BRPI1101057A2

BRPI1101057A2 - anel de pistço

Info

Publication number: BRPI1101057A2
Authority: BR
Inventors: Rodrigo Favaron
Original assignee: Mahle Metal Leve Sa
Priority date: 2011-03-17
Filing date: 2011-03-17
Publication date: 2013-06-11
Also published as: DE102012005174A1

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 e/ou compressor, dotado de uma base metálica à qual é aplicado um primeiro revestimento compreendido por uma subcamada (1) de cromo duro eletrodepositado com uma espessura máxima de 100 micrôrnetros, sendo posteriormente formada, por cima da subcamada (1), uma camada externa (3) composta de nitreto de cromo depositada por PVD com uma espessura que varia entre os 5 e os 30 micrômetros. Adicionalmente, entre a subcamada (1) de cromo eletrodepositado e a camada externa (3) de nitreto de cromo, existe uma camada de adesão (2) formada por cromo puro com uma espessura máxima de 5 micrômetros depositada também por PVD, resultando em um anel de pistão (100) com superior resistência ao desgaste e resistência à geração de trincas.

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 com- bustão interna e/ou compressor, dotado de uma base metálica à qual é apli- cada uma pluralidade de revestimentos à base de cromo. Descrição do Estado da Técnica

Nos motores de combustão interna dotados de um ou mais pis- tões que se deslocam no interior de respectivos cilindros, cada pistão com- preende 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/suficiente para os pa- râmetros de vida útil do motor, 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, mantém as propriedades de desempenho do anel mesmo após milhões de ciclos de deslocamento do pistão no interior do cilindro.

Nesse sentido, existem infindáveis técnicas utilizando as mais diversas composições de revestimento e inúmeros processos de aplicação, cada qual buscando otimizar as propriedades de desempenho e durabilida- de dos mais diversos tipos e configurações de anéis.

No espírito do anel objeto da presente invenção, dotado de uma base metálica à qual são aplicados revestimentos à base de cromo, uma primeira técnica anterior representativa é a patente norte-americana US 6.161.837, que se refere a um anel de pistão dotado de uma base de ferro fundido à qual são aplicadas duas camadas de revestimento na superfície de deslizamento. Mais particularmente, a primeira camada ou subcamada é dotada de uma espessura que varia de 100 a 300 micrômetros aplicada di- retamente sobre a base metálica que contém microabrasões na sua superfí- cie produzidas pelo processo de lapidação (Iapping), sendo que essa primei- ra camada é composta de cromo eletrodepositado/galvanizado (electropla- ted). Este documento revela que uma segunda camada é aplicada sobre as microabrasões da primeira camada, sendo que a segunda camada é obtida pela aplicação de nitreto de cromo através do processo de deposição física de vapor (PVD - physical vapor depositiorí).

As microabrasões mencionadas por este documento podem ser

vistas na figura 1 e sua função é a de melhorar a adesão da segunda cama- da de nitreto de cromo na primeira camada de cromo eletrodepositado.

Uma segunda técnica anterior representativa no âmbito da pre- sente invenção é a patente norte-americana US 5.605.741, que se refere a um anel de pistão dotado de uma base de ferro fundido dotado de uma sub- camada de cromo eletrodepositado ou nitretado a gás formada na sua face periférica externa. Tal subcamada é tratada superficialmente através do ja- teamento de partículas de forma a tornar a sua superfície áspera, sendo que posteriormente é lapidada a óleo para remover as asperezas. A superfície resultante tem um platô suave e diversos reservatórios aleatoriamente orien- tados à qual é posteriormente aplicado um revestimento metálico de nitreto.

Segundo este documento estadunidense, os reservatórios ofe- recem uma área superficial adicional que visa promover a adesão entre o nitreto metálico e a subcamada. No entanto, o revestimento metálico de ni- treto não elimina os reservatórios, tendo tais reservatórios a função adicional de armazenamento do óleo lubrificante para, consequentemente, reduzir o atrito e desgaste durante a operação do anel de pistão (vide figura 2). O do- cumento revela ainda que a dureza da subcamada varia entre 800 e 950 Vickers sendo dotada de uma espessura mínima de 100 micrômetros. Tal como se pode observar pelos documentos da técnica anteri-

or apresentados, existe a necessidade de uma abrasão da subcamada de forma a promover uma melhoria na adesão da camada externa, sendo que tal característica é aquela atualmente capaz de oferecer solução para a a- desão entre as duas camadas (cromo eletrodepositado e camada de nitreto metálico, por exemplo cromo).

