BR102015025731B1

BR102015025731B1 - elemento deslizante

Info

Publication number: BR102015025731B1
Application number: BR102015025731-7A
Authority: BR
Inventors: Juliano Avelar Araujo; Robert Richard Banfield
Original assignee: Mahle Metal Leve S/A; Mahle International Gmbh
Priority date: 2015-10-08
Filing date: 2015-10-08
Publication date: 2021-05-18
Also published as: CN107013360B; DE102016217557A1; BR102015025731A2; US10400895B2; CN107013360A; US20170102071A1

Abstract

ELEMENTO DESLIZANTE. A presente invenção refere-se a um elemento deslizante, particularmente um anel (10) de pistão para motores de combustão interna compreendendo um revestimento (15) de carbono amorfo duro e um perfil de Rmr (0,3-0,5) superior a pelo menos 25% e/ou um perfil Rmr (0,3-0,5) superior a pelo menos 50%.

Description

[001] A presente invenção refere-se a elemento deslizante, tal como um anel de pistão para motores de combustão interna, compreendendo um revestimento de carbono amorfo duro dotado de um perfil de rugosidade capaz de promover uma redução do atrito em sua interface de deslizamento, bem como diminuir o desgaste.

[002] Descrição do Estado da Técnica

[003] Motores de combustão interna sejam eles ciclo Diesel, ciclo Otto, dois ou três tempos, compreendem ao menos um elemento deslizante tal como um anel de pistão.

[004] Nesse sentido, o anel de pistão atua na vedação do espaço entre a camisa de cilindro e o êmbolo do pistão, isolando a câmara de combustão dos demais componentes internos dos motores. O anel de pistão é disposto radialmente na base do êmbolo do pistão, impedindo que os gases da combustão escapem da câmara de combustão em direção ao cárter e evitando que o óleo do motor penetre na câmara de combustão.

[005] Alguns motores de combustão interna, principalmente motores que operam com ciclo Diesel, trabalham com cargas elevadas. Outros exemplos podem ser encontrados em motores à gasolina de elevada desempenho. Independentemente dos exemplos que possam ser citados, há uma tendência para que os motores operem em alta velocidade com potência elevada, folgas reduzidas e, portanto, submetidos a um comportamento tribológico severo. Tais condições são naturalmente mais exigentes com seus componentes mecânicos. Nesse sentido, os anéis utilizados nesses motores de alta potência ou rendimento necessitam de baixo atrito, alta dureza e elevada resistência ao desgaste.

[006] Por outro lado, é importante realçar que o impacto ambien- tal dos motores de combustão interna, quando aliados à necessidade elevada de desempenho e durabilidade, resulta, de um modo geral, na necessidade de se trabalhar com tolerâncias mais apertadas, o que naturalmente se traduz na utilização de camadas de óleos lubrificantes cada vez mais finas. Conforme se verá adiante, a presente invenção desenvolve-se especificamente oferecendo uma solução cujo excelente desempenho decorre da utilização de óleos predominantemente menos viscosos.

[007] Os anéis de pistão apresentados no estado da técnica geralmente compreendem revestimentos de carbono amorfo duro, também conhecidos como DLC (Diamond Like Carbon) ou nanoestrutura hidrogenada de DLC livre de hidrogênio, como solução para alcançar um baixo atrito e elevada resistência ao desgaste.

[008] Via de regra, as soluções do estado da técnica aplicam o revestimento de DLC em uma composição que integra ligações sp3 e sp2. Cumpre, no entanto, notar que, em virtude da elevada estabilidade dimensional das ligações sp3, a sua dureza é superior àquelas encontradas nas ligações sp2. Por tal motivo, diversas soluções do estado da técnica fazem uso de uma camada DLC de sp3 (tipo diamante), recoberta com uma fina camada de sp2 (tipo grafite).

[009] Para melhor entendimento, a camada sp2, por ser extremamente macia e lubrificante, é utilizada para permitir a acomodação do anel na camisa de cilindro e impedir que a camada sp3 entre diretamente em contato com a camisa do cilindro. Tal preocupação é extremamente válida, haja vista que além de a camada sp3 poder riscar a camisa de cilindro, a concentração de tensões presentes na camada sp3 é muito elevada, de tal modo que pode gerar consequências desastrosas tanto para a camisa de cilindro, riscando-a, como para o revestimento, podendo ocorrer trincas e sua propagação, o que, consequentemente, leva à diminuição da vida útil do motor.

