Os desenvolvimentos de novos motores têm resultado no aumento constante dos carregamentos mecânicos e térmicos dos componentes. Além de estarem expostos a condições desfavoráveis ao desgaste, os novos componentes do motor devem garantir desempenho similar, ou muitas vezes superior, aos dos componentes atuais. Para os anéis de pistão, o desempenho é dado pela sua capacidade de vedação e raspagem, que podem ser mensurados em motor pelos resultados de consumo de óleo lubrificante (COL) e fluxo de gases para o cárter (blow-by). Sendo assim, a proposta desse trabalho foi a de avaliar-se a influência do tratamento superficial a laser para endurecimento da pista de desgaste do anel de pistão de segundo canalete, em termos do desempenho de vedação e raspagem. Foram comparados dois protótipos, utilizando como padrão um anel de pistão de produção corrente, comercialmente fornecido a clientes. O efeito do tratamento térmico a laser nos anéis foi avaliado em relação a distorções dimensionais. Após isto, foram realizados testes tribológicos de bancada com o objetivo de conhecer o comportamento do anel depois do tratamento laser. De maneira geral o tratamento superficial por laser na superfície de anéis de pistão mostraram resultados significativos no aspecto aumento de dureza, com alguns deméritos no aspecto dimensional que pode interferir na boa funcionalidade do sistema tribológico anel lubrificante cilindro. / The new engine developments are providing engine mechanical and thermal loads increase on the components. Besides the unfavorable wear conditions, the components should provide similar or improved performance compared with current baselines. For piston rings, the performance is given by the ring capacity of sealing and scrapping. These performances can be measured in a engine by the results of lube oil consumption (LOC) and Blow-by. So, the proposal of this work is to evaluate the influence of laser hardening on the second ring wear and verify the sealing and scrapping performance. It was compared two prototypes, being as parameter the current piston ring supplied to customer. Firstly, it was compared the dimensional of the laser hardening effect. After that, it were tested these prototypes in bench tests in order to know the ring performance after laser hardening. In general terms, the superficial treatment by laser on the piston rings surface have showed significant results in the hardness aspects, with some demerits in the dimensional aspect that can interfere in the good functionality of the tribological system, piston rings lubricant cylinder liner.

Os desenvolvimentos de novos motores têm resultado no aumento constante dos carregamentos mecânicos e térmicos dos componentes. Além de estarem expostos a condições desfavoráveis ao desgaste, os novos componentes do motor devem garantir desempenho similar, ou muitas vezes superior, aos dos componentes atuais. Para os anéis de pistão, o desempenho é dado pela sua capacidade de vedação e raspagem, que podem ser mensurados em motor pelos resultados de consumo de óleo lubrificante (COL) e fluxo de gases para o cárter (blow-by). Sendo assim, a proposta desse trabalho foi a de avaliar-se a influência do tratamento superficial a laser para endurecimento da pista de desgaste do anel de pistão de segundo canalete, em termos do desempenho de vedação e raspagem. Foram comparados dois protótipos, utilizando como padrão um anel de pistão de produção corrente, comercialmente fornecido a clientes. O efeito do tratamento térmico a laser nos anéis foi avaliado em relação a distorções dimensionais. Após isto, foram realizados testes tribológicos de bancada com o objetivo de conhecer o comportamento do anel depois do tratamento laser. De maneira geral o tratamento superficial por laser na superfície de anéis de pistão mostraram resultados significativos no aspecto aumento de dureza, com alguns deméritos no aspecto dimensional que pode interferir na boa funcionalidade do sistema tribológico anel lubrificante cilindro. / The new engine developments are providing engine mechanical and thermal loads increase on the components. Besides the unfavorable wear conditions, the components should provide similar or improved performance compared with current baselines. For piston rings, the performance is given by the ring capacity of sealing and scrapping. These performances can be measured in a engine by the results of lube oil consumption (LOC) and Blow-by. So, the proposal of this work is to evaluate the influence of laser hardening on the second ring wear and verify the sealing and scrapping performance. It was compared two prototypes, being as parameter the current piston ring supplied to customer. Firstly, it was compared the dimensional of the laser hardening effect. After that, it were tested these prototypes in bench tests in order to know the ring performance after laser hardening. In general terms, the superficial treatment by laser on the piston rings surface have showed significant results in the hardness aspects, with some demerits in the dimensional aspect that can interfere in the good functionality of the tribological system, piston rings lubricant cylinder liner.

