BR112015017292B1 - Elemento deslizante, particularmente um anel de pistão, com um revestimento - Google Patents

Abstract

ELEMENTO DESLIZANTE, PARTICULARMENTE UM ANEL DE PISTÃO, COM UM REVESTIMENTO. A presente invenção refere-se a um elemento deslizante, particularmente um anel de pistão, que tem pelo menos uma superfície de rolamento, em que a superfície de rolamento compreende um revestimento que tem, de dentro para fora, pelo menos uma primeira camada adesiva, uma camada DLC dura livre de hidrogênio, uma segunda camada adesiva, uma camada DLC macia contendo hidrogênio, metal e/ou carboneto de metal, que é mais macia camada DLC livre de hidrogênio, e uma camada contendo do que a DLC dura contendo hidrogênio, que é mais dura do que a camada DLC macia que contém hidrogênio, contendo metal e/ou carboneto de metal.

Description

Campo Técnico da Invenção

[001] A invenção refere-se a um elemento deslizante, particularmente um anel de pistão.

[002] Elementos deslizantes, tais como, por exemplo, anéis de pistões, compreendem superficies de rolamento através das quais eles estão em contato deslizante com um parceiro de atrito. O sistema tribológico é complexo e é determinado de forma decisiva, por exemplo, por pareamento de materiais do parceiro de atrito e pelas condições ambientais, tais como, por exemplo, pressão, temperatura e meio circundante. Precisamente com motores modernos, ocorrem cargas particularmente elevadas, por exemplo, sobre os anéis de pistão. Para garantir e prolongar a operacionalidade e a vida útil dos componentes, as propriedades da superfície de rolamento dos elementos deslizantes podem ser especificamente otimizadas.

Estado da técnica

[003] Tais otimizações compreendem frequentemente a aplicação de sistemas de camadas mais ou menos complexos por meio, por exemplo, de processos de pulverização térmica, processos galvânicos ou processos de tecnologia de camada-fina. O principal objetivo dessas camadas é a proteção contra desgaste e, portanto, é primeiramente é visada principalmente a alta dureza das camadas. Como camadas particularmente duras e duráveis, têm-se revelado as camadas de carbono tipo diamante (diamond-like carbon, DLC) . Estas podem ser variadas em suas propriedades de muitas maneiras, por exemplo, alterando o seu carácter de ligação C-C, com diferentes frações de ligação de carbono e pela presença ou ausência de hidrogênio e metais. Muitas vezes, sob as camadas de proteção de desgaste, são aplicadas camadas de adesivo, que são destinadas a assegurar uma ligação particularmente firme e durável entre as camadas de proteção de desgaste altamente carregadas e o material de base do elemento deslizante.

[004] No entanto, a utilização exclusiva de camadas DLC muito rigidas conduz a alguns problemas tecnológicos. Por um lado, as superficies destas camadas devem ser muito lisas, de modo que pressões de superfície mais elevadas não ocorram rupturas na superfície e, com isso, a falha do sistema de camadas. Pode ainda ser demonstrado que, por exemplo, o desgaste de anel e revestimento aumenta de forma significativa com a aspereza dos revestimentos resistentes ao desgaste. Assim, é necessário alisar as superficies das camadas de proteção de desgaste, tanto quanto possivel, antes da utilização, no entanto, isto está associado com grande esforço técnico e é muito intenso em termos de custos. Por exemplo, EP 1 829 986 BI descreve um método de como tais camadas duras à base de carbono podem ser processadas por meio de elementos em forma de cerdas ou em forma de placas. Por outro lado, camadas muito duras de proteção contra desgaste têm um comportamento de partida desfavorável. Devido ao seu elevado grau de dureza, a partida ocorre em detrimento do parceiro de atrito que, na fase de partida, sofre maior desgaste, adicionalmente pode ocorrer formação de pontuação e/ou de marcas de queimadura.

[005] Tendo em vista o comportamento de partida, pode ser conveniente prever, sobre as camadas de proteção de desgaste, camadas de partida que são mais macias do que estas. O objetivo destas camadas é gerar um tipo de "equilibrio" tribológico em que a camada de partida é despojada no primeiro contato com o parceiro de fricção e ao fazê-lo, realiza um ajuste reciproco do parceiro de atrito. Após a fase de partida, o desgaste por atrito diminui e se estabiliza e a camada dura de proteção contra o desgaste, em seguida, garante propriedades de atrito favoráveis a longo prazo e a durabilidade da vida útil.