[0010] O documento de patente WO2010133633 revela um anel de pistão dotado de um revestimento de DLC do tipo ta-C com espessura superior a 10 micrometros e com pelo menos um gradiente de tensão residual para garantir durabilidade e baixo atrito ao componente. Note-se que as elevadas tensões internas inerentes à deposição de um revestimento DLC resultam na necessidade de se encontrar soluções neste campo tecnológico. No entanto, mesmo reduzindo à tensão residual, esta solução não resolve totalmente o problema, haja vista que a interface de contato do anel com a camisa continua ocorrendo por meio de um perfil que não garante, por exemplo, que a camisa de cilindro não sofra o típico desgaste das soluções do estado da técnica.

[0011] O documento US2013/0140776 descreve um anel de pistão dotado de um revestimento de DLC do tipo ta-C com espessura também superior a 10 micrometros, sendo que o revestimento contém uma camada de acabamento com espessura de 1 a 3 micrometros onde a quantidade de sp3 vai diminuindo para valores inferiores a 40%, com vista a garantir que uma maior quantidade de sp2 esteja presente nesta segunda camada para acomodação do anel no cilindro.

[0012] Muito embora as soluções do estado da técnica tenham como preocupação garantir baixo atrito e elevada durabilidade, todas as soluções encontradas necessitam de uma interface ou presença de elementos que promovam o acomodamento, tal como uma camada mais macia na região de deslizamento do anel, ou a adição de metais que promovam tais efeitos. Há, ainda, alternativas do estado da técnica, através da redução das tensões internas, para manter a integridade funcional do revestimento em razão das elevadas tensões internas e alta dureza a que o revestimento está sujeito.

[0013] Independentemente dos esforços revelados pelos documentos de técnica anterior, não foi ainda encontrada uma solução que gere excelentes resultados no produto acabado, i.e., um anel de pistão que não precise de acomodação na respectiva camisa de cilindro e que, ao mesmo tempo, trabalhe com folgas bastante justas.

[0014] Faz-se assim necessário encontrar um elemento deslizante, tal como um anel de pistão, que compreenda um revestimento de carbono amorfo duro do tipo ta-C dotado de um perfil de rugosidade capaz de promover uma redução do atrito em sua interface de deslizamento, bem como diminuir o desgaste.

[0015] Objetivos da Invenção

[0016] O objetivo da presente invenção está em prover um elemento deslizante, tal como um anel de pistão para motores de combustão interna, particularmente motores que operam com elevada carga e/ou potência, o anel compreendendo um revestimento de carbono amorfo dotado de um perfil de rugosidade capaz de promover uma redução do atrito em sua interface de deslizamento, bem como diminuir o desgaste tanto do anel de pistão tanto da camisa de cilindro, através de uma redução dos picos e maximização dos vales.

[0017] É, também, um objetivo da presente invenção prover um anel de pistão dotado de um revestimento que seja capaz de trabalhar com folgas muito justas e um filme de óleo fino com alta durabilidade.

[0018] É, ainda, um objetivo da presente invenção prover um anel de pistão que seja capaz de trabalhar com folgas muito justas e um filme de óleo.

[0019] É, por fim, um objetivo da presente invenção prover um anel de pistão compreendendo uma dureza superior a 4000 HV (dureza Vickers) que não risque a camisa de cilindro cuja dureza é consideravelmente menor, usualmente inferior a 700 HV (dureza Vickers), ou mesmo 250 a 300 HV.

[0020] Breve Descrição da Invenção

[0021] Os objetivos da presente invenção são alcançados por um elemento deslizante, particularmente um anel de pistão para motores de combustão interna dotado de uma face deslizante sobre a qual é depositada, de dentro para fora, uma camada adesiva e um revestimento de carbono amorfo duro e um perfil de Rmr (0,2-0,5) superior a pelo menos 25% e/ou um perfil Rmr (0,3-0,5) superior a pelo menos 50%.

