BR112012016440B1 - Elemento deslizante, em particular anel de pistão, tendo um revestimento, e processo para produção de um elemento deslizante - Google Patents

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Abstract

elemento deslizante, em particular anel de pistão, tendo um revestimento, e processo para produção de um elemento deslizante. um elemento deslizante, em particular anel de pistão, tem em pelo menos uma superfície de deslizamento, de dentro para fora, um revestimento tendo uma camada adesiva contendo metal e uma camada dlc do tipo ta-c com uma espessura de pelo menos 10 <109>m.

Description

“ELEMENTO DESLIZANTE, EM PARTICULAR ANEL DE PISTÃO, TENDO UM REVESTIMENTO, E PROCESSO PARA PRODUÇÃO DE UM ELEMENTO DESLIZANTE”
Campo da técnica
A invenção se refere a um elemento deslizante, em particular um anel de pistão, tendo um revestimento em pelo menos uma superfície de rolamento, e a um processo para produção de um elemento deslizante.
Elementos deslizantes, como tais, por exemplo, anéis de pistão, pistões ou camisas de cilindro, em motores de combustão, devem trabalhar por um longo período de vida útil e também com atrito tão baixo quanto possível e pouco desgaste. O atrito, que em motores de combustão está diretamente associado com consumo de combustível, pode ser mantido baixo por meio de revestimentos DLC (diamond-like carbon). Além disso, podem ser alcançadas espessuras de camada de até 40 pm, em princípio. Entretanto, com espessuras de camada superiores a 5 pm existe o problema de que as propriedades de camada, por exemplo, com respeito à estrutura e composição da camada, mudam de maneira que a vida útil requerida não é alcançada. Isto é igualmente verdadeiro para espessuras de camada inferiores a 5 pm.
O objetivo da presente invenção é proporcionar um elemento deslizante tendo uma camada adesiva contendo metal, bem como um revestimento DLC tipo ta-C com espessura de camada adequada, a fim de assegurar perdas mínimas de poder de atrito durante a vida útil inteira do componente.
Estado da técnica
Camadas semelhantes a diamante (DLC) é uma forma metaestável de carbono amorfo com uma significativa proporção de carbono sp3 hibridizado. O fornecimento de camadas semelhantes a diamante em vários substratos a fim de desenvolver novos componentes é realizado nos dias de hoje através de diferentes processos. Os processos mais conhecidos, por meio dos quais elementos deslizantes capazes de serem produzidos em massa podem ser revestidos, são PA-CVD, deposição catódica e processo de deposição de vapor por arco sob vácuo (DE4006456). Os sistemas de camadas que podem ser proporcionados através destes convencionalmente contêm hidrogênio no caso de PA-CVD e são livres de hidrogênio no caso de processos
2/8 de deposição catódica e de deposição de vapor por arco sob vácuo. Um resumo de possíveis sistemas de camada DLC pode ser encontrado no VDI Guideline 2840 Carbon films.
A Tabela 1 lista os documentos que contribuem com o estado da técnica 5 dentro do contexto deste pedido de patente. Deve ser feita distinção nesta lista entre publicações que são relevantes em relação ao processo e aquelas que são relevantes em relação ao produto.
Número Ano Tipo Características importantes
DE 3901401 1989 Método para controlar um processo de deposição de vapor por arco sob vácuo
DE 4006456 1990 Processo para controlar descarga por arco sob vácuo
DE 10240337 2002 Produção de DLC/ processo Dispositivo para separar partículas, no qual o eletrodo de absorção é disposto na sombra do plasma que é produzido e um campo (eletro)magnético é gerado a fim de acelerar carregadores de carga magnética.
DE 19850217/ US 6558757 1998 Processo de revestimento sob vácuo no qual material é ionizado de um alvo por meio de um laser e reage com um gás que é armazenado nos poros e é subsequentemente depositado em um substrato
EP 1829986 2010 Processo para usinar superfícies tendo um revestimento de carbono duro
EP 0724023 1996 Camada de carbono amorfo, duro, livre de hidrogênio (< 0,5 at% de H,
3/8
módulo de elasticidade > 400 GPa, dureza > 40GPa, espessura máxima da camada: uns poucos pm, produzida por veio de arco de vácuo.
DE 102005063123B3 2005 Elemento deslizante tendo uma proteção contra desgaste e camada de rolamento, onde a camada de rolamento contém hidrogênio e fases nanocristalinas de carbeto.
Número Ano Tipo Características importantes
DE 102008016864B3 2008 Anel de pistão tendo um revestimento DLC com um sistema de 3 camadas: camada adesiva, camada de carbono amorfo contendo metal, camada de carbono amorfo livre de metal, resistência > 5000 ohms
US 6231956 1997 Sistema de camada resistente ao desgaste consistindo de um substrato de uma liga de titânio, uma camada intermediária e uma camada de carbono amorfo.
DE 19735962 1997 Casquilho guia revestimento interno DLC contendo hidrogênio.
DE 19850218 1998 Dispositivo e processo para revestir substratos no vácuo com um eletrodo de absorção especial que é disposto de modo que partículas não se depositam diretamente sobre o substrato.
WO 2006125683 Al 2006 Anel de pistão tendo sistema de 3
4/8
