PT2118534T

PT2118534T - Anel de segmento com estrutura multicamadas e processo para a sua produção

Info

Publication number: PT2118534T
Application number: PT78468253T
Authority: PT
Inventors: Schmidt Peter; Matz Marc-Manuel; Riedl Johann
Original assignee: Federal Mogul Burscheid Gmbh
Priority date: 2007-01-09
Filing date: 2007-11-26
Publication date: 2017-05-30
Also published as: WO2008083793A1; MX2009004280A; KR101401759B1; EP2118534A1; EP2118534B1; KR20090107996A; US20100127462A1; JP2010515848A; EP3176475A1; DE202007019719U1; JP5113190B2; CN101715521A

Description

DESCRIÇÃO

ANEL DE SEGMENTO COM ESTRUTURA MULTICAMADAS E PROCESSO PARA

A SUA PRODUÇÃO A presente invenção refere-se a um anel de segmento e a um processo para a sua produção, especialmente um anel de segmento grande com um revestimento multicamadas para um motor de combustão interna.

Em anéis de segmento como, por exemplo, os de motores de combustão interna de êmbolo elevador, devem ser satisfeitas duas exigências em si contrapostas. De um lado, deve ser dada uma alta resistência ao desgaste, pois, caso contrário, isto é, com anel de segmento cada vez mais fino, o vazamento de gás e o consumo de óleo podem aumentar, bem como deteriorar-se a potência do motor. Por um anel de segmento em desgaste aumenta cada vez mais a fenda entre parede de cilindro e anel de segmento, de modo que os gases de combustão podem sair ao passar cada vez mais facilmente no anel (o assim chamado "blow-by"), o que reduz a eficácia do motor. Por uma fenda aumentada, além disso, a película de óleo não retirada restante fica cada vez mais espessa, de modo que mais óleo por unidade de tempo pode perder-se, aumentando, portanto, o consumo de óleo.

Para se obter propriedades ideais de motor, portanto, o melhor compromisso possível entre máximo efeito de vedação e poucas perdas por atrito deve por isso ser mantida tão precisa quanto possível a dimensão da fenda entre anel ou anéis de segmento e parede do cilindro. Isso requereria, todavia, aquando da produção e montagem do motor, etapas de processo trabalhosas e caras, pois senão ocorreria sempre um certo grau de tolerâncias inevitáveis. Uma dimensão de fenda eventualmente pequena demais é habitualmente, por isso, aceite, sendo que o anel de segmento ainda consegue alcançar a vedação ideal por desgaste em operação. A área de curso do anel de segmento desgasta-se idealmente, então, até que seja alcançado o diâmetro de fenda ideal. Essa operação é também chamada de ajuste. De um lado, portanto, é desejado um material tão resistente a desgaste quanto possível, para se conseguir que, na operação regular, o anel de segmento se desgaste tão pouco quanto possível e a fenda quase não aumente. Para se obter boas propriedades de ajuste, contudo, pelo menos uma parte da área de curso deve poder ser relativamente mais facilmente desgastada, para que uma fenda eventualmente pequena demais (por exemplo, devido a inevitáveis tolerâncias de componente), entre anel de segmento e parede de cilindro, possa aumentar tão rapidamente quanto possível para a correta dimensão durante a operação de ajuste.

Em princípio, portanto, anéis de segmento são providos de revestimentos que devem prover as desejadas propriedades. Isso é de manipulação naturalmente mais simples e mais barata do que produzir todo o anel de segmento de um material possivelmente caro com as desejadas propriedades. Com esses segmentos ainda se acrescenta uma outra exigência. Além da disponibilização das propriedades necessárias, o revestimento deve também ser de tal maneira constituído que não se solte do anel de segmento, portanto, apresente boa aderência ao material que serve de base. Na medida em que o revestimento consista em várias camadas distintas, é ainda requerida uma boa retenção entre as camadas, portanto, uma boa coesão. De outro modo, há risco de formação de fissuras ou desprendimento das camadas, o que pode ser perigoso para o motor.

