BR112017015377B1

BR112017015377B1 - Processo para aumentar o rendimento e/ou a vida útil de pistões

Info

Publication number: BR112017015377B1
Application number: BR112017015377-7A
Authority: BR
Inventors: Beno Widrig; Arvid Stellmacher; Ruedi Roppel; Jürgen Ramm
Original assignee: Oerlikon Surface Solutions Ag, Pfäffikon
Priority date: 2015-02-24
Filing date: 2016-02-17
Publication date: 2022-03-03
Also published as: WO2016135014A1; EP3262209B1; PL3262209T3; CN107406962B; CN107406962A; EP3262209A1; JP2018507960A; US10487394B2; KR20170118737A; US20180237902A1; BR112017015377A2

Abstract

A presente invenção refere-se a um processo para aumentar o rendimento e/ou a vida útil de êmbolos, sendo que - durante o revestimento, pelo menos uma fonte de revestimento PVD com target (101), disposta em uma parede da câmara de revestimento é operada pelo menos temporariamente, a superfície do target (103) a ser evaporada é colocada pelo menos na maior parte paralelamente ao eixo vertical, e as partes da superfície (144, 145A, 145B) a serem revestidas são posicionadas, com a ajuda do dispositivo de fixação, pelo menos temporariamente na frente da superfície do target na área de revestimento (103), e - por meio de um sistema de rotação que ao mesmo tempo é executado como um sistema de acoplamento (126), ou que é disposto no sistema de acoplamento (126), ou que é executado como parte integrante do sistema de acoplamento (126), o assento de substrato (130) é colocado em movimento de rotação pelo menos periodicamente no seu próprio eixo de rotação (G), e o eixo de rotação (G) forma com o eixo vertical um ângulo a superior a 10° e inferior a 180°, de tal modo que cada parte das diversas partes da superfície (144, 145A, 145B) é atingida por material de revestimento (102) pelo menos uma vez.

Description

[0001] A presente invenção refere-se a um processo para aumentar o rendimento e a vida útil de pistões, especialmente de motores de combustão interna, onde determinadas partes de superfícies de um pistão, especialmente as superfícies da cabeça do pistão, são revestidas com uma camada separada pelo menos parcialmente por meio do processo PVD. Além disso, a presente invenção refere-se a um dispositivo de fixação para o revestimento de pistões, especialmente de superfícies de pistões por meio do processo PVD [Physical Vapour Deposition].

ESTADO DA TÉCNICA.

[0002] O revestimento de certas superfícies de pistões de motores de combustão interna é conhecido do estado da técnica.

[0003] Por exemplo, o documento DE 1032 0979 A1 descreve um processo para a proteção contra o desgaste de superfícies de pistões. Concretamente é sugerido aplicar uma camada de proteção contra desgaste gerada eletroliticamente de plasma, com uma rugosidade Ra < 1,5 μm, pelo menos na área da primeira ou mais alta ranhura para o anel do pistão.

[0004] O documento DE 1020112025283 A1 sugere revestir pistões com um revestimento termicamente isolante e descreve um processo para a aplicação do revestimento termicamente isolante por meio de uma combinação do processo de metalização por aspersão térmica e processo Sol-gel.

[0005] Devido às exigências cada vez maiores no que se refere à qualidade e ao rendimento e vida útil maior de pistões em motores de combustão interna, o uso doe processos PVD para a separação, por exemplo, de camadas de proteção contra o desgaste e de isolamento térmico em superfícies desejadas de tais pistões poderia ser desejável. Porém, o uso do processo PVD ainda não se consagrou para esta finalidade.

[0006] Por um lado, isto é causado pelo fato de que a produção de camadas PVD resistentes à temperatura e à oxidação, até pouco tempo atrás, ainda não era desenvolvido ao ponto de ser usado na produção, e por outro lado, isto se dá devido às dificuldades que precisam ser superadas no revestimento de componentes com geometrias complexas e/ou superfícies irregulares por meio do processo PVD. Pistões para motores de combustão interna modernos, hoje em dia, apresentam geometrias complexas e superfícies irregulares. Consequentemente, o revestimento de tais superfícies de pistões, tais como as superfícies da cabeça do pistão, é um grande desafio.

