BR102021008375A2 - Elemento deslizante para motores de combustão interna e processo de revestimento de um elemento deslizante - Google Patents

Abstract

A presente invenção refere-se a um elemento deslizante, tal como um anel de pistão para motores de combustão interna, dotado de um revestimento de baixo atrito baseado em estrutura de carbono com alta estabilidade térmica por uma por uma construção de camadas de carbono com densidade personalizada. O elemento deslizante compreendendo uma superfície externa anelar caracterizado pelo fato de que se deposita uma camada de ligação e uma combinação entre ao menos uma camada de alta densidade (DLC-B) e ao menos uma camada de baixa densidade (DLC-A), as camadas de alta densidade (DLC-B) e de baixa densidade (DLC-A) sendo compostas por carbono amorfo duro (DLC), em que em que a camada de alta densidade (DLC-B) apresenta uma dureza entre 40 e 65 GPa e camada de baixa densidade (DLC-A) apresenta uma dureza de 20 a 40 GPa.

Description

ELEMENTO DESLIZANTE PARA MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA E PROCESSO DE REVESTIMENTO DE UM ELEMENTO DESLIZANTE

[001] A presente invenção refere-se a um elemento deslizante, tal como um anel de pistão para motores de combustão interna, dotado de um revestimento de baixo atrito baseado em estrutura de carbono com alta estabilidade térmica por uma construção de camadas de carbono com densidade personalizada.

Descrição do estado da técnica

[002] Motores de combustão interna sejam eles ciclo Diesel, ciclo Otto, dois ou quatro tempos, compreendem ao menos um anel de pistão. 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.

[003] Usualmente, os motores são dotados de três anéis paralelamente alocados em canaletas dispostas na base do êmbolo, sendo dois anéis de compressão e um anel de raspagem de óleo. Os anéis de compressão ficam mais próximos da cabeça do pistão e vedam a folga existente entre pistão e camisa, fazendo com que o pistão possa comprimir a mistura ar-combustível para a queima e posteriormente manter a estanqueidade do cilindro. Já os anéis de raspagem de óleo têm a função óbvia de raspar o excesso de óleo lubrificante jogado sob pressão na parede das camisas.

[004] 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 elevado 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, sujeitos 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.

[005] Como resultado de ambientes de motores exigentes e demandas tecnológicas, novas tecnologias para tratamento de superfície têm sido necessárias para proteger a superfície do anel superior deslizante, por exemplo, revestimentos de Processos de Deposição de Vapor (PVD).

[006] Nos últimos anos, novas atividades de desenvolvimento de revestimento têm se concentrado fortemente no desenvolvimento de revestimentos à base de carbono (por exemplo, revestimentos de carbono como diamante - Diamond Like Carbon- DLCs em diferentes composições, que têm sido amplamente utilizados para muitas aplicações tribológicas em outras áreas. O DLC aplicado por evaporação catódica foi usado primeiramente para aplicações em veículos leves.

[007] Esses revestimentos PVD se tornaram significativamente mais comuns também como revestimento de anel de compressão superior para diesel pesado (HDD), devido ao seu desgaste aprimorado e baixo atrito em comparação com tecnologias convencionais como nitretação, recobrimentos cerâmicos e eletrogalvanização.

[008] O baixo coeficiente de atrito fornece aos anéis de pistão uma resistência à abrasão muito boa sob lubrificação limítrofe.

[009] Por essas razões, a família DLC é uma boa alternativa para revestimento de amaciamento, especialmente para camisas e blocos com brunimento com menor rugosidades e materiais como o alumínio, e durabilidade ao longo da vida.

[0010] 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 de DLC livre de hidrogênio, como solução para alcançar um baixo atrito e elevada resistência ao desgaste. Via de regra, as soluções do estado da técnica aplicam o revestimento de DLC em uma composição que integra ligações sp3 (tipo diamante) e sp2 (tipo grafite).

[0011] Cumpre, no entanto, notar que, em virtude da estrutura 3D (tridimensional) das ligações sp3, a sua dureza é superior àquela encontrada nas ligações sp2.

