BR102015008817A2 - anel de pistão para motores de combustão interna - Google Patents

Abstract

resumo patente de invenção: "anel de pistão para motores de combustão interna". a presente invenção refere-se a um anel de pistão (1) para motores de combustão interna dotado de uma base (2) substancialmente anelar de uma liga ferrosa sobre a qual se aplica um revestimento (4) multicamadas compreendendo uma primeira camada de ligação (10) e pelo menos uma primeira camada externa (11) ou uma segunda camada externa (12), depositadas sobre a primeira camada de ligação (10) até um máximo de 100 micrômetros de espessura de uma pluralidade de primeiras e segundas camadas externas (11, 12) sequencialmente depositadas, de modo a garantir ao anel de pistão (1) excelente resistência ao desgaste, devido à elevada aderência do revestimento à base, menor tensão interna, elevada dureza e baixa porosidade.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "ANEL DE PISTÃO PARA MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA".

[001] A presente invenção refere-se a um anel de pistão para motores de combustão interna, em que ao menos a base do anel de pistão é provida de um revestimento multicamadas composto por nitretos, aplicado por um processo de deposição física de vapor, oferecendo excelente resistência ao desgaste, devido à elevada aderência do revestimento à base, menor tensão interna, elevada dureza e baixa po-rosidade.

Descrição do estado da técnica [002] Os motores de combustão interna são constituídos basicamente por duas partes principais: um bloco de motor (dotado de um ou mais cilindros) e um conjunto de árvore de manivelas ou conjunto vira-brequim, ao qual estão associados um ou mais cabeçotes. O conjunto de árvore de manivelas contém pistões, bielas e o virabrequim, sendo esse conjunto o responsável pelo deslocamento dos pistões dentro dos cilindros do bloco do motor. O pistão é uma peça cilíndrica, usualmente composta por uma base metálica e compreende um ou mais anéis, responsáveis por providenciar uma vedação deslizante entre a borda externa do pistão e a parede interna do cilindro.

[003] Usualmente, os motores de 4 tempos mais modernos, utilizam 3 anéis em cada pistão, sendo dois anéis de compressão e um anel de óleo. Os dois anéis situados mais próximos da cabeça do pistão são chamados segmentos de compressão e têm por finalidade assegurar que não haja fuga da mistura gasosa para o interior do cárter no momento em que o pistão efetua o movimento de compressão. O terceiro anel do pistão é chamado anel de óleo e tem por finalidade raspar o excesso de óleo da parede do cilindro, controlando a espessura do filme de óleo.

[004] Os anéis de pistão são, geralmente, formados por uma ba- se externa metálica à qual é aplicada ao menos uma camada de revestimento, apropriado para entrar em contato com a parede do cilindro. A função do revestimento é das mais importantes, pois busca conferir ao anel propriedades de baixo atrito ao deslizamento, alta resistência ao desgaste, dureza e tenacidade.

[005] Via de regra, a aplicação de camadas de revestimento se dá por processos de revestimento por íons, especialmente por deposição física de vapor {PVD - physical vapor deposition), deposição química de vapor (CVD - Chemical vapor deposition) ou por um processo de revestimento galvânico.

[006] Entre os processos utilizados para revestimento dos anéis de pistão, o processo de deposição física de vapor {PVD) apresenta vantagens interessantes, como, por exemplo, a possibilidade do processo operar a pressões de trabalho muito baixas, possibilitando a sin-terização de materiais de alta pureza, melhoria na adesão do revestimento à base, devido à possibilidade de se "limpar" a superfície da base por meio de um bombardeamento iônico; espessura de revestimento uniforme, controle da estrutura cristalina do revestimento, não se utilizam quaisquer efluentes ou poluentes, dado que na maior parte dos casos não intervém produtos ou soluções tóxicas e as temperaturas de deposição são relativamente baixas.

[007] Os processos básicos para deposição física de vapor {PVD) são conhecidos como evaporação e pulverização {sputtering). O arco catódico (evaporação) produz um micro fusão superficial do cato-do/alvo, pulverizando gotículas de líquido, ou macropartículas (partículas de detritos líquidos ou sólidos que são produzidos no processo de arco catódico). Essas macropartículas podem variar em tamanho até cerca de 100 nanômetros, enquanto que a média de diâmetro destas macropartículas está entre 5 e 30 nanômetros e afetam muitas propriedades dos revestimentos, tais como atrito, desgaste e resistência à corrosão, resistividade, e reflectividade.

