de tempo predeterminado de 10~2 a 1s, a fusãoobtida com a transformação de fase adicional da estrutura martensítica 5define, em um volume desta, uma estrutura ledeburítica 5A, externa à estru-tura martensítica 5, dito volume sendo definido por uma espessura inferior a20 mícrons.

De acordo com uma forma de realização da presente invenção,o resfriamento em qualquer das etapas de obtenção de estrutura martensíti-ca 5 e de estrutura ledeburítica 5A pode ser obtido submetendo pelo menosuma das partes de anel de pistão 1 e de ambiente de tratamento deste auma condição de baixa temperatura.

Em uma opção construtiva da presente invenção, o processo deprodução do anel de pistão com a camada do tratamento térmico a laser, deacordo com a presente invenção, inclui uma etapa inicial de submeter osubstrato metálico 1 do anel de pistão a um acabamento final ou semi-acabado, antes de se passar à etapa de submeter a face externa de contato4 do anel de pistão 1, à etapa de tratamento térmico já apresentada.

Para a obtenção da estrutura ledeburítica 5A, o anel de pistão épreviamente submetido a uma etapa de acabamento, preferencialmente se-mi-acabado, devido ao fato da fusão superficial prover uma face externa decontato 4 com perfil não controlado. Neste caso, em uma etapa posterior, érealizada uma operação de acabamento mecânico, consistindo, preferencialmente, em uma retificação e/ou polimento por lapidação, até a obtenção deperfil, forma e dimensões adequadas.

Para o processo da presente invenção, a aplicação de energiasobre o anel de pistão em questão ocorre com um movimento relativo dafonte de energia 2 e dito anel de pistão, segundo uma velocidadepredeterminada definida entre 5m/mim e 15 m/mim, sendo o intervalo prefe-rível entre 7m/min e 11 m/min.

O processo de tratamento superficial da presente invenção é,por exemplo, aplicado simultaneamente a uma pluralidade de anéis de pis-tão, dispostos em um dispositivo de fixação de anéis, conforme ilustrado nafigura 3, sendo que os anéis de pistão são aí dispostos substancialmenteespaçados entre si para melhorar a dissipação de calor e para reduzir atransferência de calor de um anel de pistão para outro, dito dispositivo defixação de anéis tendo uma centralização definida de modo a não implicarem variação da espessura de camada pela variação da densidade de potên-cia do laser e sendo provido de modo a amenizar as excentricidades relati-vas aos processos mecânicos de usinagem e reduzir a variação da distânciafocai do laser da fonte de energia 2 à superfície de cada anel de pistão. Odistanciamento entre anéis de pistão é calculado de modo a facilitar o resfri-amento de cada anel de pistão, para a obtenção das estruturas martensítica5 e ledeburítica 5A.

A construção proposta permite tratar a superfície da face exter-na de contato 4 de cada anel de pistão revolucionando o ferramental e mini-mizando a variação de espessura de cada porção de superfície A da faceexterna de contato A de cada anel de pistão e garantindo a manutenção dotratamento térmico sobre toda a face externa de contato 4 de cada dito anelde pistão, de maneira reprodutível, controlando a presença da estrutura le-deburítica 5A em prol de elevados níveis de dureza superficial, levando àbaixas tensões residuais e não induzindo as trincas.

Cada um dos parâmetros de velocidade de rotação e de distân-cia do foco à face externa de contato 4 do anel de pistão é ajustado paraconseguir o tratamento adequado e para que toda a face externa de contato4 do anel de pistão seja coberta pelo feixe de laser da fonte de energia 2,para diferentes perfis e dimensões de anéis de pistão.

Para o tratamento de endurecimento superficial, o feixe de laseré alinhado num ângulo de 50° a 130° em relação à superfície do anel de pis-tão fixo em um diâmetro nominal, pelo dispositivo de fixação de anéis. O dis-positivo de fixação de anéis com os anéis de pistão é conduzido a uma rota-ção de 360°, para a obtenção de um completo tratamento no sentido longitu-dinal da face externa de contato 4 de cada anel de pistão.

As condições do tratamento a laser para a obtenção de estrutu-ra martensítica 5 geram, em toda a face externa de contato 4, uma camadamodificada, de modo que não ocorra sobreposição do tratamento térmico enem fusão generalizada e trincas superficiais na dita face externa de contato4.

