A presente invenção refere-se a um processo de fabricação de um membro metálico de um sistema móvel de um motor à combustão (sobretudo, um anel de pistão) e um membro metálico submetido a tal processo de fabricação.

Tal processo de fabricação é configurado para alterar as pro- priedades físico-químicas do material que constitui dito membro metálico, propiciando um componente dotado de maior eficiência em termos de funcionamento e maior longevidade em termos de uso.

Descrição do Estado da Técnica

Em um motor à combustão interna (seja ele do tipo ciclo Diesel, ciclo Otto, de dois ou quatro tempos) o anel de pistão é a peça que cumpre a função de vedar o espaço entre a camisa e o êmbolo do pistão, isolando a câmara de combustão dos demais componentes internos do motor.

O anel de pistão se dispõe radialmente na base do cilindro, impedindo que os gases da combustão escapem para fora da câmara de com- bustão em direção ao cárter e evitando que o óleo do motor penetre a câmara de combustão em um caminho inverso. Pode haver mais de um anel de pistão circundando um único embolo, sendo bastante comum o uso de dois ou três anéis paralelamente dispostos na base do êmbolo.

Para cumprir com eficiência este papel, o anel de pistão deve ter um acabamento externo minuciosamente liso e deve ser constituído de um material de dureza relativamente alta. Isto porque, conforme constatação experimental, quanto maior a dureza da superfície externa do anel - sobretudo, a superfície que entra em contato com face interna da camisa - maior a sua eficiência em termos de vedação.

No intuito de manter liso o acabamento externo do anel e de lhe atribuir maior dureza, os anéis de pistão (constituídos normalmente de aço- carbono) são submetidos a um ou mais tratamentos superficiais, tais como: PVD - Physical Vapor Deposition;

CVD - Chemical Vapor Deposition;

Nitretação;

(Entre outros)

Regra geral, estes tratamentos promovem um grau de dureza maior em determinada superfície metálica através da inserção de elementos externos em meio à estrutura crista lográfica do metal. Estes elementos externos podem ser, por exemplo, o átomo de Nitrogénio ou Carbono.

Nota-se que, tais processos de acabamento não interferem na dureza interna do metal, isto é, a dureza nas camadas mais internas de uma peça metálica. Estes tratamentos superficiais são capazes de modificar apenas a camada mais externa de uma peça, formando uma película de espessura micrométrica, supersaturada de elementos externos, em meio à estrutura cristalográfica original do metal (doravante, película de revestimento).

Contudo, apesar de aumentarem o grau de dureza de uma determinada superfície metálica, estes tratamentos superficiais, per se, não são capazes de promover a criação de um anel de pistão altamente eficiente e durável. Isto porque, depois de realizados estes tratamentos, os anéis se tornam bastante frágeis, sobretudo nos pontos de intersecção entre a cama- da externa (isto é, a película de revestimento) e o núcleo da peça metálica.

Esta fragilidade se deve, sobretudo, à heterogeneidade que se estabelece entre estas duas camadas de material. Como estas duas camadas apresentam materiais diferentes (uma possui maior concentração de elementos externos que a outra) elas também revelam propriedades físicas diferentes, tais como: coeficiente de dilatação, resistência, taxa de compressão, etc.

É neste ponto que reside um grande problema dos anéis de pistão do estado da técnica. A linha que divide as duas camadas, definida pelo contraste entre a camada mais externa e a camada mais interna do metal, pode facilmente dar origem a uma trinca. Esta trinca pode se propagar pela peça, acarretando no escamamento/destacamento do metal e, consequentemente, na total perda da camada externa do anel de pistão. Ao perder sua camada mais externa, o anel de pistão diminui abruptamente a sua longevidade e eficiência, permitindo uma indesejável troca de fluidos entre a câmara de combustão e a região mais interna do bloco do motor e aumentando a suscetibilidade ao desgaste da face externa do anel. Portanto, faz-se necessária uma solução a este problema. Uma solução que vise aumentar a longevidade e eficiência de um anel de pistão, através de um tratamento físico ou químico à estrutura cristalográfica de um anel de pistão já endurecido.

Objetivos da Invenção

A presente invenção tem por objetivo a concepção de um anel de pistão durável e eficiente em termos de vedação.

A presente invenção tem por objetivo também a criação de um processo de fabricação de um anel de pistão durável e eficiente em termos de vedação.

A presente invenção tem por objetivo também a criação de um membro metálico de um sistema móvel de um motor à combustão interna, que revele eficiência e durabilidade em termos de uso.

Por fim, a presente invenção também tem por objetivo a concepção de um método de fabricação de um membro metálico de um sistema móvel de um motor à combustão, tal como revelado acima.

Breve Descrição da Invenção

Os objetivos da presente invenção são alcançados por um membro metálico de um sistema móvel de um motor à combustão interna que foi submetido a um tratamento superficial de endurecimento por infiltra- ção de um elemento externo em meio à estrutura cristalográfica do metal pelo processo laser a pelo menos uma porção de sua superfície externa.