[008] A resistência à corrosão, por exemplo, é comprometida quando uma macropartícula é incorporada no revestimento, podendo ser considerada uma descontinuidade em um revestimento denso e contínuo. Usualmente, considera-se uma direção possível, a utilização de filtros, porém esses filtros reduzem a taxa de deposição e aumentam a complexidade e custo dos equipamentos.

[009] O processo PVD por pulverização é uma vaporização não térmica, que envolve a ejeção de átomos ou moléculas de uma fonte. Uma evolução desta técnica como, por exemplo, o método de pulverização por magnetron em alta potência pulsada HiPIMS (High Power Impulse Magnetron Sputtering) possibilita a obtenção de revestimentos sem a presença de macropartículas e densos, viabilizando aplicação deste para anéis de pistão.

[0010] Atualmente, os anéis de pistão do estado da técnica são providos de uma base externa ou base deslizante dotada de um revestimento monocamada de nitreto de cromo (CrN) que fornece alta resistência ao desgaste. Esse revestimento é obtido por um processo PVD por arco catódico.

[0011] Quando utilizado em motores com alta carga e elevado nível de pressão de combustão, esse revestimento apresenta um comportamento frágil, o que leva ao aparecimento de micro fraturas na base dos anéis de pistão, devido à elevada tensão interna. Essas micro-fraturas se propagam, levando ao destacamento de pequenos pedaços do revestimento, gerando vazios na base, podendo chegar a riscar a superfície da camisa de cilindro.

[0012] Ainda existe a possibilidade de formação de macropartículas, conforme descrito anteriormente, que podem levar à perda da a-desão da camada de revestimento na base, além de gerar uma superfície rugosa e levar a uma diminuição da porosidade da base deslizan- te, efeitos indesejados para um revestimento de anéis de pistão.

[0013] Os documentos do estado da técnica PI 1102335-0 e PI 1102336-8, do mesmo titular da presente invenção, revelam a utilização de um processo de pulverização por magnetron em alta potência pulsada HiPIMS para obtenção de um revestimento monocamada em elementos dotado de superfícies de deslizamento para uso em motores de combustão interna. Tal processo de deposição garante elevada resistência ao desgaste, além de baixa tensão interna.

[0014] Cumpre notar que os revestimentos apresentados no estado da técnica são do tipo monocamada, ou seja, apenas uma camada depositada. De acordo com o processo de deposição, o revestimento monocamada apresenta maior ou menor resistência ao desgaste, porém sem apresentar resistência suficiente e ideal para a utilização em anéis de pistão de motores de alta carga.

[0015] Faz-se assim necessário encontrar um anel de pistão, em que ao menos a base do anel de pistão seja provida de um revestimento multicamadas composto por nitretos, que ofereça excelente resistência ao desgaste, devido à elevada aderência do revestimento à base, menor tensão interna, elevada dureza e baixa porosidade. Objetivos da invenção [0016] O objetivo da presente invenção está em prover um anel de pistão compreendendo uma base dotada de um revestimento multica-mada, o qual garanta excelente resistência ao desgaste, devido à elevada aderência do revestimento à base, menor tensão interna, elevada dureza e baixa porosidade.

[0017] É, também, um objetivo da presente invenção prover um anel de pistão compreendendo uma base dotada de um revestimento composto por um nitreto metálico, o qual possa ser aplicado por um processo de deposição por arco catódico ou por um processo de deposição física de vapor (PVD), por um método de pulverização por magnetron em alta potência pulsada (HiPIMS).

Breve descrição da invenção [0018] Os objetivos da presente invenção são alcançados por um anel de pistão para motores de combustão interna dotado de uma base substancialmente anelar de uma liga ferrosa sobre a qual se aplica um revestimento compreendendo primeira camada de ligação e pelo menos uma primeira camada ou uma segunda camada externas depositadas sobre a primeira camada de ligação até um máximo de 100 micrômetros de espessura de uma pluralidade de primeiras e segundas camadas externas sequencialmente depositadas, a primeira camada externa sendo composta por um nitreto de um elemento químico metálico (x) dopado, sendo o elemento dopante alumínio (Al), a segunda camada externa composta por um nitreto do elemento químico metálico (x), a primeira camada externa dotada de uma espessura maior que pelo menos uma vez a espessura da segunda camada externa e menor que dez vezes a espessura da segunda camada externa.

