BR112014016655B1

BR112014016655B1 - película de revestimento de alta resistência e membro deslizante

Info

Publication number: BR112014016655B1
Application number: BR112014016655-2A
Authority: BR
Inventors: Kiyoyuki Kawai; Shoji Tanaka
Original assignee: Tpr Co., Ltd
Priority date: 2012-03-16
Filing date: 2012-03-16
Publication date: 2020-11-10
Also published as: US9416434B2; WO2013136510A1; JPWO2013136510A1; BR112014016655A2; JP5914334B2; CN104080941A; CN104080941B; US20150093586A1; BR112014016655A8

Abstract

PELÍCULA DE REVESTIMENTO DE ALTA RESISTÊNCIA E MEMBRO DESLIZANTE. A presente invenção refere- se a uma película de revestimento de alta resistência que tem excelente resistência ao desgaste, em especial, à resistência à ruptura e à descamação. Uma película de revestimento de alta resistência (2) inclui uma composição que contém uma mistura de cromo metálico, na qual o nitrogênio é dissolvido, e Cr2N. Um teor de nitrogênio na película de revestimento de alta resistência é 2,0 a 8,5% em massa, e a IP, que é expressa pelo total de cada intensidade do pico de difração de Cr2N/(total de cada intensidade do pico de difração de cromo metálico + total de cada difração intensidade do pico de Cr2N), é de 3 a 40%, quando 2 (Teta) está em uma faixa de 30° a 90°, em que (Teta) é um ângulo de incidência em difração de raio x da película de revestimento de alta resistência.

Description

Campo Técnico

[001] A presente invenção refere-se a uma película de revestimento de alta resistência, e a um elemento de deslizamento, como um anel de pistão revestido com a película de revestimento de alta resistência.

Antecedentes da Técnica

[002] Convencionalmente, um elemento de deslizamento, tal como um anel de pistão em um motor de combustão interna deve ter alto desempenho de deslizamento sobre uma superfície de deslizamento do mesmo, e uma galvanização de Cr ou uma película de revestimento de nitreto de cromo foi utilizada para isso. No entanto, nos últimos anos, a carga sobre a superfície do membro deslizante tem aumentado devido a um aumento na produção, medidas contra os gases de escape, e ainda ao peso leve do motor de combustão interna. Para lidar com o aumento da carga sobre o elemento de deslizamento, no entanto, a galvanização de Cr rígido tem resistência ao desgaste insuficiente, e a película de revestimento de nitreto de cromo tem uma baixa resistência, apesar da sua elevada rigidez e excelente resistência ao desgaste. Assim, no caso em que o meio de deslizamento no motor é agravado, existe um problema em que a película de revestimento de nitreto de cromo pode ser rompida ou descascada durante a utilização. Por conseguinte, existe uma procura para o desenvolvimento de uma película de revestimento de nitreto de cromo que seja menos provável de ser rompida e descascada, mesmo sob condições mais severas.

[003] A literatura de Patente 1 propõe uma película de revestimento que tem uma composição na qual um elemento selecionado a partir do grupo que consiste em carbono, fósforo, nitrogênio, boro e silício é dissolvido em cromo metálico de modo que a película de rere- vestimento tem uma alta rigidez, fragilidade ao hidrogênio, rigidez, e resistência à fadiga. A literatura de patente 2 propõe um anel de pistão que exibe a resistência ao desgaste e uma característica resistente à anticorrosão, em que uma superfície de deslizamento do mesmo é revestida com uma película de revestimento que tem uma composição de uma mistura que contém cromo metálico e de nitreto de cromo (Cr2N).

Lista de Citação Literatura de Patente

[004] Literatura de patente 1 : JP 58-144473 A

[005] Literatura de patente 2 : JP 06-010454 B

Sumário da Invenção Problema Técnico

[006] No entanto, a resistência ao desgaste da película de revestimento de cromo da Literatura de patente 1 pode ser insuficiente em um ambiente de deslizamento grave. Além disso, a Literatura de patente 2 não divulga o detalhe da rigidez da película de revestimento, e nem sequer descreve a influência do teor de Cr2N em relação ao Cr sobre a resistência da película de revestimento.

