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BR102013019686B1 - anel de pistão e seu processo de fabricação - Google Patents

anel de pistão e seu processo de fabricação Download PDF

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BR102013019686B1
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Antônio Eduardo Meirelles Tomanik
Daniel Lopez
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Mahle Metal Leve S/A
Mahle International Gmbh
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Abstract

ANEL DE PISTÃO E SEU PROCESSO DE FABRICAÇÃO A presente invenção refere-se a um anel de pistão, para uso no pistão de um motor de combustão interna ou compressor, apresentando um formato substancialmente anelar definindo uma face interna (2), voltada para o canalete, uma face superior (3) voltada para a câmara de combustão e substancialmente ortogonal à face superior (2) e uma face inferior (4) substancialmente oposta à segunda face (3), onde uma camada de revestimento termicamente isolante (P) é provida em pelo menos parte da superffcie da face interna, superior ou inferior (2,3,4).

Description

A presente invenção refere-se a um anel de pistão, particularmente idealizado para utilização em um motor de combustão interna ou 5 compressor, dotado de uma barreira térmica aplicada a pelo menos parte da área superficial do anel, acarretando uma redução na temperatura do anel e, como corolário, um menor desgaste nas extremidades da peça (tips).
A presente invenção refere-se ainda ao processo de fabricação desse anel de pistão.
Descrição do estado da técnica
Os anéis de pistão funcionam com pontes de transmissão de calor entre o pistão e a camisa do cilindro, de onde ele será dissipado através de aletas ou da transferência para água existente em galerias de refrigeração.
O calor, advindo da explosão da mistura ar-combustível, faz com que o anel de pistão se expanda. Uma vez que o anel funciona como uma “ponte” condutora de calor entre o pistão e o blocò, o calor (e por consequência, a temperatura) é maior na porção interna do anel, de forma que ela se dilata mais do que a porção externa. Essa diferença de expansão é tão 20 maior quanto maior for o gradiente térmico. A diferente expansão ao longo da linha radial do anel faz com que a pressão radial exercida por suas ex-tremidades livres (tips) de encontro à parede do cilindro aumente sobremaneira, aumentando indesejavelmente a velocidade do desgaste do anel nesse local.
O desgaste das extremidades livre prejudica o desempenho do anel no tocante à vedação da câmara de combustão e/ou controle do filme de óleo e obriga ao desenvolvimento de técnicas que o mantenham em um nível aceitável. Nesse sentido, contrariamente à presente invenção, a imensa maioria das alternativas de solução até o presente momento estava pre- 30 sa a um paradigma antigo, segundo o qual o desgaste nas extremidades livres era tratado pela aplicação de revestimentos mais elaborados e/ou pela manipulação do formato geométrico do anel, de maneira a reduzir conside- ravelmente a pressão radial exercida pelas extremidades livres do anel.
O documento de patente japonês JP 2008-057671 revela um anel de pistão dotado de porções periféricas internas que são formadas por um material que apresenta coeficiente de expansão térmica inferior ao do 5 material que forma outras porções do anel. Assim, consegue-se harmonizar a pressão radial exercida pelo anel em suas diversas porções independentemente da condição de funcionamento do motor.
O documento de patente alemão DE 10 2007 029992 refere-se a um anel de pistão no qual as extremidades livres são constituídas em um 10 material cujo coeficiente de expansão térmico é inferior ao do restante do anel, garantindo que a expansão, e portanto a pressão radial, aumentará menos nessa região. Como resultado disso, o desgaste nas extremidades livres é menor em relação a um anel convencional.
O documento de patente japonês JP 2008-069884 refere-se a 15 um anel de pistão combinado para controle de filme de óleo que consegue garantir bom desempenho sob qualquer temperatura de operação. Para tanto, o anel compreende um elemento de refrigeração C posicionado no interior do elemento expansor, o qual absorve calor e com isso consegue limitar a deformação radial do anel resultante, notadamente nas extremidades livres.