Adicionalmente, resta claro que as soluções de ambos os do- cumentos necessitam de subcamadas com espessuras superiores a 100 micrômetros. No entanto, é sabido que o aumento da espessura das cama- das de cromo leva a uma redução da resistência à fadiga e a um aumento da tensão residual do revestimento, o que torna a especificação e aplicação de camadas de tal espessura arriscada dado o aumento considerável na tensão residual e como corolário no risco do aparecimento de trin- cas/rachaduras indesejáveis.

Paralelamente, é também conhecido que anéis de pistão dota- dos de revestimentos de cromo eletrodepositado na superfície de desliza- mento ainda mais se com espessura elevada, apresentam microtrincas nas camadas de revestimento. Tal realidade é bem-conhecida, e pode ser re- produzida facilmente em testes de bancada. Um exemplo disso pode ser visualizado na figura 5 anexa, que apresenta o resultado de um teste de mo- tor em um anel de pistão do estado da técnica dotado de uma subcamada de cromo eletrodepositado e uma camada externa de nitreto de cromo. Assim, as soluções do estado da técnica apresentam dois gran-

des inconvenientes que até ao presente momento ainda não têm solução. Por um lado são necessários processos de lapidação ou afins da camada de cromo galvanizada para que se obtenha uma melhor adesão à camada me- tálica de nitreto. Por outro lado, até talvez devido à forçosa necessidade de se adentrar na camada de cromo eletrodepositado no momento de forma- ção das microabrasões, as camadas de cromo apresentam espessuras su- periores ao necessário, o que notoriamente irá contribuir para uma redução na vida útil do anel de pistão devido ao acúmulo de tensões e potencial apa- recimento de trincas.

De outro lado, sem recorrer formação de microabrasões e con-

seqüentes procedimentos que oneram o custo de fabricação do anel de pis- tão (ou seja, dando um passo inventivo), a depositante apresenta um produ- to absolutamente novo e original, que não necessita da etapa de lapidação da camada de cromo galvanizada, apresentando um revestimento com uma espessura consideravelmente inferior, atendendo com louvor a todos os re- quisitos de desempenho e durabilidade, e mantendo um custo de fabricação competitivo. Objetos da Invenção

A presente invenção tem por objeto um anel de pistão idealizado para utilização em motores de combustão interna ou compressores, dotado de uma subcamada de cromo eletrodepositado disposto na superfície de deslizamento do anel e de uma camada externa de nitreto de cromo, sendo que a ligação entre as referidas camadas é proporcionada por uma camada de adesão de cromo puro.

A presente invenção tem por objeto também um anel de pistão, que possua uma espessura de revestimento de cromo eletrodepositado re- duzida, de forma a reduzir os valores de formação de microtrincas potenci- almente destrutivas. 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 uma base metá- lica substancialmente anelar, o anel de pistão compreendendo uma face periférica externa dotada de uma subcamada de cromo eletrodepositado e uma camada externa de nitreto de cromo. A subcamada possui uma espes- sura máxima de 100 micrômetros, a camada externa possui uma espessura substancialmente entre 5 micrômetros e 30 micrômetros e é provida uma camada de adesão de cromo puro entre a subcamada e a camada externa. 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:

Figura 1 - é uma fotografia das microabrasões formadas aleato- riamente pelo processo de lapidação / esmerilhamento de um anel de pistão do estado da técnica;

Figura 2 - é uma ilustração da superfície de platôs e reservató- rios formados aleatoriamente pelo processo de lapidação e jateamento de um anel de pistão do estado da técnica;

Figura 3 - é uma fotografia da vista da face de trabalho, superfí- cie periférica de um anel de pistão do estado da técnica onde se podem vi- sualizar as trincas axiais após teste em motor Diesel com duração de 500 horas.

Figura 4 - é uma fotografia da vista da face de trabalho, superfí- cie periférica de um anel de pistão da presente invenção sem trincas após teste em motor Diesel com duração de 500 horas.

Figura 5 - é uma fotografia que ilustra as trincas da face de tra- balho, superfície periférica de uma camada de cromo duro galvanizado / ele- trodepositado de um anel de pistão do estado da técnica após um teste de motor;

Figura 6 - é uma vista esquemática em corte transversal do anel de pistão objeto da presente invenção;

Figura 7 - é uma ilustração do princípio do teste de medição de emissão acústica ao qual os anéis de pistão são submetidos para alferir as propriedades de seu revestimento; e

Figura 8 - é uma figura que mostra os resultados das medições de emissão acústica que compara diferentes espessuras de camadas. Descrição Detalhada das Figuras

A presente invenção refere-se a um anel de pistão 100, particu- Iarmente para uso no canalete de um pistão de um motor de combustão in- terna ou de um compressor, sendo que tal anel é preferivelmente configura- do como anel de compressão, muito embora possa perfeitamente ter a constituição de um anel raspador de óleo, ou ainda qualquer outra.