[0019] Os objetivos da presente invenção são ainda alcançados por um anel de pistão compreendendo o elemento químico metálico (x) selecionado entre cromo (Cr) ou titânio (Ti) ou nióbio (Nb), a primeira e segunda camadas externa dotadas de uma espessura entre 1 e 200 nanômetros, o revestimento compreendendo uma segunda camada de ligação depositada sobre a primeira camada de ligação, a primeira camada de ligação sendo composta por cromo (Cr) ou cromo/alumínio (CrAI) e a segunda camada de ligação composta por um nitreto de cromo dopado, sendo o elemento dopante alumínio (CrAIN) ou um nitreto de cromo (CrN), o revestimento compreendido pela primeira e segunda camadas de ligação e primeiras e segundas camadas externas apresentando uma dureza entre 1800 e 2500 HV (dureza Vickers), uma porosidade de 3% a 6% e uma tensão interna entre 200 e 700 MPa (mega Pascal).

[0020] Os objetivos da invenção são alcançados também por um processo para obtenção de um anel de pistão para motores de combustão interna, o revestimento compreendendo uma primeira camada de ligação, uma segunda camada de ligação, uma primeira camada externa e uma segunda camada externa, depositado por um processo de deposição por arco catódico ou por um processo de deposição física de vapor (PVD), por um método de pulverização por magnetron em alta potência pulsada (HiPIMS).

[0021] Ademais, os objetivos da presente invenção são alcançados por um motor de combustão interna compreendendo ao menos um anel de pistão tal como definido acima.

Descrição resumida dos desenhos [0022] A presente invenção será, a seguir, mais detalhadamente descrita com base em um exemplo de execução representado nos desenhos. As figuras mostram: [0023] Figura 1 - vista superior de um anel de pistão da presente invenção com as partes que o constituem;

[0024] Figura 2 - representação do revestimento aplicado ao anel de pistão da presente invenção;

[0025] Figura 3 - representação construtiva do processo de deposição do revestimento da presente invenção;

[0026] Figura 4 - fluxograma das etapas do processo da presente invenção;

[0027] Figura 5 - representação gráfica de um teste comparativo para avaliação de desgaste entre os anéis de pistão do estado da técnica e os anéis de pistão da presente invenção;

[0028] Figura 6 - representação gráfica de um teste comparativo para avaliação de desgaste realizado entre os anéis de pistão do estado da técnica e os anéis de pistão da presente invenção.

Descrição detalhada dos desenhos [0029] A presente invenção refere-se a um anel de pistão 1 para motores de combustão interna dotado de uma base 2 substancialmente anelar de uma liga ferrosa sobre a qual se aplica um revestimento 4 multicamadas compreendendo uma primeira camada de ligação 10 e pelo menos uma primeira camada externa 11 ou uma segunda camada externa 12 depositadas sobre a primeira camada de ligação 10 até um máximo de 100 micrômetros de espessura de uma pluralidade de primeiras e segundas camadas externas 11, 12 sequencialmente depositadas, de modo a garantir ao anel de pistão 1 excelente resistência ao desgaste, devido à elevada aderência do revestimento à base, menor tensão interna, elevada dureza e baixa porosidade.

[0030] Para o correto entendimento da presente invenção, faz-se necessário um esclarecimento inicial quanto à utilização de anéis de pistão 1 para motores de combustão interna e quanto aos processos utilizados para aplicação de um revestimento 4 nos anéis de pistão 1.

[0031] De modo geral, o anel de pistão 1 é um elemento auto expansivo, ou seja, um elemento elástico com elevada força de expansão, que tem por finalidade promover a vedação dos gases de uma câmara de combustão dos motores de combustão interna, assim como fazer o controle do filme de óleo lubrificante na parede de um cilindro e servir como elemento de transmissão de calor do pistão para o cilindro.

[0032] Os anéis de pistão 1, em condições de trabalho, estão sujeitos às situações mais adversas possíveis, que podem levá-los a sofrer um desgaste prematuro. Dentre os principais causadores destes desgastes, podem ser citados: lubrificação insuficiente, motores trabalhando com cargas elevadas, entre muitos outros fatores que expõem as superfícies dos anéis de pistão a severos processos de desgastes por abrasão ou escoriações (scuffing).

