BRPI0905228B1

BRPI0905228B1 - anel de pistão nitretado resistente à propagação de trincas

Info

Publication number: BRPI0905228B1
Application number: BRPI0905228A
Authority: BR
Inventors: André Ferrarese; Claudinei José De Oliveira; Gisela Ablas Marques; Jan Vatavuk
Original assignee: Mahle Metal Leve Sa
Priority date: 2009-12-29
Filing date: 2009-12-29
Publication date: 2017-01-24
Also published as: JP5612703B2; BRPI0905228A2; US8561998B2; US20130049304A1; WO2011079360A2; WO2011079360A3; EP2520833B1; EP2520833A2; CN102918306B; JP2013515930A; CN102918306A

Abstract

<b>anel de pistão nitretado resistente à propagação de trincas.<d> a presente invenção refere-se a solução de problema de destacamento da camada nitretada em anéis de pistão para motores flex-fuel, sem qualquer comprometimento da resistência ao desgaste, propondo-se para isso um anel de pistão nitretado (100,100') dotado de duas camadas nitretadas (1,2), com base metálica (3) composta primordialmente por ferro e cuja dureza superficial apresentada é de cerca de 800 vickers baixando de modo substancialmente linear até cerca de 400 vickers para uma distancia à superfície de até 90 mícrons (<109>m).

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "ANEL DE PISTÃO NITRETADO RESISTENTE À PROPAGAÇÃO DE TRINCAS".

A presente invenção refere-se a um anel de pistão para uso em motores de combustão interna e, mais particularmente, a um anel de compressão para uso em motores Flex-fuel, com melhorias consideráveis nas propriedades de resistência ao destacamento da camada nitretada. NITRETACÃO 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 para anéis de compressão confeccionados 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. É também possível observar a dissociação da amônia em nitrogênio e a respectiva absorção pelo aço. A amônia, quando em contato com o aço, dissocia-se liberando nitrogênio atômico, que posteriormente pode ser absorvido pelo aço e dissolvido intersticialmente no ferro (Fe). No momento em que a superfície 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 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 onde, consequentemente, não ocorre mudança de fase quando o aço é resfriado até à temperatura ambiente. Como é cediço 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 material à superfície vai aumentando, vai diminuindo a quantidade de nitrogênio absorvido. Analogamente, a dureza do material é maior à superfície, diminuindo paulatinamente com o aumento de profundidade.

Entre algumas das vantagens da nitretação, vale salientar: Alta dureza superficial com aumento da resistência ao desgaste;

Alta resistência à fadiga - formação de forças compressíveis na superfície do aço;

Elevada estabilidade dimensional;

Sem risco de empenamento.

MOTORES FLEX-FUEL O álcool etílico é um material inflamável utilizado como combustível em motores de combustão interna, em especial no Brasil, onde recentemente passou a ser amplamente utilizado com o lançamento de motores flex-fuel (capazes de funcionar com álcool ou gasolina, puros ou misturados em qualquer proporção).

De modo a permitir a utilização do álcool como combustível, os motores de combustão interna a gasolina foram sendo adaptados para também possibilitar o funcionamento com etanol, porém, apesar de todo o desenvolvimento em cima deste tema, alguns problemas que geram desvantagens na utilização do etanol como combustível podem surgir. Um dos mais inconvenientes reside no maior desgaste a que são acometidos os anéis de pistão, agravados por menores condições de lubrificação e temperaturas de trabalho mais elevadas quando o motor opera com etanol.

Tem sido observada, em alguns motores Flex-fuel, a ocorrência do destacamento de material da camada superficial nitretada de revestimento dos anéis de compressão. O destacamento ocorre devido à combinação de fatores como condições de lubrificação marginais, elevadas temperaturas de trabalho e avanço excessivo do ponto de ignição do motor, particularmente aplicado quando os motores flex-fuel operam com etanol para promover um aumento do torque produzido sob cargas parciais. O avanço excessivo do ponto de ignição representa um esforço excessivo nos pistões e anéis que pode levar ao destacamento do material tratado superficialmente de modo muito mais crítico do que no caso de funcionamento do motor com gasolina.

Ademais, a atuação constante de carga e descarga provoca deformações plásticas na superfície de deslizamento dos anéis, fato que pode resultar em trincas subsuperficiais e consequente desprendimento do reco-brimento. Este fenômeno de destacamento é conhecido no inglês como spalling e no português como "espalação" ou "destacamento", sendo que será utilizado durante o decorrer do texto o termo "destacamento". O destacamento destes fragmentos do anel de pistão pode provocar sérios problemas de funcionamento tais como riscos na parede do cilindro provenientes do atrito entre o anel e o cilindro e deterioração da camisa do cilindro, comprometendo a vedação do cilindro e possibilitando a perda de compressão e a passagem do óleo para a região da câmara de combustão do motor. Este tipo de problema pode, em casos mais drásticos, levar à perda das características operacionais otimizadas do motor, tal como uma redução sensível da compressão do motor e provocar também um desgaste prematuro das peças atuantes.

