BR102012016191A2 - Elemento deslizante com revestimento dlc - Google Patents

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Abstract

ELEMENTO DESLIZANTE COM REVESTIMENTO DLC O presente pedido se refere a um elemento deslizante, em particular um anel de pistão com um revestimento DLC (12) sobre um substrato. O elemento deslizante de acordo com a invenção é caracterizado pelo fato de que um material mais macio (14) do que o DLC é incorporado da superfície do revestimento DLC (12) com a qual o elemento deslizante irá entrar em contato com um parceiro de deslizamento , contra o qual o elemento deslizante vai deslizar

Description

“ELEMENTO DESLIZANTE COM REVESTIMENTO DLC” CAMPO DA TÉCNICA
A presente invenção se refere a um elemento deslizante, em particular um anel de pistão, com um revestimento DLC sobre um substrato.
ESTADO DA TÉCNICA
Basicamente, os anéis de pistão utilizados em motores altamente solicitados necessitam ter revestimentos na superfície de rolamento que sejam tão resistentes ao desgaste quanto possível, razão pela qual os revestimentos PVD baseados em materiais rígidos e revestimentos DLC são frequentemente utilizados. Embora os revestimentos PVD sejam relativamente resistentes aos fenômenos de desgaste, eles, todavia, não fornecem os baixos coeficientes de fricção necessários que proporcionariam as perdas mínimas por atrito atualmente desejadas no motor e, assim, o consumo de combustível mínimo atualmente desejado. Por esta razão, a utilização de um revestimento DLC é muitas vezes preferida.
DLC é uma abreviatura de "Diamond-Like Carbon11 e designa um carbono tipo diamante, amorfo, que é caracterizado por propriedades particulares, tais como boa resistência ao desgaste abrasivo e adesivo, proteção contra espalação de superfície, estabilidade química, e boa condutividade térmica e propriedades mecânicas (dureza e módulo de elasticidade). Durezas elevadas são obtidas, em particular para os sistemas de camada DLC com uma grande proporção de átomos de carbono hibridizados em sp3, cuja fração de moles é maior do que 60 por cento. Esta substância é também denominada carbono amorfo ligado tetraedricamente (ta-C). Além disso, no entanto, também são utilizadas camadas DLC que têm uma menor proporção de átomos de carbono sp hibridizados e são menos rígidas do que os sistemas de camada ta-C, por exemplo, sistemas DLC contendo hidrogênio e / ou contendo metal.
Uma desvantagem dos revestimentos DLC conhecidos com durezas elevadas para anéis de pistão é que a sua elasticidade e plasticidade e, portanto, a sua capacidade para absorver forças de cisalhamento é muito baixa em comparação com camadas relativamente macias. Isto significa que, especialmente no assim chamado período de amaciamento de um motor, desníveis, mesmo que muito pequenos, na superfície do elemento deslizante ou do parceiro de deslizamento podem levar a uma espalação da superfície de revestimento e, portanto, a uma avaria do revestimento DLC3 mesmo em baixas pressões de superfície.
Uma camada DLC macia tem, por outro lado, a desvantagem de uma resistência ao desgaste muito baixa, de modo que já após um tempo de vida útil relativamente curto a camada DLC está desgastada e o baixo coeficiente de fricção assim produzido não pode mais ser mantido.
BREVE DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO
O objetivo da presente invenção é, portanto, proporcionar um elemento deslizante com um revestimento DLC sobre um substrato, que tem um baixo coeficiente de atrito bem como uma alta resistência ao desgaste e, como resultado também pode tolerar pequenos desníveis na superfície de um parceiro de rolamento sem ser significativamente danificado por isso.
Este objetivo é alcançado por meio da matéria da reivindicação 1 e do método de acordo com a reivindicação 6. Outras formas de realização vantajosas da invenção são reveladas nas reivindicações dependentes.
De acordo com a invenção um elemento deslizante, em particular um anel de pistão, com um revestimento DLC sobre um substrato é caracterizado pelo fato de que um material mais macio do que o DLC é incorporado na superfície do revestimento DLC com o qual o contato deslizante entra em contato com um parceiro de deslizamento. O parceiro de deslizamento é, neste contexto, um elemento contra o qual o elemento deslizante irá deslizar, por exemplo, no caso de um anel de pistão, uma parede do cilindro pertencente ao pistão relevante.