[0033] Com o objetivo de minimizar o desgaste e aumentar a vida útil dos anéis de pistão 1, geralmente são utilizados, na superfície externa de trabalho, coberturas ou revestimentos compreendendo materiais mais duros e resistentes do que o material dos anéis 1.

[0034] Esses revestimentos são usualmente depositados por processos de revestimento por íons. Entre esses processos, o processo de deposição física de vapor (PVD) é amplamente utilizado.

[0035] O processo PVD é uma deposição atomística, no qual o material de deposição é vaporizado a partir de fontes de sólido, em forma de átomos ou moléculas, por meio de gases à baixa pressão (plasma) na direção da base externa de contato do anel de pistão 1, superfície na qual os gases se condensam. A formação do revestimento da base depende dos materiais vaporizados e o material da base, das condições da base, da energia disponível (temperatura e bombardeamento de íons) e da atmosfera (reações químicas, deposição reativa etc.).

[0036] Nesse sentido, a presente invenção revela um anel de pistão 1 compreendendo um revestimento 4 que apresenta como característica essencial uma configuração multicamadas, ou seja, múltiplas camadas depositadas sequencialmente, até uma espessura tal, que garanta excelente resistência ao desgaste. Esse revestimento 4 é aplicado preferencial mente, mas não obrigatoriamente, por um processo de deposição física de vapor (PVD) por um método de pulverização por magnetron em alta potência pulsada (HiPIMS - High Power Impulse Magnetron Sputtering), podendo ser aplicado também por um processo de deposição por arco catódico.

[0037] O anel de pistão 1 da presente invenção admite uma primeira configuração preferencial, mas não obrigatória, na qual o anel 1 é dotado de uma base 2 substancialmente anelar de uma liga ferrosa sobre a qual se aplica um revestimento 4 compreendendo uma primei- ra camada de ligação 10 e pelo menos uma primeira camada externa 11 ou uma segunda camada externa 12 depositadas sobre a primeira camada de ligação 10 até um máximo de 100 micrômetros de espessura de uma pluralidade de primeiras e segundas camadas externas 11,12 sequencialmente depositadas (vide figuras 1 e 2).

[0038] A primeira camada externa 11 é composta por um nitreto de um elemento químico metálico (x) dopado, sendo o elemento dopante alumínio (Al) e a segunda camada externa 12 composta por um nitreto do elemento químico metálico (x).

[0039] O elemento químico metálico (x) é selecionado entre cromo (Cr) ou titânio (Ti) ou Nióbio (Nb). Sendo assim, teremos a primeira camada externa 11 composta por nitreto de cromo dopado (CrAIN) e a segunda camada externa 12 composta por nitreto de cromo (CrN). Da mesma forma, se o titânio for utilizado teremos a primeira camada externa 11 composta por nitreto de titânio dopado (TiAIN) e a segunda camada externa 12 composta por nitreto de titânio (TiN). Caso o nióbio seja utilizado, teremos a primeira camada externa 11 composta por nitreto de nióbio dopado (NbAIN) e a segunda camada externa 12 composta por nitreto de nióbio (NbN).

[0040] O revestimento 4 do anel de pistão 1 da presente invenção compreende ainda a deposição de uma segunda camada de ligação 20 depositada sobre a primeira camada de ligação 10. A primeira camada de ligação 10 é composta por cromo (Cr) ou cromo/alumínio (CrAI) e a segunda camada de ligação 20 composta por um nitreto de cromo dopado, sendo o elemento dopante alumínio (CrAIN) ou por um nitreto de cromo (CrN).

[0041] A primeira camada de ligação 10 e a segunda camada de ligação 20, como o próprio nome diz, fazem a ligação entre a base 2 composta por um material ferroso macio e o revestimento 4 composto por um material duro, fazendo a transição do material macio para o material duro, garantindo a aderência do revestimento 4 à base 2. Cumpre notar que a deposição da segunda camada de ligação 20 é opcional. Nesse caso, o revestimento 4 compreende apenas a primeira camada de ligação 10.