[007] É um objetivo da presente invenção fornecer uma película de revestimento de alta resistência que tem excelente resistência ao desgaste, em especial, resistência ao rompimento e à descamação.

Solução de Problemas

[008] De acordo com uma modalidade da presente invenção, apresenta-se uma película de revestimento de alta resistência, que inclui uma composição que contém uma mistura de cromo metálico que tem dissolvido nitrogênio nele e Cr2N, em que um teor do nitrogênio na película de revestimento de alta resistência é de 2,0 a 8,5% em massa, e em que a IP, que é expressa pelo total de cada intensidade do pico de difração de Cr2N/(total de cada intensidade do pico de difra- ção de cromo metálico + total de cada intensidade do pico de difração de CteN), é 3 a 40% quando 20 está em uma faixa de 30° a 90°, em que 0 é um ângulo de incidência em difração de raio x da película de revestimento de alta resistência.

[009] A IP acima mencionada é calculada através da medição da intensidade de pico de difração de um plano 110, um plano 200 e um plano 211 de cromo metálico, e a intensidade de pico de difração de um plano 110, um plano 002, um plano 111, um plano 112, um plano 300, um plano 113, um plano 302 e um plano 221 de Cr2N quando 20 está em uma faixa de 30° a 90°, em que 0 é um ângulo incidente.

[0010] Na película de revestimento de alta resistência descrita acima, de acordo com a presente invenção, é mais preferido que o teor de nitrogênio na película de revestimento de alta resistência seja 3,0 a 7,0% em massa, e que IP seja de 10 a 30%.

[0011] Prefere-se que uma rigidez de micro Vickers da película de revestimento de alta resistência seja de 950 a 1600 HV.

[0012] É mais preferível que a rigidez de micro Vickers da película de revestimento de alta resistência seja de 1100 a 1500 HV.

[0013] É preferido que a película de revestimento de alta resistência tenha uma película de revestimento metálico de cromo fornecida por baixo dela.

[0014] A película de revestimento de alta resistência é revestida, por exemplo, um membro deslizante (tal como um anel de pistão).

Efeitos Vantajosos da Invenção

[0015] De acordo com a presente invenção, é possível obter a película de revestimento de alta resistência que tem excelente resistência ao desgaste, em particular, uma excelente resistência à ruptura e à descamação.

Breve Descrição dos Desenhos

[0016] A figura 1 é uma vista em corte vertical de uma parte de um anel de pistão de acordo com uma modalidade da presente invenção; a figura 2 é uma vista em corte vertical de uma parte de um anel de pistão de acordo com outra modalidade da presente invenção; a figura 3 é uma vista que ilustra uma configuração de uma máquina de teste de atrito dinâmico recíproco; a figura 4 é uma vista que ilustra uma configuração de uma máquina de teste de atrito; a figura 5 é um diagrama de difração de raio x de uma película de revestimento da Amostra n° 1, de acordo com o exemplo mostrado na tabela 1; a figura 6 é um diagrama de difração de raio x de uma película de revestimento da Amostra n° 6, de acordo com o exemplo mostrado na tabela 1; a figura 7 é um diagrama de difração de raio x de uma película de revestimento da Amostra n° 12, de acordo com o exemplo mostrado na tabela 1; a figura 8 é um gráfico que mostra um teor de nitrogênio e uma quantidade de desgaste relativa na tabela 1; a figura 9 é um gráfico que mostra um teor de nitrogênio e uma carga relativa de geração de ruptura/descamação na tabela 1; a figura 10 é um gráfico que mostra um teor de nitrogênio e rigidez de micro Vickers na tabela 1; a figura 11 é um gráfico que mostra um teor de nitrogênio e uma IP na tabela 1.