TAREFA DA PRESENTE INVENÇÃO.

[0007] A presente invenção tem a tarefa de fornecer um processo e um dispositivo de fixação de substrato os quais possibilitam o revestimento em escala industrial de superfícies de pistões com formas complicadas por meio do processo PVD.

[0008] Em especial devem o processo e o dispositivo de fixação de acordo com a presente invenção possibilitar que formas de cabeça de pistão complicadas possam ser revestidas em grandes séries no mesmo lote.

[0009] Além disso, o processo e o dispositivo de fixação de acordo com a presente invenção precisam possibilitar a separação de camadas de óxido ou contendo óxido.

DESCRIÇÃO DA PRESENTE INVENÇÃO.

[00010] Esta tarefa, com a ajuda da presente invenção, é solucionada pelo fato de que um processo de acordo com a invenção para o revestimento de pistões sob o uso de um dispositivo de fixação conforme descritos mais adiante serão disponibilizados.

[00011] Para uma compreensão melhor para as demais explicações fazemos referência às figuras 1 até 5.

[00012] A figura 1 mostra esquematicamente um pistão de aço 140 com uma guia 142 para o pino do pistão e uma superfície da cabeça do pistão 144 + 145 com uma forma da superfície complicada que apresenta uma superfície com cortes por baixo 145B no sentido da presente invenção. A seção transversal O-O do pistão de aço na figura 1a é mostrada esquematicamente na figura 1b.

[00013] Ao revestir as superfícies com o processo PVD é preciso levar em consideração que o material 102 evaporado pela fonte de revestimento PVD com o respectivo Target 101 vai afastando-se, sobretudo, em linha reta da superfície do target 103, de preferência, sob ângulos de cerca de 90° em relação à superfície do target a ser evaporada, como é mostrado na figura 2. No contexto da presente invenção, o material evaporado 102 também é denominado de material de revestimento 102. É necessário entender que durante o processo de revestimento PVD ou quando a fonte de revestimento PVD está trabalhando, o material de revestimento 102 vai se soltando do target e constitui uma área de revestimento na câmara de revestimento a vácuo. Também é preciso entender que, quando o processo de revestimento PVD usado é um processo reativo, a camada PVD que cresce na superfície a ser revestida não apenas contém o material de revestimento 102 do target, mas neste caso, a camada PVD, que é aplicada em um substrato, resulta da reação entre um gás reativo presente na câmara de revestimento e o material de revestimento 102 solto do target. O processo PVD pode ser um processo de sputter ou um processo de HIPIMS, de preferência, um processo de arc-evaporation. Pode ser que mais que uma fonte de revestimento PVD seja usada para a separação da camada PVD, onde todas as fontes de revestimento PVD usadas em um processo PVD não necessariamente precisam ser iguais, mas elas tanto podem conter diferentes materiais de target, podem ser operadas de modo cronologicamente diferente e também podem ser operadas com diferentes parâmetros. Além disso, o processo PVD no sentido da presente invenção, também pode ser um processo combinado. Por exemplo, poderia ser um processo PCD + PACVD combinado.

[00014] Por motivo das condições acima mencionadas para a separação do material de revestimento 102 do target por meio do processo PVD, a disposição geométrica dos componentes a serem revestidos ou superfícies dos componentes dentro da câmara de revestimento durante o processo de revestimento é de importância decisiva para o fato de se e quais partes da superfície do substrato precisam ser revestidas.