[0012] Para melhor entendimento, as estruturas sp2, por conferirem características de um material extremamente macio e lubrificante, são importantes para facilitar a acomodação do anel na camisa de cilindro e contrabalançar com as estruturas sp3 em contato com a camisa do cilindro.

[0013] Tal preocupação é extremamente válida, haja vista que além de a estrutura sp3 poder riscar a camisa de cilindro, a concentração de tensões presentes nas estruturas 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 dos componentes. Por tal motivo, diversas soluções do estado da técnica passam por utilizar revestimentos DLC com predominância de ligações sp2, a fim de reduzir o atrito e as tensões internas.

[0014] Do ponto de vista do desempenho tribológico, os revestimentos DLC isentos de H aplicados em anéis de pistão podem ser descritos pela dureza e, consequentemente, pela resistência ao desgaste.

[0015] É importante lembrar que o revestimento rico em sp3 é interessante devido à alta dureza que pode atingir valores acima de 60 GPa. Por outro lado, como já descrito, o revestimento mais duro representa alta tensão interna e ocorrência de lascamento, principalmente nos chanfros e cantos.

[0016] Especificamente, destaca-se que esta problemática ocorre nos motores com condições tribológicas mais severas, com pressões de combustão elevadas, ou seja, não são todos motores que demandam essa resistência a temperaturas, por exemplo, acima de 450°C.

[0017] Além disso, quanto mais espessa é a camada de revestimento, a combustão gera altas temperaturas e um aumento de pressão de gás, levando a um desgaste prematuro que ainda é agravado pela condição de baixa lubrificação e pressão de contato entre as superfícies deslizantes do anel de compressão e dessa mesma região.

[0018] As soluções encontradas no estado da técnica buscam garantir maior durabilidade ao anel de pistão por meio do aumento da camada de revestimento nas regiões das vizinhanças das pontas do anel.

[0019] No entanto, é importante notar a dificuldade encontrada em construir camadas de revestimento espessas.

[0020] Destaca-se que crescer camadas de revestimento é complexo por duas razões principais:

• - tempo de processo muito longo. Para se obter camadas de ao menos 30 micrometros de espessura, demora-se em torno de 24 horas de máquina em operação, apenas para o recobrimento.
• - estado de tensão muito alto. Quanto maior a espessura da camada de revestimento, maior o estado de tensão que leva ao destacamento e ao lascamento ("spalling") quando em contato.

[0021] Faz-se assim necessário encontrar um anel de pistão dotado de um revestimento que compreende uma camada externa de es-pessura variável depositada sobre uma camada de aderência, de modo que a camada externa ofereça elevada durabilidade devido à excelente resistência ao desgaste e ao baixo atrito ao deslizamento, a camada de aderência ofereça a aderência necessária da camada externa à superfície externa do anel de pistão, em conjunto com elevada espessura da camada externa nas regiões mais críticas do anel.

[0022] Adicionalmente, tem-se como problemática o fato de o DLC ser uma forma metaestável e só poder existir até um determinado nível de temperatura. A oxidação pode ocorrer sob esta condição (possível mecanismo de reação: C + O2 → CO2) e o filme tipo diamante pode se transformar em uma forma grafítica com baixa resistência ao desgaste. A estabilidade térmica diminui com a diminuição do componente sp3 do revestimento. Uma fração de sp3 suficientemente alta também mitigaria uma conversão de sp3 em sp2 induzida termicamente. O comportamento de oxidação depende fortemente da porcentagem de sp3 (Thermal stability and relaxation in diamond-like-carbon. A Raman study of films with different sp3 fractions .ta-C to a-C. R. Kalish, Y. Lifshitz, K. Nugent, S. Prawer. Applied Physics Letters (1999) V. 74, N. 20).

[0023] Uma visão geral dos diferentes tipos de camada DLC e suas propriedades pode ser encontrada na Diretriz VDI 2840. A estabilidade térmica pode ser garantida em geral por uma quantidade elevada de ligações sp3 que tem uma correlação direta com densidade, dureza e módulo de Young. Quanto maior a quantidade de ligações sp3, maior a dureza do revestimento (VETTER, J. 60years of DLC coatings: Historical highlights and technical review of cathodic arc processes to synthesize various DLC types, and their evolution for industrial applications. Surface and Coatings Technology, v. 257, p. 213-240, 2014. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2014.08.017).