[0042] O revestimento 4 compreende uma espessura entre 10 e 100 micrometros de tal modo que a primeira camada externa 11 e a segunda camada externa 12 são dotadas de espessuras em uma escala na ordem de nanômetros, sendo uma espessura de 1 nanômetro, opcionalmente 2 nanômetros, opcionalmente 3 nanômetros, opcionalmente 10 nanômetros, opcionalmente qualquer variação de dimensão até 200 nanômetros.

[0043] A primeira camada externa 11 é dotada de uma espessura superior a pelo menos uma vez e até no máximo dez vezes a espessura da segunda camada externa 12, resultando na seguinte equação para as espessuras: 1 < XAIN/XN < 10, ou seja, a razão entre a espessura da primeira camada externa 11 (XAIN) e a segunda camada externa 12 (XN) deve ser maior que 1 e menor do que 10.

[0044] A partir da equação descrita, entende-se que a primeira camada externa 11 terá uma espessura maior do que a espessura da segunda camada externa 12. Esse fato se dá, pois a primeira camada externa 11 compreende o elemento dopante alumínio (Al), o qual a-presenta baixa ou nenhuma oxidação e alta ductilidade. Tais propriedades garantem ao alumínio (Al) uma maior capacidade de deformação elástica, podendo assim absorver tensões e elevar a resistência ao desgaste. Desse modo, o revestimento 4, na forma de camadas externas 11,12 em que é apresentado, garante elevada resistência ao desgaste e baixa tensão interna, uma vez que a primeira camada externa 11 mais espessa do revestimento 4 é composta por alumínio (Al).

[0045] Ainda, o revestimento 4 compreende a primeira camada externa 11 e a segunda camadas externa 12 depositadas sequencialmente, em uma periodicidade que pode ir até milhares de camadas, compreendendo desde 2 camadas depositadas, sendo uma primeira camada externa 11 e uma segunda camada externa 12, 3 camadas depositadas, 4 camadas depositadas, 5 camadas depositadas, 6 camadas depositadas, 100 camadas depositadas, 500 camadas depositadas, 1000 camadas depositadas etc. A última camada depositada do revestimento 4 será uma primeira camada externa 11 ou uma segunda camada externa 12.

[0046] O principal efeito técnico alcançado pela presente invenção assenta no fato de que essas camadas funcionam como interfaces ou barreiras atuando contra a propagação de trincas no revestimento 4, aumentando assim a resistência do revestimento 4 quanto ao destacamento da base 2.

[0047] Em uma configuração preferencial, o processo de revestimento PVD da presente invenção foi realizado em um reator a vácuo, compreendendo catodos ou fontes de material de pulverização de magnetrons desbalanceados (UMB - Unbalanced Magnetron Sputte-ring) e pulverização por magnetron em alta potência pulsada (HiPIMS - High Power Impulse Magnetron Sputtering), os catodos UMB e Hi-PIMS funcionando simultaneamente para o fornecimento de material de revestimento.

[0048] O processo de deposição HiPIMS faz uso de um fenômeno que consiste em aumentar substancialmente a energia (maior velocidade) com que os íons chegam na base 2 metálica sobre a qual se dá o crescimento do revestimento 4, observando-se uma considerável modificação na estrutura e morfologia do revestimento 4.

[0049] O processo de deposição HiPIMS permite ainda a ionização do material, geralmente metálico (Cr, Ti, Mo, Nb, Al, etc.), antes da conversão em nitreto. Por sua vez, a aceleração dos íons metálicos com alta energia contra a superfície do revestimento 4 permite obter o relaxamento do revestimento 4 durante o seu crescimento sem perda de sua dureza.

[0050] Como consequência natural da elevada energia dos íons que formam o revestimento 4, particularidade do processo HiPIMS, ocorre uma significativa densificação do revestimento 4, resultando em uma redução da porosidade e uma excelente adesão dos íons na base 2.

[0051] Adicionalmente, este processo permite outra vantagem, possibilitando o crescimento do revestimento 4 livre de gotículas (mi-cropartículas). Consequentemente, o processo HIPIMS para deposição de revestimentos 4 permite alcançar propriedades tribológicas excelentes tais como resistência ao desgaste e ao destacamento.

[0052] Observando a figura 3, é possível notar que o processo de revestimento PVD da presente invenção compreende ao menos dois catodos, sendo um catodo UMB, o qual deposita cromo alumínio (CrAI) e um catodo HiPIMS compreendendo a deposição de cromo metálico (Cr), configurando a alternância necessária na deposição das camadas externas 11, 12 do revestimento 4.