[00015] A figura 2 mostra, por exemplo, uma configuração de disposição onde a superfície do substrato 145 a ser revestida apenas é alcançada por material de revestimento 102 que, em princípio, afasta- se da superfície do target 103 principalmente sob ângulos inferiores a 90° em relação à superfície a ser evaporada do target e que é oriunda de áreas do targetacima da superfície do substrato. Nisso, pouco material de revestimento 102 demais alcançará a superfície a ser revestida 145. Por conseguinte, em tal configuração de disposição, por um lado, a taxa de camada na superfície a ser revestida 144 + 145 será pequena demais e, por outro lado, as superfícies de cavidades 145A e de cortes por baixo 145B permanecerão praticamente sem revestimento ou com um revestimento incompleto, pois estas superfícies, em virtude da disposição geométrica, permanecem praticamente na sombra.

[00016] A figura 3 mostra como exemplo uma outra configuração de disposição, onde a superfície de substrato 144 + 145 a ser revestida é essencialmente paralela com a superfície do target 103, para que mais material de revestimento 102 do target alcança a superfície de substrato 144 + 145 a ser revestida e, dessa forma, mais material de revestimento 102 é aplicado nesta superfície. Porém, os inventores constataram que no uso desta configuração de disposição, a área da superfície a ser revestida 145A pode ser bem revestida, mas a área da superfície a ser revestida 145B não é revestida ou apenas parcialmente revestida. Em consequência disso, a proteção desejada do pistão por meio de um revestimento com apenas esta configuração de disposição tampouco pode ser garantida de maneira satisfatória.

[00017] Para o revestimento satisfatório das duas áreas de superfícies 145A e 145B acima mencionadas, os inventores testaram uma terceira configuração de disposição que é mostrada esquematicamente na figura 4. Nesta configuração de disposição, primeiro, a superfície do substrato a ser revestida 145 foi posicionada na frente do target, inclinada por um ângulo α em relação ao eixo vertical, como mostra a figura 4a ou a figura 4b. Nisso, os inventores constataram que tanto houve um revestimento satisfatório da área da superfície 145a como também de uma parte 145B’ da área da superfície 145B. Somente quando os inventores movimentaram os substratos a serem revestidos em redor do seu próprio eixo de rotação durante o revestimento, como mostra esquematicamente a figura 4b, ocorreu o revestimento das outras partes 145B’’ da área da superfície 145B. Com isso, todas as áreas de superfície desejadas, precisamente 144, 145A e 145B, podiam ser revestidas de modo satisfatório.

[00018] Este dispêndio na movimentação do substrato é justificado pelas vantagens que a aplicação de uma camada PVD possui em comparação com outros processos de revestimento.

[00019] A tecnologia PVD compreende tanto processos de separação não reativos como reativos físicos da fase gasosa. No caso é especialmente importante que por meio da tecnologia PVD camadas altamente resistentes à temperatura podem ser separadas a temperaturas de substrato relativamente baixas. Isto vale tanto para nitretos, tais como, por exemplo, CrN e TiN ou TiAlN, mas também, em forma mais expressiva para camadas oxídicas, tais como, por exemplo, óxido de cromo na estrutura de eskolaite estável ou óxido de alumínio na estrutura de corindo, ou óxido de alumínio cromo como cristal misto em estrutura de corindo ou de estruturas multicamadas, consistindo de Cr-N e Cr-O ou Cr-O-N. Tais camadas de óxido ou camadas contendo óxido apresentam uma alta resistência à oxidação, em parte até muito além dos 1000 °C, mas também podem ser sintetizados com temperaturas de substrato muito abaixo de 500 °C por meio do processo PVD. Isto permite a aplicação de tais camadas também em materiais de substrato relativamente baratas. Por outro lado, significa que materiais de substrato caros que são selecionados especialmente para o uso em temperaturas mais altas, podem ser substituídos por materiais mais baratos dotados de uma camada PVD.

[00020] Uma outra vantagem do revestimento PVD consiste em que um grande número de substratos podem ser revestidos simultaneamente em um processo de revestimento PVD. Isto diminui os custos do revestimento por substrato e ao mesmo tempo permite um aproveitamento melhor do material do target.