De salientar que este tipo de problemática ocorre especialmente em motores Flex-fuel que fazem uso do etanol como combustível. O fenômeno de destacamento mencionado acima pode ser especialmente observado nas figuras 2 e 3. A figura 2 evidencia as trincas e consequente destacamento ocorrido em um anel de pistão de aço nitretado a gás (Gas Nitrided Steel - GNS) de um motor Flex-fuel onde foi utilizado como combustível o etanol. Por sua vez, a figura 3 descreve uma seção transversal de um anel, equivalente ao da figura 2, onde é facilmente identificável o aparecimento e respectiva propagação de trincas que levaram ao consequente destacamento da superfície nitretada. Como característica técnica a ser explorada no decorrer deste relatório, interessa referir que um anel GNS do tipo apresentado nestas figuras possui uma dureza de cerca de 1000 Vickers (Hv) superficiais.

Após repetidos testes e respectiva observação laboratorial, pôde-se observar que, usualmente, as trincas correm majoritariamente per- pendiculares à superfície deslizante do anel e que a partir de uma determinada profundidade, onde a dureza menor, as trincas sofrem um desvio, passando a correr paralelamente à fronteira entre a camada nitretada e a base do material não nitretado. Tal como foi explicado no início deste relatório no capítulo nitretação, a região superficial do material nitretado absorve mais nitrogênio transformando-se numa região mais dura que as regiões mais internas do material, onde naturalmente foi absorvido menos nitrogênio e, por conseguinte, são regiões de menor dureza, ou seja, de maior tenacidade. É, portanto, razoável concluir que ao encontrar uma região do material menos duro, ou seja, mais tenaz, a propagação da trinca no sentido da profundidade fica impossibilitada, forçando-a a alterar o sentido e se propagar na horizontal, naquela região onde a dureza do substrato ainda é considerável.

Por fim, cumpre notar que o destacamento da superfície nitretada dos anéis ocorre alheio à vista do utilizador, podendo gerar prejuízos ainda maiores que o destacamento do anel em si e ensejando a desmontagem do motor para a reparação (um procedimento sempre oneroso).

Descrição do Estado da Técnica A técnica anterior discorre sobre anéis de pistão com boas propriedades de resistências ao destacamento, muito embora nenhum documento atualmente conhecido antecipe as características do anel de pistão objeto da presente invenção. A patente US 4.570.946 refere-se a um anel de pistão nitretado dotado de uma camada de revestimento externo em sua superfície. O anel é primeiramente nitretado em toda sua superfície de forma a que haja a formação de uma camada composta e uma camada de difusão, onde a camada composta está formada sobre a camada de difusão. Após, pelo menos a camada composta é removida e uma camada de revestimento adicional é aplicada, aumentando as propriedades mecânicas do anel resultante.

As camadas nitretadas atuam no sentido de prevenir a ocorrência de desgaste no anel devido aos repetidos e inevitáveis choques com o canalete do pistão, durante o funcionamento do motor. A patente US 4.966.751 refere-se a um aço para uso por exemplo em anéis de pistão ou balancins, que apresenta boa resistência ao desgaste, em função de sua composição química. Com o intuito de ter essas boas propriedades ainda melhoradas, o aço deve ser objeto de um procedimento de nitretação, notadamente no local onde contactará mecanicamente outro componente. Esse documento descreve longamente o aço, suas principais variantes e composição. O pedido de patente US 2007/0187002 refere-se a um anel de pistão dotado de uma resistência elevada ao scuffing e à fadiga, bem como ao seu processo de fabricação. O anel possui base em aço inoxidável e a camada de deslizamento é nitretada, compreendendo em sua superfície partículas duras consistindo em nitritos com dimensões em uma faixa de 0,2 a 2,0 μιτι, sendo que o maior diâmetro delas deve ser de 7 pm ou menos e deve apresentar uma razão de 5% a 30% das respectivas áreas. O documento de patente JP 58-27860 refere-se a um anel de pistão com resistência ao desgaste, corrosão e scuffing aperfeiçoada, possuindo uma base de aço com estrutura martensítica à qual estão uniformemente dispersas inúmeras partículas de carbeto de cromo com tamanho de 3 a 30 μιτι. A dispersão das partículas em relação à área se dá em uma razão de 3 a 20%. O anel compreende uma dureza de cerca de 400-800 HV e, opcionalmente, recebe uma camada nitretada adicional com dureza superficial de 800-1500 HV. O documento JP 61-69957 refere-se a uma camada nitretada de revestimento a qual tem a fragilidade reduzida por meio da alteração da estrutura da camada composta posicionada externamente, que é objeto de um tratamento de tratamento térmico após a sua formação (nitretação de um metal ferroso). O tratamento térmico reduz a fragilidade da camada composta e possibilita, com maior facilidade, tratá-la posteriormente, além de torná-la porosa e possibilitar que seja utilizada como a camada e revestimento de um anel de pistão.