De forma preferencial, é utilizado um laser com potência de 1 a4 KW e com ângulo de incidência de 80° a 100° (6) em relação à superfícieda face externa de contato 3 do anel de pistão.

Após o giro completo dispositivo de fixação de anéis, o feixe delaser é guiado substancialmente por um sistema (por exemplo, mecânico),para um anel de pistão subseqüente, mantendo o ângulo de incidência dofeixe de laser numa posição preferida entre 80° e 100° (6) em relação à faceexterna de contato 4 do anel de pistão.

Para uma face externa de contato 4 com estrutura martensítica5, a dureza superficial encontrada está entre 700Hv e 900Hv e pode ter es-pessura de camada de 0,05 a 0,3mm, obtida com uma densidade de potên-cia entre 1.102W/cm2 e 1.104W/cm2 e velocidade relativa entre a face exter-na de contato 4 do anel de pistão e a fonte de feixe de laser entre 5m/mim e15m/min, sendo, preferivelmente entre 7m/min e 11 m/min. Tais parâmetrosconduzem a um aporte de energia no valor 0,1 a 0,5 J/mm3.

As condições do tratamento laser para uma densidade de po-tência definida entre 103W/cm2 e 105W/cm2, para um intervalo de tempo pre-determinado de interação entre 10"2 e 1s, geram, na referida espessura decada porção de superfície A do substrato metálico 1, uma estrutura ledeburí-tica 5A, externa à estrutura martensítica 5, a qual deve apresentar uma es-pessura inferior a 20 mícrons, por exemplo, entre 1 a 20 mícrons que, deacordo com a presente solução, não gera trincas de resfriamento na superfí-cie do anel de pistão. O calor absorvido é, preferencialmente, dissipado pelaprópria peça proporcionando velocidades de resfriamento da ordem2x103K/s, e induzindo a transformação martensítica em profundidades quevariam de 0,05 a 0,3mm.

A estrutura ledeburítica 5A, gerada durante a operação do anelde pistão no motor, é levada a contato com a superfície interna do cilindro noqual o pistão e o anel de pistão são montados. Na medida em que há o des-gaste da estrutura ledeburítica 5A, que é a camada mais externa, apresenta-se a camada com a estrutura martensítica 5 como camada operacional maisexterna em operação.

De forma preferencial, é utilizada uma fonte de energia 2 comum laser apresentando potência entre 1 e 4KW, com ângulo de incidência de80° a 100° em relação à superfície da face externa de contato 4 do anel depistão.

O processo da presente invenção resulta em uma estrutura le-deburítica com dureza superficial entre 1000 e 1200Hv, podendo ter espes-sura entre 1 mícron e 20 mícrons para uma densidade de potência de1.103W/cm2 a 1.105W/cm2 e velocidade relativa entre a face externa de con-tato 4 do anel de pistão e o feixe de laser da fonte de energia 2 entre 6m/mine 11 m/min, o que leva a um aporte de energia de valor entre 0,35 e0,75J/mm3

Na região transformada, devido ao fato de a estrutura martensí-tica 5 ser extremamente fina e da estrutura ledeburítica 5A, durezas entre800HV e 1200HV são atingidas nesses anéis de ferro fundido com durezaoriginalmente na faixa de 200 a 400HV.

A figura 4 apresenta um gráfico indicando as regiões de forma-ção das estruturas martensítica 5 e ledeburítica 5A da presente invenção,indicando também a região de falha para o qual há a formação de trincassuperficiais de solidificação.

A figura 5 apresenta uma típica curva de dureza para um substrato metálico 1 tendo, em sua face externa de contato 4 uma estrutura lede-burítica 5A apresentando uma espessura entre 7 e 15 mícrons.A Figura 6 mostra um corte transversal do anel de pistão apóstratamento laser e um detalhe da estrutura ledeburítica 5A na face externade contato 4 do anel de pistão, a qual apresenta uma espessura entre 15 e20 mícrons, dita estrutura ledeburítica 5A sendo definida externa a uma ca-mada subseqüente de estrutura martensítica 5, com uma espessura entre 70e 90 mícrons.