Made available in DSpace on 2016-03-15T19:36:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Eduardo Nocera.pdf: 12755331 bytes, checksum: 08a19b90827b2e4f2954b2f799e3d18d (MD5) Previous issue date: 2013-09-19 / MAHLE / Piston rings are metal parts which, when installed on the pistons in the cylinders of the engine, become circular with variable pressure and self-expansive, providing a movable seal between the combustion chamber and the crankcase. These components are subjected to intense functional demand, being asked to submit a low wear rate and maintain their structural and functional integrity under high temperatures and pressures. Due to these requirements, the technique is known of providing up-to-face contact with coatings or surface treatments to improve wear. Currently the majority of applications in the compression rings are martensitic stainless steels. These rings have their tribological properties improved by gas nitriding treatment which gives the steel surface intermediate properties between metallic and ceramic materials with high resistance to adhesive wear, as well as to wear by abrasion. This technology has been applied since the 90s with great success and high market penetration. With demand growing for reducing emissions was introduced in the market the Otto cycle engines with bifuel, better known as Flex engines. The principle of operation of these engines is the use of gasoline and ethanol at any mixing. The compression ratio of the piston is optimized for gasoline and not optimized for ethanol, since the latter does not have limitations to the phenomenon of detonation and this fact makes it occurs more Ethanol injection into the combustion chamber providing an improper fuel does not wash burnt in the cylinder wall. The result was the creation of a different tribological system in the area of operation of the rings where the nitrided layer began to suffer a detachment. This study aimed to find a solution for this detachment, where the nitride layer was changed. The modification consisted in decreasing the precipitation of carbides in the grain boundaries through migration carbon more to the core of the ring making it more robust to cracks and less susceptible to hydrogen embrittlement. Was created two nitriding stages, one richer in nitrogen which provides the wear resistance required for applying and the second stage causes the carbon to become more concentrated in the core hindering the generation of cracks and, consequently, the detachment. There was a decrease in the hardness of the nitrided layer without deteriorating the wear resistance, creating a unique solution and extending the life of this technology. / Os Anéis de Pistão são peças de metal que, quando instaladas nos pistões dentro dos cilindros dos motores, tornam-se circulares com pressão variável e auto-expansivas, proporcionando uma vedação móvel entre a câmara de combustão e o carter do motor. Estes componentes são submetidos à intensa demanda funcional, sendo solicitados a apresentarem uma baixa taxa de desgaste e a manterem sua integridade estrutural e funcional sob temperaturas e pressões elevadas. Em função destas exigências, é conhecida a técnica de prover-se a face de contato com o cilindro destes componentes revestimentos ou tratamentos de superfície para melhorar a resistência ao desgaste. Atualmente grande parte das aplicações nos anéis de compressão são em aços inoxidáveis martensíticos. Estes anéis têm suas propriedades tribológicas melhoradas pelo tratamento de nitretação gasosa o qual confere ao aço propriedades superficiais intermediárias entre os materiais metálicos e cerâmicos, com alta resistência ao desgaste adesivo, assim como ao desgaste por abrasão. Esta tecnologia vem sendo aplicada desde os anos 90 com absoluto sucesso e alta penetração de mercado. Com a demanda por redução de emissões crescendo foi introduzido no mercado os motores de ciclo Otto bicombustíveis, mais conhecidos como motores flex. O princípio de funcionamento destes motores é a utilização de gasolina e etanol em qualquer mistura. A taxa de compressão do Pistão é otimizada para gasolina e não otimizada para o Etanol, pois este último não possui limitações para o fenômeno de detonação e este fato faz com que ocorra mais injeção de Etanol na câmara de combustão proporcionando uma indevida lavagem de combustível não queimado na parede do cilindro. A consequência foi a criação de um tribo sistema diferente na região de funcionamento dos Anéis onde a camada nitretada começou a sofrer um destacamento. Este trabalho visou buscar uma solução para este destacamento, onde a camada nitretada foi alterada. A alteração consistiu em diminuir a precipitação de carbonetos nas fronteiras dos grãos através da migração do carbono para o núcleo do anel deixando-o mais robusto à nucleação de trincas e menos susceptível a fragilização por hidrogênio. Foram criados dois estágios de nitretação, sendo o primeiro estágio mais rico em nitrogênio o qual confere ao anel a resistência ao desgaste necessária para a aplicação, e o segundo estágio faz com que o carbono fique mais concentrado no núcleo. O problema de destacamento foi resolvido onde houve uma diminuição na dureza da camada nitretada sem a deterioração da resistência ao desgaste do anel, criando uma solução única e estendendo a vida desta tecnologia sem aumento de custos.