Por fim, o documento JP 2002-317225 refere-se a um aço inoxidável martensítico com baixo teor de cromo para utilização em anéis de pistão, o qual possui maior resistência à fadiga, ao desgaste e às altas temperaturas. A composição deese material inclui 0,35% a 0,9% de C, 7% a 13% de Cr e 0,05% a 0,20% de N, sendo que a superfície de contado deslizante de um anel com ele configurado deve ser alvo de um tratamento de nitretação.

Objetivos da Invenção É, portanto, um objetivo da presente invenção prover um anel de pistão nitretado para motores Flex-fuel, capaz de solucionar os problemas de destacamento que podem ocorrer quando este tipo de motor funciona com etanol como combustível. É também um objetivo da presente invenção, garantir elevada resistência ao destacamento e ao desgaste da superfície nitretada de um anel de pistão, por meio de um revestimento que apresente resistência superior à propagação de trincas.

Breve Descrição da Invenção Os objetivos da presente invenção são alcançados através da provisão de um anel de pistão nitretado dotado de uma base metálica composta primordialmente por ferro à qual é associada uma primeira camada, o anel compreendendo adicionalmente uma segunda camada posicionada entre a base e a primeira camada, a primeira camada possuindo pelo menos 2% de nitrogênio em peso e dureza máxima de substancialmente 800 Vickers e a segunda camada possuindo um percentual de carbono em peso ao menos fracionalmente superior ao percentual de carbono em peso presente na base e espessura maior ou igual a pelo menos 15 mícrons (μηη).

Os objetivos da presente invenção são também alcançados por meio de um anel de pistão nitretado dotado de uma base metálica composta primordialmente por ferro à qual são associadas uma primeira camada, o anel compreendendo adicionalmente uma segunda camada, a segunda camada estando posicionada entre a base e a primeira camada, a primeira camada possuindo pelo menos 2% de nitrogênio em peso, a segunda ca- mada possuindo um percentual de carbono em peso ao menos fracional-mente superior ao percentual de carbono em peso presente na base (3) e o anel apresentando uma dureza máxima de substancialmente 800 Vickers, a dureza variando de modo substancialmente linear até uma dureza mínima de 400 Vickers a uma profundidade de 85 mícrons (μιτι) contados a partir de sua superfície externa ou a partir da porção mais externa da primeira camada (1).

Breve Descrição dos Desenhos A presente invenção será, a seguir, mais detalhadamente descrita 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 face deslizante de um anel de pistão do estado da técnica;

Figura 3 - é uma fotografia metalográfica de uma seção transversal de um anel de pistão do estado da técnica;

Figura 4 - é uma fotografia metalográfica de um anel de pistão nitretado do estado da técnica;

Figura 5 - é uma fotografia metalográfica do anel de pistão objeto da presente invenção;

Figura 6 - é uma fotografia da microestrutura de um anel de pistão nitretado do estado da técnica que revela a presença de uma camada de difusão;

Figura 7 - é uma fotografia da microestrutura do anel de pistão objeto da presente invenção que revela a presença de duas camadas de difusão;

Figura 8 - é um gráfico comparativo do desgaste de um anel de pistão do estado da técnica em face de um anel objeto da corrente invenção;

Figura 9 - é uma fotografia metalográfica de um anel de pistão nitretado do estado da técnica que revela a presença de carbonetos de ferro na camada nitretada;

Figura 10 - é uma fotografia metalográfica do anel de pistão objeto da presente invenção que revela a inexistência de carbonetos de ferro na camada nitretada;

Figura 11 - é um gráfico que evidencia os perfis de dureza de um anel de pistão do estado da técnica e do anel de pistão objeto da presente invenção;

Figura 12 - é uma fotografia metalográfica de um anel de pistão objeto da presente invenção onde é possível identificar duas camadas distintas, assim como as curvas das diferentes concentrações de carbono e nitrogênio em função de cada camada;

Figura 13 - é uma fotografia de um anel de pistão nitretado do estado da técnica que revela o resultado de um teste de riscamento;

Figura 14 - é uma fotografia do anel de pistão objeto da presente invenção que revela o resultado de um teste de riscamento; e Figura 15 - é uma vista esquemática de uma variação do anel de pistão objeto da presente invenção, compreendendo a aplicação de uma camada de revestimento posterior por sobre a primeira camada nitretada. Descrição Detalhada das Figuras A presente invenção propõe um anel de pistão nitretado cujo revestimento confere uma maior resistência à formação e sobretudo propagação de trincas. O anel de pistão compreende uma base metálica que é, de modo preferencial, mas não obrigatório, composta por aço inoxidável martensí-tico com teor de cromo superior a 8%. A aplicação preferível do anel é a de um anel de compressão de topo para motores Flex-fuel, visto que ele soluciona a problemática relativa ao destacamento que pode ocorrer quando esse tipo de motor utiliza etanol como combustível.