camadas consistindo de uma primeira camada do grupo IVB, VB ou VIB (< 1 pm), uma segunda camada de um nanocompósito semelhante a diamante (< 5 pm ) e uma terceira camada semelhante a diamante (espessura da camada 0,1 pm a 10 pm)
DE 102008022039 2008 Revestimento anti-desgaste de camada de carbono amorfo tendo teor de oxigênio de 0,5 at% a 25 at%.
É conhecido do documento EP 0724023 um revestimento DLC livre de hidrogênio (< 0,5 at%) tendo um desempenho de atrito sob condições não lubrificadas, bem como com uso reduzido de lubrificante. Esta camada tem uma dureza de > 40 GPa e um módulo de elasticidade de > 400 GPa com uma espessura máxima de uns poucos pm.
É conhecido do documento DE 10 2005 063 123 B3 um elemento deslizante tendo um revestimento DLC com bom desempenho de funcionamento. Devido ao fato de que a vida útil é muito curta, não pode ser assegurado atrito permanentemente baixo ao longo de toda a vida útil do elemento deslizante.
DE 10 2008 016 864 B3 se refere a um elemento deslizante tendo um revestimento multicamadas que compreende, de dentro para fora, uma camada adesiva, uma camada DLC contendo metal e hidrogênio e uma camada DLC contendo hidrogênio livre de metal.
DE 197 35 962 Al descreve um casquilho guia e um processo para formar uma película de carbono duro na superfície interna do casquilho guia, no qual uma película de carbono amorfo duro, hidrogenado, é formada na superfície interna por meio de processo de plasma CVD.
WO 2006/125683 Al descreve um anel de pistão que compreende, de dentro para fora, uma camada contendo um elemento do grupo IVB, VB ou VIB, uma camada intermediária tendo um nanocompósito semelhante a diamante camada DLC.
5/8
É conhecido o fato de que bons valores de desgaste são alcançados quando o teor de átomos de carbono sp3 hibridizado seja tao alto quanto possível, em particular maior do que 60 at%. Tais camadas são referidas como camadas ta-C e podem ser produzidas por processos convencionais de bombardeamento catódico ou pelos chamados processos de arco em vácuo (ver os documentos DE 40 40 456 Cl e DE 198 50 218 Cl da tabela 1 a este respeito). Revestimentos ta-C livres de hidrogênio podem ser produzidos com uma espessura de uns poucos micrômetros como camadas contendo oxigênio (ver a este respeito os ensinamentos de DE 10 2008 022 039 Al da tabela 1) e camadas livres de oxigênio e hidrogênio (ver a este respeito EP 0 724 023 Al).
Neste contexto também são conhecidos revestimentos PVD baseados em material duro, que na maioria das vezes contêm nitreto de crômio. Embora essas camadas tenham a resistência ao desgaste requerida, elas não possuem o baixo atrito necessário.
Descrição da Invenção
De encontro a estes fundamentos, o objetivo principal da invenção é fornecer um elemento deslizante que é mais aperfeiçoado com respeito à combinação de coeficientes de atrito e propriedades de desgaste. Um processo para a produção de tal elemento deslizante também é proporcionado.
Consequentemente, o elemento deslizante de acordo com a invenção tem em ao menos uma superfície de deslizamento, de dentro para fora, um revestimento possuindo uma camada adesiva contendo metal, e uma camada DLC do tipo ta-C com uma espessura de pelo menos 10 pm. a camada adesiva que contém metal vantajosamente assegura não apenas a adesão da camada DLC, mas também equaliza os esforços internos que ocorrem nesta camada. A espessura mínima da camada de 10 pm assegura que a resistência ao desgaste requerida é obtida e adicionalmente permite bons valores de atrito ao longo de toda a vida útil do motor. Em particular, o comportamento de desgaste pode ser adaptado tanto ao elemento deslizante, em particular anel de pistão em si, quanto ao parceiro de deslizamento, por exemplo, a camisa de pistão. A produtibilidade do revestimento de acordo com a invenção é assegurada pelas etapas de processo descritas abaixo, em particular a limpeza da superfície a ser revestida através de um processo de bombardeamento catódico, bem como o processo de produção
6/8 descrito para a camada adesiva e a camada DLC. Consequentemente, pode ser fornecido um elemento deslizante significativamente aperfeiçoado.
Um dos requisitos centrais feitos ao elemento deslizante, especialmente ao anel de pistão, consiste no fornecimento de um revestimento que dure por toda a vida útil do elemento a fim de assegurar perdas mínimas de poder de atrito através de toda a operação. Em pesquisas em um motor foi encontrado que, embora o desgaste alcançado pelo anel de pistão revestido com sistema taC / pista de rolamento de AISi tenha sido aproximadamente 60% inferior se comparado com anéis de pistão com revestimento DLC contendo hidrogênio, uma espessura de camada de pelo menos 10 pm é necessária dependendo da utilização e das superfícies de contato deslizante. A espessura do revestimento como um todo é preferivelmente superior a 20 pm.
Concretizações preferidas serão encontradas nas outras reivindicações.
A fim de assegurar suficiente adesão de camada, em particular no caso de espessuras de camada ta-C maiores do que uns poucos pm, é ainda necessário fornecer uma camada adesiva contendo metal entre o substrato e a camada DLC. Atualmente, com base nas descobertas iniciais, é preferível que a camada adesiva contenha pelo menos os seguintes materiais: cromo, titânio, nitreto de cromo e tungstênio.