[0024] Consoante a problemática acima descrita, existem várias estratégias que foram desenvolvidas conforme descrito pela literatura dos documentos EP1783349A4 e JP5013445B2, que divulgam elementos de dopagem para aumentar a estabilidade térmica como elemento de silício, entretanto os elementos de dopagem em geral comprometem a dureza e o coeficiente de atrito do filme.

[0025] Uma abordagem alternativa é considerada pelo documento US2019 / 0128420 A1 que divulga a produção de uma camada de mistura entre a camada de aderência e o DLC, e uma camada contendo cristais, a fim de aumentar as ligações termomecânicas entre o material de base e o revestimento DLC.

[0026] Contudo, é de se notar que tais estratégias são falhas quando da proteção da camada mais externa e não tem sido capaz de evitar a oxidação da camada externa uma vez que a oxidação começa pela superfície do revestimento acelerada pela presença de oxigênio e pela alta temperatura.

Objetivos da invenção

[0027] Assim, um primeiro objetivo da presente invenção está em prover um elemento deslizante, preferencialmente um anel de pistão composto de estrutura metálica feita de ferro fundido ou aço, e camada de cerâmica aplicada por PVD e um revestimento de baixa fricção e alta dureza na face externa (ou deslizante). Tal revestimento - DLC pode ser modificado para aumentar a resistência à oxidação entre boa aderência e desempenho adequado.

[0028] É também um objetivo da presente invenção prover um revestimento DLC composto por carbono livre de hidrogênio e que consiste em um arranjo de camadas com diferentes densidades, a diferenciação em densidades é definida pela configuração de ligação sp eletrônica, medida pela dureza e controlada pelo processo, em que o revestimento de alta densidade tem uma dureza entre 40 e 65 GPa e o revestimento de baixa densidade tem uma dureza de 20 - 40 GPa.

[0029] É também um objetivo da presente invenção prover um processo de revestimento um elemento deslizante, preferencialmente um anel de pistão composto de estrutura metálica feita de ferro fundido ou aço, e camada de cerâmica aplicada por PVD e um revestimento de baixo atrito e alta dureza na face externa. Tal revestimento - DLC pode ser modificado para aumentar a resistência à oxidação entre boa aderência e desempenho adequado.

Breve descrição da invenção

[0030] Os objetivos da presente invenção são alcançados por um elemento deslizante para motores de combustão interna compreendendo um material de base dotado de uma superfície externa anelar sobre a qual se deposita uma camada de ligação e uma combinação entre ao menos uma camada de alta densidade (DLC-B) e ao menos uma camada de baixa densidade (DLC-A), as camadas de alta densidade (DLC-B) e de baixa densidade (DLC-A) sendo compostas por carbono amorfo duro (DLC), em que a camada de alta densidade (DLC-B) apresenta uma dureza entre 40 e 65 GPa e camada de baixa densidade (DLC-A) apresenta uma dureza de 20 a 40 GPa.

[0031] Os objetivos da presente invenção são, também, alcançados por um processo de revestimento de um elemento deslizante para motores de combustão interna compreendendo um material de base dotado de uma superfície externa anelar tendo uma camada de ligação, o processo compreendendo as etapas de deposição física de vapor por arco catódico sob uma condição de pressão de 0,001 mbar a 0,2 mbar e aquecimento de 400°C, limpeza iônica com tensão BIAS entre 700 a 1200 V por alvo metálico, deposição de uma camada intermediária metálica com tensão BIAS entre 5 a 50V, e deposição de uma combinação de ao menos uma camada de baixa densidade (DLC-A), com tensão BIAS de 20 a 60V e temperatura de 180 a 220°C, resfriamento até 150°C, e deposição de ao menos uma cama-da de alta densidade (DLC-B) com tensão BIAS de 60 a 120 V e temperatura de 140 a 180°C.