Os resultados de testes efetuados com anéis de pistão construí-dos de acordo com a presente invenção, relativamente aos anéis de pistãoconstruídos de acordo com as técnicas já conhecidas, demonstram as me-lhorias obtidas com a presente solução em relação à nitretação e a provisãode uma estrutura ledeburítica 5A externa a uma estrutura martensítica 5(conceito 2).

Na Figura 7 é ilustrado, graficamente, o resultado do teste parao qual foram submetidos anéis de pistão obtidos de acordo com a presenteinvenção, com uma estrutura martensítica 5 com espessura entre 90 e 110mícrons, em face de excentricidades relativas ao trabalho mecânico de aca-bamento e ao dispositivo de fixação de anéis de pistão, durante tratamentode tempera por uma fonte de energia 2 na forma de um feixe de laser, e du-reza superficial de 800 a 900Hv, com um trabalho mecânico de acabamentopara controle dimensional e de rugosidade.

Os anéis de pistão obtidos com o processo da presente inven-ção foram submetidos a teste de 500 horas em um motor "High Speed Die-sel", com pressão de pico de 18 cm (180 bar), sendo o resultado obtidocomparado aqueles obtidos com anéis construídos de acordo com a técnicaanterior, de nitretação e recobrimento por cromo duro.

Os resultados dos testes efetuados com anéis de pistão, cons-truídos de acordo com a presente invenção, tanto apresentando estruturamartensítica como estrutura ledeburítica 5A, relativamente aos anéis de pis-tão construídos de acordo com as técnicas conhecidas de nitretação e cro-mação, demonstram as melhorias de resistência ao desgaste obtido com apresente solução, particularmente demonstrando que os resultados obtidoscom a estrutura ledeburítica (conceito 2) superam aqueles obtidos com aestrutura martensítica (conceito 1). Tais resultados mostram que os anéistratados a laser apresentam um melhor desempenho em relação ao desgas-te, do que os anéis nitretados.

Foram realizados testes de bancada no equipamento pino-sobre-disco para comparação do anel com estrutura ledeburítica, com a es-trutura martensítica, juntamente com anéis com a tecnologia de nitretação esem nenhum tratamento superficial. A Figura 8 ilustra os resultados do testedescrito acima, sob as condições de 667 N de carga a 500 rpm durante50.000 ciclos.

Os testes ratificam os resultados encontrados em teste de motor.

A utilização do feixe de laser em materiais metálicos pode oca-sionar uma sucessão de variações metalúrgicas e físicas dependendo daenergia contida no feixe de laser e do tempo de interação entre matéria eenergia. Essas transformações podem ir desde um aquecimento localizadocom transformação de fase no estado sólido (resultando na estrutura mar-tensítica), passando por microfusão (estrutura ledeburítica) até uma vapori-zação localizada de material.

Os parâmetros de integridade da superfície tratada e o seu nívelde endurecimento, após o tratamento por laser, são dependentes do nível deenergia transferido pelo laser e da taxa de resfriamento da superfície tratada.Tanto o nível de endurecimento da superfície quanto a sua integridade de-pendem, desta forma, da correta seleção do aporte de energia laser pelosparâmetros do tratamento, tais como densidade de potência e avanço relativo da superfície.

A potência do laser e a desfocalização, que é a distância da su-perfície da peça a ser tratada ao ponto focai do feixe de laser, são caracteri-zadas pela densidade de potência que, juntamente com o tempo de intera-ção matéria-energia controlado pela velocidade periférica da face externa decontato do anel de pistão em relação ao feixe de laser, definem o aporte deenergia sobre a área de cada porção de superfície da face externa de conta-to do anel de pistão, incidida pelo feixe de laser.O controle da espessura de camada, a dureza da camada modi-ficada e a fusão superficial controlada do material dependem da potência dofeixe de laser, do diâmetro do feixe incidente e da velocidade periférica doanel de pistão que, de acordo com a presente invenção, podem ser tratadoscom grande precisão sem induzir às distorções usuais dos tratamentos mar-tensíticos por indução e os tratamentos superficiais como nitretaçao, e atingirníveis de dureza superiores a 1000 Hv com a estrutura da fase ledeburita,sem levar a uma falha funcional do anel de pistão por surgimento de trincasde solidificação.