O documento de patente WO 2008/016010 refere-se a um anel de pistão cuja tensão aplicada varia entre condições de baixa temperatura e baixa carga e condições de alta carga e temperatura de forma a conseguir minimizar as perdas por fricção e aumentar a eficiência do motor (menos consumo de combustível). Para tanto, o anel é formado por uma liga de titâ- 25 nio-tântalo com memória de forma compreendendo tântalo na proporção de não menos de 30% em mol e menos do que 40% em mol, o restante sendo titânio e as inevitáveis impurezas.
O documento de patente WO 2008/016009 refere-se a um anel de pistão cuja tensão aplicada varia entre condições de baixa temperatura e 30 baixa carga e condições de alta carga e temperatura de forma a conseguir minimizar as perdas por fricção e aumentar a eficiência do motor (menos consumo de combustível). Segundo o documento, isso é conseguido por meio de uma liga com memória de forma compreendendo 34,7 a 48,5% em mol de Níquel, 9 a 22,5% em mol de qualquer um dentre os elementos Zir- cônio e Háfnio e de 1 a 30% em mol de Nióbio, o restante sendo titânio e as inevitáveis impurezas.
O documento de patente WO 2009/069703 refere-se a uma combinação de anel de pistão e camisa de cilindro que satisfazem uma plu- ralidade de condições de dureza e acabamento superficial de forma que a expansão linear do anel acompanhe a expansão linear do cilindro, garantin- do com isso a durabilidade do conjunto.
O documento de patente W02009/069762 refere a um aço para produção de anéis de pistão e ao anel de pistão com ele fabricado, que ga- rante um coeficiente de expansão térmica muito similar àquele apresentado por uma camisa de cilindro de alumínio, permitindo a utilização desse anel em camisas de alumínio com excelentes resultados quanto à vedação. O produto (anel) compreende (em massa) 0,01% a 1,9% de Carbono, 0,01% a 1,9% de Silício e 5,0% a 24,0% de Manganês, o restante sendo ferro e as inevitáveis impurezas. Adicionalmente, o anel compreende 18,0% ou menos de Cromo e/ou 12,0% ou menos de Níquel em adição aos elementos essen- ciais acima. Adicionalmente, o produto pode conter 1% ou menos de Alumí- nio e/ou 0,3% ou menos de Nitrogênio, bem como um ou mais dos elemen- tos entre Nióbio, Titânio, Zircônio, Molibdênio e Cobre em um percentual de até 4,0%.
O documento de patente alemão DE 10 2007 035502 refere-se a um anel de pistão que possui um revestimento protetivo de desgaste for- mado com um material que apresenta condutividade térmica de pelo menos 180 W/(m.K), sendo que pelo menos 5% em volume da camada de revesti- mento consiste em um nitreto de alumínio.
O documento de patente japonês JP 4008327 refere-se a um anel de pistão que compreende um anel metálico externo que encima um anel de resina. O anel de resina atua no intuito de reduzir/controlar a expan- são térmica do anel, mantendo-a em um valor aceitável desde a partida a frio do motor até sua operação em alta rotação.
O documento de patente japonês JP 2004-340075 refere-se a um anel de pistão do tipo raspador de óleo em duas peças, que compreende dois anéis de expansão, cada qual formado por um material específico, uma liga com memória de posição com um dado coeficiente de expansão térmica específico e diferente da outra. Com isso, consegue-se o controle do per- centual de expansão térmica para o anel nas diversas situações de funcio- namento do motor.
O documento de patente japonês JP 2003-042294 refere-se a um anel de pistão ao qual é aplicado um revestimento de carbono duro que, além de funcionar como filme resistente a abrasão, apresenta um coeficien- te de expansão térmico maior ou igual a [15* 10(-6) / °C]. Com isso, obtém- se um comportamento adequado do anel no tocante à expansão térmica.
O documento de patente japonês JP 2004-156472 compreende um anel de óleo de três peças dotado de um espaçador que é composto por dois membros soldados entre si, onde o segundo membro é constituído por um material que apresenta um coeficiente de expansão térmico superior ao do material que constitui o primeiro membro. Com isso, o anel resultante a- presenta boa performance nas diversas situações de funcionamento do mo- tor.
Por fim, o documento de patente norte-americano US 2011/0312860 refere-se a um revestimento para o recobrimento de compo- nentes sujeitos a desgaste e altas temperaturas de operação, como peças de turbinas a gás e anéis de pistão. Esse revestimento, além de atuar resis- tindo à abrasão de funcionamento, também tem atuação como uma barreira térmica para minimizar a perda de eficiência em situações de funcionamento a altas temperaturas.