Antes que se dê início à descrição do anel objeto da presente invenção propriamente dito, cumpre reiterar que o aumento da espessura das camadas de cromo de revestimento leva a uma correspondente redução da resistência à fadiga e a um aumento da tensão residual do revestimento. Tal conhecimento está embasado não só em teoria, mas sobretudo em re- sultados experimentais levados a cabo pela depositante e que serão discuti- dos no decorrer deste texto.

Tendo como base a incontornável realidade apontada no pará- grafo anterior, a depositante desenvolveu um anel de pistão 100 dotado de revestimento com espessura de camadas reduzida, bem como de uma solu- ção de adesão entre elas capaz de garantir os requisitos de desempenho e durabilidade suficientemente superior àquela dos anéis até o momento de- senvolvidos.

A figura 6 mostra um corte transversal do anel de pistão 100 da

presente invenção, que possui a concretização preferencial de uma base 10 metálica, preferencialmente de aço ou ferro fundido, podendo no entanto ser de qualquer outro material metálico, como por exemplo alumínio.

A superfície externa ou periférica do anel 100 (aquela voltada para a parede do cilindro) recebe um primeiro revestimento compreendido por uma subcamada 1 de cromo duro eletrodepositado / galvanizado. A subcamada 1 de cromo duro eletrodepositado terá uma espessura preferen- cialmente de 60 micrômetros, podendo alcançar um valor máximo de 100 micrômetros. Valores superiores a 100 micrômetros são indesejados a fim de evitar o acúmulo de tensões, e o conseqüente aumento na probabilidade da ocorrência de trincas.

A subcamada 1 de cromo duro eletrodepositado é produzida, de modo preferencial, mas não obrigatório, através de um meio ácido de cromo contendo micropartículas sólidas dispersas no meio. Note-se que durante o processo de cromação o substrato/base 10 metálica é conectado a um ca- todo de forma a iniciar a formação dos primeiros micrômetros de espessura da subcamada 1 de cromo duro na superfície exposta da base 10. Após es- ta etapa, a corrente elétrica é revertida de modo que o substrato/base 10 se torna o anodo e, dessa forma, o cromo é parcialmente removido da base 10 gerando a ocorrência de microfissuras. Em seguida, a corrente elétrica é novamente revertida à condição inicial, de modo que o substrato passa de novo a funcionar como catodo, condição que gera novamente a formação de cromo duro sobre a superfície exposta. Assim, é possível que as partículas dispersas no meio sejam encapsuladas por entre as microfissuras. Cumpre notar que o processo de eletrodeposição acima descrito

é repetido por várias vezes durante a formação da subcamada 1 de cromo duro, resultando em um revestimento contendo micropartículas que são en- capsuladas por entre as fissuras em toda a extensão da camada de cromo duro.

Dependendo das propriedades que se desejam alcançar, a sub- camada 1 de cromo duro eletrodepositado pode ser constituída de múltiplas camadas finas (mu/í//ayeA) que podem ou não conter partículas abrasivas por entre as múltiplas camadas finas, resultando em subcamadas 1 com durezas que variam entre 400 e 1200 Vickers (HV).

Posteriormente, ainda durante o processo de fabricação do anel, um segundo revestimento é aplicado por cima da subcamada 1, formando- se uma camada externa 3 composta de nitreto de cromo, na constituição predominante de CrN ou Cr2N ou ainda uma mistura sem que ocorra a pre- ponderância de nenhuma das fases.

Esta camada externa 3 é formada, de modo preferencial, mas não obrigatório, por um processo de deposição física de vapor (PVD) e tem uma espessura que varia entre os 5 e os 30 micrômetros, sendo preferenci- almente de 20 micrômetros. Analogamente ao que foi dito para a subcama- da 1, valores de espessura superiores a 30 micrômetros são indesejados a fim de evitar o acúmulo de tensões, e o conseqüente aumento na probabili- dade da ocorrência de trincas. Adicionalmente, cumpre notar que entre a subcamada 1 de cro-

mo eletrodepositado e a camada externa 3 de nitreto de cromo, aplicada posteriormente, existe uma camada de adesão 2 formada por cromo puro depositada também por PVD. Note-se que esta camada tem uma espessura bastante reduzida, substancialmente inferior a 5 micrômetros, sendo a sua função fundamental para promover uma boa adesão entre a subcamada 1 e a camada externa 3.