O tratamento de tempera a laser é caracterizado por um aque-cimento localizado da superfície, austenitização e tempera da camada trans-formada através do resfriamento rápido imposto pela troca de calor com orestante da peça não aquecida, podendo ser auxiliado por resfriamento ex-terno forçado. O resultado final é a obtenção de uma estrutura metalúrgicaultra-refinada consistindo em um substrato metálico tendo uma estruturamartensítica de elevada dureza, podendo conter carbonetos da matriz origi-nal que não foram solubilizados no processo, podendo também ter uma faseformada a partir da solidificação rápida advinda de uma microfusão incipien-te superficial.

O tratamento a laser utilizado na presente invenção consiste natempera superficial de anéis de pistão 10 em ferro fundido lamelar, nodularou vermicular em toda a extensão da faixa de contato do diâmetro externodo anel de pistão 10, sem que haja a microfusão generalizada da superfície.

Nas técnicas convencionais de uso de laser, a ocorrência deuma fusão generalizada leva à formação de uma fase frágil que origina trin-cas no subseqüente processo de resfriamento rápido da superfície após apassagem do feixe de laser.

De acordo com a presente invenção, a solução técnica de umacamada endurecida externa denominada estrutura ledeburítica é utilizadaquando o desgaste da superfície com uma estrutura martensítica não é sufi-ciente para ultrapassar as severas condições de início do funcionamento domotor. A alteração da rugosidade superficial pela fusão generalizada com-preende uma etapa posterior de acabamento da superfície beneficiada.

O limite entre a microfusão incipiente e uma fusão generalizadafoi estabelecido através da fração da fase frágil de formação da estruturaledeburítica e de sua distribuição na superfície do material.

A estrutura ledeburítica pode estar presente na microestrutura,de forma descontínua ou não, numa camada superficial da estrutura marten-sítica, a qual apresenta um máximo de 20 mícrons de espessura na regiãotratada a laser da face externa de contato do anel de pistão. Essa estruturaledeburítica constitui uma fração de material que apresentou uma fusão e foirapidamente resfriada após a passagem do feixe laser. A estrutura ledeburí-tica se caracteriza por ser uma solução sólida de ferro supersaturada decarbono, silício e manganês, formada no resfriamento rápido a partir da faselíquida. Quando a microestrutura apresenta uma fração elevada dessa estru-tura, ela se torna bastante dura, mas também bastante frágil. Numa superfí-cie de ferro fundido, tratada a laser, a presença de uma fusão generalizadaleva ao aparecimento de trincas originadas por contração térmica da superfí-cie. Caso a estrutura ledeburítica esteja presente de forma descontínua oulimitada à espessura de 20 mícrons, não ocorre o aparecimento destas trin-cas de resfriamento. A presença de estrutura ledeburítica, formada por fusãona faixa de 1 a 20 mícrons de espessura, de forma contínua na estruturamartensítica, ultra-refinada, é um aspecto adicional deste processo de trata-mento superficial de anel de pistão.

O processo para obtenção e controle da estrutura ledeburíticada presente invenção é limitado, superiormente, pela espessura ou pela pro-fundidade dessa estrutura ao longo da periferia da seção transversal da faceexterna de contato do anel de pistão, o que levaria ao aparecimento de trin-cas e, no limite inferior, por uma profundidade mínima de endurecimentocom essa estrutura, resguardada a resistência ao desgaste desta com níveisde dureza entre 1000 e 1200Hv desejada na superfície funcional do anel depistão.

Os aparelhos para o tratamento laser em anéis de pistão consis-tem em um equipamento de rotação onde é fixado o ferramental em que es-tão os anéis de pistão, apresentando uma forma externa cilíndrica no pacote,de modo a obter mínima descentralização durante a rotação. O equipamentolaser é preferencialmente do tipo a gás, sólido ou semicondutor, gerador deum feixe de laser pulsado ou contínuo de potência da ordem de 1 a 15KW.

O feixe de laser é guiado por fibra ótica ou espelhos até a faceexterna de contato do anel de pistão. Em princípio, o tipo de laser, a geome-tria do "spot" (círculo, linha, anel, etc.) e o sistema de direcionamento sãoirrelevantes para o tratamento de tempera, desde que o aporte de energiarequerido seja atingido.

