BR112012010336B1

BR112012010336B1 - elemento deslizante e combinação de um elemento deslizante

Info

Publication number: BR112012010336B1
Application number: BR112012010336A
Authority: BR
Inventors: Marcus Kennedy; Michael Zinnabold
Original assignee: Fed Mogul Burscheid Gmbh
Priority date: 2009-11-02
Filing date: 2010-08-19
Publication date: 2019-09-03
Also published as: DE102009046281B3; RU2012122808A; RU2531220C2; US10131988B2; EP2496734A1; BR112012010336A2; CN102666925A; JP5678075B2; JP2013509497A; US20130042845A1; KR20120091212A; WO2011051008A1; KR101703962B1; CN102666925B

Abstract

elemento deslizante, particularmente anel de pistão, e combinação de um elemento deslizante com um elemento de superfície de contato. a invenção refere-se a um elemento de deslizamento, em particular um anel de pistão, de preferência feito de ferro fundido ou aço, que tem um revestimento que, de dentro para froa, compreende uma camada crn, uma camada de me (cxny), e uma camada dlc, em que camada dlc é livre d emetal ou é constituída por uma substrutura contendo metal e uma camada dlc superior livre d emetal. a invenção diz respeito ainda a uma combinação de um elemento deslizante deste tipo com um elemento de superfície de contato à base de ferro.

Description

“ELEMENTO DESLIZANTE E COMBINAÇÃO DE UM ELEMENTO DESLIZANTE

Campo técnico da presente invenção [001] A presente invenção se refere a um elemento deslizante, em particular um anel de pistão, compreendendo um revestimento e uma combinação de um elemento de funcionamento conjugado.

[002]Em inúmeras aplicações técnicas existem elementos deslizantes em contato deslizante com elementos de funcionamento. A combinação de um anel de pistão com uma camisa de cilindro pode ser considerada como uma aplicação típica. Se os cilindros ou camisas de cilindro são, por exemplo, feitos de ligas de alumínio-silício, o que é o caso especialmente em motores de ignição por centelha, sistemas de revestimento DLC (Diamond-Like Carbon) provaram o seu valor com relação ao desgaste e perda de atrito. No entanto, os sistemas conhecidos de camadas DLC precisam ser melhorados em relação à vida útil e adequação para uso com motores a diesel ou motores de ignição por centelha altamente sobrecarregados, que geralmente dispõem de camisas de cilindro baseadas em aço. Devido às pressões de cilindro significativamente maiores e, em especial, em combinação com injeção direta, há uma maior proporção de condições de atrito misto. O fator decisivo para a inadequação dos sistemas de revestimento DLC para situações deste tipo é considerado como sendo a pouca espessura de camada, que é geralmente inferior a 5 pm.

Descrição do estado da técnica [003] O documento DE 10 2005 063 123 B3 divulga um revestimento DLC com uma camada de

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2/8 contato deslizante. Com respeito a maiores espessuras de camadas, são também conhecidos revestimentos PVD, em particular com base em CrN que compreendem espessuras de camadas de 10 a 30 qm. Embora estes resultem uma melhoria na vida útil, existe uma deterioração em perdas de atrito e de resistência ao desgaste, em especial no caso de lubrificação insuficiente, e perda de resistência à abrasão. Por outro lado, devido à sua estrutura amorfa, os sistemas de camada DLC têm a vantagem de possuírem uma substancial inatividade química com relação às superfícies metálicas e, consequentemente, têm uma tendência extremamente baixa à aderência em relação ao elemento de funcionamento conjugado.

[004]O documento DE 296 05 666 U1 referese a um componente na região de um motor de combustão interna que é revestido com uma camada de carbono amorfo livre de metal, cujo perfil de dureza é gradual ao longo da espessura da camada.

[005] O documento DE 10 2008 016 864 B3 divulga um anel de pistão que compreende uma camada adesiva, uma camada de carbono amorfo contendo metal e uma camada de carbono amorfo livre de metal se estendendo do interior para o exterior.

[006]O documento WO 2009/106201 A1 refere-se a um componente de um motor de combustão interna, no qual estão presentes sobre um substrato, uma camada de agente de adesão de DLC, uma camada DLC funcional e uma camada DLC de contato deslizante.

[007] Finalmente, o documento WO 2006/125683 A1 descreve um anel de pistão que compreende uma camada com um elemento dos grupos 1VB, VB ou V1B, uma camada intermediária com uma

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3/8 composição nanocompósita similar a um diamante e uma camada DLC se estendendo do interior para o exterior.

[008] Finalmente, o documento US 2008/0220257 A1 refere-se a um revestimento sobre um substrato de metal que, de dentro para fora, tem uma camada adesiva, uma camada de carbono com uma estrutura tetraédrica e uma camada de carbono amorfo.

