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.

Na maioria dos equipamentos mecânicos há movimento relativo entre componentes, e como resultado desse deslizamento relativo, as forças de atrito na superfície geram deformação plástica e/ou remoção de massa (ou volume) do material. Nos motores de combustão interna a geração da potência é realizada pela transformação da energia química em calor por meio da combustão do combustível com o ar, gerando o movimento alternativo de mecanismos (pistões, biela, virabrequim). Já no caso dos motores flex-fuel, o etanol como combustível aumenta a potência, levando a maiores carregamentos termomecânicos e, consequentemente, tribológicos nos seus componentes. Um dos sistemas do motor mais afetado pela mudança no combustível é o par válvula-sede, motivo pelo qual é necessário investigar os mecanismos de desgaste, os efeitos dos parâmetros de operação no comportamento frente ao atrito, e escolher apropriadamente pares deslizantes de materiais que apresentem baixas perdas de massa (taxas de desgaste) e coeficientes de atrito. Ensaios do tipo reciprocating tinham sido empregados para realizar estudos tribológicos de materiais de válvulas e com tratamentos superficiais. As condições de ensaio mais representativas são de operação do motor. Portanto, a seleção de parâmetros como carga, velocidade e temperatura não é fácil: para alguns equipamentos de teste, as variáveis não são independentes. Além disso, devido à complexidade do sistema tribológico, a interação entre as variáveis afeta os resultados. O objetivo deste trabalho de pesquisa foi dividido em duas frentes. A primeira, analisar isoladamente o efeito da temperatura, força normal e velocidade no coeficiente de atrito e no desgaste. O tribômetro SRV-4 do tipo reciprocating foi usado com uma esfera de aço AISI 52100 e distintos materiais de disco (aços e ligas intermetálicas sinterizadas de Nb). A segunda parte consistiu na caracterização dos mecanismos de desgaste de válvulas e sedes de motores distintos, após diferentes tipos de ensaios (dinamômetro e campo em veiculo). O coeficiente de atrito (?) e a perda de massa foram medidos para determinar o desempenho tribológico dos sistemas estudados. Além disso, as superfícies das marcas de desgaste tanto no disco quanto na esfera, assim como das válvulas e sedes foram analisadas por microscopia óptica (MO), microscopia eletrônica de varredura (MEV) com espectroscopia de energia dispersiva de raios-X (EDS) e espectroscopia Raman. Para as distintas ligas intermetálicas de Nb ensaiadas com esfera de aço AISI 52100, encontrou-se que os mecanismos de desgaste nas superfícies após uma análise de MEV-EDS foram particularmente abrasão, adesão e oxidação. Já no caso dos motores que foram avaliados, muitos dos danos observados estavam presentes em ambas as válvulas e sedes de admissão e escape; no entanto, a oxidação ocorreu apenas nas válvulas de escape, provavelmente produzido pela alta temperatura durante a operação do motor. / In most of the mechanical assemblies there is relative motion between components, and as a result of this relative sliding action, frictional forces on the sliding surface result in removal or displacement of mass (or volume) of the material. The power generation of internal combustion engines comes from chemical energy transformation into heat through air fuel combustion with further expansion of gases generating the reciprocating movement of power cell (pistons, rod and crankshaft). For flex fuel engines, the ethanol increases power, leading to higher thermo-mechanical forces and consequently higher friction between its components. The valve/valve seat pair is one of the most affected system due to this change, leading to the need of more accurate analysis of its wear mechanisms, its operating parameters effects and his behavior regarding the friction so making possible to choose properly materials with lower mass loss (wear rate) and coefficient of friction. Reciprocating tests had been used to tribological studies of valve materials with surface treatment purpose. The most important test boundary conditions are the engine operating conditions. Therefore, the load, speed and temperature parameters definition is not easy since for some test equipment those variables are not independent. Besides due to tribological system complexity the variable interaction affects its results. The present research goal was divided in two groups. The first one analyzes the normal force, frequency and temperature effect on friction coefficient and wear, independently of each other. It was used a SRV-4 reciprocating tribometer with a sphere (AISI 52100 steel) against several disc materials (steel and sintered intermetallic alloys of Nb). The second one consisted in the characterization of wear mechanisms of valve/valve seat from different engines that were submitted to different test (engine dynamometer test bench and vehicle). The coefficient of friction (?) and mass loss were measured in order to define the studied systems tribological performance. Besides the both disc and sphere wear scars such as valve/valve seat were analyzed using optical microscopy (OM), scanning electron microscopy (SEM) with energy dispersive spectroscopy of X-ray (EDS) and Raman spectroscopy. For the tested intermetallic alloys of Nb with AISI 52100 sphere it was found the following wear mechanisms after SEM-EDS analyses: abrasion, adhesion and oxidation. In the case of the evaluated engines, several damages were observed in both intake and exhaust valves/valve seats; however, the oxidation occurred only on exhaust valves, probably due to high operating temperature.