Descrição das Modalidades

[0017] As modalidades da presente invenção são descritas a seguir. A figura 1 é uma vista em corte vertical de uma parte de um anel de pistão 1. O anel de pistão 1 tem uma seção transversal retangular, e é produzido a partir de aço, ferro fundido, ou similares. Uma superfície circunferencial exterior do anel de pistão 1 é revestida com uma película de revestimento de alta resistência 2.

[0018] A película de revestimento de alta resistência 2 tem uma composição de uma mistura que contém cromo metálico que tem ni-trogênio dissolvido nela e Cr2N. O teor de nitrogênio da película de re-vestimento de alta resistência 2 é de 2,0 a 8,5% em massa, e a IP, que é expressa pelo total de cada intensidade do pico de difração de Cr2N/(total de cada intensidade do pico de difração de cromo metálico + total de cada intensidade do pico de difração de Cr2N), é de 3 a 40%, em que 20 está em uma faixa de 30° a 90°, em que 0 é um ângulo de incidência em difração de raio x da película de revestimento.

[0019] Quando o teor de nitrogênio na película de revestimento 2 é inferior a 2,0% em massa, a rigidez da película de revestimento 2 diminui, e a película de revestimento 2 é susceptível à descamação, juntamente com um aumento na quantidade de desgaste. Quando o teor de nitrogênio é superior a 8,5% em massa, a resistência da película de revestimento 2 diminui, e as rupturas e a descamação são susceptíveis de ocorrer. A IP > 0 indica que Cr2N está presente na película de revestimento 2. Quando a IP é inferior a 3%, enquanto o teor de nitrogênio é igual ou superior a 2,0% em massa, a quantidade de Cr2N tor- na-se menor e o grau de rigidez da película de revestimento 2 diminui, com o resultado de que a descamação da película de revestimento 2 envolvida na diminuição na rigidez é susceptível de ocorrer, juntamente com um aumento na quantidade de desgaste. Quando a IP é mais do que 40%, a quantidade de Cr2N torna-se maior e a resistência da película de revestimento 2 diminui, com o resultado que as rupturas e a descamação são susceptíveis de ocorrer.

[0020] É mais preferível que o teor de nitrogênio da película de revestimento 2 seja de 3,0 a 7,0% em massa, e a IP da mesma seja de 10 a 30% do ponto de vista de garantir a alta resistência.

[0021] É preferível que a rigidez de micro Vickers da película de revestimento 2 seja de 950 a 1600 HV. Quando a rigidez de micro Vickers é inferior a 950 HV, a resistência ao desgaste torna-se insuficiente, e a quantidade de desgaste aumenta. Quando a rigidez de micro Vickers é mais de 1600 HV, a resistência da película de revestimento 2 diminui, com o resultado de que as rupturas e a descamação são susceptíveis de ocorrer. É mais preferido que a rigidez de micro Vickers seja de 1.100 a 1.500 HV a partir do ponto de vista de garantir a alta resistência.

[0022] A película de revestimento de alta resistência 2 pode ser produzida por PVD, tal como por deposição de íons e de pulverização. O caso em que a película de revestimento de alta resistência 2 é produzida por deposição de íons é descrito a seguir.

[0023] Um anel de pistão desengordurado e lavado é colocado em uma mesa de rotação em uma câmara de formação de película, e a câmara é evacuada. Quando o grau de vácuo atinge cerca de 1,3 x w3 Pa, o anel de pistão é aquecido a cerca de 573 K a 773 K, com um aquecedor dentro da câmara, e ao mesmo tempo, a mesa de rotação é acionada. Embora o grau de vácuo seja temporariamente degradado devido à liberação do componente de vapor de água e do gás adsorvi- do para a superfície do anel de pistão, o grau de vácuo aumenta novamente a cerca de 5 x 10-3 Pa. Depois disso, uma pequena quantidade de argônio ou gás de nitrogênio é introduzida no interior da câmara para gaseificar o cromo que serve como um material-alvo. Nesse momento, uma tensão de polarização de cerca de -500 V -1000 V é aplicada no anel de pistão, e os íons gerados por descarga de arco são permitidos se chocar contra a superfície do anel do pistão. Assim, a então chamada limpeza por bombardeamento é realizada. Através da limpeza por bombardeamento, a limpeza da superfície do anel de pistão é melhorada, e a aderência da película de revestimento pode ser melhorada. Depois disso, a tensão de polarização diminui para cerca de 0 a 100 V, e o gás de argônio e nitrogênio misturado, é introduzido na câmara de modo que a pressão no seu interior atinge cerca de 0,7 a 4 Pa. Desse modo, uma película de revestimento é depositada.

