BR102013031497A2 - processo de revestimento de um cilindro de um motor a combustão interna e cilindro/camisa de motor - Google Patents

Abstract

processo de revestimento de um cilindro de um motor a combustão interna e cilindro/camisa de motor. a invenção se refere, de maneira geral, a um motor de combustão interna e, mais especificamente, a invenção está relacionada a um processo de revestimento de um cilindro de motor a combustão interna ou a uma camisa removível de um motor a combustão interna. de acordo com uma realização da invenção, o processo é realizado por deposição de vapor químico assistida por plasma, sendo que o processo é caracterizado por compreender as etapas de: a) prover um componente em um sistema de deposição; b) gerar uma pressão negativa no interior do sistema de deposição compreendida entre 400 e 600 m torr em uma atmosfera inerte formada por argônio, hidrogênio ou suas misturas; c) ativar a superfície a ser depositada a uma tensão de bias compreendida entre 300 e 550 vbias d) ionização do componente a tensão de bias compreendida entre 800-1.200 vbias na presença de argônio, nitrogênio, um gás hidrocarboneto ou suas misturas a uma pressão compreendida entre 100 e 300 mtorr; e) deposição de uma camada adesiva utilizando-se si como precursor, a uma tensão de bias compreendida entre 50 a 400 vbias e a uma pressão compreendida entre 200 a 500 mtorr em atmosfera formada por um gás hidrocarboneto; f) deposição de uma camada de transição em que e introduzido gradativamente um carbono amorfo e reduzido, gradativamente, o precursor si até a eliminação completa do precursor; e g) deposição de uma camada superior que compreende um carbono amorfo e nenhum precursor.

Description

“PROCESSO DE REVESTIMENTO DE UM CILINDRO DE UM MOTOR A COMBUSTÃO INTERNA E CILINDRO/CAMISA DE MOTOR” Campo da Invenção A invenção se refere, de maneira geral, a um motor de combustão interna e, mais especificamente, a invenção está relacionada a um processo de revestimento de um cilindro de motor a combustão interna ou a uma camisa removível de um motor a combustão interna.

Antecedentes da Invenção Motores a combustão interna, tais como os motores que empregam os conhecidos ciclos Otto ou Diesel, são ampla e comumente utilizados em veículos destinados à mobilidade tanto de pessoas como de bens, tais como veículos de passeio, de transporte e de cargas, incluindo caminhões e locomotivas. Em síntese, estes motores utilizam um combustível contendo alto teor de hidrocarbonetos, como combustíveis fósseis ou oriundos de fontes renováveis, para transformar a energia térmica da queima do combustível em energia cinética.

Existe hoje uma preocupação crescente com a diminuição das emissões produzidas pelos motores a combustão interna, que são responsáveis por grande parte da produção de C02 na atmosfera. A mudança climática é um dos mais relevantes desafios ambientais da atualidade, com consequências possivelmente graves. Este problema vem sendo causado pela intensificação do efeito estufa, que, por sua vez, está relacionado ao aumento da concentração na atmosfera de gases geradores de efeito estufa (GEE), dentre eles o dióxido de carbono.

Nos últimos anos, a fim de minimizar a emissão de gases nocivos ao ambiente, como o monóxido de carbono (CO), gases hidrocarbonetos (HC), o óxidos de nitrogênio (NOx), bem como de materiais particulados e/ou outros GEEs, uma série de tecnologias foi incorporada aos motores a combustão interna. A redução de emissões de gases está relacionada, dentre outros fatores, ao aumento do rendimento térmico do motor e, consequentemente, a redução do consumo específico de combustível.

Nesse sentido, tecnologias como a injeção eletrônica, o catalisador, filtros de materiais particulados são, hoje em dia, bastante difundidas e empregadas quase que obrigatoriamente em todos os motores a combustão interna. Outras tecnologias mais recentes, como a injeção direta de combustível, o common-rail para motores que utilizam o ciclo Diesel, e a utilização em maior escala de tecnologias há muito conhecidas, como compressores mecânicos ou turbocompressores, também estão sendo associadas a fim de aumentar a eficiência energética e atender normas de emissões cada vez mais rígidas.

Como consequência, os motores a combustão estão desenvolvendo uma maior potência por volume de deslocamento do pistão no cilindro, comumente denominada de potência específica. O rendimento de um motor a combustão no ciclo Otto na década de 1980 chegava, em média, a 50 CV/L, e hoje facialmente pode atingir mais de 100 CV/L. Isso significa que a pressão de combustão no interior dos cilindros aumentou consideravelmente, o que também significa que os motores a combustão estão trabalhando sob maiores esforços mecânicos, maior rotação, e temperatura mais elevada. Dessa forma, seus componentes devem ser igualmente dimensionados para suportar estas condições operacionais mais severas, a fim de garantir tanto a confiabilidade do conjunto como manter a vida útil esperada, hoje estimada em cerca de 300.000 km para motores do ciclo Otto de carros de passeio.