A espessura de 0,1 pm a 1,0 pm foi também encontrada como sendo vantajosa para a camada adesiva.
Propriedades particularmente boas foram ainda encontradas quando a camada DLC é substancialmente livre de oxigênio e/ou hidrogênio, o que significa que ela contém um teor de cada um desses elementos de menos do que 0,5 at%.
A dureza e módulo de elasticidade da camada DLC também afetam o comportamento tribológico do anel de pistão. Durante testes, a dureza de superfície de não mais do que 55 GPa com um módulo de elasticidade de não mais do que 550 GPa foram encontradas como vantajosas para o revestimento.
Em contraste com o estado da técnica, foi encontrado ainda, em pesquisas fora e dentro do motor, que valores de desgaste particularmente bons foram atingidos quando a camada DLC tem um teor de átomos de carbono sp3 hibridizados de pelo menos 40 at%.
Uma redução proposital do teor de sp3 no 1 pm a 3 pm externos da camada próxima às bordas leva a uma redução do atrito no funcionamento e no período de funcionamento em si. Em testes preliminares fora do motor, foi encontrado que uma
7/8 outra concretização na qual o 1 pm a 3 pm externos próximos à borda foram dopados resultou em aperfeiçoamento adicional em termos de resistência ao calor e comportamento de marca de combustão sob condições de lubrificação insuficiente em carcas máximas de até 700N.
A região externa da camada DLC próxima da borda tendo uma espessura de 1 pm a 3 pm pode vantajosamente ser dopada com elementos tais como boro, oxigênio, e/ou silício.
A fim de, particularmente, assegurar baixo valor de atrito, a superfície de rolamento do elemento deslizante deve ser tão lisa quanto possível. A camada DLC fornecida aqui preferivelmente tem no estado revestido uma profundidade de rugosidade de Rz < 6 pm e no estado acabado uma profundidade de rugosidade de Rz < 2 pm, particularmente < 1 pm, bem como uma profundidade de pico reduzida Rpk < 0,3 pm, particularmente 0,1 pm. Em relação a isto, as medidas de EP 1 829 986 Al e DE 198 50 218 estão incluídas na matéria do presente pedido.
Ferro fundido ou aço, que para utilizações particulares pode ser nitretado, são preferidos para o substrato e material de base do elemento deslizante a ser revestido. Com respeito ao material fundido como material de base, as formas preferidas são:
- ferro fundido não temperado, sem ligas com grafite lamelar
- ferro fundido cinza, com carbetos, com liga, tratado termicamente ou não
- ferro fundido esferoidal, temperado
- ferro fundido de grafite vermicular, não temperado
- ferro fundido (pelo menos, em peso 11 % de crômio, estrutura martensítica incorporada com carbetos especiais, nitretado ou não nitretado)
Com respeito ao aço como material de base, as formas preferidas são:
- aço cromo, pelo menos 11 % em peso de cromo, nitretado ou não nitretado
- aço carbono silícico crômico
Testes em um motor mostraram que é alcançada uma ação de raspagem de óleo particularmente boa do anel de pistão com camada DLC tipo ta-C de acordo com a invenção em bordas inferiores de deslizamento muito pequenas, “afiadas”. Por isso é preferido ainda que a borda de superfície de deslizamento inferior do anel de pistão de acordo com a invenção tenha um raio de não mais do que 0,2 mm, preferivelmente menos do que 0,1 mm.
8/8
O objetivo acima mencionado é alcançado ainda pelo processo descrito na reivindicação 14 para a produção de um elemento deslizante, em particular um anel de pistão, no qual é realizado revestimento com uma camada adesiva contendo metal e uma camada DLC do tipo ta-C com uma espessura de pelo menos 10 pm. O processo de produção do processo de arco de laser no vácuo, que já foi descrito anteriormente em vários documentos (ver tabela 1), foi aperfeiçoado dentro do contexto desta invenção para a produção de camadas ta-C >10 pm, em que uma camada adesiva otimizada em termos de escolha de material e espessura de camada foi usada e os parâmetros de processo asseguram estabilidade de processo sobre todo o período de revestimento. Medidas preferidas e as vantagens que são alcançadas pelo processo são evidentes, por um lado, a partir da descrição precedente do elemento deslizante de acordo com a invenção. É ainda mencionado neste ponto que todas as características descritas abaixo em relação ao processo podem ser aplicadas em relação ao elemento deslizante de acordo com a invenção.
Por outro lado, menciona-se que a camada adesiva pode ser formada de maneira particularmente confiável através de processo de bombardeamento catódico, processo de deposição por vapor térmico, ou um processo de deposição por vapor elétrico, tal como, por exemplo, processo de arco.
Como mencionado acima, vantagens particulares são alcançadas em termos da adesão da camada adesiva ao substrato do elemento deslizante se a superfície a ser revestida é limpa por um processo de bombardeamento catódico com íon metálico.
A rugosidade do revestimento pode ser vantajosamente reduzida por lapidação, polimento por meio de cinta e/ou escova.