[0024] O teor de nitrogênio da película de revestimento pode ser controlado com base na pressão interna do gás a ser introduzido dentro da câmara e a pressão parcial de nitrogênio.

[0025] A IP da película de revestimento pode ser controlada com base nas condições de tratamento, tais como a relação entre o alvo e o material a ser tratado, uma tensão de polarização, uma corrente de arco, e temperatura de tratamento. Embora a IP da película de revestimento tende a aumentar juntamente com o aumento do teor de nitrogênio, a IP varia dependendo das condições de tratamento, mesmo quando o teor de nitrogênio é o mesmo como mostrado na Tabela 2.

[0026] Na presente invenção, a espessura da película de revestimento não é particularmente definida, mas é, de preferência, de cerca de 5 a 50 pm. A espessura de película do película de revestimento pode ser controlada com base em um valor de um arco atual durante a formação da película e o tempo de formação de película.

[0027] A base pode ser revestida com uma película de revestimento metálico de cromo, antes de ser revestida com uma película de re-vestimento de alta resistência, de modo a aumentar a aderência da película de revestimento de alta resistência. A figura 2 ilustra o anel de pistão 1 revestido com uma película de revestimento metálico de cromo 3 abaixo da película de revestimento de alta resistência 2 da presente invenção.

[0028] Uma amostra foi produzida pelo método acima mencionado, e a resistência ao desgaste e a resistência a rupturas e descama- ção na película de revestimento de alta resistência da invenção foram avaliadas.

[0029] A resistência ao desgaste foi avaliada através da medição da quantidade de desgaste de um material de anel depois que uma máquina de teste de atrito dinâmico e recíproco do tipo anel sobre a placa ilustrada na figura 3 foi operada sob uma carga predeterminada durante um período de tempo predeterminado.

[0030] A máquina de teste de atrito dinâmico e recíproco é configurada da seguinte forma. Uma peça de teste superior 11 que corresponde a um anel de pistão é pressionada contra uma peça menor teste 12 que corresponde a um diâmetro do cilindro através da aplicação de uma carga P com uma mola, e a peça de teste superior 11 e a peça de teste inferior 12 deslizam quando a peça de ensaio inferior 12 se move de forma recíproca. O óleo de lubrificação é fornecido por meio do uso de uma bomba de tubo ou um distribuidor de ar. Depois que a máquina de teste de atrito dinâmico recíproca foi operada a uma velocidade predeterminada sob uma carga predeterminada durante um período de tempo predeterminado, o comprimento do desgaste da peça de teste superior 11 foi medido com um medidor de rugosidade da superfície. O comprimento de desgaste é um comprimento de desgaste em uma direção axial determinada com base em uma diferença de formato da peça de teste superior 11 antes e depois da operação. A condição de teste é uma carga de 100 N, a uma velocidade de 600 cpm, e um tempo de 60 minutos.

[0031] A resistência à ruptura e à descamação foi avaliada através da utilização de uma máquina de teste de atrito do tipo anel sobre rotor ilustrado na figura 4.