[006] 0 documento DE 10 2005 063 123 B3 descreve um sistema de camadas sobre um elemento deslizante consistindo, de dentro para fora, de uma camada de proteção contra o desgaste, uma camada adesiva e uma camada de partida do tipo Me-C:H, em que partículas de material duro, por exemplo WC, também estão contidas.

[007] A partir do documento DE 10 2008 042 747 Al é evidente um elemento deslizante que tem um revestimento que, de dentro para fora, tem uma camada adesiva, uma camada PVD, opcionalmente, uma camada à base de carbono do tipo a-C:H:W, uma camada à base de carbono do tipo a-C:H e outra camada à base de carbono do tipo a-C:H. Prevê-se que a camada externa de carbono seja mais macia do que a camada de carbono subjacente.

Descrição da Invenção

[008] A invenção baseia-se no objetivo de criar um elemento deslizante, particularmente um anel de pistão para motores de combustão, com propriedades mecânicas ótimas e tribológicas. Mais especificamente, o objetivo consiste em proporcionar um elemento deslizante deste tipo, cuja superfície tem um comportamento de partida favorável, ou seja, tempo de partida encurtado, desgaste reduzido entre os corpos e menor consumo de combustível e de óleo durante a partida. Além disso, pode ser conseguida uma melhor capacidade de processamento da superfície do elemento deslizante.

[009] De acordo com a invenção, o objetivo é resolvido pelo elemento deslizante de acordo com a reivindicação 1. Formas de realização vantajosas e outros desenvolvimentos da invenção podem ser alcançados com as características indicadas nas reivindicações dependentes.

[0010] O elemento deslizante de acordo com a invenção, particularmente um anel de pistão, tem pelo menos uma superfície de rolamento, em que a superfície de rolamento compreende um revestimento que, de dentro para fora, tem, pelo menos, uma primeira camada adesiva, uma camada DLC dura livre de hidrogênio, uma segunda camada adesiva, uma camada DLC macia contendo hidrogênio, contendo metal e/ou carboneto de metal, que é mais macia do que a camada DLC livre de hidrogênio, e uma camada DLC dura contendo hidrogênio, que é mais dura do que a camada DLC macia contendo hidrogênio, contendo metal e/ou carboneto demetal.

[0011] A camada DLC interna livre de hidrogênio assume, após a partida, a proteção contra o desgaste do elemento deslizante durante o funcionamento a longo prazo e, assim, garante uma boa durabilidade de tempo de vida e funcionalidade do elemento deslizante. Para cumprir esta função de forma ideal, é selecionada preferivelmente uma camada do tipo ta-C, isto é, uma camada amorfa de carbono tetraédrico livre de hidrogênio, a qual é caracterizada por elevados graus de dureza alcançáveis.

[0012] A camada DLC macia contendo hidrogênio, contendo metal e/ou carboneto de metal é, particularmente, em comparação com a camada DLC descrita acima, comparativamente macia, no entanto, também tem um comportamento de atrito favorável. Esta camada pode ser preferivelmente formada como uma camada amorfa de carbono tetraédrico livre de hidrogênio (ta-C) ou como uma camada amorfa de carbono contendo hidrogênio (a-C:H) ou como uma camada amorfa de carbono contendo hidrogênio e metal (Me- DLC). A camada DLC macia atua como uma camada intermediária de estabilização entre as duas camadas DLC duras e, assim, estabiliza o sistema de camadas contra as elevadas forças de cisalhamento que ocorrem.

[0013] A camada externa final do revestimento é formada por uma camada DLC dura contendo hidrogênio. Esta camada é preferivelmente configurada ligeiramente menos dura e tem uma resistência ao desgaste menor do que a camada interna DLC dura. Por isso, uma menor rugosidade superficial pode ser conseguida de maneira comparativamente barata porprocessos de alisamento antes da utilização do elemento deslizante, por exemplo, em um motor de combustão. A camada é, portanto, apropriada como uma camada de partida com a qual é realizado um bom comportamento de partida, por exemplo, de um anel de pistão com uma superficie deslizante do cilindro, que juntamente com um tempo de partida curto, é acompanhado por desgaste reduzido entre os corpos e menor consumo de combustível e de óleo, bem como blow-by na fase de partida.