Foi, assim, desenvolvido com sucesso um produto nitretado com características de elevada ductilidade, excepcional redução da formação e propagação de trincas, mantendo-se as almejantes características respei- tantes à resistência ao desgaste. Naturalmente que a mensuração dos valores superiores atingidos é com referência aos anéis de pistão do estado da técnica, também denominável por anel GNS típico.

As figuras 2 e 3 ilustram um anel de pistão do estado da técnica, já que ali ficam claras a formação e propagação de trincas e consequente destacamento 10, que são justamente os problemas resolvidos pelo presente anel.

As figuras 4 e 5 mostram, respectivamente, um anel de pistão do estado da técnica 101 e um anel da presente invenção 100 e são de enorme importância para o entendimento da corrente invenção pelo que serão recorrentemente discutidas no decorrer deste relatório. Vale preliminarmente descrever que ambas as figuras 4 e 5 ilustram imagens metalográfi-cas de secções transversais de anéis de pistão após terem sofrido um ataque químico do tipo Murakami de forma a evidenciarem os carbonetos presentes na microestrutura. A figura 4, quando comparada com a figura 5, evidencia diferenças de base fundamentais que notoriamente validam o avanço da presente invenção face ao estado da técnica. A figura 4 mostra um anel GNS típico onde existe apenas uma camada de difusão nitretada 4, à qual se segue a base metálica 5. A figura 5 representa o anel objeto da presente invenção, que essencialmente é dotado de uma base 3 e pelo menos uma primeira 1 e uma segunda camadas 2 nitretadas. A denominada primeira camada 1 é voltada para fora e é a camada externa na maioria das situações, a menos que posteriormente seja aplicada uma terceira camada de revestimento qualquer 30 (um anel 100’ assim configurado, que configura uma variação da presente invenção, está ilustrado na figura 15 e será descrito com maior detalhamento mais adiante). Já a segunda camada 2 é aquela posicionada entre a primeira camada 1 e a base 3.

Na figura 5, estão bem visíveis as duas camadas de difusão 1, 2 decorrentes do inovador processo de nitretação, sendo que a grande novidade é a existência de uma segunda camada 2 bem distinta e definida, ao contrário das soluções do estado da técnica. É, portanto, bem perceptível no anel da presente invenção a existência de uma segunda camada 2 bem rica em carbonetos quando comparada com o anel do estado da técnica 101, uma vez que na figura 4 a distribuição de carbonetos após a camada nitretada 4 é bem mais homogênea, não estando evidenciada a existência de uma camada intermediária tal e qual a segunda camada 2. A figura 5 evidencia, portanto, uma novidade, (justamente a presença de uma segunda camada de carbonetos, intermediária, 2). É também possível observar a aproximada inexistência de carbonetos na primeira camada 1, fato também extraordinariamente novo quando comparado com a existência comum de carbonetos na fase nitretada 4 do estado da técnica (este ponto será oportunamente abordado no decorrer deste relatório).

Tais características relativas à existência concreta de uma camada de difusão 4 no estado da técnica 101 e de duas camadas de difusão 1,2 da presente invenção 100 são também observáveis através das figuras 6 e 7 que representam a microestrutura do estado da técnica 101 e da presente invenção 100 respectivamente.

Pode-se então definir que, em uma concretização preferencial mas não obrigatória do objeto da invenção, o anel de pistão nitretado 100 apresenta dureza de cerca de 650 Vickers, valor bastante abaixo do tipicamente utilizado para este tipo de aplicação, definido por duas camadas de difusão 1, 2 de forma a ter um gradiente de dureza o mais suave possível e uma camada de nitretação com um total de cerca de 60 mícrons (pm). Torna-se extremamente importante salientar que um anel do estado da técnica 101, que possui apenas uma camada de difusão 4, tem uma dureza superficial de cerca de 1000 Vickers, bem como um gradiente de dureza bem mais acentuado.

Durante a fase de desenvolvimento do produto, um anel de pistão objeto da presente invenção 100 e um anel do estado da técnica 101 foram colocados em um teste de campo para efeitos comparativos quanto à resistência ao destacamento e formação de trincas, muito embora fosse es- perado um aumento lógico da taxa de desgaste no anel da presente invenção 100 em função da sua dureza inferior. O objetivo deste teste de campo era o de adquirir informação de base que servissem para nortear desenvolvimentos posteriores.