[0022] Os objetivos da presente invenção são alcançados também por um motor de combustão interna compreendendo ao menos um anel de pistão tal como definido acima.

[0023] Breve Descrição dos Desenhos

[0024] A presente invenção será, a seguir, mais detalhadamente descrita com base em um exemplo de execução representado nos desenhos. As figuras mostram:

[0025] Figura 1 - representação da disposição de um anel de pistão no interior de um cilindro de um motor de combustão interna;

[0026] Figura 2 - corte transversal do anel de pistão revelando a estrutura do revestimento da presente invenção;

[0027] Figura 3 - desenho representando os pontos de contato de uma camisa de cilindro e os picos de um anel de pistão revestido do estado da técnica;

[0028] Figura 4 - desenho representando os pontos de contato de uma camisa de cilindro e os platôs de um anel de pistão revestido da presente invenção;

[0029] Figura 5 - gráfico exemplificativo dos resultados de uma superfície com baixos valores de Rmr;

[0030] Figura 6 - gráfico exemplificativo dos resultados de uma superfície com baixos valores de Rmr;

[0031] Figura 7 - gráfico representando os resultados de atrito em função dos valores de Rmr entre o estado da técnica e a presente invenção; e

[0032] Figura 8 - gráfico representando o desgaste do anel e da camisa de cilindro para diversos tipos de revestimentos de carbono amorfo em função dos valores de Rmr.

[0033] Descrição Detalhada dos Desenhos

[0034] A presente invenção refere-se a um elemento deslizante, particularmente um anel 10 de pistão para motores de combustão interna compreendendo um revestimento 15 de carbono amorfo duro do tipo ta-C que apresenta um perfil de rugosidade com valores Rmr (0,30,5) superior a pelo menos 25% e/ou valores Rmr (0,3-0,5) superior a pelo menos 50%.

[0035] Conforme se verá na sequência, o perfil de rugosidade com predominância de platôs 18 quando utilizado em conjunto com um re-vestimento de carbono amorfo tal como o da presente invenção gera um comportamento superior aos elementos deslizantes do estado da técnica.

[0036] Em um primeiro momento cumpre referir que o elemento deslizante da presente invenção é preferencialmente um anel 10 de pistão para motores de combustão interna que operem com elevada carga e/ou potência. Usualmente esses anéis 10 de pistão trabalham com folgas muito justas e um filme de óleo fino para garantir excelente rendimento e baixas emissões de CO2.

[0037] Como principais características, o anel 10 de pistão da presente invenção tem como características principais o baixo atrito em um revestimento 15 baseado em uma estrutura de carbono com alta durabilidade cujo resultado deriva de uma topografia na superfície do revestimento especialmente desenvolvida.

[0038] O anel 10 da presente invenção que compreende uma base metálica dotada de uma face deslizante 11 é preferencialmente de ferro fundido, aço, aço inoxidável contendo de 10% a 17% de cromo ou aço carbono. A face deslizante 11 é aquela virada para a região de contato com uma camisa de cilindro 20 e é sobre a face de desliza- mento 11 que é depositado o revestimento 15. Em uma configuração preferencial, a face deslizante 11 recebe, de dentro para fora, uma camada adesiva 14 e um revestimento 15 de carbono amorfo duro do tipo ta-C (vide figuras 1 e 2).

[0039] A camada adesiva 14 tem como objetivo promover a acomodação das tensões entre a estrutura metálica do anel 10 e o revestimento 15 de carbono amorfo cujas tensões internas são muito elevadas, garantindo assim uma excelente adesão entre o revestimento 15 funcional e a base metálica. De modo preferencial, mas não obrigatório, a camada adesiva 14 é formada por uma estrutura colunar policris- talina cúbica de corpo centrado (bcc) de cromo cuja espessura varia entre 0,5 e 1 micrometro. Em uma configuração preferencial alternativa, a camada adesiva pode ser de níquel ou cobalto. De todo o modo, a camada adesiva 14 é depositada por um processo de deposição por vapor a partir de uma fonte metálica.

