BR102013031072A2

BR102013031072A2 - conjunto de deslizamento

Info

Publication number: BR102013031072A2
Application number: BR102013031072A
Authority: BR
Inventors: Edney Deschauer Rejowski; José Valentim Lima Sarabanda; Paulo José Da Rocha Mordente; Robert Richard Banfield
Original assignee: Mahle Int Gmbh; Mahle Metal Leve Sa
Priority date: 2013-12-03
Filing date: 2013-12-03
Publication date: 2015-09-22
Also published as: DE112014005506T5; WO2015082235A1; JP2017502219A; US20160305366A1; US10294890B2

Abstract

conjunto de deslizamento. a presente invenção refere-se a um conjunto de deslizamento para uso em um motor de combustão interna, compreendendo pelo menos uma camisa de cilindro (2) de formato cilíndrico definindo uma superfície interna de deslizamento (3) e um anel (4) definindo por pelo menos uma superfície lateral externa de deslizamento (5), a superfície externa de deslizamento (5) do anel (4) sendo deslizante em relação à superfície interna (3) da camisa (2), sendo que a superfície (5) do anel possui um primeiro revestimento (6) de nitreto metálico aplicado pelo processo de deposição física de vapor (physical vapour deposition - pvd) que desliza por sobre um segundo revestimento (7) de dlc (diamond like carbon) aplicado por sobre a superfície interna (3) da camisa (2).

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "CONJUNTO DE DESLIZAMENTO". A presente invenção refere-se a um conjunto de deslizamento formado por pelo menos um anel de pistão e uma camisa de cilindro, sendo que o pelo menos um anel possui um revestimento de nitreto metálico aplicado pelo processo de deposição física de vapor (physical vapour deposition - PVD) e a camisa de cilindro possui um revestimento de DLC (diamond like carbon). O conjunto de deslizamento resultante apresenta uma maior resistência ao desgaste em comparação com as soluções atuais, muitas vezes focadas no aprimoramento de somente um dos elementos do conjunto. Descrição do estado da técnica Em um motor de combustão interna, o atrito existente entre a camisa do cilindro e os anéis de pistão é muito estudado porque sua redução é crucial para otimizar o funcionamento dos motores, melhorando o desempenho, reduzindo o consumo de combustível e diminuindo a queima de óleo lubrificante existente na parede do cilindro.

Um paradigma vigente até muito pouco tempo atrás era aquele segundo o qual se buscava o aperfeiçoamento de cada componente individualmente. Assim, os pesquisadores desenvolviam novos aperfeiçoamentos (como por exemplo materiais base e revestimentos) para anéis e camisas de cilindro, tendo em vista as características de cada um deles. Não era comum um estudo sistêmico de forma a otimizar o desempenho de mais de um componente da célula de combustão.

Assim, em muitas situações o desenvolvimento de um anel de pistão com um dado revestimento muito eficiente ao desgaste não tinha contrapartidas econômicas na medida em que esse novo revestimento não se desempenhava a contento nas camisas de cilindro em uso.

As camisas de cilindro existentes hoje em dia são, em sua grande maioria, produzidas em ferro fundido, um material com excelentes propriedades em termos de compatibilidade tribológica com os anéis e as saias do pistão. Essa compatibilidade advém do fato do ferro fundido possuir, naturalmente, partículas de carbono livre (grafite) que por ser um lubrificante só- lido contribui para a redução do atrito dinâmico e, por inferência, para a maior durabilidade desses componentes.

Recentemente, com o aumento das pressões para redução de consumo e poluição nos motores por força de legislações de controle de poluentes cada vez mais restritivas, os projetistas de motores passaram a lançar mão de soluções como a alimentação forçada com pressões cada vez mais altas e novas estratégias para redução de poluição, como a utilização de sistemas de recirculação de gases de exaustão ou EGR (de exhaust gas recirculation).