Descrição da presente invenção [009] A invenção baseia-se no objetivo de proporcionar um elemento deslizante, em particular um anel de pistão que, em especial quando utilizado em motores diesel ou em motores de ignição por centelha altamente sobrecarregados com, por exemplo, elementos de funcionamento conjugados à base de ferro, atendem aos requisitos no que diz respeito a manutenção da vida útil e perdas por atrito. Será também revelada uma combinação adequada de um elemento deslizante com um elemento de funcionamento conjugado.

[0010] Este objetivo é alcançado pelo elemento deslizante descrito na reivindicação 1.

[0011] Este elemento deslizante é caracterizado, primeiramente, por uma combinação de uma camada de CrN e uma camada DLC no lado exterior. A camada DLC é livre de metal ou então compreende uma subestrutura contendo metal e uma camada DLC superior livre de metal. Em outras palavras, a camada DLC é pelo menos parcialmente livre de metal e compreende, especialmente sobre a superfície exterior, uma camada DLC livre de metal. Além disso, testes extensivos demonstraram que o revestimento descrito exibe características particularmente boas quando é fornecida uma camada

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Me(CxNy) como uma camada intermédia entre a camada de CrN e a camada DLC. Testes com esta estrutura de camadas comprovaram que as características de desgaste sobre o elemento deslizante, em particular um anel de pistão, são melhoradas em comparação com a estrutura conhecida que compreende uma camada adesiva de Cr e uma camada DLC superior. Desta maneira, a vida útil pode ser aperfeiçoada significativamente. Testes mostraram também que também é possível reduzir significativamente o coeficiente de atrito relativo. Assim, em geral, a estrutura de camadas descrita pode proporcionar um elemento deslizante aperfeiçoado. Ressalta-se que a camada de CrN é preferivelmente aplicada ao material de base de pistão sem uma camada adesiva, por exemplo, através de deposição de vapor metálico ou pulverização catódica. No entanto, em aplicações especiais, a camada de CrN pode ser aplicada ao material de base do elemento deslizante por meio de uma camada adesiva.

[0012] Por uma questão de clareza, deve ser mencionado que Me se refere a metal que pode ser, por exemplo, tungstênio, crômio, titânio ou silício. Além disso, o carbono e o nitrogênio podem estar presentes na camada descrita em quase qualquer proporção, ou seja, tanto x como y podem estar dentro da faixa de 0 a 99%, em átomos. Além disso, em particular pelo menos em algumas áreas, o revestimento pode ser fornecido pelo menos em uma superfície de funcionamento. Além disso, o revestimento pode se estender até a transição das superfícies de rolamento e às superfícies adjacentes às superfícies de rolamento. Tratam-se, por exemplo, das bordas de rolamento de um anel de pistão.

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5/8 [0013] Desenvolvimentos preferidos são descritos nas outras reivindicações.

[0014] Para a dureza da camada de CrN ou para a subestrutura, valores entre 1100 e 1900 HV 0,002 foram encontrados como sendo adequados. Esta modalidade pode ser combinada com um grau de dureza da camada DLC livre de metal de 1700 a 2900 HV 0,002 e/ou um grau de dureza da camada DLC contendo metal de 800 a 1600 HV 0,002.

[0015] Espera-se também que as propriedades particularmente boas da camada DLC, em particular a camada contendo metal e/ou a camada DLC livre de metal, podem ser obtidas quando estas contêm hidrogênio.

[0016] A camada DLC contendo metal pode compreender também, de uma forma vantajosa, precipitações nanocristalinas de carbonetos metálicos, tais como, por exemplo, WC, CRC, SiC, GeC ou TiC.

[0017] Propriedades vantajosas também foram identificados para espessura de 1 a 30 pm, espessura de no máximo 2 camada total de 5 a 40 pm.

[0018] No rugosidade, para que melhorar camadas CrN com uma camadas Me (CxNy) com uma pm e uma espessura da diz respeito à ainda mais as propriedades, é preferível que a camada superior que forma a superfície tenha parâmetros de rugosidade Rz < 5 pm e/ou Rpk < 0,8 pm.

0019]

De uma forma comprovada, a camada DLC contendo metal e/ou a camada DLC livre de metal podem ser produzidas por processos PA-CVD.

[0020] A invenção também se refere a uma combinação de pelo menos um elemento deslizante tal como descrito acima, com um elemento de

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6/8 funcionamento conjugado, em particular um cilindro ou uma camisa de cilindro de um motor de combustão interna, em particular um motor diesel ou um motor de ignição por centelha altamente um elemento de funcionamento conjugado de superfície de contato é à base de ferro.