Devido à incorporação de um material mais macio na superfície do revestimento DLC, em particular o processo de amaciamento crítico de um anel de pistão, para formar um dito terceiro corpo pode ser realizado sem qualquer dano. Um dito terceiro corpo é entendido como sendo uma camada no revestimento DLC que é formada durante o amaciamento de um anel de pistão contra uma parede do cilindro. Propriedades do terceiro corpo podem ser obtidas, em particular a partir de WO 2010/009 862 Al. O efeito da formação de um terceiro corpo é também obtido em outros elementos deslizantes, além dos anéis de pistão.
Em uma forma de realização preferida, o material mais macio compreende metal ou um óxido de metal, em particular, ferro ou um composto de ferro cromo ou seus óxidos, que são mais macios do que o revestimento DLC. Esta forma de realização é preferida em particular se a superfície de trabalho do cilindro, por outras palavras, o parceiro de deslizamento do elemento deslizante, tem um revestimento de um metal ou óxido de metal correspondente. No setor de motores de combustão interna, furos à base 5 de ferro termicamente revestidos, são cada vez mais utilizados como parceiros de deslizamento de anéis de pistão, os quais compreendem ligas de ferro-carbono ou ligas de ferro-cromo ou semelhantes. Óxidos de metal também podem ser incorporados no revestimento por processos de aspersão térmica com parâmetros adequadamente ajustados, a fim de melhorar o comportamento de desgaste. Uma formação do elemento 10 deslizante, no sentido da presente forma de realização preferida, em seguida, significa que uma transferência de material entre o revestimento DLC do elemento deslizante e do parceiro de deslizamento que ocorrem durante o processo de amaciamento já está prevista, e o processo de amaciamento pode, por conseguinte, ser efetuado sem qualquer dano ou perigo.
Vantajosamente, o revestimento DLC compreende carbono amorfo ligado
tetraedricamente (ta-C), uma vez que este é caracterizado por uma dureza particularmente elevada e, portanto, pela resistência ao desgaste.
Em uma forma de realização preferida adicional, a superfície do revestimento DLC contém o material mais macio, em uma quantidade de 50 a 60%, de 20 preferência 20 a 40%, de sua área. Esta concentração relacionada à área do material mais macio, em particular, por conseguinte, do metal ou óxido de metal, produz os melhores valores possíveis de desgaste e de atrito. Em investigações realizadas fora e no interior do motor, verificou-se que uma proporção muito alta de material mais macio aumenta o risco de micro soidas e, portanto, de marcas, bem como o perigo de ruptura 25 do revestimento DLC devido ao desgaste demasiado rápido do material mais macio, o que pode levar a um aumento do desgaste e mesmo espalação da camada. A concentração demasiadamente baixa do material mais macio na superfície do revestimento DLC significa, por outro lado que o efeito desejado de aumentar a elasticidade e plasticidade do revestimento DLC e aumentar assim a capacidade de 30 absorver forças de cisalhamento é insuficiente, uma vez que um funcionamento ótimo para assegurar a vida útil do revestimento não é garantida então. A proporção relacionada à área acima mencionada provou ser particularmente vantajosa em ambos os aspectos. A região do revestimento DLC em que o material mais macio é incorporado de preferência estende-se desde a superfície até uma profundidade de 1 μηι, de preferência até uma profundidade de 0,5 μιη, no revestimento DLC. Esta profundidade de incorporação do material mais macio no revestimento DLC conduz a um 5 comportamento ótimo de amaciamento de um anel de pistão revestido com DLC, uma vez que a baixa taxa de desgaste, bem como o baixo coeficiente de atrito do revestimento DLC pode ser assim mantido a uma extensão máxima.
Além disso, a superfície tem, de preferência, uma rugosidade tão baixa quanto possível, a qual pode ser definida por uma média de profundidade de rugosidade 10 Rz de menos de 2 μπι, de preferência de menos do que 1 μηι, e / ou uma altura de pico RPK reduzida de menos de 0,15 μπι, de preferência inferior a 0,1 μηι. Desta forma, o número de pontos de alta pressão de superfície que ocorrem pode ser mantido tão baixo quanto possível, o que Ieva a propriedades de deslizamento particularmente boas.
Em uma forma de realização preferida, a dureza do revestimento DLC fora 15 das regiões que contêm o material mais macio é 10 a 70 GPa, de preferência 15 a 50 GPa. Esta dureza prevê um baixo desgaste do revestimento DLC e não se opõe ao efeito de melhoria da elasticidade e, assim, uma maior tolerância às forças de cisalhamento causadas por defeitos de superfície. O revestimento DLC contém de preferência hidrogênio e corresponde ao Tipo a-C:H, a-C:H:Me, ta-C:H ou a-C:H:X. Aqui, Me é um 20 metal de preferência selecionado dentre cromo, tungstênio e titânio, e X é um não metal preferencialmente selecionado dentre silício, oxigênio, nitrogênio e boro.