Os objetivos da presente invenção são alcançados também por um processo de fabricação de um membro metálico de um sistema móvel de um motor à combustão interna, que consiste em uma única etapa que com- preende duas operações de ocorrência simultânea, sendo elas: a realização de um tratamento superficial de endurecimento por infiltração de um elemento externo em meio à estrutura cristalográfica do metal; e a formação de uma zona de difusão entre o substrato original do metal e sua zona saturada através da aplicação de um laser sobre sua superfície externa.

Breve Descrição dos Desenhos

A presente invenção será, a seguir, mais detalhadamente descri- ta com base em um exemplo de execução representado nos desenhos. As figuras mostram:

Figura 1 - é uma vista de uma secção transversal de uma primeira amostra de um anel de pistão que foi submetido ao processo de tratamento da presente invenção.

Figura 2 - é uma vista de uma secção transversal de uma segunda amostra de um anel de pistão que foi submetido ao processo de tratamento da presente invenção.

Figura 3 - é um gráfico que revela o índice de resistência ao es- camamento do material de um anel de pistão da presente invenção, em comparação a um anel de pistão do estado da técnica.

Figura 4 - é um gráfico que revela a variação da dureza do material que compõe o anel de pistão, conforme analisado de sua camada mais externa em direção a seu núcleo.

Descrição Detalhada das Figuras

O princípio básico do processo de fabricação do anel de pistão 1 da presente invenção consiste na aplicação de um laser de alta intensidade sobre a face radial externa do anel de pistão 1.

Quando aplicado sob condições correias, o laser faz com que o elemento externo que se encontra saturado na camada radial mais externa do anel seja difundido nas camadas mais internas deste material, criando assim um gradiente da concentração do elemento externo ao longo das sucessivas camadas de material que constituem este anel.

As figuras 1 e 2 deste relatório revelam micrografias de duas amostras de anéis de pistão que foram submetidas ao tratamento a laser da presente invenção.

Através destas duas fotografias é possível perceber: uma faixa mais externa, que corresponde à secção transversal de uma folha de papel alumínio 3 (utilizada apenas para permitir a diferenciação do baquelite - região superior preta - do início do revestimento); uma "zona saturada 4", ou película de revestimento; um "substrato 2" que corresponde ao metal constituinte do anel de pistão 1 em sua forma original (geralmente aço-carbono); e uma "zona de difusão 5" que corresponde a um material híbrido entre o substrato 2 e a zona saturada 4.

Esta zona de difusão 5 pode ser definida como uma camada intermediária entre a zona saturada 4 e o substrato 2, que é formada após o processo de aplicação do laser sob a face radial externa do anel de pistão 1.

Nota-se que, ao promover uma cladeamento/formação da liga entre os materiais do substrato 2 e da película de revestimento, o laser desfaz os pontos críticos, suscetíveis a trincas e rupturas, originalmente existentes entre a película de revestimento e o núcleo do anel de pistão .

A zona de difusão 5 cria uma transição gradual entre as proprie- dades físicas da película de revestimento e o substrato 2 (ou núcleo) do material. É neste ponto que reside a principal qualidade atribuída pela aplicação do laser ao anel de pistão 1.

Um experimento realizado com uma amostra de um anel de pistão 1 revelou que, partindo da superfície radial mais externa do anel até 100 mícrons de profundidade (penetrando em direção ao centro radial deste anel) a dureza de seu material é gradualmente diminuída, conforme revelado no gráfico da figura 4 deste relatório.

Uma característica secundária, decorrente da aplicação do laser sobre o anel de pistão 1 , além da criação de uma zona de difusão 5, é o refi- namento dos grãos de sua estrutura metálica em sua superfície radial externa.

Na face radial externa do anel de pistão , a face mais afetada pela aplicação do laser, ocorre uma fusão temporária do metal. Esta fusão, por ocorrer apenas em uma faixa de espessura micrométrica da face externa do anel, é rapidamente arrefecida pelo restante do anel de pistão 1 (que se encontra em temperatura ambiente). Este aquecimento seguido por um rápido arrefecimento é o que provoca a diminuição dos grãos da estrutura metálica, fenómeno conhecido como refinamento de grão. Ao diminuir o tamanho dos grãos da estrutura metálica, o laser faz com que aumente ainda mais a resistência a fraturas do anel. Isto se deve ao fato de que, toda estrutura metálica que tem seu tamanho de grão reduzido, amplia o seu limite de deformação elástica evitando assim ocor- rências indesejadas como escamamento/destacamento da superfície do material.

Findo o processo de aplicação do laser, é comum as amostras dos anéis de pistão revelarem um índice de resistência ao escamamento (scuffing index) muito mais elevado que aquele apresentado pelos anéis convencionais do estado da técnica, conforme revela o gráfico da figura 3 deste relatório.

O laser deve ser aplicado a uma velocidade e intensidade tal que permita a fusão da camada externa do anel, mas não provoque a evaporação deste elemento. Cumpre notar que, quanto menor a velocidade de aplicação do laser, maior o grau de difusão do elemento externo e consequentemente mais diluído, isto é, menos saturado será o material da película de revestimento. De modo preferencial, a velocidade e intensidade de aplicação do laser devem ser suficientes para formar uma zona de difusão 5 com aproximadamente 80 m (sendo qualquer valor entre 30 e 150 mícrons considerado um valor razoável).