[0040] Por sua vez, a camada antiatrito, representada na figura 2 como revestimento 15 e doravante assim designada, é composta por carbono totalmente amorfo livre ou substancialmente livre de hidrogênio (DLC) com uma quantidade predominante de sp3. No tocante à isenção de hidrogênio, é importante notar que sua quantidade em peso é inferior a 2%.

[0041] No tocante à relação entre sp3 e sp2, cumpre notar que, em uma configuração preferencial, sua relação compreende ligações sp3 superiores a 50%, caracterizando um revestimento 15 de ta-C. Em uma configuração preferencial alternativa, o porcentual de sp3 varia de 55% a 70%. Em outras palavras, a razão da relação entre sp3 e sp2 varia entre 0,42 e 2,33, sendo que, em uma segunda configuração preferencial alternativa, esta razão varia entre 0,70 e 1,50. Nesta configuração preferencial, a elevada quantidade de sp3 no revestimento 15, superior a 50%, tem por objetivo garantir a durabilidade para as condi- ções de trabalho de um motor, uma vez que a quantidade de sp3 é importante no que se refere à estabilidade térmica nos motores de combustão interna, uma vez que elevadas cargas térmicas no motor podem causar a transformação de sp3 (tipo diamante) em sp2 (tipo grafite).

[0042] Ademais, a espessura total do filme da presente invenção varia entre 2 e 25 micrometros, preferencialmente entre 3 e 7 micrometros. Onde uma melhor relação entre tensão interna e espessura do recobrimento é alcançada. No tocante à dureza, o revestimento 15 de carbono amorfo substancialmente isento de hidrogênio compreende uma dureza que se encontra entre 30 e 50 GPa.

[0043] Cumpre notar ainda que o processo de deposição do revestimento 15 ocorre por um processo de deposição de vapor químico assistido por plasma (PACVD).

[0044] De modo distinto das soluções automotivas do estado da técnica, a presente invenção utiliza uma topografia na superfície de contato do revestimento 15 especialmente desenvolvida, capaz de ser adaptada à superfície de contato 21 da camisa 20 de cilindro. O desenvolvimento da presente invenção permitiu entender que em muitas situações de contato tribológicas de deslizamento e abrasão, os revestimentos de elevada rugosidade têm resultados inferiores.

[0045] Deste modo, a presente invenção tem por objeto um anel de pistão 10 dotado de um revestimento 15 compreendendo uma dureza superior a 4000 HV (dureza Vickers), mas que evita alto desgaste da camisa 20 de cilindro cuja dureza é consideravelmente menor, usualmente inferior a 700 HV (dureza Vickers), ou mesmo 250 a 300 HV.

[0046] Para alcançar os objetivos da presente invenção, o revestimento 15 do anel 10 de pistão compreende uma superfície controlada da quantidade de vales, com vista a maximizar o fornecimento de óleo durante o funcionamento da partida do motor, aumentando também o filme de óleo e reduzindo os pontos de contato sólido, o que provoca um menor coeficiente de atrito no sistema tribológico (anel de pis- tão/camisa de cilindro).

[0047] Contribuindo em grande escala para os excelentes resultados da presente invenção, a superfície do revestimento 15 da presente invenção compreende uma topografia cujo contato com a superfície de contato 21 da camisa 20 de cilindro ocorre principalmente por meio de platôs 18.

[0048] A norma ISO4287 define os parâmetros de rugosidade para proporção do material da superfície (Rmr), que reflete a porcentagem de material a uma determinada profundidade medida a partir de uma linha de referência a uma determinada profundidade. Para melhor entendimento, a título de exemplo, uma comparação das figuras 3 e 5 com as figuras 4 e 6, permite perceber que, quando uma determinada topografia compreende muito picos 16 (vide figuras 3 e 5), uma leitura para uma linha de referência a uma distância de 0,2 micrometro gera um valor de Rmr menor e uma leitura para uma linha de referência a uma distância de 0,3 micrometro gera um valor de Rmr superior.