Essas soluções levaram as camisas de ferro fundido ao que parece ser o limite de aplicação tribológica já que esses componentes têm a-presentado um desgaste acelerado nesses novos motores, em especial na região do ponto morto superior (PMS).

Como consequência, esse referido aumento das pressões para redução de consumo e poluição nos motores por força de legislações de controle de poluentes cada vez mais restritivas trouxe a necessidade de uma mudança de paradigma, e os fabricantes passaram e pensar no desenvolvimento conjunto de anéis e camisas de forma sistêmica - passaram a desenvolver novos pares de deslizamento.

Um primeiro fruto dessa abordagem conjunta pode ser encontrado no Pedido de Patente Internacional W02009/069703, que se refere à estrutura combinada de um anel de pistão e uma camisa de cilindro de um motor de combustão interna. A estrutura combinada compreende: (i) uma camisa de cilindro cuja superfície de deslizamento possui uma rugosidade média, tomada em 10 pontos diferentes, de 0,5 pm a 1,0 pm, uma rugosidade efetiva sob carga (Rk) de 0,2pm a 0,4pm, altura inicial de desgaste (Rpk) entre 0,05 pm a 0,1 pm e profundidade para acúmulo de óleo (Rvk) entre 0,08pm a 0,2 pm; e (ii) um anel de pistão cuja face lateral externa apresenta rugosidade média, tomada em 10 pontos diferentes, de 1,6 pm ou menos, uma altura inicial de desgaste inferior a 0,3 pm. Adicionalmente, o anel de pistão deve exercer uma pressão na camisa de cilindro da ordem de 0,03 MPa a 0,2 Mpa. O documento de patente JP2004116707 refere-se a um membro de deslizamento combinado formado por um anel de pistão e uma camisa de cilindro. O anel de pistão compreende uma superfície de deslizamento que apresenta rugosidade Rz de 0,5 pma 1,0 pme a camisa de cilindro apresenta rugosidade Rz de 0,5 pm a 1,5 pm, altura inicial de desgaste de 0,05pm a 0,2pm (baseada na norma DIN4776), rugosidade efetiva sob carga de (Rk) 0,2 pm 0,6 pm e profundidade de acúmulo de óleo (Rvk) de 0,10 pm a 0,35 pm. A superfície lateral externa do anel de pistão é formada por uma camada de cromo metálico, uma camada laminada de cromo metálico, uma camada nitretada ou uma camada aplicada pelo processo de deposição física de vapor (physical vapour deposition - PVD). A superfície da camisa de cilindro, por seu turno, é preferivelmente formada por fero fundido, ferro fundido com boro ou aço fundido.

Por fim, o Documento de Patente Japonesa JP2003254156 refe-re-se à combinação de um cilindro e um anel de pistão, na qual ocorre uma baixa porção de fricção por deslizamento, reduzido desgaste ao riscamento e redução da perda dos gases de combustão através da passagem entre os anéis e a superfície de deslizamento da camisa queima de óleo lubrificante (blow-by). O cilindro é feito de uma liga à base de alumínio e o anel de pistão possui base de aço inoxidável austenítico, sendo a superfície lateral externa recoberta por um filme de cromo duro constituído por duas ou mais camadas nas quais microtrincas são distribuídas, cada qual incluindo uma parte que abre na superfície externa e possui uma profundidade que corresponde à própria camada remanescente e que se estende parcialmente na direção de uma camada mais profunda. Essa constituição garante uma excelente taxa de retenção de óleo nessas microtrincas, garantindo a durabilidade e reduzindo o consumo de lubrificante por blow-by.

Ainda não havia sido desenvolvido nenhum conjunto de deslizamento que alcançasse os almejados ganhos de durabilidade e resistência pelo uso de um anel com revestimento de nitreto metálico aplicado pelo processo de deposição física de vapor (physical vapour deposition - PVD) e uma camisa de cilindro com revestimento de DLC (diamond like carbon). Estudos levados a cabo pela depositante indicaram que a utilização de outros tipos de revestimento no anel de pistão, como cromo cerâmico ou nitreto de cromo aplicado pelo processo de termospray não apresentaram os resultados esperados.