Adicionalmente, está sendo cada vez mais difundida a tecnologia comumente conhecida como Start/Stop, em que o motor a combustão é automaticamente desligado quando o veículo não está em movimento, e volta a ser ligado quando o motorista aciona a embreagem ou libera o pedal de freio, por exemplo. Esta técnica possui a finalidade de reduzir o consumo de combustível e, consequentemente, diminuir a emissão de gases quando o veículo não está em movimento como, por exemplo, em paradas de semáforos ou durante o trânsito. Entretanto, o desligamento e religamento constante do motor a combustão significa que componentes são submetidos a uma baixa lubrificação com maior frequência, aumentando assim o desgaste de seus componentes.

Portanto, motores a combustão interna estão sendo submetidos, cada vez mais, a condições de operação mais severas, tanto no sentido do aumento dos esforços mecânicos, de rotação e de temperatura, como no sentido de diminuição da lubrificação.

Um dos componentes que está mais sujeito aos esforços gerados pelos motores a combustão é o cilindro ou camisa do pistão, este último no caso de blocos de motores que empregam camisas removíveis. É notório que o aumento da potência específica significa, igualmente, uma maior pressão exercida na parede do cilindro ou da camisa. Consequentemente, devem suportar tanto os maiores esforços de pressão como de atrito. São conhecidos revestimentos realizados em carbono tipo diamante (Diamond-Like Carbon - DLC) que, em síntese, consiste de um material de carbono amorfo que pode ser realizados em diferentes formas e apresenta propriedades semelhantes ao diamante, mas com vantagens como a possibilidade de deposição em grandes áreas e alta aderência em materiais metálicos.

Tais revestimentos realizados em DLC apresentam inúmeras vantagens em relação à maior dureza, e consequentemente maior resistência ao desgaste, e menor atrito. No entanto, pelos processos convencionais conhecidos, existem problemas relacionados à perfeita adesão do revestimento ao substrato, fato que pode fazer com que o revestimento se desprenda quando submetido a altas pressões de trabalho. Além do mais, as taxas de deposição são relativamente baixas, comprometendo a produtividade e o custo relacionado à fabricação. A invenção visa prover um processo de revestimento de um cilindro que supere os inconvenientes encontrados no estado da técnica.

Descrição da Invenção Portanto, é um primeiro objetivo da invenção prover um processo de revestimento de um cilindro, particularmente um revestimento de DLC, que proporcione uma melhor adesão entre o revestimento e o substrato.

Um objetivo adicional da presente invenção é prover um processo de revestimento de um cilindro, particularmente um revestimento de DLC, que apresente taxas de deposição mais altas em relação aos processos conhecidos. A fim de atender os objetivos acima, dentre outros, a invenção refere-se a um processo de revestimento de um cilindro de um motor a combustão interna, o revestimento sendo realizado por deposição de vapor químico assistida por plasma, sendo que o processo compreende as etapas de: a) prover um componente em um sistema de deposição; b) gerar uma pressão negativa no interior do sistema de deposição compreendida entre 400 e 600 mTorr (0,53 e 0,8 milibars) em uma atmosfera inerte formada por Argônio, Hidrogênio ou suas misturas; c) ativar a superfície a ser depositada a uma tensão de bias compreendida entre 300 e 550 Vbias; d) ionização do componente a tensão de bias compreendida entre 800-1.200 Vbias na presença de Argônio, Nitrogênio, um gás hidrocarboneto ou suas misturas a uma pressão compreendida entre 100 e 300 mTorr (0,13 e 0,4 milibars); e) deposição de uma camada adesiva utilizando-se Si como precursor, a uma tensão de bias compreendida entre 50 a 400 Vbjas e a uma pressão compreendida entre 200 a 500 mTorr (0,27 a 0,67 milibars) em atmosfera formada por um gás hidrocarboneto; f) deposição de uma camada de transição em que e introduzido gradativamente um carbono amorfo e reduzido, gradativamente, o precursor Si até a eliminação completa do precursor; e g) deposição de uma camada superior que compreende um carbono amorfo e nenhum precursor.

De acordo com realizações adicionais ou alternativas da invenção, as seguintes características, sós ou em combinação, também podem estar presentes: - dito cilindro é formado diretamente em um bloco de um motor a combustão interna; - dito cilindro é formado em uma camisa de pistão removível de um bloco de motor a combustão interna; - dito cilindro é realizado em um material metálico; - dito material metálico é alumínio, ou uma liga de alumínio, ou um ferro fundido ou um aço; - a atmosfera no passo (d) compreende Argônio e Nitrogênio em diferentes proporções; - a atmosfera no passo (d) compreende Argônio e um gás hidrocarboneto em diferentes proporções; - o gás hidrocarboneto é CH2 e/ou CH4 e/ou C2H2 e/ou CH3S1CI3 e/ou C4Hi40Sí2; - a taxa de deposição é igual ou superior a 1pm por minuto.