Revestimentos nas áreas de curso de anéis de segmento devem ser à prova de desgaste na região de superfície em contacto com a parede de cilindro. Além disso, o seu desgaste próprio na fase de ajuste deve bastar para uma adaptação à contra-área. Além disso, essas camadas devem ter uma alta segurança de rutura e não apresentar, mesmo após longos tempos de curso, um comportamento de fadiga ou apenas algum. Revestimentos protetores de desgaste são produzidos, por exemplo, de cromo duro. 0 documento n° DE 199 31 82 9 AI descreve uma camada de cromo duro galvânica para um anel de segmento. Outros materiais para revestimentos protetores de desgaste são cromo com cerâmica de óxido de alumínio (por exemplo, CKS® da Firma Federal-Mogul) ou cromo com microdiamante (por exemplo, GDC® da

Firma FederalMogul).

Camadas de ajuste aplicadas sobre camadas protetoras de desgaste CKS® baseiam-se, por exemplo, em molibdénio, que é aplicado por meio de pulverização a chama de arame sobre a camada protetora de desgaste. A camada protetora de desgaste deve então ser previamente ativada por um processo de jato.

Além disso, sobre uma camada protetora de desgaste CKS® por pulverização térmica é aplicada uma camada de uma liga de AlCuFe. Para tanto, contudo, inicialmente, sobre a camada protetora de desgaste CKS® deve ser aplicada uma camada intermediária galvânica.

As propriedades de ajuste e desgaste de anéis de segmento conhecidos com uma camada protetora de desgaste à base de cromo e uma camada de ajuste precisam, todavia, ainda de melhoria.

Anéis de segmento são conhecidos dos documentos n° WO98/19084 A, US-4592964-A e US-4612256-A. A presente invenção tem por objeto disponibilizar um anel de segmento com melhor comportamento de ajuste e desgaste, bem como disponibilizar um processo para a sua produção.

Segundo uma primeira forma de realização da invenção é disponibilizado um anel de segmento que compreende: um corpo de anel; uma camada promotora de aderência de uma liga de Ni aplicada sobre a área de curso do corpo de anel por pulverização térmica; uma camada protetora de desgaste de uma liga de Mo com CrC, WC ou MoC aplicada sobre a camada promotora de aderência por pulverização térmica; e uma camada de ajuste de uma liga de AI Cu ou liga de grafite Ni aplicada sobre a camada protetora de desgaste por pulverização térmica. 0 anel de segmento de acordo com a invenção disponibiliza, pelo emprego das três camadas funcionais distintas, uma combinação nova e vantajosa de resistência ao desgaste (pela camada protetora de desgaste) , propriedades de ajuste favoráveis (pela camada de ajuste), bem como uma alta aderência/coesão (pela camada promotora de aderência) . A camada de ajuste não precisa de ser posteriormente usinada, mas mantém a sua forma definitiva pelo desgaste que ocorre na fase de ajuste. A camada protetora de desgaste impede o desgaste exagerado sob condições operacionais extremas do motor. A camada promotora de aderência encarrega-se de uma retenção ideal das camadas sobre o suporte ou corpo de anel.

De preferência, a camada promotora de aderência, a camada protetora de desgaste e a camada de ajuste são aplicadas em forma de superpulverização.

De preferência, o corpo de anel apresenta fendas de descarga de gás, que apresentam nas suas arestas uma chanfradura.

De preferência, a chanfradura apresenta um ângulo de 3 0 ° a 70 °. Além disso, a chanfradura apresenta uma largura de 0,5 a 2,0 mm.

Segundo um outro aspeto da invenção, é disponibilizado um processo para produção de um anel de segmento, segundo a primeira forma de realização da invenção, que compreende: disponibilização de um corpo de anel; pulverização térmica de uma camada promotora de aderência de uma liga de Ni sobre a área de curso do corpo de anel: pulverização térmica de uma camada protetora de desgaste de uma liga de Mo com CrC, WC ou MoC sobre a camada promotora de aderência; e pulverização térmica de uma camada de ajuste de uma liga de AlCu ou liga de grafite de Ni sobre a camada protetora de desgaste.

De preferência, a camada promotora de aderência, a camada protetora de desgaste e a camada de ajuste são aplicadas em forma super-pulverizada.

De preferência, a pulverização térmica inclui os seguintes processos de revestimento: um processo de revestimento a arco voltaico; um processo de revestimento a chama; pulverização a plasma atmosférica, APS; e pulverização a chama de alta velocidade, HOVF.

De preferência, o processo compreende ainda:

Provisão do flanco do corpo de anel com uma chanfradura nas suas arestas, antes da pulverização da camada promotora de aderência.