[0053] Em outra configuração possível, o processo PVD da presente invenção compreende três catodos, sendo dois catodos UMB, depositando cromo alumínio (CrAI) e um catodo HiPIMS, fazendo a deposição de cromo metálico (Cr).

[0054] O processo PVD admite ainda uma terceira configuração possível compreendendo 4 catodos, sendo dois catodos UMB e um catodo HiPIMS depositando cromo alumínio (CrAI) e um segundo catodo HiPIMS fazendo a deposição de cromo metálico (Cr).

[0055] Cumpre notar que o reator à vácuo contém um número par ou ímpar de catodos, sendo que a seleção entre um, dois, três, quatro, cinco, seis, etc. catodos depende de cada projeto e necessidade.

[0056] Dessa forma, o processo de revestimento da presente invenção admite a deposição das camadas externas 11, 12 em escala nanométrica de materiais alternados, melhorando assim as propriedades antioxidantes, enquanto os ajustes nos parâmetros do processo resultam em uma menor tensão interna, melhorando a resistência à fragmentação e destacamento do revestimento.

[0057] Preferencial mente, o processo de revestimento PVD da presente invenção compreende um reator a vácuo dotado de quatro catodos, sendo ao menos um catodo HiPIMS, e cinco etapas de aplicação do revestimento 4 (vide figura 4). São elas: [0058] Etapa 1. Limpeza química e montagem dos anéis de pistão 1 no reator a vácuo. Antes da montagem dos anéis de pistão 1 no reator, realiza-se uma limpeza com soluções químicas, as quais retiram toda a oleosidade da superfície da base 2 dos anéis 1.

[0059] Etapa 2. Bombeamento e aquecimento do reator. Os anéis de pistão 1 devem ser desgaseificados, de modo a evitar qualquer contaminação. A etapa 2 compreende uma temperatura de até 400°C, a uma pressão abaixo de 0,00007 mBar (milibar), com duração de 90 minutos.

[0060] Etapa 3. Decapagem iônica dos anéis de pistão 1 provida por um catodo HiPIMS para limpeza da superfície da base 2. O potencial BIAS entre o plasma de revestimento e a superfície da base 2 proporciona o bombardeamento de cromo (Cr+) na superfície da ser revestida, processo esse provido pela pulverização da superfície. A etapa 3 ocorre em uma atmosfera de argônio puro e uma velocidade constante de 5 rpm (rotações por minuto), em uma temperatura de até 400°C, pressão de 0,001 mBar (milibar), em uma frequência de pulsação de cromo de 5,5 kW (quilowatts) e 100 Hz (Hertz), com potencial BIAS de -1,0 V (Volts) e duração de 30 minutos.

[0061] Etapa 4. Aplicação do revestimento 4 multicamada provido na base 2 do anel de pistão 1. Os catodos de cromo alumínio (CrAI) e cromo (Cr) são posicionados alternadamente depositando material ter-nário (CrAIN), primeira camada externa 11, e binário (CrN), segunda camada externa 12, na superfície externa na base 2 do anel 1. Cumpre notar que, o cromo (Cr+) é o responsável pelo bombardeamento iônico do revestimento 4 sendo depositado na superfície, aliviando tensões do revestimento 4.

[0062] Alternativamente, é possível realizar a etapa 4 compreendendo apenas uma segunda camada de ligação 20 (CrAIN) depositada sobre a primeira camada de ligação 10 (Cr), a segunda camada de ligação 20 funcionando como uma camada de suporte para aplicação das camadas externas 11, 12. Nessa configuração, a segunda camada de ligação 20 é pulverizada por catodos de nitreto de cromo (CrN).

[0063] A etapa 4 ocorre em uma atmosfera com mistura de 50% de argônio e nitrogênio, com temperatura entre 400°C e 420°C e pressão de 0,0022 mBar (milibar). Os catodos UBM depositando cromo alumínio (CrAI) com frequência de pulsação de 8,0 kW (quilowatts) e 23.0 Hz (Hertz), um primeiro catodo HiPIMS depositando cromo (Cr) com frequência de 8,0 kW (quilowatts) e 400 Hz (Hertz) e um segundo catodo HiPIMS depositando cromo alumínio (CrAI) com frequência de 8.0 kW (quilowatts) e 400 Hz (Hertz). A etapa 4 ocorre ainda com um potencial BIAS de -65 V (Volts) e tem duração de média de 600 minutos, variando de acordo com a espessura final do revestimento 4 depositado.