O aporte de energia do feixe laser na superfície a ser tratadousa a relação entre a densidade de potência que é a relação entre potênciado laser e a distância focai, a taxa de avanço, que define o tempo de intera-ção, e a espessura da pista para cada tipo de anel de pistão, como ilustradona figura 2. São parâmetros também considerados a natureza do material ea espessura da camada modificada que se deseja obter.

O subseqüente resfriamento é dado pela ação da dispersão decalor pelo volume da peça trabalhada, onde o volume da camada modificadarepresenta de 0,3% a 10% do volume total do anel.

A figura 2 ilustra dois anéis de pistão em ferro fundido lamelarcom a faixa de composição descrita na Tabela II, apresentando uma estrutu-ra ledeburítica entre 7 e 15 mícrons de profundidade, com uma espessura deestrutura martensítica da ordem de 80 mícrons em toda a extensão da faceexterna de contato de ditos anéis de pistão.

Os parâmetros do feixe de laser e o tempo de interação deste,numa dada região, são descritos abaixo:

Tabela I:. Parâmetros laser adequados para aplicações de tem-pera em dois esboços de anéis de pistão.

<table>table see original document page 20</column></row><table>Tabela II:. Faixa de composição química para o anel de pistão de ferro fun-dido lamelar.

<table>table see original document page 21</column></row><table>

O feixe de laser passa, preferivelmente, através de lentes focaisaté atingir cada porção de superfície da face externa de contato de um anelde pistão guiado por fibra ótica. A variação da distância da lente ao anel depistão conduz a uma mudança do diâmetro eficaz do feixe de laser na super-fície de dito anel de pistão ajustada para que o diâmetro do feixe contempletoda a altura da face externa de contato de cada anel de pistão. A densidadede potência é ajustada pela potência de saída do feixe de laser e pelo diâ-metro do feixe incidente.

Aspectos específicos da invenção são mostrados nos desenhosapenas por questão de conveniência. Configurações alternativas serão en-tendidas como possíveis pelos técnicos no assunto, estando incluídas noescopo das reivindicações. Deste modo, a descrição acima deve ser enten-dida como ilustrativa, e não limitativa do escopo de proteção da invenção.Todas as alterações e modificações óbvias estão no escopo de proteçãodefinido pelas reivindicações anexas.

Claims (27)

1. Processo de tratamento com feixe de laser em anel de pistão,tal anel possuindo um substrato metálico e uma face externa de contato, ca-racterizado pelo fato de compreender as etapas de:a - prover um movimento rotacional relativo, com uma velocida-de predeterminada, entre o anel de pistão e uma fonte de energia na formade um feixe de laser;b - submeter, em um intervalo de tempo predeterminado, deforma progressiva e contínua um aporte de energia em sucessivas porçõesde superfície da face externa de contato do anel de pistão definidas, cadauma dessas porções, por toda a largura e por uma reduzida extensão circun-ferencial do anel de pistão ao longo de toda extensão circunferencial da faceexterna de contato do anel de pistão, sendo tal aporte suficiente para impri-mir uma determinada transformação de fase resultando em uma camadamodificada, e uma espessura determinada de cada porção de superfície, detal forma que a dita camada de cada porção de superfície apresente um va-lor de dureza superior àquele do substrato metálico.c - submeter a dita espessura de cada porção de superfície, i-mediatamente após sua transformação de fase, a um resfriamento suficientepara imprimir um determinado grau de dureza à dita espessura da porção desuperfície, superior àquele do substrato metálico.

2.- Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que, na etapa a, o feixe de raios laser ser produzido por um e-quipamento laser com potência de 1 a 15 KW, com feixe de laser preferidocontínuo e podendo ser do tipo a gás, sólido ou semiconsutor.

3.- Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de a velocidade predeterminada da etapa a ser definida entre5m/min e 15m/min.

4.- Processo, de acordo com a reivindicação 3, caracterizadopelo fato de a velocidade predeterminada ser preferivelmente definida entre-7m/min e 11 m/min.

5.- Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de o dito intervalo de tempo pré determinado na etapa b ser defini-do entre 10"2s e 10s.

6.- Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de o feixe de laser ser aplicado sobre a face externa de contato doanel de pistão com incidência entre 50° e 130°.