Claims (11)

  1. REIVINDICAÇÕES
    1. Elemento deslizante, em particular anel de pistão, que possui em pelo menos uma superfície de deslizamento, de dentro para fora, um revestimento tendo uma camada adesiva contendo metal e uma camada DLC do tipo ta-C com uma espessura de pelo menos 10 pm, onde a camada ta-C possui um teor de sp3 de átomos de carbono hibridizados de pelo menos 40 at% (porcentagem atômica), caracterizado pela camada ta-C conter um teor de hidrogênio menor do que 0,5 at% (porcentagem atômica) e pelo teor de sp3 ser reduzido no intervalo de 1 pm a 3 pm exterior da camada.
  2. 2. Elemento deslizante, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela camada adesiva conter pelo menos um dos seguintes materiais: cromo, titânio, nitreto de cromo e/ou tungstênio.
  3. 3. Elemento deslizante, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 e 2, caracterizado pela camada adesiva ter uma espessura de 0,1 pm a 1,0 pm.
    4. Elemento deslizante, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores , caracterizado pela camada ta-C conter oxigênio em um teor menor do que 0,5 at% (porcentagem atômica). 5. Elemento deslizante, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores , caracterizado pela dureza não ser superior a 55 GPa e pelo módulo de elasticidade não ser superior a 550 GPa. 6. Elemento deslizante, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo intervalo de 1 pm a 3 pm exterior da camada ser dopado. 7. Elemento deslizante, de acordo com qualquer uma
    das reivindicações anteriores, caracterizado pelo intervalo de 1 pm a 3 pm exterior da camada ta-C ser dopado com pelo
    Petição 870190030484, de 29/03/2019, pág. 6/8
    2/3 menos um dos seguintes elementos: boro, oxigênio e/ou silício.
  4. 8. Elemento deslizante, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo revestimento tem uma profundidade de rugosidade de Rz menor que 6 gm, preferivelmente menor que 2 gm, particularmente menor que 1 gm.
  5. 9. Elemento deslizante, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo revestimento ter uma profundidade de pico reduzida Rpk menor que 0,3 gm, preferivelmente menor que 0,1 gm.
  6. 10. Elemento deslizante, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo material base ser ferro fundido ou aço.
  7. 11. Elemento deslizante, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo anel de pistão possuir raio da borda da superfície de deslizamento inferior a 0,2 mm e preferivelmente menor que 0,1 mm.
  8. 12. Processo para a produção de um elemento deslizante, conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizado por um revestimento
    com uma camada adesiva contendo metal e uma camada DLC do tipo ta-C ser realizado em uma espessura de pelo menos 10 gm. 13. Processo, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pela camada adesiva ser formada por um processo de bombardeamento catódico, um processo de deposição por evaporação térmica ou um processo de deposição por evaporação elétrica, tal como, por exemplo, um processo de arco.
  9. 14. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 12 e 13, caracterizado pela camada ta-C ser formada por meio de um processo de arco de laser a vácuo.
  10. 15. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 12 a 14, caracterizado pela superfície a ser
    Petição 870190030484, de 29/03/2019, pág. 7/8
    3/3 revestida ser limpa através de um processo de bombardeamento de íons metálicos.
  11. 16. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 12 a 15, caracterizado pelo revestimento ser 5 alisado por lapidação, polimento por meio de cinta e/ou escova, após ter sido formado.
BR112012016440-6A 2011-01-27 2011-10-13 Elemento deslizante, em particular anel de pistão, tendo um revestimento, e processo para produção de um elemento deslizante BR112012016440B1 (pt)

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