Contudo, a intensidade do laser e a sua velocidade de aplicação não são os únicos fatores que afetam o resultado de sua aplicação sobre a face externa do anel. Além da velocidade e intensidade do laser, outros fatores que afetam a eficiência deste tratamento são: o ângulo de incidência do laser; o ambiente gasoso da sala de operação do laser; e a espessura da película de revestimento.

De modo preferencial, os parâmetros mais indicados à aplicação deste laser estão indicados na tabela a seguir: Parâmetros preferenciais d e aplicação:

ângulo de incidência do entre 45° e 90°

laser:

velocidade de aplicação entre 2 e 20 mm/s

do laser:

potência do laser: entre 2 e 8 KW

desfocagem: entre 8 e 300 mm

modelo do aparelho e- C02 ou Nd: YAG ou díomissor de laser: do HDPL ou fibra

Voltado ao processo de tratamento superficial inicial ao qual é submetido o anel de pistão 1 , sabe-se que este processo de tratamento a laser é capaz de promover bons resultados a anéis metálicos cuja película de revestimento é saturada com cobalto, níquel, cromo, boro, nitrogénio, carbono ou uma combinação entre os mesmos. Estes elementos podem ser obtidos através de carburetos, sulfuretos ou nitretos, só para citar algumas formas de insumos industriais aplicáveis.

De qualquer forma, é de se notar que, o processo de aplicação do laser da presente invenção não se encontra restrito apenas aos anéis endurecidos pela infiltração destes elementos externos, sendo outras formas de aplicação possíveis, desde que incluam o conceito de difusão definido neste relatório.

Quanto aos materiais que preferencialmente (não obrigatoria- mente) devem constituir o substrato 2 do anel de pistão 1 , estão os metais, ou ligas metálicas, majoritariamente constituídos de ferro ou alumínio.

Em sua configuração preferencial, o processo de endurecimento da camada externa do anel de pistão 1 e a aplicação do laser constituem uma única etapa. Em outras palavras, a inserção do elemento externo em meio à estrutura cristalográfica do metal ocorre simultaneamente à aplicação do laser o que dois seguintes fenómenos ocorram simultaneamente: o endurecimento da face externa do anel e a criação de um gradiente (isto é, uma zona de difusão 5). Tal operação pode ser realizada, por exemplo, através da pulverização de um particulado que contém o elemento externo sobre o metal incandescente aquecido durante a aplicação do laser.

Nota-se que, através dos processos e métodos de fabricação revelados acima, a presente invenção consegue solucionar todos os problemas aos quais se propõe resolver, quais sejam: os problemas relacionados à baixa eficiência de vedação e à baixa longevidade do anel de pistão 1 do estado da técnica.

A presente invenção revela ainda uma vantagem secundária, devido a um benefício ecológico que ela traz em uma de suas possíveis formas de concretização. Isto porque, no processo de inserção do elemento carbono em meio à estrutura crista lográfica do metal é possível a utilização de um material denominado negro de fumo.

O negro de fumo é um subproduto da pirólise (queima controla- da) de pneus automotivos. Sua utilização em um processo industrial como este da presente invenção é bastante benéfica ao meio ambiente, pois ao "aprisionar" átomos de carbono em meio à estrutura crista lográfica de um metal, a presente invenção impede que estes átomos eventualmente sejam decompostos em dióxido ou monóxido de carbono, que constituem poluen- tes atmosféricos bastante maléficos ao meio ambiente.

Por fim, é válido ressaltar que, apesar deste relatório até este ponto fazer referência apenas ao anel de pistão , é evidente que o método de fabricação descrito nestas folhas também pode ser aplicado a qualquer outro componente de um motor à combustão interna.

Dentre outros possíveis componentes que podem fazer uso deste processo de fabricação estão, por exemplo: a camisa do pistão, as válvulas de admissão e exaustão, o pino do êmbolo e a sua cavidade de alojamento, a biela, as diversas partes do virabrequim, entre outras peças. Nota- se que, qualquer peça que se mova ou esteja em contato com uma peça que move internamente a um motor à combustão pode receber o tratamento descrito neste relatório.

Deste modo, uma camisa de pistão pode receber um tratamento superficial em toda a sua face interna (a face que irá contatar o anel de pistão 1 durante o funcionamento do motor) e ser submetida a uma aplicação de laser, a fim de provocar os mesmos efeitos já descritos neste relatório, nomeadamente, a criação de uma zona de difusão 5 entre a película de re- vestimento e o núcleo do material e o refinamento de grão em proximidade a esta película de revestimento.

Assim, cabe deixar registrado que a presente invenção, de um modo geral, protege membros metálicos de um sistema móvel de um motor à combustão interna bem como os métodos de fabricação de tais membros metálicos. Entre estes membros metálicos de um sistema móvel, mais uma vez, cabe citar, por exemplo, a camisa do pistão e o anel de pistão 1 , além de outros componentes de um motor à combustão que possam se beneficiar do processo de fabricação proposto neste relatório.

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