Objetivos da invenção A presente invenção tem por objetivo um conjunto de deslizamento que alcance ganhos de durabilidade e de resistência pelo uso de um anel com revestimento de nitreto metálico aplicado pelo processo de deposição física de vapor (physical vapour deposition - PVD) e uma camisa de cilindro com revestimento de DLC (diamond like carbon).

Mais especificamente, a presente invenção tem por objetivo um conjunto de deslizamento no qual o anel de compressão possui um revestimento de CrN, CrCN/C ou TiN e a camisa apresenta um revestimento de DLC (diamond like carbon). A presente invenção tem por objetivo também um conjunto de deslizamento que alcance ganhos de durabilidade e de resistência sem a contrapartida de um aumento no custo de fabricação que a inviabilizasse economicamente.

Breve descrição da invenção Os objetivos da presente invenção são alcançados por um conjunto de deslizamento para uso em um motor de combustão interna, compreendendo pelo menos uma camisa de cilindro de formato cilíndrico definindo uma superfície interna de deslizamento e um anel definindo por pelo menos uma superfície lateral externa de deslizamento, a superfície externa de deslizamento do anel sendo deslizante em relação à superfície interna da camisa, sendo que a superfície do anel possui um primeiro revestimento de nitreto metálico aplicado pelo processo de deposição física de vapor (physical vapour deposition - PVD) que desliza por sobre um segundo revestimento de DLC (diamond like carbon) aplicado por sobre a superfície interna da camisa.

Descrição resumida dos desenhos A presente invenção será, a seguir, mais detalhadamente descrita com base em um exemplo de execução representado nos desenhos. As figuras mostram: Figura 1 - é uma vista esquemática da região do canalete superior (1 a 3) em corte do conjunto de deslizamento objeto da presente invenção.

Figura 2 - é um gráfico representativo do desgaste medido de uma camisa de cilindro com revestimento de DLC, após 1000 horas, contra um anel de pistão com revestimento de nitreto de cromo aplicado por PVD e, comparativamente, contra um anel com revestimento de nitreto de cromo aplicado por HVOF.

Figura 3 - é um gráfico representativo do desgaste de um conjunto de deslizamento convencional com o desgaste do conjunto de deslizamento objeto da presente invenção, Descrição detalhada das figuras O conjunto de deslizamento 1, objeto da presente invenção, foi desenvolvido como uma resposta às exigências cada vez mais severas de aumento de desempenho e redução de consumo e emissão de poluentes a que os motores de combustão interna estão sujeitos. O conjunto de deslizamento 1, objeto da presente invenção, compreende pelo menos uma camisa de cilindro 2 de formato substancialmente cilíndrico definindo uma superfície interna de deslizamento 3 e um anel 4 definindo pelo menos uma superfície lateral externa de deslizamento 5, de forma que a superfície lateral externa 5 do anel 4 é deslizante em relação à superfície interna 3 da camisa 2.

De modo preferível, o anel 4 é um anel de primeiro canalete ou anel de compressão, mas é evidente que ele pode assumir quaisquer outras configurações possíveis, como por exemplo um anel de segundo canalete ou ainda um anel raspador de óleo, sem que a invenção resultante deixe de estar incluída no escopo de proteção das reivindicações apensas. Da mesma forma, sua geometria específica é irrelevante no tocante ao escopo de proteção. Por fim, o material base constituinte do anel pode variar livremen- te, contanto que permita a aplicação de um revestimento que será detalhado mais adiante. De modo preferível, o anel 4 é constituído por ferro fundido ou aço inoxidável. A camisa de cilindro 2, por sua vez, também pode assumir diversas configurações específicas, com diâmetros internos e perímetro externo que podem variar livremente, lembrando que este último apresenta, via de regra, elementos que facilitam sua fixação ao bloco de motor (não ilustrados). O material base da camisa é, de modo preferível, mas não obrigatório, ferro fundido cuja composição específica pode variar em função de parâmetros de projeto e de funcionamento do motor na qual será instalada.