[0032] A máquina de teste de atrito avalia a superioridade relativa das características de acordo com a presença/ausência de danos (ruptura ou descamação) sobre uma superfície de deslizamento após a operação durante um período de tempo predeterminado, por prensagem, com um peso, uma parte do anel de pistão 20 sobre uma superfície circunferencial externa 22 de um rotor 21, que gira a uma velocidade predeterminada. No caso em que não há danos, a peça de anel do pistão 20 é substituída por uma nova. Em seguida, uma carga de teste é aumentada, e um teste é conduzido de novo. Um valor característico é determinado com base na carga P sob a qual a ruptura ou a descamação por fim ocorre na película de revestimento. Observa-se que o óleo lubrificante é fornecido a uma zona de contato entre a peça de anel do pistão 20 e o rotor 21 durante o teste. O teste é conduzido sob as condições de uma carga inicial de 50 N (um aumento de 5 N se não houver ruptura ou descamação), uma velocidade de 1.000 rpm, e um tempo de um minuto.

[0033] As figuras 5 a 7 são diagramas de difração de raio x da película de revestimento de alta resistência da presente invenção. Como um tubo de difração de raio x, um tubo de Cu foi utilizado, e como um raio x, um raio Ka foi usado.

[0034] A figura 5 é um diagrama de difração de raio x da Amostra n° 1 de acordo com o exemplo mostrado na Tabela 1, e um pico de difração de cromo metálico está presente em um plano 110, um plano 200, e um plano 211, e um pico de difração de Cr2N está presente em um plano 110, um plano 002, um plano 111, um plano 112, um plano 300, um plano 113, e um plano 302.

[0035] A figura 6 é um diagrama de difração de raio x da Amostra n° 6, de acordo com o exemplo mostrado na Tabela 1, e um pico de difração de cromo metálico está presente em plano 110, um plano 200, e um plano 211, e um pico de difração de Cr2N está presente em um plano 110, um plano 002, um plano 111, um plano 112, um plano 300, e um plano 113.

[0036] A figura 7 é um diagrama de difração de raio x da Amostra n° 12 de acordo com o exemplo mostrado na Tabela 1, e um pico de difração de cromo metálico está presente em plano 110, um plano 200, e um plano 211, e um pico de difração de O2N está presente em um plano 110, um plano 002, um plano 111, um plano 112, um plano 300, e um plano 113.

[0037] A tabela 1 mostra os resultados da avaliação. A tabela 1 mostra uma quantidade relativa de desgaste e uma carga relativa de geração de ruptura/descamação com relação a cada valor de teor de nitrogênio (% em massa), uma IP (%), e uma rigidez de micro Vickers (HV). A quantidade relativa de desgaste e a carga relativa de geração de ruptura/descamação são valores relativos, no caso em que um valor de desgaste e uma carga relativa de geração de ruptura/descamação de uma película de revestimento são, respectivamente, 1 (valor de referência) quando 0 teor em nitrogênio é de 2,0% em massa e a IP é de 3% (Amostra n° 1 do exemplo). Isto é, uma quantidade menor em relação ao desgaste indica que a quantidade de desgaste relativa é excelente, e uma carga relativa de geração de ruptura/descamação relativamente maior indica que a carga relativa de geração de ruptura/descamação é excelente.

[0038] Tal como descrito nos exemplos comparativos 1 e 2, quando 0 teor de nitrogênio e a IP são pequenas, a rigidez de uma película de revestimento é menor, e a película de revestimento é susceptível à descamação, juntamente com um aumento na quantidade de desgaste. Tal como descrito nos Exemplos Comparativos 3 e 4, quando 0 teor de nitrogênio e a IP tornarem-se maiores, a resistência da película de revestimento diminui, embora a sua rigidez seja alta, e as rupturas e a descamação são susceptíveis de ocorrer. Tal como descrito nos Exemplos 1 a 14, quando 0 conteúdo de nitrogênio na película de re-vestimento é 2,0 a 8,5% em massa e a IP é 3 a 40%, é possível obter uma película de revestimento que tem uma grande carga relativa de geração de ruptura/descamação e elevada resistência ao mesmo tempo em que garante a resistência ao desgaste. Tabela 1