Breve descrição dos desenhos [0021] A seguir será descrita uma modalidade exemplificativa preferida com referência aos desenhos, que mostram:

A Figura 1 ilustra uma estrutura de camadas de acordo com a invenção;

A Figura 2 ilustra um desgaste relativo de um anel de pistão e de uma camisa de cilindro, e

A Figura 3 ilustra o coeficiente de atrito relativo de diferentes sistemas de camadas. Descrição detalhada de uma modalidade preferida exemplificativa da invenção [0022] Como a Figura 1 mostra, sobre o material de base 10 do elemento deslizante é aplicada uma camada de CrN 12. A camada adesiva 14 mostrada na Figura 1 não precisa ser necessariamente fornecida. Em particular, esta é, de preferência, omitida. Por meio de uma camada intermédia Me(CxNy)16, é fornecida uma camada DLC 18 no lado exterior, com uma camada DLC livre de metal no lado exterior.

[0023] Com uma estrutura deste tipo, sem a camada adesiva 14, foram realizados testes com exemplos comparativos.

[0024] A tabela mostra os sistemas de camadas empregados.

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	Estrutura de camada	Espessura total de camada
Substrato	Superfície de funcionamento
	Camada adesiva	Subestrutura	Camada intermediária	Camada superior	[pm]
Série DLC	Cr			DLC	3,5
CNDLC01	-	CrN - 01	Me(CN)x	DLC	8,8
CNDLC02	Cr	CrON - 02	Cr	DLC	14,5
CNDLC03	Cr	Cr-N - 03	Cr	DLC	14,6
CNDLC04	Cr	CrON - 04	Cr	DLC	14,3

[0025] Aqui, o sistema série DLC é um sistema padrão de camada DLC sem CrN. Estes sistemas de camadas foram aplicados a um anel de pistão, e o comportamento tribológico investigado em combinação com uma camisa do cilindro de ferro fundido amaciado em estado lubrificado. Na Figura 2 foram ilustrados os valores relativos de desgaste para o anel do pistão (no topo) e para o revestimento do cilindro. Os valores percentuais mostrados indicam a percentagem da camada DLC original remanescente após o fim do teste. Se este valor é mais do que 100 por cento, em adição à camada DLC, a camada de CrN ou CrON também foi pelo menos parcialmente desgastada. O valor mais elevado de desgaste é usado como valor de referência para o

desgaste	relativo	da	camisa de	cilindro e,
portanto,	definido	como	100 por cento.	•
	[0026]	Como	mostra a	Figura 2, o
revestimento de acordo	com a invenção, com uma

camada Me (CxNy) intermediária tem o menor desgaste relativo. No caso de desgaste da camisa de cilindro, apenas o revestimento DLC conhecido resulta em um valor inferior. No entanto, o desgaste do revestimento do cilindro está também em

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8/8 uma gama aceitável para o exemplo de acordo com a presente invenção.

[0027] Foram realizadas experiências adicionais com os coeficientes de atrito e os resultados são mostrados na Figura 3. Aqui, o exemplo de acordo com a presente invenção tem o menor coeficiente de atrito relativo. Assim, este requisito também é alcançado, em adição ao requisito de desgaste comparativamente baixo e, portanto, de uma vida útil longa.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Elemento deslizante, tendo o material base feito de ferro fundido ou aço e compreendendo um revestimento tendo uma camada de CrN, uma camada de Me (CxNy) e uma camada DLC se estendendo a partir do interior para o exterior, respetivamente, caracterizado pelo fato de que a camada DLC é constituída por uma camada de subestrutura contendo metal e uma camada DLC superior livre de metal, a camada de Me(CxNy) é cristalina e Me é tungstênio (W), cromo (Cr) ou silício (Si), a dureza da camada DLC superior livre de metal sendo maior que a da camada de subestrutura contendo metal, em que a dureza da camada DLC livre de metal é de 1700 a 2900 HV 0,002 e a dureza da camada de CrN está entre 1100 e 1900 HV 0,002.
2. Elemento deslizante, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a dureza da camada DLC contendo metal é de 800 a 1600 HV 0,002.
3. Elemento deslizante, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a camada DLC contendo metal e/ou a camada DLC livre de metal contém hidrogênio.
4. Elemento deslizante, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a camada DLC contendo metal contém precipitações nanocristalinas de carbonetos metálicos, tais como, por exemplo, WC, CrC, SiC, GeC ou TiC.
5. Elemento deslizante, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a camada de CrN tem uma espessura de 1 a 30 pm e/ou a camada de Me

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2/2 (CxNy) tem uma espessura máxima de 2 qm e/ou o total das camadas tem uma espessura de 5 a 40 qm.
6. Elemento deslizante, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a camada DLC em seu lado exterior tem uma rugosidade Rz < 5 qm e/ou Rpk < 0,8 qm.
7. Elemento deslizante, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a camada de CrN é depositada a vapor metálico e/ou a camada DLC contendo metal e/ou a camada DLC livre de metal é produzida por meio de processos de

PA-CVD.
8.

Combinação de um elemento deslizante, do tipo definido em qualquer uma das reivindicações anteriores, com um elemento de funcionamento conjugado base de ferro, caracterizado por o elemento de funcionamento conjugado ser um cilindro ou uma camisa de cilindro de um motor de combustão interna.