[0032] Em uma concretização possível, o elemento deslizante compreende uma camada de ligação é um bcc-cromo (explicar bcc) policristalino colunar compreendendo espessura entre 0,1 a 2 mícrons

[0033] Em uma concretização possível, o elemento deslizante compreende camadas de alta densidade (DLC-B) e de baixa densidade (DLC-A) são compostas por carbono amorfo duro (DLC) de uma matriz combinada com ligações sp3/sp2, em que o nível de ligações sp3 é maior na camada de alta densidade em relação à camada de baixa densidade.

[0034] Em uma concretização possível, o elemento deslizante compreende uma combinação compreendendo uma camada de baixa densidade (DLC-A) seguido de uma camada de alta densidade (DLC-B), de tal modo que a espessura aumenta gradativamente a partir de 90° e 270° em direção a 0° e 360° (posição polar do elemento deslizante).

[0035] Em uma concretização possível, o elemento deslizante compreende uma combinação compreendendo uma primeira camada de baixa densidade (DLC-A), seguido de uma camada de alta densidade (DLC-B) e de uma segunda camada de baixa densidade (DLC-A).

[0036] Em uma concretização possível, o elemento deslizante compreende uma camada de baixa densidade (DLC-A) com uma configuração uniforme em sua espessura ao longo de todo elemento deslizante

Breve descrição dos desenhos

[0037] A presente invenção será, a seguir, mais detalhadamente descrita com base em um exemplo de execução representado nos desenhos. As figuras mostram:

[0038] Figura 1 - representação da disposição do revestimento conforme uma primeira realização da invenção; e

[0039] Figura 2 - representação da disposição do revestimento em uma primeira realização em que a espessura da camada externa aumenta gradativamente a partir de 90° e 270° em direção a 0° e 360°.

[0040] Figura 3 - representação da disposição do revestimento conforme uma segunda realização da invenção.

[0041]

Descrição detalhada dos desenhos

[0042] A presente invenção refere-se a um elemento deslizante, tal como um anel de pistão para motores de combustão interna, compreendendo um material de base dotado de uma superfície externa anelar sobre a qual se deposita, sequencialmente, uma camada de ligação e uma combinação entre ao menos uma camada de alta densidade (DLC-B) e ao menos uma camada de baixa densidade (DLC-A).

[0043] As possíveis combinações de ao menos uma camada de alta densidade (DLC-B) e ao menos uma camada de baixa densidade (DLC-A) conferem ao objeto da invenção um aprimoramento do elemento deslizante da invenção.

[0044] Assim, a combinação das características de que a camada de alta densidade (DLC-B) apresenta uma dureza entre 40 e 65 GPa e camada de baixa densidade (DLC-A) apresenta uma dureza de 20 a 40 GPa, vantajosamente diferenciam o objeto da invenção do estado da técnica.

[0045] Em outras palavras, o elemento deslizante sendo configurado, do diâmetro interno para o externo, de um material de base, uma camada de ligação de cromo e diferentes configurações de DLC de alta densidade (DLC-B) e de baixa densidade (DLC-A).

[0046] De um modo preferencial, mas não limitativo, o material de base do elemento deslizante consiste em um aço inoxidável com 10% a 17% de cromo ou ferro fundido ou aço carbono.

[0047] De um modo preferencial, mas não limitativo, o revestimento DLC sem hidrogênio compreende carbono amorfo duro (DLC), sendo o carbono totalmente amorfo livre, ou substancialmente livre, de hidrogênio, compreendendo menos de 4% em peso de hidrogênio.

[0048] Adicionalmente, de um modo preferencial, mas não limitativo, as camadas de alta densidade (DLC-B) e de baixa densidade (DLC-A) sendo compostas por carbono amorfo duro (DLC) de uma matriz combinada com ligações sp3/sp2.

[0049] A quantidade de ligações sp3 é maior na camada de alta densidade (DLC B) em relação à camada de baixa densidade (DLC A).

[0050] Ainda, de um modo preferencial, mas não limitativo as espessuras das camadas de alta densidade (DLC-B) e baixa densidade (DLC-A) tendo de 1 a 10 μm e de 1 a 30 μm, respectivamente.