7.- Processo, de acordo com a reivindicação 6, caracterizadopelo fato de o feixe de laser ser aplicado sobre a face externa de contato doanel de pistão, preferencialmente, com incidência entre 80° e 100°.

8.- Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de a densidade de potência do feixe de laser e o intervalo de tempoda interação de tal feixe com cada porção de superfície serem dimensiona-dos para produzir uma transformação de fase pelo processo de tempera.

9.- Processo, de acordo com a reivindicação 8, caracterizadopelo fato de o processo de tempera definir, na camada de cada porção desuperfície do substrato metálico, uma estrutura martensítica.

10.- Processo, de acordo com a reivindicação 9, caracterizadopelo fato de a estrutura martensítica apresentar um volume entre 0,3% a-10% do volume total do anel de pistão (10).

11.- Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato do feixe de laser ter uma densidade de potência entre 102W/cm2 e-104W/cm2, para o intervalo de tempo predeterminado de 10"2s a 101s.

12.- Processo, de acordo com a reivindicação 8, caracterizadopelo fato de o aporte de energia fornecido pelo feixe de laser resultar em umaquecimento suficiente para imprimir ainda, a cada porção de superfície daface externa de contato, uma outra transformação de fase na forma de umafusão superficial resultando na camada formada acima da camada da estru-tura martensítica.

13.- Processo, de acordo com a reivindicação 12, caracterizadopelo fato de, imediatamente após o aquecimento resultante da interação doanel de pistão com o feixe de laser na porção de superfície, haver um resfri-amento suficiente para imprimir o processo de tempera à camada e a forma-ção de uma estrutura denominada ledeburita na camada.

14.- Processo, de acordo com a reivindicação 12, caracterizadopelo fato de o resfriamento das porções de superfície para formação dascamadas ser realizado pela troca de calor com o restante do anel de pistãonão aquecido.

15.- Processo, de acordo com a reivindicação 12, caracterizadopelo fato de o resfriamento das camadas da porção de superfície ser aindarealizado por resfriamento externo forçado do anel de pistão.

16.- Processo, de acordo com a reivindicação 12, caracterizadopelo fato de as estruturas martensítica e ledeburítica apresentarem um volume entre 0,3% a 10% do volume total do anel de pistão.

17.- Processo, de acordo com a reivindicação 13, caracterizadapelo fato de a estrutura ledeburítica, especificamente, apresentar uma es-pessura inferior a 20 mícrons.

18.- Processo, de acordo com a reivindicação 12, caracterizadopelo fato de o aporte de energia ser na forma de um feixe de laser com den-sidade de potência entre 103W/cm2 e 105W/cm2, para o outro intervalo detempo predeterminado de 10~2 a 1s.

19.- Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de o substrato metálico apresentar uma das constituições definidaspor ferro fundido lamelar, nodular ou vermicular.

20.- Anel de pistão do tipo para motor de combustão interna, ca-racterizado pelo fato de ser obtido pelo processo de fabricação como defini-do nas reivindicações 1 a 19.

21.- Anel de pistão do tipo para motor de combustão interna, ca-racterizado pelo fato de compreender um substrato metálico tendo, ao longode toda a largura e de toda a extensão circunferencial da face externa decontato, uma determinada camada, submetida a um processo de tempera.

22.- Anel, de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelofato de tal camada (14) da face externa de contato definir uma estrutura mar-tensítica, circunferencial e axialmente contínua.

23.- Anel, de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelofato de compreender uma camada intermediária que define uma estruturamartensítica, e uma camada mais externa que define uma estrutura ledeburí-tica.

24.- Anel, de acordo com a reivindicação 23, caracterizado pelofato da dureza encontrada na estrutura ledeburita estar entre 900 e 1200 HVe a dureza da camada martensítica estar entre 600 e 900HV.

25.- Anel, de acordo com a reivindicação 23, caracterizado pelofato de as estruturas martensítica e ledeburítica apresentarem, juntas, umvolume entre 0,3% a 10% do volume total do anel de pistão.

26.- Anel, de acordo com a reivindicação 23, caracterizado pelofato de a estrutura ledeburítica apresentar uma espessura inferior a 20 mícrons.

27.- Anel, de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelofato de o substrato metálico apresentar uma das constituições definidas porferro fundido lamelar, nodular ou vermicular.