Surpreendentemente, e tal como mostra a figura 8, os testes efetuados revelaram que o anel da presente invenção 100 não teve, tal como estava inicialmente previsto, uma resistência ao desgaste inferior ao anel GNS típico 101. Adicionalmente, foi observado que o anel da presente invenção 100 resistiu à formação de trincas perpendiculares à superfície que normalmente ocorrem no anel GNS típico 101, trincas essas que desencadeiam e são responsáveis pelo processo de destacamento da camada nitre-tada. Deste modo, atingiu-se assim um efeito inesperado, obtendo-se assim como resultado um anel notadamente apropriado para o funcionamento em motores Flex-fuel que fazem uso de etanol como combustível. O resultado de uma série de ensaios expostos a seguir evidencia diferenças importantíssimas entre o estado da técnica 101 e a atual invenção 100, mostrando a existência inclusive de uma mudança de paradigma na área de atuação em questão.

Através de estudos mais detalhados, foi possível observar um dos motivos que possibilitam ao anel da presente invenção 100 resistir à propagação de trincas. As figuras 9 e 10 mostram, respectiva mente, um anel do estado da técnica 101 e um anel da presente invenção 100. Através destas duas figuras é possível comparar o resultado após um ataque químico para revelar a presença de carbonetos, na superfície de nitretação. Na figura 9 é bem visível a precipitação de carbonetos nas fronteiras de grão de modo mais ou menos paralelo à superfície nitretada 4, como que formando um padrão "casca de laranja". Contrariamente, na figura 10 é possível observar a ausência da precipitação de carbonetos na primeira camada 1. O resultado descrito acima é mais uma prova de um excelente objetivo atingido para este tipo de produtos uma vez que a presença da dita "casca de laranja" no material do estado da técnica 101 confere ao material uma determinada rugosidade que, quando em carga de trabalho, permitirá que as elevadas forças de atrito atuantes possibilitem uma propagação de tensões superior através das fronteiras de grão que inevitavelmente irão tentar descarregar tamanha energia concentrada, que dependendo da tenacidade do material, darão origem à propagação de trincas com consequente destacamento da camada nitretada.

Notadamente, a figura 10 evidência a total ausência da precipitação de carbonetos, evidenciando-se apenas por esta exclusiva característica que o material se encontra muito mais apto a resistir às cargas de trabalho a que será solicitado. Tal como foi referido, esta é uma característica altamente desejável num processo de nitretação de um material com aplicação e que até aos dias de hoje se mostrou tremendamente difícil de alcançar. Surge uma vez mais o efeito inesperado. A correlação das imagens anteriores leva a mencionar a característica de tenacidade e, com vista a melhor elucidar este assunto, deve-se observar do gráfico de durezas presente na figura 11.

Com base no gráfico dos perfis de dureza, pode-se concluir que os anéis de pistão do estado da técnica 101 objetivam garantir durezas muito superiores na região da camada nitretada. Isto significa que a uma distância cerca de 50 mícrons (μιτι) da superfície do anel para o interior do material, a dureza era superior a 1000 Vickers e que após a camada nitretada a dureza sofria um decréscimo bastante acentuado sendo cerca de três vezes menor para uma distância à superfície superior a 80 mícrons (Mm). Este foi o paradigma que prevaleceu e orientou o desenvolvimento de anéis de pistão nitretados para pistões durantes os últimos anos. A concretização preferencial do objeto da invenção, mas não obrigatória, mostra que de modo surpreendentemente distinto, o objeto da presente invenção possui um perfil de dureza excepcionalmente diferente. A dureza máxima atingida mostra-se perto dos 800 Vickers e possui um comportamento de redução quase que linear à medida que se vai penetrando em direção à base metálica 3, apresentado um valor de cerca de 400 Vickers para uma distancia (profundidade) de 90 mícrons (Mm) da superfície (ou da porção mais externa da primeira camada de revestimento 1, caso o anel sofra a aplicação de alguma outra camada de revestimento, o que será comentado mais adiante). Desse modo, a microestrutura do anel de pistão da presente invenção 100 apresenta um padrão de matriz de nitretada bastante inovador e diferenciado do que ocorre com o anel GNS típico 101.

Em associação com a descrição anterior, a fotografia metalográ-fica da figura 12 mostra um anel objeto da presente invenção onde é possível identificar duas camadas nitretadas distintas 1,2, assim como as curvas das diferentes concentrações de carbono 6 e nitrogênio 7 em função de cada camada nitretada 1,2 para melhor se poder documentar as inesperadas e inovadoras características do anel objeto da presente invenção 100.