[0051] Ademais, de um modo preferencial, mas não limitativo, a espessura do revestimento varia de 10 μm a 50μm, preferencialmente, entre 20 pm e 35μm.

[0052] Cumpre ainda notar que a camada de ligação de Cr proporciona vantajosamente a acomodação de tensões entre a estrutura metálica e a camada mais externa altamente tensionada e também garante uma excelente aderência entre o revestimento funcional e a estrutura metálica.

[0053] Esta camada de ligação é um cromo policristalino colunar sendo, ainda, de um modo preferencial, mas não limitativo, apresentando espessura entre 0,1 a 2 micrometros.

[0054] Em continuidade, duas configurações de arranjos na camada mais externa são consideradas no objeto da presente invenção, tal como mostrado nas figuras 1 e 3.

[0055] Na primeira configuração, figura 1 e 2, a estrutura do revestimento e as camadas intermediárias entre o revestimento e o material de base compreende uma camada de baixa densidade (DLC-A) seguido por uma camada de alta densidade (DLC-B) com uma configuração especifica, em um conceito espesso nas pontas.

[0056] O conceito espesso nas pontas diz respeito a camada mais externa do revestimento ser dotada de espessura variável, de tal modo que a espessura aumenta gradativamente X a partir de 90° e 270° em direção a 0° e 360°, respectivamente, com a espessura atingindo seu máximo valor na região de 10° e 350°, e diminuindo ligeiramente em direção a 0° e 360°, de forma a garantir condição ótima de trabalho, minimizando a pressão de contato e consequentemente o desgaste acelerado nas vizinhanças das pontas do anel, além de evitar e/ou impedir o destacamento da camada externa do revestimento (Mencionar figura 3).

[0057] Nesta primeira configuração, de um modo preferencial, mas não limitativo, o elemento deslizante compreende perímetro inteiro com uma camada de baixa densidade (DLC-A) com 10 a 30 μm de espessura e uma camada de alta densidade (DLC-B) com 1 a 10 μm em uma região especifica do elemento deslizante, preferencialmente, com uma espessura crescente a partir de 90° e 270° em direção a 0° e 360°.

[0058] Além disso, de um modo preferencial, mas não limitativo, a região específica do elemento deslizante com uma espessura gradiente X compreende uma camada de camada de baixa densidade (DLC-A) com 1 a 5 pm.

[0059] Ou seja, o elemento deslizante compreende perímetro inteiro com uma camada de baixa densidade (DLC-A) com 10 a 30 pm de espessura e uma camada de alta densidade (DLC-B) com 1 a 10 pm, seguido de uma camada de baixa densidade (DLC-A) com 1 a 5 pm em uma região especifica do elemento deslizante, preferencialmente, com uma espessura crescente a partir de 90° e 270° em dire-ção a 0° e 360°.

[0060] Na segunda configuração, figura 3, a estrutura do revestimento e as camadas intermediárias entre o revestimento e o material de base compreende uma camada de baixa densidade (DLC-A) seguido por uma camada de alta densidade (DLC-B) e uma camada de baixa densidade (DLC-A).

[0061] De um modo preferencial, mas não limitativo, nesta segunda configuração o elemento deslizante compreende perímetro inteiro com uma camada de baixa densidade (DLC-A) com 10 a 25 μm de espessura e uma camada de alta densidade (DLC-B) com 1 a 10 μm de espessura seguido de uma camada de baixa densidade (DLC-A) com 1 a 10 μm espessura.

[0062] Nesta configuração, espera-se uma camada de transição entre DLC B e DLC A de 0,1 a 2,0 μm devido a diferentes parâmetros de processo, sendo que referida camada proporciona a transição suave entre as camadas e que garante boa aderência entre uma camada e outra.

[0063] Cumpre notar que, em ambas as configurações, a camada de baixa densidade (DLC-A) pode assumir uma configuração uniforme em sua espessura ao longo de todo elemento deslizante.