Neste trabalho, foram determinadas as propriedades de tração, fadiga convencional e fadiga por fretting, do aço DIN 1.4112 (DIN X 90 Cr Mo V 18) nitretado por plasma, usado na fabricação de anéis de pistão de motores de combustão interna. Os corpos de prova tratados a 500ºC durante 5 horas. O material nitretado não apresentou valores de alongamento e redução de área possíveis de serem medidos e, tanto o limite de escoamento como o limite de resistência à tração, tiveram valores próximos aos do material temperado e revenido. Os ensaios de fadiga convencional e fadiga por fretting foram realizados em temperatura ambiente, sob carregamento cíclico tração-tração com R=0,1 e freqüência de 30 Hz. O fretting foi conseguido pressionando blocos de contato, feitos a partir de um ferro fundido cinzento, contra o corpo de prova de fadiga, com uma força normal de 100 N. Com o levantamento das curvas S-N para os dois ensaios, foi obtido o fator de redução de resistência FRR=1,62, que o fenômeno de fretting causa na fadiga convencional. Nos ensaios de fadiga por fretting, o pico da força de atrito aumentou com a tensão axial cíclica aplicada, atingindo um valor mínimo de 28 N e no máximo de 76 N. A camada nitretada apresentou microdureza máxima 1288 HV100 e espessura da camada de 91 &#956m. A metalografia revelou na camada nitretada, uma camada de compostos, a zona de difusão e uma zona de transição para o subtrato bem definidas. Foram encontrados nitretos dos tipos &#949 (Fe2-3N) e &#947\'(Fe4N) na superfície da camada nitretada. A análise fratográfica, revelou, em tração, o trincamento da superfície devido à baixa tenacidade da camada nitretada, além da programação de trincas por fadiga abaixo da camada nitretada, nos ensaios de fadiga convencional. Os ensaios de fadiga por fretting produziram acumulação de detritos e a formação de trincas secundárias na área ) na área de contato de fretting. / In the present work, the fretting and plain fatigue properties of plasma nitrided martensitic stainless steel, DIN 1.4112 (DIN X 90 Cr Mo V 18), used in piston rings, were investigated. Both fretting and plain fatigue specimens were treated at 500°C for 5 h. The fretting pads were made of gray cast iron. Both fretting and plain fatigue tests were carried out under a load-controlled condition under stress rate, R=0.1 and frequency of 30 Hz. The S-N curves generated with and without fretting showed the strength reduction factor SRF=1.62 when fretting was applied. In the fretting fatigue, frictional force increased with axial cyclic stress and reached a minimum value of 28 N and maximum value of 60 N. Microhardness measurements have shown that the nitrided case presented a maximum hardness of 1288 HV100 and thickness of 91 &#956m. X-ray diffraction techniques indicated that the compound layer consists of &#949 (Fe2-3N) and &#947\' (Fe4N) phases. Fractographic observations showed superficial cracking in tensile specimens due to the low toughness of the nitrided case and fatigue crack growth below this layer in plain fatigue specimens. Fretting fatigue tests produced accumulation of debris and the formation of secondary cracks at the contact area.

Neste trabalho, foram determinadas as propriedades de tração, fadiga convencional e fadiga por fretting, do aço DIN 1.4112 (DIN X 90 Cr Mo V 18) nitretado por plasma, usado na fabricação de anéis de pistão de motores de combustão interna. Os corpos de prova tratados a 500ºC durante 5 horas. O material nitretado não apresentou valores de alongamento e redução de área possíveis de serem medidos e, tanto o limite de escoamento como o limite de resistência à tração, tiveram valores próximos aos do material temperado e revenido. Os ensaios de fadiga convencional e fadiga por fretting foram realizados em temperatura ambiente, sob carregamento cíclico tração-tração com R=0,1 e freqüência de 30 Hz. O fretting foi conseguido pressionando blocos de contato, feitos a partir de um ferro fundido cinzento, contra o corpo de prova de fadiga, com uma força normal de 100 N. Com o levantamento das curvas S-N para os dois ensaios, foi obtido o fator de redução de resistência FRR=1,62, que o fenômeno de fretting causa na fadiga convencional. Nos ensaios de fadiga por fretting, o pico da força de atrito aumentou com a tensão axial cíclica aplicada, atingindo um valor mínimo de 28 N e no máximo de 76 N. A camada nitretada apresentou microdureza máxima 1288 HV100 e espessura da camada de 91 &#956m. A metalografia revelou na camada nitretada, uma camada de compostos, a zona de difusão e uma zona de transição para o subtrato bem definidas. Foram encontrados nitretos dos tipos &#949 (Fe2-3N) e &#947\'(Fe4N) na superfície da camada nitretada. A análise fratográfica, revelou, em tração, o trincamento da superfície devido à baixa tenacidade da camada nitretada, além da programação de trincas por fadiga abaixo da camada nitretada, nos ensaios de fadiga convencional. Os ensaios de fadiga por fretting produziram acumulação de detritos e a formação de trincas secundárias na área ) na área de contato de fretting. / In the present work, the fretting and plain fatigue properties of plasma nitrided martensitic stainless steel, DIN 1.4112 (DIN X 90 Cr Mo V 18), used in piston rings, were investigated. Both fretting and plain fatigue specimens were treated at 500°C for 5 h. The fretting pads were made of gray cast iron. Both fretting and plain fatigue tests were carried out under a load-controlled condition under stress rate, R=0.1 and frequency of 30 Hz. The S-N curves generated with and without fretting showed the strength reduction factor SRF=1.62 when fretting was applied. In the fretting fatigue, frictional force increased with axial cyclic stress and reached a minimum value of 28 N and maximum value of 60 N. Microhardness measurements have shown that the nitrided case presented a maximum hardness of 1288 HV100 and thickness of 91 &#956m. X-ray diffraction techniques indicated that the compound layer consists of &#949 (Fe2-3N) and &#947\' (Fe4N) phases. Fractographic observations showed superficial cracking in tensile specimens due to the low toughness of the nitrided case and fatigue crack growth below this layer in plain fatigue specimens. Fretting fatigue tests produced accumulation of debris and the formation of secondary cracks at the contact area.