Descrição de Realizações da Invenção A invenção é agora descrita com relação às suas realizações particulares. Realizações específicas são descritas em detalhes, com o ser formada por Argônio, Hidrogênio ou uma mistura destes. Esta etapa de geração de vácuo a uma atmosfera inerte no interior do sistema de deposição pode durar entre 120 e 300 s, dependendo do tamanho do componente e eficiência da bomba de vácuo.

Em seguida, a sequência do processo de deposição é iniciada com a ativação da superfície a ser depositada sob a atmosfera inerte por um período de 180 a 360 segundos, sendo que é aumentada a tensão de bias (Vbias) a um valor compreendido entre 300 e 550 Vbias- Esta etapa de ativação da superfície resulta em um bombardeamento de elétrons na superfície do componente e, dessa forma, o aquecimento do componente, o que permite uma limpeza superficial para receber a deposição da camada.

Em seguida, inicia-se a ionização do componente para receber uma camada adesiva para promover uma boa aderência da camada de DLC sobre o substrato. Nesse sentido, a etapa de ionização envolve aumentar a tensão de bias de 800-1.200 Vbias na presença de um gás inerte como Argônio, Nitrogênio, ou um gás hidrocarboneto, tal como CH2 e/ou CH4 e/ou C2H2 e/ou CH3SÍCI3 e/ou C4H14OSÍ2, ou suas misturas, igualmente a uma baixa pressão compreendida entre 100 e 300 mTorr. De forma preferencial, a atmosfera inerte deve compreender uma mistura de Argônio com Nitrogênio ou uma mistura de Argônio com um gás hidrocarboneto em diferentes proporções, e esta etapa pode durar de 60 a 180 segundos, dependendo da espessura a ser revestida, utilizando-se como precursor, preferencialmente, 0 Si.

Em seguida, continua-se a deposição da camada adesiva. Nesta etapa, a tensão de bias deve ser reduzida para um valor entre 50 a 400 Vbias e a pressão reduzida para 200 a 500 mTorr em uma atmosfera formada, preferencialmente, por um gás hidrocarboneto tendo Si como precursor. Tipicamente, esta etapa pode durar de 60 a 240 segundos, dependendo da espessura que se deseja revestir. entendimento que devem ser consideradas uma exemplificação de seus princípios, e não se destina a limitar a invenção ao que está apenas descrito no presente relatório. Deve-se reconhecer que os diferentes ensinamentos das realizações discutidas a seguir podem ser empregados separadamente ou em qualquer combinação adequada para produzir os mesmos efeitos técnicos.

Conforme mencionado anteriormente, a invenção visa prover um cilindro ou camisa de pistão com uma resistência aprimorada ao desgaste e, igualmente, promover um menor atrito entre o pistão e anéis e as paredes do cilindro ou camisa. A deposição de uma camada de DLC pode ser realizada através de diversas técnicas diferentes sendo que, para o processo da invenção, é particularmente de interesse a deposição por vapor químico assistida por plasma (Plasma Assisted Chemical Vapour Deposition - PACVD) gerada pelo efeito de cátodo oco (Hollow Cathod Effect - HCE). Nos processo de PACVD, um plasma ajuda na deposição da camada na fase gasosa. Precursores contendo os elementos da camada a ser depositada são utilizados na forma de gases ou vapores. Estes percussores podem ser C, Si ou N, dentre outros, associados a um gás inerte ou não, dependendo da camada a ser depositada. O processo se inicia ao colocar um componente no sistema de deposição, este componente sendo, particularmente, um cilindro de um motor a combustão interna, seja este cilindro formado diretamente no bloco do motor ou formado por uma camisa de pistão. O sistema de deposição pode ser qualquer sistema de deposição PACVD com efeito de cátodo oco, ou seja, com o componente funcione como um cátodo com a ligação de um ânodo a cada uma das extremidades do componente.