[0064] Assim, vantajosamente, as possíveis configurações da invenção, ou seja, a combinação das camadas de alta densidade (DLC-B) e de baixa densidade (DLC-A), apresentando respectivamente durezas entre 40 a 65 GPa e 20 a 40 GPa, proporcionam ao objeto da invenção uma maior resistência à oxidação quando expostas a temperaturas mais altas.

[0065] Mais vantajosamente, as possíveis configurações da invenção proporcionam ao objeto da invenção a aplicação a motores com condições tribológicas mais severas, com pressões de combustão elevadas, que demandam essa resistência a temperaturas, por exemplo, acima de 450°C.

[0066] Especificamente, observa-se um ganho da primeira configuração do objeto da presente invenção no tocante da finalização do elemento deslizante, haja vista a dificuldade de usinagem da camada de alta densidade (DLC-B).

[0067] Adicionalmente, como já descrito, é de se notar a capacidade de barreira térmica apenas nas pontas do elemento deslizante.

[0068] Com relação a segunda configuração do objeto da invenção, observa-se a capacidade de barreira térmica logo após uma camada de baixa densidade (DLC-B).

[0069] A presente invenção também refere-se a um processo de revestimento de um elemento deslizante, tal como um anel de pistão para motores de combustão interna, o revestimento DLC composto por carbono livre de hidrogênio e constituído por um arranjo de camadas com diferentes densidades e espessuras, as densidades sendo definidas por uma camada de alta densidade (DLC-B) apresentar uma dureza entre 40 e 65 GPa e uma camada de baixa densidade (DLC-A) apresenta uma dureza de 20 a 40 GPa.

[0070] O processo de revestimento ocorre em forno industrial com cátodos distribuídos em 5 bancos (13 a 20 cátodos totais) com possibilidade de adição de filtros para macropartículas composto, pelas etapas de estágio inicial, deposição da camada intermediária e deposição da camada funcional.

[0071] No estágio inicial, ocorre deposição física de vapor por arco catódico sob uma condição de pressão de 0,001 mbar a 0,2 mbar e aquecimento de 400 °C, seguido por limpeza iônica com alta tensão de polarização (700 a 1200 V) por alvo metálico (por exemplo, Cr). Preferencialmente, a pressão é de 0,047 mbar.

[0072] Como próxima etapa, ocorre a deposição da camada intermediária metálica com baixa tensão BIAS (5 a 50V). Adicionalmente, de um modo preferencial, mas não limitativo, há limpeza iônica com alta tensão de polarização (700 a 1200 V) com alvo de grafite.

[0073] Por fim, ocorre a deposição de revestimento de baixa densidade (DLC-A), com tensão BIAS de 20 a 60V e temperatura em torno de 180 a 220 ° C; e revestimento de alta densidade (DLC-B) com tensão BIAS de 60 a 120 V e temperatura em torno de 140 a 180 ° C. Em ambos os revestimentos, a espessura é controlada pelo tempo de deposição.

[0074] Ademais, é utilizado uma corrente catódica de 40 A a 100 A e um fluxo de gás argônio de 50 sccm a 200 sccm,

[0075] De um modo preferencial, mas não limitativo, o nível de ligações sp3 em camadas de alta densidade e baixa densidade são maiores que 50% e menores que 50%, respectivamente.

[0076] Assim, a variação e combinação de tais características do objeto da invenção, vantajosamente proporciona por meio de um revestimento de alta densidade (DLC-B) apresentando uma dureza entre 40 e 65 GPa e um revestimento de baixa densidade (DLC-A) apresentando uma dureza de 20 - 40 GPa, uma maior resistência à oxidação quando expostas a temperaturas mais altas.

[0077] Ademais, quando da sobreposição entre a camada de alta densidade (DLC-B) e a camada de baixa densidade (DLC-A), forma-se uma camada de gradiente X com espessura inferior a 2 mícrons, possibilitado uma transição suave que garante boa aderência entre uma camada e outra.

[0078] Em continuidade, as duas configurações do objeto da invenção mostrado nas figuras 1 e 2, apresentam etapas especificas de processo de deposição dos revestimentos de alta densidade (DLC-B) e de baixa densidade (DCL-A) são consideradas para o objeto da presente invenção.