Outros materiais quaisquer podem ser utilizados desde que funcionais, como por exemplo o aço fundido, sem que a camisa resultante deixe de estar incluída no escopo de proteção das reivindicações.

Quaisquer que sejam as constituições específicas do anel 4 e da camisa 2, a superfície 5 do anel possui um primeiro revestimento 6 de nitreto metálico aplicado pelo processo de deposição física de vapor (physical va-pour deposition - PVD) que desliza por sobre um segundo revestimento 7 de DLC (diamond like carbon) aplicado por sobre a superfície interna 3 da camisa 2. Desta forma, fica evidente que o material constituinte do anel e da camisa podem variar livremente contanto que viabilizem a aplicação dos respectivos revestimentos.

Após diversos estudos, a depositante percebeu que o estudo isolado do anel de pistão e da camisa não era suficiente para garantir que os dois em operação, quando o anel desliza axialmente no interior da camisa durante os bilhões de ciclos de operação do motor.

As diversas camadas 5,5’ do revestimento 3 são aplicadas por um processo conhecido pelos técnicos no assunto como deposição física de vapor (em inglês, physical vapour deposition - PVD).

Cumpre notar que o processo de deposição por deposição física de vapor envolve processos puramente físicos, tais como temperatura elevada, evaporação a vácuo ou bombardeamento por plasma. Adicionalmente, pode-se adicionar um gás, como por exemplo o Nitrogênio (N2), de maneira que esse combine com o material metálico que está sendo depositado e forme nitretos. Entre os processos utilizados para evaporar o material metálico da fonte (catodo alvo) um dos mais conhecidos é o arco catódico, onde um arco elétrico de alta potência é dirigido à fonte de material, evaporando-o e gerando íons que são depositados na peça. Em presença de gases como o Nitrogênio (N2), o nitreto do material metálico é depositado na peça.

Ou seja, o processo de deposição por arco catódico é uma técnica de deposição física de vapor onde um arco elétrico é usado para vaporizar material de um catodo alvo. O material vaporizado então condensa sobre um substrato, formando um filme fino.

Em essência, o controle da pressão do gás Nitrogênio (N2) e do metal vaporizado permite o controle preciso do revestimento que se seja obter. No caso da presente invenção, o revestimento 6 do anel 4 é composto preferivelmente por CrN, CrCN/C ou TiN, sendo mais preferivelmente composto por CrN. O revestimento 6 do anel 4 apresenta dureza entre 1000 HV e 2300 HV, espessura maior (>) que 5 pm, preferencialmente entre 20 pm e 40 pm e apresenta morfologia colunar. O revestimento 7 da camisa 2 apresenta dureza entre 10 GPa e 20 GPa, espessura maior (>) que 1 pm, preferencial mente entre 2 pm e 15 pm e apresenta morfologia gradiente. O presente par deslizante apresenta um desgaste mais reduzido de seus componentes, garantindo com isso maior durabilidade dos motores dentro dos seus parâmetros originais ou ideais de funcionamento. O gráfico da figura 2 ilustra o desgaste medido da camisa de cilindro 2 com revestimento 7 de DLC, após 1000 horas, contra o anel de pistão 4 com revestimento 6 de nitreto de cromo aplicado por PVD e, comparativamente, contra um anel de pistão qualquer, com revestimento de nitreto de cromo aplicado por pelo processo HVOF. O teste foi feito em um motor de 6 cilindros em linha, onde as camisas eram de ferro fundido perlítico com o revestimento DLC.