[0064] Etapa 5. Resfriamento e descarregamento dos anéis de pistão 1. Depois da aplicação completa do revestimento 4, os anéis de pistão 1 são mantidos dentro do reator a vácuo para resfriamento do sistema abaixo de 100°C, para então os anéis 1 serem removidos e o processo de revestimento ser reiniciado, com novos anéis 1 a serem revestidos. A etapa 5 é iniciada com uma temperatura de 420°C até alcançar a temperatura atmosférica, em uma pressão de 0,0022 mBar (milibar) até a pressão atmosférica, com duração de 90 minutos.

[0065] Foram realizados testes em motores para avaliação da resistência ao desgaste do anel de pistão 1 da presente invenção e da aderência do revestimento 4 à base 2 do anel de pistão 1. Os testes foram realizados a partir de três anéis de pistão 1 da presente invenção montados em motor Diesel de alta carga e dois anéis de pistão 1 da presente invenção montados em motor Diesel de alta velocidade.

[0066] O primeiro teste de avaliação de desgaste foi realizado em motor Diesel de alta carga e os anéis 1 foram submetidos à testes de choque térmico acelerado em dinamômetros durante 250 horas, nos quais as condições de deformação térmica do bloco e das camisas de cilindro do motor, além de condições severas de ruptura do filme de óleo, são particularmente observadas nas superfícies de trabalho do anel 1. Cumpre notar ainda, que as camisas de cilindro e anéis de pistão 1 foram obtidos do mesmo lotes de produção de modo a minimizar, tanto quanto possível, as variações envolvidas.

[0067] A figura 5 apresenta o resultado gráfico do teste comparativo para avaliação de desgaste acima descrito, sendo o estado da técnica I um anel de pistão 1 dotado de revestimento 4 monocamada compreendendo nitreto de cromo (CrN) depositado por arco catódico, enquanto o estado da técnica II compreende um revestimento 4 similar ao estado da técnica I, porém depositado por pulverização por magne-tron em alta potência pulsada (HiPIMS).

[0068] O gráfico da figura 5 apresenta ainda um anel de pistão 1 da presente invenção em uma configuração I dotado de um revestimento 4 multicamada compreendendo as camadas externas 11, 12 sequencialmente depositadas de nitreto de cromo dopado com alumínio (CrAIN) e nitreto de cromo (CrN) depositado por arco catódico; e a configuração II compreendendo um revestimento 4 similar à configura- ção I, porém depositado por pulverização por magnetron em alta potência pulsada (HiPIMS).

[0069] Observa-se claramente a partir da figura 5, que o anel de pistão 1 da presente invenção apresenta um desgaste mínimo em relação ao estado da técnica, haja visto que os anéis de pistão 1 do estado da técnica I e II apresentaram em torno de 4,0 micrometros de desgaste, enquanto as configurações I e II da presente invenção apresentaram, respectivamente, 3,5 e 2,3 micrômetros de desgaste. Dessa forma, a configuração II do anel de pistão 1 da presente invenção a-presentou um desgaste aproximadamente 50% menor em relação ao estado da técnica I e II. Por sua vez, a configuração I da presente invenção, muito embora não tenha apresentado resultados tão bons quanto à configuração II da presente invenção, ainda assim apresentou resultados satisfatórios, evidenciando enormes vantagens frente ao estado da técnica para aplicação em motores de combustão.

[0070] O segundo teste foi realizado em motor Diesel de alta velocidade, durante 500 horas, utilizando como estado da técnica II um anel de pistão 1 dotado de um revestimento 4 monocamada compreendendo nitreto de titânio dopado com alumínio (TiAIN) e o anel de pistão 1 da presente invenção em sua configuração II.

[0071] Novamente, o anel de pistão 1 da presente invenção apresentou excelentes resultados, revelando um desgaste de 2,3 micrometros, enquanto o anel 1 do estado da técnica III apresentou um desgaste de 20,1 micrometros. Sendo assim, o anel 1 da presente invenção apresentou cerca de 80% menos desgaste em relação ao anel 1 do estado da técnica III (vide figura 6).