[0079] Na primeira configuração, a estrutura do revestimento e as camadas intermediárias entre o revestimento e o material de base compreende pontas com revestimento de alta densidade como a camada mais externa nas pontas do elemento deslizante.

[0080] Assim, na primeira configuração da invenção, de um modo preferencial, mas não limitativo, é depositado em todo o perímetro do elemento deslizante uma camada de baixa densidade (DLC-A) com 10 a 20 μm de espessura, seguido por estágio de resfriamento a cerca de 150 °C.

[0081] Depois de engatar o dispositivo que trava a árvore do elemento deslizante de frente para o alvo de carbono, inicia-se a deposição de uma camada de alta densidade (DLC-B) com 1 a 10 μm de espessura em uma região especifica do elemento deslizante, preferencialmente, com uma espessura crescente a partir de 90° e 270° em direção a 0° e 360°.

[0082] Já na segunda configuração do objeto da invenção, de um modo preferencial, mas não limitativo, é depositado em todo o perímetro do elemento deslizante uma camada de baixa densidade (DLC-A) com 10 a 20 pm de espessura, seguido por estágio de resfriamento a cerca de 150 ° C, e início de deposição de uma camada de alta densidade (DLC-B) com 1 a 10 pm de espessura seguido de uma camada de baixa densidade (DLC-A) com 1 a 10 pm espessura.

[0083] Nesta configuração, espera-se uma camada de transição entre DLC B e DLC A de 0,1 a 2,0 pm devido a diferentes parâmetros de processo.

[0084] Assim, vantajosamente, em ambas as configurações da invenção a combinação das camadas de alta densidade (DLC-B) apresentando uma dureza entre 40 e 65 GPa e de baixa densidade (DLC-A) apresentando uma dureza de 20 a 40 GPa, proporcionam ao objeto da invenção uma maior resistência à oxidação quando expostas a temperaturas mais altas.

[0085] Mais vantajosamente, as possíveis configurações da invenção proporcionam ao objeto da invenção a aplicação à motores com condições tribológicas mais severas, com pressões de combustão elevadas, que demandam essa resistência a temperaturas, por exemplo, acima de 450°C.

[0086] Para garantir referidas vantagens da presente invenção, foi elaborado um experimento em que um conjunto de amostras foi testado.

[0087] As amostras testadas são descritas na tabela 1 abaixo, na qual estão incluídos exemplos comparativos e as duas configurações do objeto da invenção. Todos os exemplos comparativos possuem a mesma camada funcional, composta por um DLC com sp3 variando de 15 a 60% e dureza de 20 a 40 GPa.

[0088] A diferença entre eles é a estrutura da camada de ligação. Três estruturas conforme descrito na técnica anterior foram testadas.

[0089] O experimento destinado a testar a resistência à oxidação é composto por um forno onde é possível regular a temperatura. A tem-peratura escolhida é mantida por 3 horas. O forno possui sistema de ventilação para distribuir uniforme em sua espessura a temperatura em todo o seu volume.

[0090] As amostras foram colocadas no forno em quatro níveis de temperatura diferentes. A perda de revestimento por oxidação foi avaliada após o experimento por microscopia óptica. Os resultados dos experimentos são apresentados na Tabela 2, abaixo.

[0091] Na análise dos resultados, pode-se verificar ambas as configurações do objeto da invenção apresentam maior resistência térmica, visto que apenas perda pequena de revestimento foi observado a 450 ° C e nenhuma perda de revestimento foi obtido a 400 ° C.

[0092] Já os exemplos comparativos perderam revestimento em temperaturas mais baixas. Os exemplos comparativos com maior resistência são aqueles que possuem interface estruturada e com DLC dopado. Ambos ainda apresentam menor resistência térmica do que as configurações do objeto da invenção.

[0093] Assim, não restam dúvidas de que o revestimento de carbono amorfo duro substancialmente livre de hidrogênio da presente invenção é capaz de conciliar uma boa taxa de deposição aliada a um excelente acabamento, elevada dureza em combinação com acomodação e redução de tensões internas, e promover uma maior resistência à oxidação quando expostas a temperaturas mais altas.