[0049] Por sua vez, uma topografia compreendendo platôs 18 ao invés de picos 16 gera um valor de Rmr mais elevado (vide figuras 4 e 6), evidenciando que a proporção de material na superfície é maior. Por outras palavras, os gráficos das figuras 5 e 6 revelam a porcentagem de material a uma determinada profundidade medida entre o pico 16 mais alto (0%) e o vale 17 mais profundo (100%). Neste tipo de análises, o porcentual é obtido traçando uma linha horizontal com uma mesma distância e a uma mesma profundidade, verificando-se quanto dessa linha através o material com relação à totalidade do comprimento da linha.

[0050] Deste modo, as figuras 5 e 6 permitem compreender a diferença entre uma superfície com e sem picos, respectivamente. A pre sente invenção faz uso de uma superfície de contato muito similar àquela encontrada na situação da figura 6, i.e., uma superfície formada substancialmente por platôs 18, o que garante uma boa sustentação na região de contato entre o anel 10 de pistão e a camisa 20 de cilindro. Como resultado, quanto mais platôs 18 uma região de contato possuir, menor será o coeficiente de atrito.

[0051] Desta forma, os valores de Rmr são de enorme importância para poder caracterizar os platôs 18 da presente invenção, uma vez que tais valores permitem compreender a topografia específica que permite obter uma solução de baixo atrito, alta durabilidade e desgaste reduzido.

[0052] Em anéis do estado da técnica, a presença de picos 16 provoca o riscamento e o desgaste crítico na parede da camisa 20 do cilindro devido à elevada pressão de contato. Ademais, esta elevada pressão local dificulta a formação e a manutenção do filme de óleo lubrificante, mesmo que haja óleo presente nos vales 17 do revestimento de carbono amorfo livre de hidrogênio (DLC).

[0053] A solução da presente invenção pode ser descrita como semelhante àquela encontrada na figura 4. Assim, para se resolver os problemas do estado da técnica, foi desenvolvida uma superfície de platôs 18 com o intuito de garantir uma boa sustentação no contato entre o anel 10 de pistão e a camisa 20 de cilindro. Para uma mesma carga, esta superfície gera uma baixa pressão de contato quando comparada com uma topografia contendo picos 16. Desta forma, o acabamento do anel 10 de pistão é de enorme importância para a realização do contato entre o anel 10 e a camisa 20, de forma a contribuir para uma boa operação do motor. A boa compatibilidade entre o anel 10 de pistão e a camisa de cilindro 20 é obtida por um processo de remoção dos picos 16 do revestimento 15, processo este que ocorre após a deposição do revestimento 15.

[0054] Nesse sentido, a presente invenção tem como característica da topografia do revestimento 15 do anel 10 de pistão o fato de o valor de Rmr (0,2/0,5) ser igual ou superior a 25% e o valor de Rmr (0,3/0,5) ser igual ou superior a 50%. De modo preferencial alternativo, o valor de Rmr (0,3/0,5) é igual ou superior a 65%.

[0055] Os resultados laboratoriais obtidos durante o desenvolvimento do elemento deslizante da presente invenção claramente demonstram suas vantagens. Nesse sentido, a figura 7 mostra o desempenho, em termos de atrito e desgaste do anel de pistão em função dos parâmetros de Rmr tanto para anéis do estado da técnica, como para anéis da presente invenção. Cumpre notar que os testes foram realizados com valores de Rmr dentro do relatório, sendo obtidos valores para a presente invenção de Rmr (0,2-0,5) maior ou igual a 25% e Rmr (0,3-0,5) maior ou igual a 50%.

[0056] Os resultados da figura 7 mostram que o revestimento de carbono amorfo substancialmente livre de hidrogênio e o revestimento de nitreto de cromo apresentam diferentes níveis de Rmr. O coeficiente de atrito dos revestimentos de carbono apresenta uma redução com o aumento do porcentual de Rmr. Por sua vez, os valores mais à direita na tabela da figura 7 revelam que o revestimento da presente invenção de DLC e o revestimento de CrN apresentam sensivelmente os mesmos valores de Rmr. De todo o modo, o revestimento de DLC da presente invenção apresenta um coeficiente de fricção substancialmente 50% menor que no revestimento de CrN.