Descrevendo de maneira genérica, o revestimento revelado em US 2011/0312860 compreende uma fase cerâmica dura, uma fase metálica com função adesiva e uma fase lubrificante compreendendo um óxido multi- componente. Não há, entretanto, nenhuma discussão no relatório descritivo deste documento acerca das propriedades do revestimento quanto à redu- ção de expansão térmica que venha a proporcionar no componente mecâni-co ao qual foi aplicado.
Como se vê, todos os documentos de técnica anterior acima, que são muito representativos do estado da técnica dos anéis de pistão de motores de combustão interna, estão presos a um paradigma anterior no qual se altera o material da peça para que os valores de expansão térmica estejam dentro de parâmetros desejados, sem que nenhum deles discuta, com clareza, a utilização de um revestimento térmico que atue, em maior ou menor grau como barreira térmica.
Não havia sido desenvolvido até o presente momento um anel de pistão que, por meio da aplicação de um revestimento térmico adicional (em adição ao revestimento contra desgaste existente nesse tipo de compo- nente), em locais onde há transferência de calor dos gases ou das regiões mais quentes do pistão para o anel (como por exemplo nas faces de contato do anel com o pistão), para que se consiga reduzir a expansão radial do a- nel e principalmente da região das pontas, aumentando a vida útil do anel minimizando a necessidade da aplicação de revestimentos específicos, mas resistentes ao desgaste, na face de contato com o cilindro.
Objetivos da invenção
A presente invenção tem por objetivo um anel de pistão, particu- larmente idealizado para utilização em um motor de combustão interna ou compressor, dotado de uma barreira térmica aplicada a pelo menos parte das faces interna e/ou superior e/ou ou inferior de uma das extremidades laterais próximas à abertura do anel (tips), acarretando uma redução na temperatura do anel e, como corolário, um menor desgaste naquela região.
A presente invenção tem por objetivo também um processo de fabricação do anel de pistão objetivado acima.
Breve descrição da invenção
Os objetivos da presente invenção são alcançados por um anel de pistão, para uso no pistão de um motor de combustão interna ou com- pressor, apresentando um formato substancialmente anelar definindo uma face interna, voltada para o canalete, uma face superior voltada para a câ- mara de combustão e substancialmente ortogonal à face interna e uma face inferior substancialmente oposta à segunda face, onde uma camada de re- vestimento termicamente isolante é provida em pelo menos parte da super- fície da face interna, superior ou inferior.
Ainda, os objetivos da presente invenção são alcançados por um processo de fabricação de um anel de pistão tal como definido no pará- grafo anterior, que compreende a etapa de aplicação de uma camada de revestimento termicamente isolante em pelo menos parte da superfície da face interna, superior ou inferior do anel.
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 vista esquemática em perspectiva de um anel de pistão pertencente ao estado da técnica, na região de uma de suas ex- tremidades livres.
Figura 2 - é uma vista esquemática em perspectiva de uma con- cretização possível do anel de pistão objeto da presente invenção, na região de uma de suas extremidades livres.
Figura 3 - é uma fotografia de um anel de pistão pertencente ao estado da técnica em um teste de aplicação de um gradiente térmico e sua influência na alteração da geometria do anel, em uma temperatura de 0°C.
Figura 4 - é uma fotografia de um anel de pistão pertencente ao estado da técnica em um teste de aplicação de um gradiente térmico e sua influência na alteração da geometria do anel, em uma temperatura de 80°C.
Figura 5 - é um gráfico que ilustra os valores obtidos no teste de aplicação de um gradiente térmico relativo às figuras 3 e 4 e sua influência na alteração da geometria do anel, e portanto na vedação à luz nas pontas (tips) considerando um anel pertencente ao estado da técnica.
Figura 6 - é um gráfico que ilustra a influência do gradiente de temperatura radial na pressão de contato do anel, em todo o seu perímetro.
Figura 7 - é uma vista esquemática do momento fletor aplicado à extremidade livre de um anel de pistão devido ao gradiente de temperatura.