[0014] O sistema de camadas é ainda formado por duas camadas adesivas que produzem uma boa ligação coesiva entre a camada DLC interna e a camada DLC macia de modo a que o revestimento não perde a sua integridade e função durante as cargas elevadas na fase de partida. Por outro lado, a primeira camada adesiva serve como um agente de ligação ao material de base da superficie de rolamento e por isso constitui a base para a durabilidade e funcionalidade do revestimento como um todo.

[0015] Os materiais de camada DLC selecionados permitem uma boa otimização das propriedades da camada no que se refere à sua utilização individual no revestimento, por exemplo, por meio de variação do teor de hidrogênio ou o tipo de metais adicionados. Como um todo, obtém-se assim um sistema de camadas o qual é caracterizado por um resistente baixo atrito ao longo da vida do elemento deslizante.

[0016] Preferivelmente, a camada DLC livre de hidrogênio tem uma dureza de entre cerca de 1800 e cerca de 3500 HV 0,02, a camada DLC macia contendo hidrogênio, contendo metal e/ou carboneto de metal tem uma dureza de entre cercade 800 e cerca de 1400 HV 0,002 e a camada DLC dura contendo hidrogênio tem uma dureza de entre cerca de 1800 e cerca de 3100 HV 0,002. Os diferentes graus de dureza baseiam-se, como já se disse, nas diferentes funções das camadas individuais do revestimento. A dureza máxima alta da camada interna DLC dura livre de hidrogênio garante a durabilidade de vida. A dureza inferior da camada intermediária DLC macia é vantajosa para a estabilização mecânica do revestimento, e a dureza máxima ligeiramente reduzida da camada externa DLC dura contendo hidrogênio revela-se vantajosa para o comportamento de partida do elemento deslizante. Um comportamento de partida melhorado provoca uma estabilização tribológica dos parceiros de fricção entre si e um melhor ajuste do elemento deslizante para a geometria do parceiro de fricção. Para isso, os graus de dureza na faixa de valores dada provam-se ser particularmente favoráveis.

[0017] Para assegurar a funcionalidade e facilidade de uso do revestimento, prefere-se que a diferença no grau de dureza entre as camadas DLC duras e as camadas DLC macias corresponda a um fator de aproximadamente 1,2 a aproximadamente 4,4. Diferenças menores no grau de dureza levariam a um sistema de camadas demasiadamente homogêneo com propriedades de camada muito semelhantes e os efeitos, por exemplo, da estabilização mecânica ou de comportamento ótimo de partida ou de boa durabilidade de vida útil estariam perdidos. Maiores diferenças na dureza, no entanto, parecem tecnologicamente de pouco sentido e nãoteriam efeitos adicionais positivos.

[0018] Vantajosamente a camada DLC macia contendo hidrogênio, contendo metal e/ou carboneto de metal compreende fases de tungsténio e/ou de carboneto de tungsténio e/ou de silicio e/ou carboneto de silicio e/ou cromo e/ou carboneto de cromo. Tem sido demonstrado que elementos W, Cr e Si e/ou carbonetos destes contidos na camada de carbono amorfo contendo hidrogênio formam uma camada que constitui uma boa combinação entre as propriedades de estabilização e propriedades de atrito.

[0019] De um modo preferido, a primeira e/ou a segunda camada adesiva contém/contêm metal, particularmente Cr. As camadas adesivas podem ser geradas por processos de plasma de baixa temperatura, por exemplo, por deposição fisica de vapor.

[0020] O revestimento da superfície de rolamento do elemento deslizante tem preferivelmente uma espessura total de aproximadamente 5 μm a aproximadamente 50 μm. Espessuras de camadas nesta faixa asseguram que a camada de partida e a camada de estabilização sejam suficientemente espessas para desempenhar as suas funções e que a camada de proteção contra o desgaste tenha substância suficiente para garantir o bom comportamento de atrito em funcionamento continuo.