[0094] 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 (13)

1. Elemento deslizante para motores de combustão interna compreendendo um material de base dotado de uma superfície externa anelar, caracterizado pelo fato de que se deposita uma camada de ligação e uma combinação entre ao menos uma camada de alta densidade (DLC-B) e ao menos uma camada de baixa densidade (DLC-A), as camadas de alta densidade (DLC-B) e de baixa densidade (DLC-A) sendo compostas por carbono amorfo duro (DLC), em que a camada de alta densidade (DLC-B) apresenta uma dureza entre 40 e 65 GPa e camada de baixa densidade (DLC-A) apresenta uma dureza de 20 a 40 GPa.
2. Elemento deslizante, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a camada de ligação é um cromo poli-cristalino colunar compreendendo espessura entre 0,1 a 2 mícrons
3. Elemento deslizante, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as camadas de alta densidade (DLC-B) e de baixa densidade (DLC-A) são compostas por carbono amorfo duro (DLC) de uma matriz combinada com ligações sp3/sp2, em que o nível de ligações sp3 na camada de alta densidade é maior do que o nível de ligações sp3 da camada de baixa densidade.
4. Elemento deslizante, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a combinação compreende uma camada de baixa densidade (DLC-A) seguido de uma camada de alta densidade (DLC-B) dotada de uma espessura gradiente, de tal modo que a espessura aumenta gradativamente (X) a partir de 90° e 270° em direção a 0° e 360°.
5. Elemento deslizante, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a combinação compreende uma primeira camada de baixa densidade (DLC-A), seguido de uma camada de alta densidade (DLC-B) e de uma segunda camada de baixa densida-de (DLC-A).
6. Elemento deslizante, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a camada de baixa densidade (DLC-A) é uniforme em sua espessura ao longo de o elemento deslizante.
7. Processo de revestimento de um elemento deslizante para motores de combustão interna compreendendo um material de base dotado de uma superfície externa anelar tendo uma camada de ligação, o processo sendo caracterizado pelo fato de que possui etapas de:
   deposição física de vapor por arco catódico sob uma condição de pressão de 0,001 mbar a 0,2 mbar e aquecimento de 400 ° C,
   corrosão iônica com tensão BIAS entre 700 a 1200 V por alvo metálico,
   deposição de uma camada intermediária metálica com tensão BIAS entre 5 a 50V, e
   deposição de uma combinação de ao menos uma camada de baixa densidade (DLC-A), com tensão BIAS de 20 a 60V e temperatura de 200°C, e de ao menos uma camada de alta densidade (DLC-B) com tensão BIAS de 60 a 120 V e temperatura de 150°C,
   em que após a deposição de ao menos uma camada de baixa densidade (DLC-A) e anterior ao depósito de uma camada de alta densidade (DLC-B) ocorre o resfriamento até 150°C.
8. Processo, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a camada de ligação é um bcc-cromo policristalino colunar compreendendo espessura entre 0,1 a 2 mícrons.
9. Processo, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a etapa de deposição da camada intermediária metálica compreende corrosão iônica com tensão BIAS de 700 a 1200 V com alvo de grafite.
10. Processo, de acordo com a reivindicação 7, caracteri-zado pelo fato de que a combinação compreende uma camada de baixa densidade (DLC-A) seguido de uma camada de alta densidade (DLC-B) dotada de uma espessura gradiente (X), de tal modo que a espessura aumenta gradativamente a partir de 90° e 270° em direção a 0° e 360°.
11. Processo, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a combinação compreende uma primeira camada de baixa densidade (DLC-A), seguido de uma camada de alta densidade (DLC-B) e de uma segunda camada de baixa densidade (DLC-A).
12. Processo, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a camada de baixa densidade (DLC-A) é uniforme em sua espessura ao longo de todo o elemento deslizante.
13. Motor de combustão interna, caracterizado pelo fato de que compreende ao menos um elemento deslizante como definido na reivindicação 1.

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