Figura 8 - é uma vista esquemática da pressão exercida na su- perfície externa do anel para um gradiente de temperatura de 0°C.
Figura 9 - é uma vista esquemática da pressão exercida na su- perfície externa do anel para um gradiente de temperatura de 20°C.
Figura 10 - é uma vista esquemática da pressão exercida na su- perfície externa do anel para um gradiente de temperatura de 30°C.
Figura 11 - é uma vista esquemática em perspectiva do anel de pistão objeto da presente invenção.
Descrição detalhada das figuras
É conhecido por aqueles técnicos no assunto que a expansão térmica de um anel de pistão, inevitável quando o motor de combustão in- terna com ele equipado está em funcionamento, altera para mais o valor da pressão radial exercida em suas extremidades livres.
Se um dado valor máximo (um dado parâmetro de projeto) é a- tingido ou ultrapassado, esse aumento excessivo no valor de pressão radial pode desgastar prematuramente a camada de revestimento nas extremida- des livres do anel, reduzindo sua eficiência no tocante aos valores de com- pressão e/ou manutenção do filme de óleo naquela porção da parede do ci- lindro.
Tal fenômeno ocorre porque os anéis de pistão funcionam com pontes de transmissão de calor entre o pistão e a camisa do cilindro, de on- de ele será dissipado através de aletas ou da transferência para água exis- tente em galerias e, por conta disso, o calor (e por consequência, a tempe- ratura) é maior na porção interna do anel, de forma que ela se dilata mais do que a porção externa. O calor faz com que o anel de pistão se expanda, sendo que essa expansão é tão maior quanto maior for o gradiente de calor. A expansão do anel faz com que a pressão radial exercida por suas extre- midades livres (tips) de encontro à parede do cilindro aumente sobremanei- ra, aumentando indesejavelmente a velocidade do desgaste do anel nesse local.
O desgaste das extremidades livres prejudica o desempenho do anel no tocante à vedação da câmara de combustão e/ou controle do filmede óleo e obriga ao desenvolvimento de técnicas que o mantenham em um nível aceitável. Nesse sentido, contrariamente à presente invenção, a imen- sa maioria das alternativas de solução estava presa a um paradigma antigo, no qual o material da peça era alterado para que os valores de expansão térmica ficassem dentro de parâmetros desejados.
Esse problema é indiretamente demonstrado a partir da realiza- ção de um teste segundo a norma SAE 831283, onde um anel qualquer, no qual não há contato na região das pontas (ou seja, criando uma abertura de luz - tips radial clearance), é submetido a diferentes gradientes térmicos. Quanto maior o gradiente térmico, menor é o espaçamento (clearance), o que pode ser visto pela análise comparativa das figuras 3 e 4.
O gráfico ilustrado na figura 5 mostra, no ensaio, a redução con- siderável da abertura de luz na medida em que o gradiente de temperatura aumenta.
A figura 6 ilustra um gráfico que corresponde à simulação de in- fluência do gradiente de temperatura no valor de pressão de contato radial de um anel de pistão ao longo de seu perímetro. Nesse gráfico, considera- se a medida 0o a extremidade livre do anel (tip) e é claramente visível que na região da abertura (0o) o valor da força de contato é zero quando o gra- diente térmico é de 0°C e aumenta consideravelmente quando o gradiente passa a ser de 20°C, 30°C ou quando se mantém o gradiente de 40°C.
Nessa esteira, as figuras 8 a 10 ilustram os valores do gráfico da figura 6 no corpo do anel, para cada gradiente térmico. Analisando as figu- ras comparativamente vê-se claramente o aumento da pressão exercida na superfície externa do anel na posição de abertura A (0o) na medida em que aumenta o gradiente térmico.
Tendo essa realidade fática e inexorável, a depositante buscou um novo paradigma de estudo e desenvolvimento para enfrentar esse pro- blema. Ao invés de alterar o revestimento na região das pontas ou de alterar o material base ao longo do corpo do anel com vistas a reduzir a pressão na área das pontas, a depositante desenvolveu uma solução completamente nova, inovadora e eficiente, descrita a seguir.