Quando o corpo de anel apresenta fendas de descarga de gás, o processo compreende ainda:

Provisão das fendas de descarga de gás com uma chanfradura nas suas arestas, antes da pulverização da camada promotora de aderência.

De preferência, a chanfradura apresenta um ângulo de 30 ° a 70 °. Ademais, de preferência, a chanfradura apresenta uma largura de 0,5 a 2,0 mm. A Figura 1 mostra a etapa da fresagem do anel de segmento; A Figura 2 mostra esquematicamente o ângulo e a largura da chanfradura; A Figura 3 mostra a etapa da pulverização da camada promotora de aderência; e A Figura 4 mostra o anel de segmento completamente revestimento segundo a invenção.

Revestimentos sobre as áreas de curso de anéis de segmento, além de uma aderência boa e resistente a temperatura (adesão) ao suporte e uma ligação boa e resistente a temperatura dentro da camada (coesão), devem também ser resistentes a desgaste na área de superfície em contacto com a parede de cilindro. Além disso, o seu desgaste próprio na fase de ajuste deve bastar para uma suficiente adaptação à contra-área. Além disso, essas camadas devem ter uma alta resistência à rutura e, mesmo após longos tempos de curso, não apresentar nenhum comportamento de fadiga ou desunião pequeno. A presente invenção tem, por conseguinte, o objeto de prover as áreas de curso de anéis de segmento com camadas resistentes a desgaste aplicadas por um processo de pulverização a chama, que podem suportar extremas solicitações, mas exibem então um bom comportamento de ajuste. 0 processo da produção das camadas deve ser tão simples e económico em custos quanto possível, e sobretudo deve possibilitar produzir revestimentos resistentes a desgaste com propriedades ajustadas ao respetivo caso de aplicação.

De acordo com a invenção, esse objeto é alcançado numa primeira forma de realização por um revestimento, que consista em pelo menos três camadas de pulverização distintas sobrepostas: uma camada promotora de aderência, uma camada protetora de desgaste situada acima daquela, e uma camada de ajuste exterior. Mediante correspondente chanf radura de arestas em flanco de anel e fendas de descarga de gás antes do revestimento, podem ser ainda melhoradas a aderência e a coesão.

Na Figura 1 está mostrado, numa vista em corte transversal, como o anel de segmento é chanfrado. No lado de área de curso (na figura, à esquerda), segundo a invenção, antes do revestimento, as arestas do anel de segmento 2 podem ser providas de uma chanfradura 10. O ângulo α da chanfradura 10 pode, conforme a invenção, situar-se entre 30 ° e 70 °, sendo que na Figura 2 está mostrado, a título de exemplo, um ângulo de 45°. Além disso, a chanfradura 10, segundo diversas formas de realização da invenção, pode apresentar uma largura d de 0,5 a 2 mm. A chanfradura de arestas é uma etapa opcional aquando da produção do anel de segmento ou a chanfradura é uma característica opcional no anel de segmento pronto segundo a invenção. A chanfradura pode ser executada com qualquer processo conhecido apropriado. A Figura 3 mostra, numa vista de corte transversal, a etapa da aplicação da primeira camada do revestimento. Sobre o corpo de anel 2 é aplicada uma camada promotora de aderência. Isso ocorre segundo a invenção por meio de um processo de pulverização térmico, inclusive pulverização a chama de alta velocidade ("High Velocity Oxy-Fuel", HVOF), pulverização a plasma atmosférica (APS), processo de revestimento por chama ou arco voltaico. A título de exemplo, isso é representado por uma instalação HVOF 12. A camada promotora de aderência 4 é uma liga de níquel.

Noutras etapas (não mostradas nas figuras), são então aplicadas uma camada protetora de desgaste, bem como uma camada de ajuste, acima da camada promotora de aderência. Isso pode ocorrer, assim como a aplicação da camada promotora de aderência, por um processo de pulverização térmico anteriormente mencionado, podendo ser empregues também diversos processos para camadas respetivamente distintas. 0 design de camada é FF, isto é super- pulverizado. A camada protetora de desgaste é, conforme a primeira forma de realização da invenção, uma liga de molibdénio com carboneto de cromo CrC, carboneto de volfrâmio WC ou carboneto de molibdénio MoC. A camada de ajuste por último aplicada não é pós-usinada na sua superfície, mas conserva a sua forma definitiva durante a fase de ajuste do motor por abrasão.