[0057] A figura 8 mostra ainda o desempenho no que se refere ao desgaste de diversos revestimentos de DLC da presente invenção frente a um revestimento de DLC do estado da técnica. Os resultados evidenciam a vantagem da solução da presente invenção, pois revelam que a presença de platôs 18 da presente invenção (valores de Rmr superiores) proporcionam menor desgaste no anel 10 de pistão (colunas acima do zero) e menor degaste na camisa 20 de cilindro (colunas abaixo do zero). Por outras palavras, para revestimentos de carbono amorfo, quando os valores de Rmr alcançam o perfil topográfico da presente invenção, o desgaste tanto do anel 10 de pistão quanto da camisa 20 de cilindro, são bastante inferiores.

[0058] Assim, não restam dúvidas de que a presente invenção, ao conciliar o uso de revestimentos 15 de carbono amorfo substancialmente livres de hidrogênio com uma topologia que apresenta um perfil de Rmr elevado onde o contato com a camisa de cilindro é mantido principalmente por platôs 18, o coeficiente de atrito é bastante reduzido e o desgaste tanto do anel quanto do cilindro é também reduzido, o que garante o correto comportamento em qualquer estágio de funcionamento do motor e assegura uma vida longa aos motores.

[0059] 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.

Claims

1. Elemento deslizante, particularmente um anel (10) de pistão para motores de combustão interna dotado de uma face deslizante (11) sobre a qual são depositados, de dentro para fora, uma camada adesiva (14) e um revestimento (15) de carbono amorfo duro, elemento deslizante sendo caracterizado pelo fato de que o revestimento apresenta uma razão entre sp3 e sp2 que varia entre 0,42 e 2,33 e um perfil de Rmr (0,2-0,5) superior a pelo menos 25% e/ou um perfil Rmr (0,30,5) superior a pelo menos 50%, o pelo menos um de um perfil Rmr (0,20,5) e um perfil Rmr (0,3-0,5) tendo uma maioria formada por planaltos.

2. Elemento deslizante de acordo com a reivindicação 1, ca-racterizado pelo fato de que o revestimento (15) contém menos de 2% em peso de hidrogênio.

3. Elemento deslizante de acordo com a reivindicação 1, ca-racterizado pelo fato de que o revestimento (15) é do tipo ta-C e compreende ligações sp3 superiores a 50%.

4. Elemento deslizante de acordo com a reivindicação 1, ca-racterizado pelo fato de que o revestimento (15) é do tipo a-C e compreende ligações sp3 com valores sp3 compreendidos entre 25% e 45%.

5. Elemento deslizante de acordo com a reivindicação 1, ca-racterizado pelo fato de que o Rmr (0,2) é de pelo menos 25% e/ou o Rmr (0,3) é de pelo menos 65%.

6. Elemento deslizante de acordo com a reivindicação 1, ca-racterizado pelo fato de que a espessura do revestimento (15) varia entre 2 micrometros e 25 micrometros.

7. Elemento deslizante de acordo com a reivindicação 1, ca-racterizado pelo fato de que a espessura do revestimento (15) varia entre 3 micrometros e 8 micrometros.

8. Elemento deslizante de acordo com a reivindicação 1, ca-racterizado pelo fato de que a camada adesiva (14) é de cromo metálico com estrutura cúbica de corpo centrado (bcc), de níquel ou de cobalto.

9. Elemento deslizante de acordo com a reivindicação 1, ca-racterizado pelo fato de que a dureza do revestimento (15) varia entre 30 e 50 GPa.

10. Elemento deslizante de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o material base do anel (10) consiste em um aço inoxidável com 10% a 17% de cromo, o restante sendo ferro fundido e aço carbono.

11. Motor de combustão interna caracterizado pelo fato de que compreende ao menos um anel (10) de pistão compreendendo uma face deslizante sobre a qual são depositados, da face deslizante para fora, uma camada adesiva e um revestimento de carbono amorfo duro depositado na camada adesiva, em que o revestimento apresenta uma proporção de sp3 a sp2 variando de 0,42 a 2,33 e pelo menos um de um perfil Rmr (0,2-0,5) maior que pelo menos 25% e / ou um perfil Rmr (0,3-0,5) maior que pelo menos 50%, o pelo menos um de um perfil Rmr (0,2-0,5) e um Rmr (0,3 -0,5) perfil maioritariamente formado por planaltos.