Alternativamente, o revestimento DLC de preferência corresponde ao tipo ta-C ou a-C e não contém hidrogênio.
As duas variantes preferenciais acima mencionadas do elemento deslizante proporcionam uma boa dureza e, assim, resistência ao desgaste, e ao mesmo tempo um baixo coeficiente de atrito.
Em uma forma de realização preferida, o elemento deslizante inclui entre o substrato e o revestimento DLC uma camada adesiva, de preferência contendo metal, em particular, que tem uma espessura de 0,1 μιη a 1,0 μιη. Tal camada adesiva melhora a aderência do revestimento DLC ao substrato e, portanto, adicionalmente melhora a durabilidade do elemento deslizante.
O substrato é de preferência formado de ferro fundido ou aço, uma vez que estes materiais são particularmente adequados para utilização como um anel de pistão ou elemento deslizante comparável em virtude da sua resistência combinada com elasticidade.
Um método de acordo com a invenção para a produção de um elemento deslizante tal como foi descrito acima, é caracterizado pelo fato de um material mais 5 macio do que DLC ser incorporado em uma superfície de um revestimento DLC do elemento deslizante que entra em contato com um parceiro de deslizamento. O material mais macio, de preferência um metal ou óxido de metal, em particular, ferro ou um composto de ferro cromo ou óxidos dos mesmos, é, portanto, incorporado no revestimento DLC após este ter sido aplicado ao substrato.
A incorporação do material mais macio na superfície do revestimento DLC
pode, neste contexto, de preferência, ser realizada por revestimento ou usinagem. Métodos de usinagem possíveis são: escovação mecânica com uma escova de aço, um processo de polimento de tira de aço, ou de polimento. O revestimento do substrato pode ser realizado, por exemplo, por pulverização de revestimento, pulverização catódica ou por processos de arco PVD.
Um aspecto independente da presente invenção é o uso de um dos métodos acima mencionados, a fim de proporcionar um anel de pistão com um material que está presente em uma parede do cilindro de um motor de combustão interna, contra o qual o anel de pistão desliza quando utilizado de acordo com as instruções. Esta utilização 20 deve ser distinguida de um método que envolve simplesmente a usinagem de uma superfície de um revestimento DLC, uma vez que de acordo com a invenção, o material que é incorporado na superfície da camada DLC é adequado ao futuro parceiro de deslizamento do elemento deslizante, em particular, por conseguinte, o anel de pistão.
Por meio da invenção descrita aqui anteriormente, é possível reduzir a 25 fricção entre um anel de pistão e uma parede de cilindro, ou, em geral, de um elemento deslizante e um parceiro de deslizamento, o que é relevante especialmente em motores de combustão interna com um menor consumo de combustível e, por conseguinte, é grandemente desejado. Ao mesmo tempo, o elemento deslizante de acordo com a invenção é resistente ao desgaste e tolerante aos desníveis na superfície de um parceiro 30 de deslizamento, de modo que, por exemplo, durante o período de amaciamento de um motor de combustão interna não há perigo de uma espalação da superfície do anel do pistão. Outras vantagens, características e modificações vantajosas da invenção resultam da totalidade das reivindicações e da descrição das Figuras a seguir.
BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS A Figura 1 mostra uma fotografia SEM de uma superfície revestida com
DLC preferida;
A Figura 2 mostra um perfil de profundidade de elemento de um revestimento DLC com metais e óxidos metálicos incorporados;
A Figura 3 mostra uma comparação dos valores de desgaste de dois revestimentos DLC; e
A Figura 4 mostra um diagrama de uma curva de força e curva de atrito dos anéis de pistão revestidos com DLC com e sem incorporações de metal.
FORMAS DE CONCRETIZAÇÃO DA INVENÇÃO Figura 1 mostra uma imagem SEM da superfície de um revestimento DLC
12 com incorporações de metal / óxido metálico (14) em uma espessura da camada inicial de 12 μηι. A proporção relacionada á área das incorporações de metal / óxido metálico (14) é neste caso de 39%. Os testes foram realizados em várias amostras que foram fornecidas com incorporações de metal / óxido metálico, cujas proporções relacionadas à área variaram entre 27,8% e 39%.
As amostras fornecidas com incorporações de metal / óxido metálico apresentam propriedades significativamente melhores em testes de atrito e desgaste do que os revestimentos DLC não tratados. Isto pode ser visto a partir das Figuras3 e 4, que serão discutidas a seguir.