Durante o processo de fabricação, após a aplicação da subca- mada 1, inicia-se a aplicação do cromo metálico por PVD e, no mesmo pro- cesso (sem paralisá-lo), tão logo a espessura ao redor de 5 micrômetros seja atingida, introduz-se o nitrogênio de forma que o nitreto de cromo passe a ser depositado. O volume de nitrogênio disponível vai determinar a com- posição da camada externa, se composta primordialmente por nitreto de cromo na fase CrN, Cr2N ou ainda uma mistura sem preponderância de fa- ses.

Note-se, portanto, que a presente invenção se distancia comple- tamente do conceito dos revestimentos de anéis de pistão à base de cromo, não sendo mais necessário proceder ao tratamento superficial (lapidação ou afim) da subcamada 1 para a criação das microabrasões, nem a eventuais procedimentos subsequentes. Destarte, a presente invenção consegue al- cançar um revestimento de anéis de pistão 100 à base de cromo sem a ne- cessidade de procedimentos adicionais que oneram forçosamente o produto final e com uma espessura de revestimento consideravelmente inferior, que reduz a tensão interna cumulada e a conseqüente ocorrência de trincas

Prova dessa considerável mudança conceituai e da considerável redução da espessura das camadas é o fato de que, se nos anéis atualmen- te conhecidos a espessura da subcamada 1 tinha um valor mínimo de 100 micrômetros necessário devido ao posterior procedimento de lapidação su- perficial, ao passo que no presente anel a espessura da subcamada 1 de revestimento passa a ser no máximo de 100 micrômetros, trazendo todas as vantagens de durabilidade comentadas acima.

Ademais, outro grande diferencial do anel de pistão 100 da pre- sente invenção é que ele apresenta agora uma superfície de deslizamento (periférica) lisa, isenta dos reservatórios do estado da técnica (devido à não lapidação da subcamada 1. Adicionalmente, a presente invenção possui a- gora uma camada intermediária, a denominada camada de adesão 2 à base de cromo puro que não está prevista no estado da técnica, resultando em uma maior facilidade e maior qualidade da adesão entre a camada de cromo galvanizada e a camada de nitreto de cromo, e sem trazer nenhum inconve- niente ou desvantagem, visto que é aplicada da mesma forma e maneira do revestimento de nitreto de cromo, o que foi mencionado mais acima.

No geral, o anel de pistão 100 da presente invenção resulta em uma maior resistência à fadiga e ao contrário das tecnologias do estado da técnica, é capaz de resolver os problemas das trincas presentes nas sub- camadas 1 de cromo eletrodepositado. E, muito além de basear-se somente em teorias, a depositante conseguiu alcançar os excelentes resultados da presente invenção comprovadamente, com base em testes experimentais que resultaram nas fotografias das figuras 3 e 4.

Ao se observar as duas figuras é notória a diferença entre as superfícies das subcamadas 1. A figura 3 mostra uma fotografia em corte transversal de um anel de pistão do estado da técnica onde se podem visua- lizar as trincas axiais na camada de cromo eletrodepositado (subcamada 1) após um teste de motor. Vale lembrar que a subcamada 1' de cromo eletro- depositado do anel 100 do estado da técnica tem uma espessura na ordem de 180 micrômetros, sendo que a camada externa 3' de nitreto de cromo possui uma espessura de 18 micrômetros.

Com um resultado absolutamente vantajoso, a figura 4 mostra uma fotografia de um anel de pistão 100 da presente invenção em condi- ções de teste similares às da figura 3, sendo que a subcamada 1 de cromo eletrodepositado possui uma espessura de substancialmente 60 micrôme- tros, resultando em uma subcamada 1 claramente isenta de trincas após ser submetida ao mesmo teste.

De forma a consubstanciar os excelentes resultados obtidos pe- la presente invenção, a depositante efetuou testes de medição acústica de anéis de pistão do estado da técnica, bem como da presente invenção, fato que lhe permitiu compreender o comportamento das camadas à base de cromo quanto à sua resistência ao surgimento de trincas e sua adesão.