Em essência, o anel de pistão 1 objeto da presente invenção, que é idealizado para uso em um canalete de um pistão de um motor de combustão interna ou compressor (não ilustrado), e considerada a posição ilustrada na figura 2, compreende uma face interna 2, voltada para o canale- 5 te, uma face superior 3 substancialmente voltada para a câmara de combustão e substancialmente ortogonal à interna face 2 e uma face inferior 4 substancialmente oposta à face superior 3.
Ainda no tocante à sua descrição geométrica, o anel 1 apresenta um formato substancialmente anelar e define uma abertura A que deter- 10 mina duas extremidades livres, cada qual definindo uma respectiva face transversal extrema S, tal e qual ilustrado na figura 11.
De modo preferível, o anel 1 é um anel de compressão (ou anel de primeiro canalete) e compreende ainda uma face externa 5, substancialmente oposta à face interna 2 e voltada para a camisa de cilindro. A face 15 externa 5 recebe, na imensa maioria das aplicações, um revestimento prote- tivo resistente à abrasão haja vista que atritará de encontro à camisa por milhões de ciclos.
Evidentemente, o anel 1 pode assumir outras configurações, como a de um anel de segundo canalete, um anel de compressor a pistão 20 ou ainda qualquer outra..
Na região da abertura do anel A, cada uma das extremidades livre define a aludida face transversal extrema S que corresponde, em essência, ao perfil da secção transversal da peça.
Qualquer que seja sua constituição específica, e qualquer que 25 seja o material base utilizado em sua confecção, é uma característica essencial do anel 1 objeto da presente o fato de que a pelo menos parte da superfície nas regiões adjacentes às suas extremidades livres (tips) é provida uma camada de revestimento termicamente isolante P. Descrevendo mais pormenorizadamente, uma camada de revestimento termicamente iso- 30 lante P é provida em pelo menos uma parte da superfície da faces interna e/ou superior e/ou ou inferior 2, 3, 4.
Ademais, qualquer que seja sua constituição específica, e qual- quer que seja o material base utilizado em sua confecção, é uma caracterís- tica opcional do anel 1 objeto da presente invenção o fato de que uma ca- mada de revestimento termicamente isolante P é provida em pelo menos uma face transversal extrema S.
Diversas variantes configurativas não limitantes podem existir, apresentando a camada de revestimento termicamente isolante P provida somente em pelo menos uma parte da superfície da face interna 2, em pelo menos uma parte da superfície da face interna 2 e pelo menos uma parte da superfície da faces superior 3, somente em pelo menos uma face transver- sal extrema S, e outras possíveis combinações dessas três possibilidades.
A camada de revestimento P tem como característica precípua o fato de ser termicamente isolante, a fim de evitar que o calor proveniente dos gases de combustão como resultado da explosão da mistura ar- combustível ocasione um gradiente térmico elevado ao anel a ponto de ha- ver um aumento da pressão exercida na superfície externa do anel na posi- ção de abertura de tal monta que ocasione o desgaste mais acelerado des- sa porção do anel.
De modo preferível mas não limitante, a camada de revestimen- to P é composta por um material comumente conhecido por YSZ, ou zirco- nia estabilizada com ítrio. O YSZ é um material cerâmico baseado em óxido de zircônio que apresenta bom desempenho nesta aplicação, no qual a es- trutura cristalina de óxido de zircônio (ZrO2, conhecido como zircônia) é mantido estável à temperatura ambiente pela adição de óxido de ítrio (Y2O3, conhecido como ítria).
De forma alternativa mas não limitante, pode-se utilizar outros materiais cerâmicos quaisquer que sejam necessários ou desejáveis, como zircônia estabilizada com Cálcio, Magnésio, Cério, Háfnio ou Alumínio. Ain- da de forma alternativa, pode-se utilizar a zircônia parcialmente estabilizada, conhecida pelos técnicos no assunto como PSZ (partially stabilized zircônia) ou até mesmo outros tipos de material, poliméricos ou não, sendo que todos estão incluídos no escopo de proteção das reivindicações apensas.
A camada de revestimento P, qualquer que seja sua composi-ção específica, pode ser aplicada por qualquer processo, como por exemplo um processo de aplicação de revestimento qualquer, na forma de tin- ta/pintura ou qualquer outra.