Em seguida, inicia-se a formação de vácuo no interior do sistema de deposição com a presença de uma atmosfera inerte a uma baixa pressão, tipicamente compreendida entre 400 e 600 mTorr. Tal atmosfera inerte pode A fim de garantir uma boa adesão da camada superficial e a camada de suporte, deve-se proporcionar uma camada de transição, que consiste de uma camada gradiente na qual é gradativamente diminuída a quantidade do precursor, no caso Si, e aumentada a quantidade de C no sentido ortogonal ao substrato. Nesse sentido, à medida que a camada de transição é depositada, é continuamente diminuída a porcentagem do precursor e aumentada a porcentagem de DLC, para se chegar à terceira camada formada, essencialmente, apenas pela deposição de DLC, como ficará mais claro adiante. Dessa forma, nesta etapa de deposição da camada de transição, deve ser mantida a tensão de bias entre 50 e 400 Vbias em uma atmosfera inerte formada essencialmente por um gás hidrocarboneto a uma pressão entre 200 e 500 mTorr por 60 a 300 segundos, dependendo da espessura da camada de transição que se deseja ser obtida. Finalizada a formação da camada de transição, inicia-se a formação da camada superior realizada essencialmente de DLC, nas mesmas condições de pressão, tensão de bias e atmosfera a que foram submetidas a etapa de formação da camada de transição, por um período que pode variar entre 120 e 600 s, dependendo da espessura da deposição da camada de DLC.

Um revestimento obtido tal como aqui descrito é conhecido, por exemplo, na publicação WO 2012/106791, de mesma titularidade da Depositante, incorporado aqui por referência, e pode apresentar uma espessura total que varia 1 e 25 pm. Apesar de a camada obtida pelo processo da invenção ser tecnicamente semelhante àquela descrita na publicação do estado da técnica, o processo da invenção apresenta vantagens em proporcionar uma maior taxa de deposição, permitindo que seja realizado mais rapidamente, além de uma maior aderência da camada de DLC ao substrado, de forma que esta se “lasque” ou se solte quando submetida a esforços mecânicos, ou seja, permite um revestimento com características tribológicas aprimoradas. O substrato deve ser um substrato metálico, que pode ser formado por ferro fundido, um aço, alumínio ou uma liga de alumínio. A camada superficial de DLC assim formada apresenta inúmeras vantagens como o baixo coeficiente de atrito, alta resistência ao desgaste, alta dureza e excelente aderência ao substrato metálico.

Apesar de a invenção ter sido descrita com relação às suas realizações particulares, os técnicos no assunto poderão realizar alterações ou combinações não contempladas acima sem, no entanto, se desviar dos ensinamentos aqui descritos, além de expandir para outras aplicações não apreciadas no presente relatório descritivo. Portanto, as reivindicações anexas devem ser interpretadas como cobrindo todos e quaisquer equivalentes que se enquadram dentro dos princípios da invenção.

Claims (10)

1. PROCESSO DE REVESTIMENTO DE UM CILINDRO DE UM MOTOR A COMBUSTÃO INTERNA, por deposição de vapor químico assistida por plasma, sendo que o processo é caracterizado por compreender as etapas de: a) prover um componente em um sistema de deposição; b) gerar uma pressão negativa no interior do sistema de deposição compreendida entre 400 e 600 mTorr em uma atmosfera inerte formada por Argônio, Hidrogênio ou suas misturas; c) ativar a superfície a ser depositada a uma tensão de bias compreendida entre 300 e 550 Vbjas; d) ionização do componente a tensão de bias compreendida entre 800-1.200 Vbias na presença de Argônio, Nitrogênio, um gás hidrocarboneto ou suas misturas a uma pressão compreendida entre 100 e 300 mTorr; e) deposição de uma camada adesiva utilizando-se Si como precursor, a uma tensão de bias compreendida entre 50 a 400 Vbias e a uma pressão compreendida entre 200 a 500 mTorr em atmosfera formada por um gás hidrocarboneto; f) deposição de uma camada de transição em que e introduzido gradativamente um carbono amorfo e reduzido, gradativamente, o precursor Si até a eliminação completa do precursor; e g) deposição de uma camada superior que compreende um carbono amorfo e nenhum precursor.

2. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que dito cilindro é formado diretamente em um bloco de um motor a combustão interna.

3. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que dito cilindro é formado em uma camisa de pistão removível de um bloco de motor a combustão interna.

4. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que dito cilindro é realizado em um material metálico.

5. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que dito material metálico é alumínio, ou uma liga de alumínio, ou um ferro fundido, ou um aço.

6. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a atmosfera no passo (d) compreende Argônio e Nitrogênio em diferentes proporções.

7. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a atmosfera no passo (d) compreende Argônio e um gás hidrocarboneto em diferentes proporções.

8. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o gás hidrocarboneto é CH2 e/ou CH4 e/ou C2H2 e/ou CH3SÍCI3 e/ou C4H14OSÍ2.

9. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a taxa de deposição é igual ou superior a 1pm por minuto.

10. CILINDRO/CAMISA DE MOTOR, caracterizada pelo fato de se produzida pelo processo descrito em qualquer das reivindicações anteriores.