[0039] A Tabela 2 mostra a quantidade relativa de desgaste e uma carga relativa de geração de ruptura/descamação no que diz respeito a cada valor de uma IP e micro Vickers e quando as condições de tratamento são variadas, no caso em que o teor de nitrogênio é de 2,0% em massa. As condições de tratamento A são as mesmas que da Tabela 1. Nas condições de tratamento B e C, uma tensão de polarização é definida para ser mais baixa e uma temperatura de tratamento é ajustada para ser maior do que aquelas sob as condições de tratamento A. Sob as condições de tratamento B e C, a IP torna-se menos que 3%, e diminui a rigidez, a carga relativa de geração de ruptura/descamação diminui, e a quantidade relativa de desgaste aumenta, juntamente com uma diminuição no teor de CrzN. Tabela 2

[0040] Observa-se que, na presente invenção, a fim de aumentar a carga relativa de geração de ruptura/descamação e diminuir a quantidade de desgaste, pelo menos um de entre carbono e oxigênio pode ser ainda dissolvido em cromo metálico, além de nitrogênio. Nesse caso, é preferível que o teor total de nitrogênio, carbono e oxigênio seja superior a 2,0% em massa e 5,3% em massa ou menos. É mais preferido que o teor de nitrogênio seja metade ou mais do teor total de nitrogênio, carbono e oxigênio. No caso em que o carbono é dissolvido em uma película de revestimento, é apropriado que o gás hidrocarbo- neto, tal como metano, seja introduzido de maneira simultânea, em adição à atmosfera de argônio e nitrogênio. No caso em que o oxigênio se dissolve na película de revestimento, é apropriado que o gás de oxigênio seja introduzido, além de argônio e nitrogênio. No caso em que o carbono e o oxigênio são dissolvidos em simultâneo, é apropriado que o gás de dióxido de carbono seja introduzido, além de argônio e nitrogênio. Listagem de Referência 1 Anel de pistão 2 película de revestimento de alta resistência 3 película de revestimento de cromo metálico 11 peça de teste superior 12 peça de teste inferior 20 peça de anel de pistão 21 rotor 22 superfície circunferencial externa do rotor

Claims

1. Película de revestimento de alta resistência (2), que compreende uma composição que contém uma mistura de cromo metálico que tem nitrogênio dissolvido na mesma e Cr2N, caracterizada pelo fato de que um teor de nitrogênio na película de revestimento de alta resistência (2) sendo de 2,0 a 8,5% em massa; e a IP, que é expressa pelo total de cada intensidade do pico de difração de Cr2N/(total de cada intensidade do pico de difração de cromo metálico + total de cada intensidade do pico de difração de Cr2N), sendo de 3 a 40%, quando 20 está em uma faixa de 30° a 90°, em que 0 é um ângulo de incidência em difração de raio x da película de revestimento de alta resistência (2).

2. Película de revestimento de alta resistência (2), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o teor de nitrogênio na película de revestimento de alta resistência (2) é de 3,0 a 7,0% em massa, e em que a IP é de 10 a 30%.

3. Película de revestimento de alta resistência (2), de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que uma rigidez de micro Vickers da película de revestimento de alta resistência (2) é de 950 a 1.600 HV.

4. Película de revestimento de alta resistência (2), de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que uma rigidez de micro Vickers da película de revestimento de alta resistência (2) é de 1.100 a 1.500 HV.

5. Película de revestimento de alta resistência (2), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizada pelo fato de que a película de revestimento de alta resistência (2) tem uma película de revestimento de cromo metálico fornecido por baixo dela.

6. Membro deslizante, caracterizado pelo fato de que é coberto com a película de revestimento de alta resistência (2) como definida em qualquer uma das reivindicações 1 a 5.

7. Membro deslizante, de acordo com a reivindicação 6, ca-racterizado pelo fato de que o membro deslizante compreende um anel de pistão (1).