Primeiramente, observando uma concretização preferencial mas não obrigatória do objeto da invenção através da figura 12, pode-se concluir que a primeira camada 1 de nitretação apresenta uma concentração de nitrogênio 7 que varia entre os 3% e os 6,5% em peso para uma profundidade (no caso, a distância da superfície, já que não há nenhuma camada de revestimento aplicada posteriormente) de até 45 mícrons (μίτι). Estes valores podem ser considerados normais para um processo deste tipo, no entanto, os valores de carbono 6 apresentam-se a 0% em peso até uma profundidade (no caso, a distância da superfície, já que não há nenhuma camada de revestimento aplicada posteriormente) de 40 mícrons (μιτι), situação atípica, começando a aumentar na região de interligação da primeira camada 1 com a segunda camada 2, sendo que a partir do início da segunda camada 2, que corresponde a uma profundidade (no caso, a distância da superfície, já que não há nenhuma camada de revestimento aplicada posteriormente) de 50 mícrons (μιτι) da superfície, os valores de carbono 7 disparam para valores entre 2% e 3,5% em peso. Estes valores de carbono estão presentes na definida segunda camada 2 até uma profundidade (no caso, a distância da superfície, já que não há nenhuma camada de revestimento aplicada posteriormente) de cerca de 75 mícrons (μιτι), momento a partir do qual se entra na região da base metálica 3 e o carbono passa a apresentar um valor de 1,5% em peso, valor típico da liga utilizada e onde, naturalmente, já não há presença de nitrogênio 7.

As principais e inusitadas observações que se podem fazer derivam de particularidades do processo de nitretação de que decorre a presente invenção e demonstram que, durante o processo de nitretação, todo o carbono 6 presente na primeira camada 1 foi "empurrado" pelo nitrogênio 7 para a segunda camada 2, fato que resultou na ausência de precipitação de carbonetos de ferro observável através da figura 10. Em decorrência deste fenômeno, a totalidade do carbono 6 proveniente da primeira camada 1 permitiu o adensamento de carbono 6 que levou à formação de uma segunda camada 2 bem definida.

Estas inovadoras características resultam num material com propriedades absolutamente desejáveis e já comentadas e que em parte podem ser constatadas pela observação das figuras 13 e 14. A figura 13 mostra um anel nitretado do estado da técnica 101 que revela o resultado de um teste de riscamento onde, além das trincas em arco existe a presença de trincas Chevron (Forward Chevron Tensile cracks), indicadores de fratura frágil. Já a figura 14 mostra uma fotografia de um anel nitretado da presente invenção 100 que revela um dos vários resultados obtidos em testes de riscamento, onde a exclusiva presença das trincas em arco evidenciam um material mais tenaz que a técnica anterior 101. A título de exemplo, o produto desenvolvido é de modo preferencial, mas não obrigatório, um anel de pistão, que poderá ser aplicado como anel de compressão, dotado de uma base metálica composta primordialmente por ferro, mais particularmente de aço inoxidável do tipo temperado martensítico e com alto teor de cromo (Cr superior a 8%), o anel sendo submetido a um tratamento de nitretação. Contrariamente aos anéis do estado da técnica 101 que buscavam alcançar sempre o máximo de dureza possível, superiores a 1100 Vickers (Hv) com o objetivo de garantir boa resistência ao desgaste, a presente invenção aborda esta questão de modo oposto, apresentando durezas superficiais de no máximo cerca de 800 Vickers e, ao invés de apenas uma camada nitretada presente no estado da técnica, apresenta-se com uma nitretação de duplo estágio, isto é duas camadas 1, 2 com uma espessura total de 90 mícrons (μηη).

Esse fato inédito e comprobatório da novidade e inventividade da presente invenção é também corroborado pela própria literatura técnica disponível. Segundo o compêndio ASM Handbook of Heat Treating (ASM Handbook, volume 4 Heat Treating), principal diretriz e respeitadíssimo livro reconhecido mundialmente na área metalúrgica, a temperatura de nitretação para todos os aços está situada entre 495°C e 565°C. Seguindo estas indicações, é fácil alcançar durezas superficiais para aços inoxidáveis na ordem dos 1200 Vickers. Segundo o livro, a dureza alcançada pela camada nitreta-da está diretamente relacionada à resistência ao desgaste para os anéis de pistão (quanto maior a dureza, maior a resistência ao desgaste do anel). Não esquecendo o pressuposto do parágrafo anterior e atentando às características da presente invenção, observa-se que, devido a particularidades do processo, os anéis da presente invenção 100 sofreram tratamento de nitretação fora dos parâmetros convencionais acima descritos e revelaram resultados extraordinariamente surpreendentes no que diz respeito à resistência ao destacamento, observando que não houve qualquer prejuízo quanto às propriedades de resistência ao desgaste, nomeadamente para as aplicações em motores Flex-fuel. Estes resultados foram alcançados apesar de a dureza superficial dos anéis da presente invenção 100 ser de no máximo cerca de 800 Vickers, valor bastante abaixo dos 1100 Vickers típicos dos anéis do estado da técnica 101.