Na Figura 4, o anel de segmento segundo a primeira forma de realização da invenção está representado numa vista em corte transversal, que compreende o corpo de anel 2, a camada promotora de aderência 4, a camada protetora de desgaste 6 e a camada de ajuste 8.

REFERÊNCIAS CITADAS NA DESCRIÇÃO

Esta lista de referências citadas pelo requerente serve apenas para a conveniência do leitor. Não faz parte o documento de patente europeia. Embora tenha sido aplicado um cuidado extremo ao compilar as referências, não foi possível excluir erros ou omissões e ο IEP exime qualquer responsabilidade a este respeito.

Documentos de patente citados na descrição • DE 19931829 AI [0005] • WO 9819084 A [00093 • US 4592964 A [0009] • US 4612256 A [0009]

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Anel de segmento que compreende: - um corpo de anel (2); - uma camada promotora de aderência (4) de uma liga de Ni aplicada sobre a área de curso do corpo de anel (2) por pulverização térmica; - uma camada protetora de desgaste (6) de uma liga de Mo com carboneto de cromo, carboneto de volfrâmio ou carboneto de molibdénio aplicada sobre a camada promotora de aderência (4) por pulverização térmica; e - uma camada de ajuste (8) de uma liga de AlCu ou liga de grafite Ni aplicada sobre a camada protetora de desgaste (6) por pulverização térmica.
2. Anel de segmento, de acordo com a reivindicação 1, em que a camada protetora de desgaste compreende uma liga Mo com carboneto de cromo.
3. Anel de segmento, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, em que a camada de ajuste compreende uma liga de AICu.
4. Anel de segmento, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, em que a camada promotora de aderência (4), a camada protetora de desgaste (6) e a camada de ajuste (8) são aplicadas em forma de superpulverização.
5. Anel de segmento, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, em que o flanco do corpo de anel apresenta nas suas arestas uma chanfradura, sendo que a chanfradura apresenta de preferência um ângulo de 30° a 70 ° e/ou uma largura de 0,5 a 2,0 mm.
6. Anel de segmento, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, em que o corpo de anel apresenta fendas de descarga de gás, que apresentam nas suas arestas uma chanfradura, sendo que a chanfradura apresenta, de preferência, um ângulo de 30° a 70 ° e/ou uma largura de 0,5 a 2,0 mm.
7. Anel de segmento, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, em que o anel de segmento é um anel de segmento grande.
8. Processo para produção de um anel de segmento que compreende: - disponibilização de um corpo de anel; - pulverização térmica de uma camada promotora de aderência de uma liga de Ni sobre a área de curso do corpo de anel; - pulverização térmica de uma camada protetora de desgaste de uma liga de Mo com carboneto de cromo, carboneto de volfrâmio ou carboneto de molibdénio sobre a camada promotora de aderência, e - pulverização térmica de uma camada de ajuste de uma liga de AI Cu ou liga de grafite de Ni sobre a camada protetora de desgaste.
9. Processo, de acordo com a reivindicação 8, em que a camada protetora de desgaste compreende uma liga de Mo com carboneto de cromo.
10. Processo, de acordo com a reivindicação 8 ou 9, em que a camada de ajuste compreende uma liga de AlCu.
11. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 10, em que a camada promotora de aderência, a camada protetora de desgaste e a camada de ajuste são aplicadas em forma super-pulverizada.
12. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 11, em que a pulverização térmica inclui: um processo de revestimento de arame de arco voltaico; - um processo de revestimento de chama de arame; - pulverização a plasma atmosférica, APS; e - pulverização a chama de alta velocidade, HOVF.
13. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 12, que compreende ainda: provisão do flanco do corpo de anel com uma chanfradura nas suas arestas antes da pulverização da camada promotora de aderência, sendo que a chanfradura apresenta um ângulo de 30 ° a 70 ° e/ou uma largura de 0,5 a 2,0 mm.
14. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 13, que compreende ainda: - provisão das fendas de descarga de gás com uma chanfradura nas suas arestas antes da pulverização da camada promotora de aderência, sendo que a chanfradura apresenta um ângulo de 30 °a 70° e/ou uma largura de 0,5 a 2,0 mm.