A Figura 2 mostra os perfis de profundidade dos constituintes principais de
um revestimento DLC, em cuja superfície foram incorporados ferro e óxido de ferro. A proporção dos três constituintes principais, respectivamente, carbono (C)5 oxigênio (O) e ferro (Fe) é traçada ao longo do eixo Y, e a profundidade da camada da superfície da camada DLC para baixo até uma profundidade de 1 μπι é traçada ao longo o eixo X.
Como pode ser visto a partir deste diagrama, as proporções mensuráveis
embutidas de ferro e de óxido de ferro só se estendem para baixo até 0,5 μιη. Abaixo desta profundidade, o revestimento DLC não exibe incorporação correspondente de ferro ou de óxido de ferro. Foi estabelecido com base em ensaios de motores que a incorporação de metal/óxido de metal a uma profundidade de 0,5 μπι é particularmente eficaz. Por outro lado, a proporção de metal no revestimento DLC já não podia ser detectada após um teste de motor de mais de 240 horas, com um desgaste anular de 0,7 a 1,0 μιη.
A Figura 3 mostra o desgaste relativo de um revestimento DLC sem
incorporações de metal / óxido metálico e com tais incorporações. O revestimento DLC com incorporações é mostrado no lado esquerdo do diagrama da Figura 3. O diagrama mostra que o desgaste do revestimento DLC com incorporações de metal / óxido metálico é de apenas cerca de 20% do desgaste de um revestimento DLC sem incorporações.
O desgaste foi medido no chamado teste de desgaste vibração-fricção, em que o elemento deslizante vibra com uma carga constante e a uma taxa constante contra um contra corpo lubrificado.
A Figura 4 finalmente mostra um outro diagrama em que o comportamento da força de atrito e o comportamento dos anéis de pistão revestidos com DLC com e sem incorporações de metal / óxido metálico são traçados em função do tempo.
Aqui, a curva contínua mostra o comportamento de fricção de um revestimento DLC sem incorporações de metal / óxido metálico, a curva pontilhada mostra o comportamento de fricção de um revestimento DLC com incorporações de metal / óxido metálico, e a curva de linhas e pontilhada mostra o comportamento de força ao longo do tempo.
Da Figura 4 é possível se ver que o revestimento DLC com incorporações de metal / óxido metálico apresenta um menor grau de desgaste do que o revestimento sem tais incorporações na superfície, uma vez que o atrito do revestimento DLC sem 25 incorporações aumenta após uma curta fase de amaciamento de 10 a 12 minutos, enquanto que o atrito do revestimento DLC com incorporações cai quase constantemente.

Claims (9)

1. Elemento deslizante, era particular um anel de pistão, com um revestimento DLC (12) sobre um substrato, caracterizado pelo fato de que um material mais macio (14) do que DLC é incorporado na superfície do revestimento DLC (12) com a qual o elemento deslizante entrará em contato com um parceiro de deslizamento, contra a qual o elemento deslizante irá deslizar.
2. Elemento deslizante de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o material mais macio (14) compreende um metal ou óxido de metal, em particular, ferro ou um composto de ferro cromo ou óxidos destes, que é mais macio do que o revestimento DLC (12).
3. Elemento deslizante de acordo com uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a superfície do revestimento DLC (12) compreende o material mais macio (14) em uma quantidade de 15 a 60%, de preferência 20 a 40%, da sua área.
4. Elemento deslizante de acordo com uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a região do revestimento DLC (12) na qual o material mais macio (14) é incorporado, estende-se desde a superfície até uma profundidade de 1 μm, de preferência até uma profundidade de 0,5 μm, no revestimento DLC (12).
5. Elemento deslizante de acordo com uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a superfície tem uma média de rugosidade Rz de menos de 2 μm, de preferência de menos do que 1 μm, e / ou uma altura de pico reduzida RPk de menos de 0,15 μm, preferivelmente inferior a 0,1 μm.
6. Elemento deslizante de acordo com uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que, além disso, inclui uma camada adesiva de um metal, de preferência cromo, titânio, ou tungstênio, entre o substrato e o revestimento DLC.
7. Método para produzir o elemento deslizante de acordo com uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que um material mais macio do que DLC é incorporado em uma superfície de um revestimento DLC do elemento deslizante que irá entrar em contato com um parceiro de deslizamento, contra a qual o elemento deslizante vai deslizar.
8. Método de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que um metal ou um óxido de metal, em particular, ferro ou um composto de ferro cromo ou óxidos destes, que são mais macios do que o revestimento DLC, é incorporado como material mais macio na superfície do revestimento DLC.
9. Método de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o material mais macio é incorporado na superfície do revestimento DLC por revestimento ou usinagem.
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