O presente estudo descreve as alterações metalúrgicas e topográficas do cilindro de blocos de motor de combustão interna fabricados em ferro fundido cinzento, após a realização de testes de durabilidade em dinamômetro. O motor testado tem tecnologia Flex-Fuel, e pode ser operado com qualquer proporção de mistura gasolina comum/etanol. Um motor foi testado com combustível etanol e o outro com gasolina comum, buscando-se assim representar duas condições extremas de trabalho em termos de combustível. A pesquisa constituiu-se da revisão bibliográfica e da parte prática que envolveu: a realização de testes de durabilidade de motor em dinamômetro; a caracterização metalúrgica e topográfica do cilindro após teste com ambos os combustíveis, utilizando técnicas de microscopia eletrônica de varredura, metalografia por microscopia óptica, perfilometria e quantificação de parâmetros de rugosidade, entre outros; a análise crítica, discussão dos resultados e apresentação da conclusão. / The present study approaches the metallurgical and topographical alterations on the cylinder of an internal combustion engine block made of gray cast iron, after durability dynamometer tests. The tested engine has flexible fuel technology (Flex-Fuel), and is capable to work with both gasoline/ethanol fuels, in any mixture proportion. One engine has been tested with ethanol and another one tested with gasoline, and so representing two extreme conditions on which the engine may work in terms of fuel. The research has been developed basically through the conceptual approach by the bibliographic review and the experimental steps that involved: general engine durability test at dynamometer bench; metallurgical and topographic characterization analysis at laboratory, after the test with both fuels, applying Scanning Electronic Microscopy SEM, optical microscopy metallography, profilometer and roughness parameters quantification, and so forth; critical analysis on the results, discussion and final conclusion.

O presente estudo descreve as alterações metalúrgicas e topográficas do cilindro de blocos de motor de combustão interna fabricados em ferro fundido cinzento, após a realização de testes de durabilidade em dinamômetro. O motor testado tem tecnologia Flex-Fuel, e pode ser operado com qualquer proporção de mistura gasolina comum/etanol. Um motor foi testado com combustível etanol e o outro com gasolina comum, buscando-se assim representar duas condições extremas de trabalho em termos de combustível. A pesquisa constituiu-se da revisão bibliográfica e da parte prática que envolveu: a realização de testes de durabilidade de motor em dinamômetro; a caracterização metalúrgica e topográfica do cilindro após teste com ambos os combustíveis, utilizando técnicas de microscopia eletrônica de varredura, metalografia por microscopia óptica, perfilometria e quantificação de parâmetros de rugosidade, entre outros; a análise crítica, discussão dos resultados e apresentação da conclusão. / The present study approaches the metallurgical and topographical alterations on the cylinder of an internal combustion engine block made of gray cast iron, after durability dynamometer tests. The tested engine has flexible fuel technology (Flex-Fuel), and is capable to work with both gasoline/ethanol fuels, in any mixture proportion. One engine has been tested with ethanol and another one tested with gasoline, and so representing two extreme conditions on which the engine may work in terms of fuel. The research has been developed basically through the conceptual approach by the bibliographic review and the experimental steps that involved: general engine durability test at dynamometer bench; metallurgical and topographic characterization analysis at laboratory, after the test with both fuels, applying Scanning Electronic Microscopy SEM, optical microscopy metallography, profilometer and roughness parameters quantification, and so forth; critical analysis on the results, discussion and final conclusion.