[0072] Ademais, os anéis de pistão do estado da técnica I, II e III apresentaram destacamento do revestimento 4 da base 2, enquanto os anéis de pistão 1 da presente invenção garantiram a aderência do revestimento 4 à base 2.

[0073] Cumpre notar ainda que o revestimento 4 de anel de pistão 1 da presente invenção apresenta uma porosidade menor do que 6%, apresentando preferencial mente uma porosidade de 3%, com uma dureza entre 1800 e 2500 HV (dureza Vickers) e uma tensão interna entre 200 e 700 MPa (mega Pascal), preferencial mente uma tensão interna entre 300 e 600 MPa (mega Pascal).

[0074] O arranjo específico do processo PVD da presente invenção, juntamente com os parâmetros do processo e a seleção de materiais, permite a obtenção de revestimentos com até 60 micrometros de espessura, sem prejudicar a estrutura do revestimento e a resistência mecânica.

[0075] O anel de pistão 1 da presente invenção é dotado de um revestimento 4 com elevada resistência ao desgaste, baixa tensão interna, evitando assim a formação de macropartículas ou descontinui-dades da estrutura, resultando em uma elevada resistência à fragmentação e a prevenção do desprendimento do revestimento 4 da base 2 do anel de pistão 1.

[0076] 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 apensas, aí incluídos os possíveis equivalentes.

REIVINDICAÇÕES

Claims (10)

1. Anel de pistão (1) para motores de combustão interna dotado de uma base (2) substancialmente anelar de uma liga ferrosa sobre a qual se aplica um revestimento (4) compreendendo primeira camada de ligação (10), o anel (1) sendo caracterizado pelo fato de que o revestimento (4) compreende ainda: pelo menos uma primeira camada externa (11) ou uma segunda camada externa (12) depositadas sobre a primeira camada de ligação (10) até um máximo de 100 micrômetros de espessura de uma pluralidade de primeiras e segundas camadas externas (11, 12) sequencialmente depositadas, a primeira camada externa (11) sendo composta por um ni-treto de um elemento químico metálico (x) dopado, sendo o elemento dopante alumínio (Al), a segunda camada externa (12) composta por um nitreto do elemento químico metálico (x), a primeira camada externa (11) dotada de uma espessura maior que pelo menos uma vez a espessura da segunda camada externa (12) e menor que dez vezes a espessura da segunda camada externa (12).

2. Anel de pistão (1) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o elemento químico metálico (x) é selecionado entre cromo (Cr) ou titânio (Ti) ou nióbio (Nb).

3. Anel de pistão (1) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a primeira e segunda camadas externa (11, 12) são dotadas de uma espessura entre 1 e 200 nanômetros.

4. Anel de pistão (1) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o revestimento (4) compreende uma segunda camada de ligação (20) depositada sobre a primeira camada de ligação (10).

5. Anel de pistão (1) de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a primeira camada de ligação (10) é composta por cromo (Cr) ou cromo/alumínio (CrAI) e a segunda camada de ligação (20) composta por um nitreto de cromo dopado, sendo o elemento dopante alumínio (CrAIN) ou um nitreto de cromo (CrN).

6. Anel de pistão (1) de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o revestimento (4) compreendido pela primeira e segunda camadas de ligação (10, 20) e primeiras e segundas camadas externas (11, 12) apresenta uma dureza entre 1800 e 2500 HV (dureza Vickers).

7. Anel de pistão (1) de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o revestimento (4) compreendido pela primeira e segunda camadas de ligação (10, 20) e primeiras e segundas camadas externas (11, 12) apresenta uma porosidade de 3% a 6%.

8. Anel (1) de pistão de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o revestimento (4) compreendido pela primeira e segunda camadas de ligação (10, 20) e primeiras e segundas camadas externas (11, 12) apresenta uma tensão interna entre 200 e 700 MPa (mega Pascal).

9. Processo para obtenção de um anel de pistão (1) para motores de combustão interna de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o revestimento (4) compreendendo uma primeira camada de ligação (10), uma segunda camada de ligação (20), uma primeira camada externa (11) e uma segunda camada externa (12), é depositado por um processo de deposição por arco catódico ou por um processo de deposição física de vapor (PVD), por um método de pulverização por magnetron em alta potência pulsada (HiPIMS).

10. Motor de combustão interna caracterizado pelo fato de que compreende ao menos um anel de pistão (1) conforme definido na reivindicação 1.