Na maioria dos equipamentos mecânicos há movimento relativo entre componentes, e como resultado desse deslizamento relativo, as forças de atrito na superfície geram deformação plástica e/ou remoção de massa (ou volume) do material. Nos motores de combustão interna a geração da potência é realizada pela transformação da energia química em calor por meio da combustão do combustível com o ar, gerando o movimento alternativo de mecanismos (pistões, biela, virabrequim). Já no caso dos motores flex-fuel, o etanol como combustível aumenta a potência, levando a maiores carregamentos termomecânicos e, consequentemente, tribológicos nos seus componentes. Um dos sistemas do motor mais afetado pela mudança no combustível é o par válvula-sede, motivo pelo qual é necessário investigar os mecanismos de desgaste, os efeitos dos parâmetros de operação no comportamento frente ao atrito, e escolher apropriadamente pares deslizantes de materiais que apresentem baixas perdas de massa (taxas de desgaste) e coeficientes de atrito. Ensaios do tipo reciprocating tinham sido empregados para realizar estudos tribológicos de materiais de válvulas e com tratamentos superficiais. As condições de ensaio mais representativas são de operação do motor. Portanto, a seleção de parâmetros como carga, velocidade e temperatura não é fácil: para alguns equipamentos de teste, as variáveis não são independentes. Além disso, devido à complexidade do sistema tribológico, a interação entre as variáveis afeta os resultados. O objetivo deste trabalho de pesquisa foi dividido em duas frentes. A primeira, analisar isoladamente o efeito da temperatura, força normal e velocidade no coeficiente de atrito e no desgaste. O tribômetro SRV-4 do tipo reciprocating foi usado com uma esfera de aço AISI 52100 e distintos materiais de disco (aços e ligas intermetálicas sinterizadas de Nb). A segunda parte consistiu na caracterização dos mecanismos de desgaste de válvulas e sedes de motores distintos, após diferentes tipos de ensaios (dinamômetro e campo em veiculo). O coeficiente de atrito (?) e a perda de massa foram medidos para determinar o desempenho tribológico dos sistemas estudados. Além disso, as superfícies das marcas de desgaste tanto no disco quanto na esfera, assim como das válvulas e sedes foram analisadas por microscopia óptica (MO), microscopia eletrônica de varredura (MEV) com espectroscopia de energia dispersiva de raios-X (EDS) e espectroscopia Raman. Para as distintas ligas intermetálicas de Nb ensaiadas com esfera de aço AISI 52100, encontrou-se que os mecanismos de desgaste nas superfícies após uma análise de MEV-EDS foram particularmente abrasão, adesão e oxidação. Já no caso dos motores que foram avaliados, muitos dos danos observados estavam presentes em ambas as válvulas e sedes de admissão e escape; no entanto, a oxidação ocorreu apenas nas válvulas de escape, provavelmente produzido pela alta temperatura durante a operação do motor. / In most of the mechanical assemblies there is relative motion between components, and as a result of this relative sliding action, frictional forces on the sliding surface result in removal or displacement of mass (or volume) of the material. The power generation of internal combustion engines comes from chemical energy transformation into heat through air fuel combustion with further expansion of gases generating the reciprocating movement of power cell (pistons, rod and crankshaft). For flex fuel engines, the ethanol increases power, leading to higher thermo-mechanical forces and consequently higher friction between its components. The valve/valve seat pair is one of the most affected system due to this change, leading to the need of more accurate analysis of its wear mechanisms, its operating parameters effects and his behavior regarding the friction so making possible to choose properly materials with lower mass loss (wear rate) and coefficient of friction. Reciprocating tests had been used to tribological studies of valve materials with surface treatment purpose. The most important test boundary conditions are the engine operating conditions. Therefore, the load, speed and temperature parameters definition is not easy since for some test equipment those variables are not independent. Besides due to tribological system complexity the variable interaction affects its results. The present research goal was divided in two groups. The first one analyzes the normal force, frequency and temperature effect on friction coefficient and wear, independently of each other. It was used a SRV-4 reciprocating tribometer with a sphere (AISI 52100 steel) against several disc materials (steel and sintered intermetallic alloys of Nb). The second one consisted in the characterization of wear mechanisms of valve/valve seat from different engines that were submitted to different test (engine dynamometer test bench and vehicle). The coefficient of friction (?) and mass loss were measured in order to define the studied systems tribological performance. Besides the both disc and sphere wear scars such as valve/valve seat were analyzed using optical microscopy (OM), scanning electron microscopy (SEM) with energy dispersive spectroscopy of X-ray (EDS) and Raman spectroscopy. For the tested intermetallic alloys of Nb with AISI 52100 sphere it was found the following wear mechanisms after SEM-EDS analyses: abrasion, adhesion and oxidation. In the case of the evaluated engines, several damages were observed in both intake and exhaust valves/valve seats; however, the oxidation occurred only on exhaust valves, probably due to high operating temperature.