A figura 7 ilustra o princípio de funcionamento de um teste de medição de emissão acústica. O anel de pistão 100, após receber o reves- timento, é disposto em um dispositivo tal como representado na figura 7. Posteriormente é aplicada uma carga na superfície de deslizamento do anel 100, sendo que todo o ruído emitido devido às tensões aplicadas no anel 100 e suas respectivas camadas são registrados por um equipamento espe- cífico para o efeito.

Como resultado, à medida que ocorre um deslocamento, as ca-

madas vão atingindo a sua resistência máxima, vão colapsando e emitindo um som que se traduz posteriormente sob a forma de um gráfico tal como apresentado na figura 8. Assim, o gráfico da figura 8 apresenta no eixo dos xx o descolamento e no eixo dos yy o retorno do sinal do equipamento refe- rente à emissão de trincas, que é representado no gráfico pela sigla ASL, que significa a Média do Nível de Sinal (Average Signal Levei) e que está representado no gráfico em volts (V). Para se ter uma noção de como isso ocorre, um transdutor transforma o ruído de dB em um sinal analógico entre OeIOV (volts) onde 1 dB eqüivale a 0,04 V.

Os resultados obtidos e registrados na figura 8 resultaram de re- vestimentos onde foram aplicadas espessuras de subcamadas 1 superiores a 100 micrômetros, configurações essas que são de anéis de pistão do es- tado da técnica. Uma análise do gráfico mostra que quando há uma redução na espessura tanto da camada de cromo eletrodepositado como da camada de nitreto de cromo obtida por PVD, ocorre uma melhora na resistência à fratura do anel 100 (amostras 1, 2 e 3). Mais particularmente, comparando os resultados das amostras 1, 2 e 3 é possível observar que quanto mais reduzida a espessura total dos revestimentos à base de cromo, melhor a resistência à fratura do anel, sendo que o melhor resultado foi obtido pela amostra 1 com uma espessura da camada de cromo eletrodepositado de 110 micrômetros e uma espessura da camada de nitreto de cromo obtido por PVD de 18 micrômetros, o que leva a crer que a maior influência na re- sistência à fratura decorre, principalmente, de uma redução da subcamada 1.

Resta assim claro que o anel de pistão 100 da presente inven- ção apresenta uma solução de revestimento com menos procedimentos de fabricação, sendo capaz de alcançar, sem trincas, todos os requisitos de desempenho e durabilidade que se espera de um anel de pistão 100.

Tendo sido descrito um exemplo de concretização preferido, de- ve ser entendido que o escopo da presente invenção abrange outras possí- veis variações, sendo limitado tão-somente pelo teor das reivindicações a- pensas, aí incluídos os possíveis equivalentes.

Claims

1. Anel de pistão, particularmente para uso no canalete de um pistão de um motor de combustão interna ou de um compressor, compreen- dendo uma base (10) metálica substancialmente anelar, o anel de pistão (100) compreendendo uma face periférica externa dotada de uma subca- mada (1) de cromo duro eletrodepositado e uma camada externa (3) de ni- treto de cromo, o anel de pistão sendo caracterizado pelo fato de que a sub- camada (1) possui uma espessura máxima de 100 micrômetros, a camada externa (3) possui uma espessura substancialmente entre 5 micrômetros e 30 micrômetros e é provida uma camada de adesão (2) de cromo puro entre a subcamada (1) e a camada externa (3).

2. Anel de pistão de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a camada de adesão (2) possui uma espessura máxima de micrômetros.

3. Anel de pistão de acordo com as reivindicações 1 e 2, carac- terizado pelo fato de que a subcamada (1) é compreendida por múltiplas camadas finas de cromo duro eletrodepositado.

4. Anel de pistão de acordo com a reivindicação 3, caracteriza- do pelo fato de que a subcamada (1) possui partículas abrasivas entre as múltiplas camadas finas de cromo duro eletrodepositado.

5. Anel de pistão de acordo com as reivindicações 1 a 4, carac- terizado pelo fato de que a subcamada (1) possui uma dureza que varia en- tre 400HV e 1200HV.

6. Anel de pistão de acordo com as reivindicações 1 a 5, carac- terizado pelo fato de que a camada externa (3) é depositada por deposição física de vapor (PVD).

7. Anel de pistão de acordo com as reivindicações 1 a 6, carac- terizado pelo fato de que a camada de adesão (2) é depositada por deposi- ção física de vapor (PVD).

8. Anel de pistão de acordo com as reivindicações 1 a 7, carac- terizado pelo fato de que a base metálica (10) é constituída por aço.

9.

Anel de pistão de acordo com as reivindicações 1 a 7, carac- terizado pelo fato de que a base metálica (10) é constituída por ferro fundi- do.