Desse modo, vale resumir que se alcançou um material com uma dureza superficial bastante inferior ao estado da técnica, dureza essa dotada de um comportamento substancialmente linear, capaz de conferir mesmo com menor dureza uma resistência ao desgaste equivalente ao estado da técnica, promovendo um material que inibe a propagação de trincas e consequentemente está isento de destacamento quando aplicado em anéis para operação em motores Flex-fuel. Estes resultados são comprova-dores de que estas inovadoras correlações de se determinar uma dureza superficial máxima, bastante abaixo dos valores do estado da técnica, resultam num aumento da tenacidade. É também importante referir que o tratamento superficial de ni- tretação resulta agora em duas evidentes camadas de nitretação, são elas a primeira camada 1 e a segunda camada 2. Estas camadas apresentam também um comportamento novo, pois na primeira camada 1 a presença de carbono é substancialmente 0% em peso, pelo fato de que a absorção do nitrogênio durante o processo de nitretação promoveu a total migração do carbono da primeira camada 1 para a segunda camada 2, o que naturalmente leva a que esta segunda camada 2 apresente uma porcentagem de carbono em peso superior à base metálica 3 do anel de pistão 100. Para, por exemplo, um aço de 1,5% em peso de carbono na base metálica, podemos prever um aumento de carbono na segunda camada 2 para pelo menos uns 2% em peso de carbono. Importante referir que no estado da técnica sempre existiu carbono residual na região de nitretação 4. É também importante referir que a propagação de trincas se tornou inviável neste material porque, tal como foi observável (figura 3) a partir de uma dureza de cerca de 600 Vickers, o material é tenaz o suficiente para que ela não se propague. Na presente invenção trabalha-se com valores muito próximos deste valor, além de que a isenção da precipitação de carbonetos na primeira camada 1 também contribui para inibir a respectiva propagação de trincas.

Temos assim, de modo preferencial, mas não obrigatório, um material cuja dureza máxima superficial é de 800 Vickers e desce de modo linear até um valor que será no mínimo de cerca de 500 Vickers a uma profundidade (no caso, a distância da superfície, já que não há nenhuma camada de revestimento aplicada posteriormente) que pode variar valores entre os 35 mícrons (μιτι) e 55 mícrons (μιτι), ao final da primeira camada 1 (vide figura 12). Segue-se uma segunda camada 2 cujas durezas continuam o comportamento linear da camada anterior apresentando valores que podem variar de no máximo cerca de 600 Vickers até uma dureza mínima de 400 Vickers, estes valores encontrando-se entre espessuras da segunda camada que se encontram entre um mínimo de cerca de 15 mícrons (μιτι) até um máximo de cerca de 30 mícrons (μιτι), seguindo-se após a região nitretada à base metálica do anel de pistão.

Tal como mencionado anteriormente, também, está incluído no escopo da presente invenção um anel 100’ dotado de pelo menos uma camada de revestimento adicional 30 aplicada posteriormente por sobre a primeira camada 1. Nesse produto, a primeira camada 1 deixa de ser a camada externa haja vista a aplicação dessa(s) camada(s) adicional(is) posteriores) 30 por sobre ela. Assim, o anel 100’ passa a possuir três ou mais camadas de revestimento. A pelo menos uma terceira camada de revestimento 30, aplicada posteriormente por sobre a primeira camada 1, pode apresentar qualquer composição, espessura e ainda ser aplicada por qualquer processo de deposição, e ainda assim o anel 100’ resultante estará incluído no escopo de proteção da invenção, até mesmo porque essa terceira camada de revestimento 30 por si só não possui nenhuma característica inovadora. Tal como mencionado acima, as características desse anel 100’ residem nas características de espessura e composição das primeira e segunda camadas, tal como mencionado mais acima.

Nessa segunda variação, a aplicação da pelo menos uma terceira camada de revestimento 30 é feita posteriormente à realização do processo de nitretação que enseja a formação das primeira e segunda camadas 1,2.

Assim, para esta segunda variação de anel, todas as características mencionadas acima também são aplicadas, porém, os valores referentes às profundidades, notadamente para determinação dos valores de dureza, são contados não como a partir da a partir da superfície, mas sim a partir da porção mais externa da primeira camada 1, por sobre a qual a terceira camada de revestimento 30 é aplicada. Logo: (i) A dureza máxima atingida para a segunda variação do anel 100’ mostra-se perto dos 800 Vickers e possui um comportamento de redução quase que linear à medida que se vai penetrando em direção à base metálica 3, apresentado um valor de cerca de 400 Vickers para uma distância (profundidade) de 90 mícrons (pm) contados porção mais externa da primeira camada de revestimento 1. (ii) A primeira camada 1 de nitretação apresenta uma concentra- ção de nitrogênio 7 que varia entre os 3% e os 6,5% em peso em até 45 mí-crons (pm) contados da porção mais externa da primeira camada de revestimento 1. (iii) Os valores de carbono 6 apresentam-se a 0% a uma distância de 40 mícrons (μΐη) tomada da porção mais externa da primeira camada de revestimento, começando a aumentar na região de interligação da primeira camada 1 com a segunda camada 2, sendo que a partir do início da segunda camada 2, que corresponde a uma profundidade (tomada da porção mais externa da primeira camada de revestimento 1) de 50 mícrons (pm), os valores de carbono 7 disparam para valores entre 2% e 3,5% em peso. (iv) Os valores de carbono estão presentes na definida segunda camada 2 até uma profundidade (tomada da porção mais externa da primeira camada de revestimento 1) de cerca de 75 mícrons (pm), momento a partir do qual se entra na região da base metálica 3 e o carbono passa a apresentar um valor de 1,5% em peso, valor típico da liga utilizada e onde, naturalmente já não há presença de nitrogênio 7.