[0021] A relação entre a espessura da camada DLC livre de hidrogênio, incluindo a primeira camada adesiva, e a espessura das duas camadas DLC contendo hidrogênio, incluindo a segunda camada adesiva, está entre cerca de 1,1 e cerca de 12. Assim, prefere-se uma estrutura em camadas em que a camada DLC que atua como camada de partida seja sempre configurada para ser mais fina do que a camada DLC que atua como camada de proteção contra o desgaste. Vantajosamente as razões de espessura de camadas podem ser variadas dentro deste intervalo de valores e, assim, dependendo das condições de funcionamento do elemento deslizante, por exemplo, uma camada de partida relativamente espessa ou uma camada de partida relativamente fina pode ser realizada.

[0022] O material de base do elemento deslizante pode ser formado de aço ou um material fundido. Estes materiais provaram ser particularmente vantajosos como materiais de base para os elementos deslizantes altamente carregados, por exemplo, anéis de pistão.

[0023] Além disso, uma superficie de pelo menos uma camada DLC pode ser alisada mecanicamente. Uma superficie de atrito tão lisa quanto possivel contribui para uma redução significativa, por exemplo, do desgaste do anel e do desgaste do revestimento.Formas de realização da invenção

[0024] Como uma forma de realização exemplificativa da presente invenção, é concebível um sistema complexo camadas, em que uma primeira camada adesiva contendo cromo é primeiramente aplicada ao material de base de um elemento deslizante, por exemplo, feito de aço ou de um material fundido. Uma camada DLC livre de hidrogênio é, em seguida, aplicada a esta camada, o que garante a durabilidade de vida útil do sistema de camadas no seu conjunto. Isto é seguido por outra camada adesiva contendo metal, seguida por uma camada DLC comparativamente macia que contém hidrogênio, contendo metal e/ou carboneto de metal, que, acima de tudo, absorve esforços mecânicos de cisalhamento e atua como um fator de estabilização. Na superficie, o sistema de camadas é completado por uma camada DLC dura contendo hidrogênio que tem uma dureza máxima menor do que a camada interna DLC dura e serve como uma camada de partida do elemento deslizante.

Claims (9)

1. Elemento deslizante, particularmente um anel de pistão, que tem pelo menos uma superfície de rolamento, caracterizado pelo fato de que a superfície de rolamento possui um revestimento que possui, de dentro para fora, pelo menos uma primeira camada adesiva, uma camada DLC livre de hidrogênio, uma segunda camada adesiva, uma camada DLC macia contendo um mais dentre hidrogênio, metal e carboneto de metal, que é mais macia do que a camada DLC dura livre de hidrogênio, e uma camada DLC dura contendo hidrogênio, que é mais dura do que a camada DLC macia contendo um ou mais dentre hidrogênio, metal e carboneto de metal.

2. Elemento deslizante, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a camada DLC dura livre de hidrogênio possui uma dureza entre 1.800 e 3.500 HV 0,02, pela camada DLC macia contendo um ou mais dentre hidrogênio, metal e carboneto de metal possuir uma dureza entre 800 e 1.400 HV 0,002, e pela camada DLC dura contendo hidrogênio possuir uma dureza entre 1.800 e 3.100 HV 0,002.

3. Elemento deslizante, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de a diferença na dureza entre as camadas DLC duras e a camada DLC macia corresponde a um fator de 1,2 a 4,4.

4. Elemento deslizante, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a camada DLC macia contendo um ou mais dentre hidrogênio, metal e carboneto de metal possui fases de um ou mais dentre tungstênio, carboneto de tungstênio, silício, carboneto de silício, cromo e carboneto de cromo.

5. Elemento deslizante, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que uma ou mais dentre a primeira e a segunda camada adesiva é preferivelmente uma camada contendo metal, particularmente contendo Cr.

6. Elemento deslizante, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o revestimento possui uma espessura total de 5 μm a 50 μm.

7. Elemento deslizante, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a razão de espessura da camada entre a espessura da camada DLC dura livre de hidrogênio, incluindo a primeira camada adesiva, e a espessura das camadas DLC contendo hidrogênio, incluindo a segunda camada de adesivo, está entre 1,1 e 12.

8. Elemento deslizante, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o material base deste é aço ou um material fundido.

9. Elemento deslizante, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que uma superfície de pelo menos uma camada DLC é alisada.