Em valores médios, após 1000 horas de funcionamento do mo- tor, o uso de anéis de pistão com revestimento aplicado por HVOF acarretou um desgaste das camisas de cerca de 16pm na posição de ponto morto superior (PMS), ao passo que o uso de anéis 4 com revestimento de CrN aplicado por PVD fez o desgaste das camisas de idêntica configuração diminuir para cerca de 3pm em PMS, O gráfico da figura 3, por sua vez, mostra o desgaste comparativo entre dois pares deslizantes, sendo um primeiro par deslizante formado por uma camisa convencional aliada ao anel 4 com revestimento de CrN a-plicado por PVD e um segundo par deslizante formado pela camisa com o revestimento DLC aliada ao anel 4 com revestimento de CrN aplicado por PVD. O gráfico ilustra medidas de desgaste em cada um dos componentes tomados após 500 horas e 1000 horas e deixa claro que, após as 500 horas de teste, o conjunto objeto da presente invenção teve um desgaste 23,4% mais reduzido em comparação com o conjunto que usa uma camisa convencional. Após 1000 horas os resultados são ainda mais vantajosos, com desgaste 29,5% menor. Basta olhar que o conjunto de deslizamento objeto da presente invenção 1 apresentou, em 1000 horas de teste, um valor de desgaste que o conjunto dotado da camisa convencional apresentou na metade do tempo.

Esses resultados subvertem o que se espera, segundo o qual quanto maior a dureza do revestimento do anel, maior seria o desgaste na camisa. O resultado foi inesperado, pois a medida que se aumente a dureza superficial da camisa espera-se um maior desgaste no anel e o resultado obtido foi surpreendentemente oposto ao esperado pois uma maior dureza da superfície da camisa resultou em um menor desgaste nos anéis. Esta redução está ilustrada nos gráficos das figuras 2 e 3, o que corrobora os estudos tribológicos levados ao conhecimento pela depositante.

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

1. Conjunto de deslizamento para uso em um motor de combustão interna, compreendendo pelo menos uma camisa de cilindro (2) de formato cilíndrico definindo uma superfície interna de deslizamento (3) e um anel (4) definindo por pelo menos uma superfície lateral externa de deslizamento (5), a superfície externa de deslizamento (5) do anel (4) sendo deslizante em relação à superfície interna (3) da camisa (2), o conjunto sendo caracterizado pelo fato de que a superfície (5) do anel possui um primeiro revestimento (6) de nitreto metálico aplicado pelo processo de deposição física de vapor (physical vapour deposition - PVD) que desliza por sobre um segundo revestimento (7) de DLC (diamond like carbon) aplicado por sobre a superfície interna (3) da camisa (2).

2. Conjunto de deslizamento de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o revestimento (6) do anel (4) é composto preferivelmente por CrN, CrCN/C ou TiN.

3. Conjunto de deslizamento acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o revestimento (6) do anel (4) é composto mais preferivelmente por CrN.

4. Conjunto de deslizamento de acordo com a reivindicação 1, 2 ou 3, caracterizado pelo fato de que o revestimento (6) do anel (4) apresenta dureza entre 1000 HV e 2300 HV, espessura maior (>) que 5 pm, preferencialmente entre 20 pm e 40 pm e apresenta morfologia colunar.

5. Conjunto de deslizamento de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o revestimento (7) da camisa (2) apresenta dureza entre 10 GPa e 20 GPa, espessura maior (>) que 1 pm, preferencialmente entre 2 pm e 15 pm e apresenta morfologia gradiente.

6. Conjunto de deslizamento acordo com a reivindicação 1, 2, 3 ou 4, caracterizado pelo fato de que o anel possui base de aço inoxidável ou de ferro fundido.

7. Conjunto de deslizamento acordo com a reivindicação 1 ou 5, caracterizado pelo fato de que a camisa (2) possui base metálica.

8. Conjunto de deslizamento acordo com a reivindicação 7, ca- racterizado pelo fato de que a camisa (2) possui base de ferro fundido.

9. Conjunto de deslizamento acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a camisa (2) possui base em liga de alumínio.