Tendo sido descritos 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, incluídos os possíveis equivalentes.

REIVINDICAÇÕES

Claims

1. Anel de pistão nitretado (100,100’) dotado de uma base metálica composta primordialmente por aço à qual são associadas uma primeira camada (1), o anel sendo caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente uma segunda camada (2), a segunda camada (2) estando posicionada entre a base (3) e a primeira camada (1), a primeira camada (1) possuindo pelo menos 2% de nitrogênio em peso, a segunda camada (2) possuindo um percentual de carbono em peso ao menos fracionalmente superior ao percentual de carbono em peso presente na base (3) e espessura maior ou igual a pelo menos 15 mícrons (μηι), o anel apresentando uma dureza máxima de substancialmente 800 Vickers, a dureza variando de modo substancialmente linear até uma dureza mínima de 400 Vickers a uma profundidade de 85 mícrons (μηη) contados a partir de sua superfície externa ou a partir da porção mais externa da primeira camada (1).

2. Anel de pistão nitretado (100,100’) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a base (3) é composta por uma liga de aço inoxidável martensítico.

3. Anel de pistão nitretado (100,100’) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a primeira camada (1) corresponde à camada externa, ou exterior, do anel.

4. Anel de pistão nitretado (100,100’) de acordo com a reivindicação 1 ou 3, caracterizado pelo fato de que a primeira camada (1) possui uma quantidade de carbono substancialmente menor do que 0,05 por cento em peso.

5. Anel de pistão nitretado (100,100’) de acordo com a reivindicação 1, 3 ou 4, caracterizado pelo fato de que a primeira camada (1) possui uma quantidade de carbono de substancialmente zero por cento em peso.

6. Anel de pistão nitretado (100,100’) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a segunda camada (2) possui uma porcentagem de carbono igual ou superior a 1,5 por cento em peso.

7. Anel de pistão nitretado (100,100’) de acordo com a reivindicação 1, 3, 4 ou 5, caracterizado pelo fato de que a primeira camada (1) possui uma espessura mínima de aproximadamente (35) mícrons (μηη).

8. Anel de pistão nitretado (100,100’) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que apresenta uma dureza mínima superior a 500 Vickers a uma profundidade de 55 mícrons (μηη) contados a partir de sua superfície externa.

9. Anel de pistão nitretado (100,100’) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que apresenta uma dureza mínima superior a 500 Vickers a uma profundidade de 55 mícrons (μηη) contados a partir da porção mais externa da primeira camada (1).

10. Anel de pistão nitretado (100,100’) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de apresentar uma dureza máxima de até 600 Vickers a uma profundidade de 60 μηη contados a partir de sua superfície externa.

11. Anel de pistão nitretado (100,100’) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de apresentar uma dureza máxima de até 600 Vickers a uma profundidade de 60 μηη contados a partir da porção mais externa da primeira camada (1).

12. Anel de pistão nitretado (100,100’) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que apresenta uma dureza mínima superior a 400 Vickers a uma profundidade de 85 mícrons (μηη) contados a partir da porção mais externa da primeira camada (1).

13. Anel de pistão nitretado (100,100’) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que (i) a superfície externa do anel de pistão nitretado (100) possui uma dureza de no máximo 800 Vickers e (ii) essa dureza varia de modo substancialmente linear até uma dureza mínima de 400 Vickers a uma profundidade de 85 mícrons (μηη) contados a partir de sua superfície externa.

14. Anel de pistão nitretado (100,100’) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que (i) a superfície externa do anel de pistão nitretado (100) possui uma dureza de no máximo 800 Vickers e (ii) essa dureza varia de modo substancialmente linear até uma dureza mínima de 400 Vickers a uma profundidade de 85 mícrons (μηη) contados a partir da porção mais externa da primeira camada (1).

15. Anel de pistão nitretado (100,100’) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a primeira camada (1) não possui precipitação de carbonetos.

16. Anel de pistão nitretado (100,100’) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a segunda camada (2) não possui precipitação de carbonetos.

17. Anel de pistão nitretado (100,100’) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por não propagar trincas na região da primeira camada (1).

18. Anel de pistão nitretado (100,100’) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de ser aplicados em motores Flex-fuel.