A camada de revestimento P pode ser aplicada a parte da (ou a toda a) face interior 2, para evitar a transferência de calor oriunda dos gases de combustão, a parte da face superior 3, com o mesmo propósito e a parte da face inferior 4, na situação de o canalete do pistão apresentar uma tem- peratura maior do que a do anel.
A aplicação da camada de revestimento P nas faces interior 2 e/ou superior 3 e/ou inferior 4 e/ou transversais extremas S reflete o calor ali presente evitando que seja absorvido pelo corpo do anel, o que especial- mente importante nas regiões adjacentes às extremidades livres {tips) do anel. Com isso, há um menor gradiente térmico e, por consequência, não ocorre um aumento indesejável da pressão exercida na superfície externa do anel na posição de abertura.
A aplicação da camada de revestimento P na face interna 2, quando efetuada, se dá com o intuito de reduzir a transferência de calor dos gases quentes resultantes da mistura ar-combustível para o anel de pistão. O mesmo objetivo é atingido quando se aplica uma camada de revestimento P a face superior 3, que é voltada para a câmara de combustão e portanto fica diretamente em contato, ao menos parcialmente, com os aludidos gases quentes.
Por fim, a camada de revestimento P pode ser aplicado na face inferior 4 nas situações em que o canalete do pistão apresenta temperatura superior a do anel e, portanto, um isolamento térmico é interessante para a redução do gradiente de temperatura no anel.
Com o desenvolvimento do anel de pistão 1 objeto da presente invenção, não ocorre apenas uma redução no fenômeno de spalling, mas também uma redução de scuffing, devido à redução de temperatura do anel, colaborando também para que se reduza o desgaste do canalete do pistão. Ademais, ocorre a redução do desgaste na parede do cilindro e a redução da temperatura de trabalho do óleo lubrificante, diminuindo a velocidade de sua degradação.
É ainda uma invenção nova e dotada de atividade inventiva um processo de fabricação do presente anel de pistão 1, que compreende a e- tapa de aplicação da camada de revestimento termicamente isolante P em 5 pelo menos uma parte da superfície das faces interna e/ou superior e/ou inferior 2, 3, 4 do anel.
De maneira preferencial, ou possível, o processo compreende ainda uma etapa de aplicação da camada de revestimento termicamente isolante P em pelo menos uma parte da superfície de uma das faces transit) versais extremas S.
Tendo sido descrito um exemplo de concretização preferido, deve ser entendido que o escopo da presente invenção abrange outras possíveis variações, sendo limitado tão somente pelo teor das reivindicações a- pensas, aí incluídos os possíveis equivalentes.

Claims (7)

1. Anel de pistão, para uso no pistão de um motor de combustão interna ou compressor, apresentando um formato anelar definindo uma face interna (2), voltada para o canalete, uma face superior (3) voltada para a câmara de combustão e ortogonal à face interna (2) e uma face inferior (4) oposta à segunda face (3), o anel sendo caracterizado pelo fato de que uma camada de revestimento termicamente isolante (P) é provida em pelo menos parte da superfície da face interna, superior ou inferior (2,3,4).
2. Anel de pistão de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que define uma abertura (A) que determina duas extremidades livres, cada qual definindo uma respectiva face transversal extrema (S), a camada de revestimento termicamente isolante (P) sendo provida em pelo menos parte da superfície de uma das faces transversais extremas (S).
3. Anel de pistão de acordo com a qualquer uma das reivindicações 1 a 2, caracterizado pelo fato de que a camada de revestimento termicamente isolante (P) é um revestimento cerâmico.
4. Anel de pistão de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que a camada de revestimento termicamente isolante (P) é um revestimento cerâmico composto por uma zircônia estabilizada.
5. Anel de pistão de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a camada de revestimento termicamente isolante (P) é um revestimento cerâmico de zircônia estabilizada com ítrio (YSZ).
6. Processo de fabricação de um anel de pistão conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que compreende a etapa de aplicação de uma camada de revestimento termicamente isolante (P) em pelo menos parte da superfície da face interna, superior ou inferior (2,3,4) do anel.
7. Processo de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que compreende a etapa adicional de aplicação de uma camada de revestimento termicamente isolante (P) em pelo menos parte da superfície de uma das faces transversais extremas (S) do anel.
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