[00021] Mas, sobretudo é importante o fato de que um revestimento PVD onde os substratos são dispostos e movimentados conforme é descrito acima, permite o revestir de geometrias de superfícies complicadas, até mesmo superfícies com cavidades e cortes por baixo. Isto tem a grande vantagem, em comparação com um processo de produção, que precisa cada vez ser ajustado a uma nova geometria do substrato, ou porque cada substrato é tratado individualmente como é o caso na pulverização térmica ou porque o processo apenas é especificamente adaptado para cada geometria de substrato, como é o caso na soldadura por deposição.

[00022] Pequenas alterações na geometria do substrato, em geral, não precisam de nenhuma nova adaptação do processo, ou seja, a este respeito, a tecnologia PVD se destaca por uma alta flexibilidade.

[00023] A figura 5 mostra uma ilustração esquemática com uma forma de execução preferida de uma câmara de revestimento PVD com uma configuração de disposição e um dispositivo de fixação do substrato de acordo com a presente invenção. Nas paredes internas da câmara de revestimento (não desenhado) estão dispostas fontes de revestimento ou fontes de plasma 101 que fornecem o material de revestimento 102 que deverá ser aplicado diretamente nas superfícies a serem revestidas dos substratos 140, ou, eventualmente deve reagir pelo menos parcialmente com o gás reativo e ser aplicado nas superfícies a serem revestidas dos substratos 140.

[00024] De acordo com a presente invenção, os componentes a serem revestidos 140 são fixados em discos de rotação 120a e/ou 120b dispostos de modo giratório, por sua vez, fixados em eixos 110 sobre um dispositivo rotativo 100 que é disposto preferencialmente na área central da câmara de revestimento. Nisso é providenciado um primeiro movimento de rotação 1.R e um segundo movimento de rotação 2.R dos substratos a serem revestidos 140 respectivamente através do dispositivo rotativo 100 e através dos discos de rotação 120a e/ou 120b.

[00025] De acordo com uma forma de execução preferida de um dispositivo de fixação de substrato de acordo com a presente invenção, o disco de rotação 120a, 120b compreende um corpo principal 125, pelo menos um assento de substrato 130 e um sistema de acoplamento 126, para ligar o pelo menos um assento de substrato 130 ao corpo principal 125, onde o sistema de acoplamento 126 é dimensionado como um sistema rotativo, a fim de colocar o assento de substrato 130 no seu próprio eixo de rotação G em um terceiro movimento de rotação 3.R.

[00026] Concretamente, a presente invenção revela um processo para aumentar o rendimento e/ou a vida útil de pistões, especialmente pistões para motores de combustão interna, onde o processo compreende as seguintes etapas: a. Fixar pelo menos um pistão 140 com partes da superfície a serem revestidas 144, 145A, 145B em um assento de substrato 130 que é fixado em um dispositivo de fixação de substrato com a ajuda de um sistema de acoplamento 126, b. Introduzir o dispositivo de fixação de substrato com o pistão a ser revestido em uma área de revestimento da câmara de revestimento, c. revestir as partes da superfície a serem revestidas 144, 145A, 145B, caracterizado pelo fato de que d. durante o revestimento, pelo menos uma fonte de revestimento PVD com target101 disposta em uma parede da câmara de revestimento é operada pelo menos temporariamente, a superfície do target 103 a ser evaporada é colocada pelo menos na maior parte paralelamente ao eixo vertical, e que as partes da superfície 144, 145A, 145B a serem revestidas são posicionadas, com a ajuda do dispositivo de fixação, pelo menos temporariamente na frente da superfície do target na área de revestimento 103, onde e. por meio de um sistema de rotação que é disposto no sistema de acoplamento 126 ou é parte integrante do sistema de acoplamento, o assento de substrato 130 é colocado em movimento de rotação pelo menos periodicamente no seu próprio eixo de rotação G, e o eixo de rotação G forma com o eixo vertical um ângulo α superior a 10° e inferior a 180, de tal modo que cada parte das diversas partes da superfície 144, 145A, 145B é pelo menos uma vez alcançado por material de revestimento 102.

[00027] Em virtude deste movimento de rotação é garantido que material de revestimento 102 que se solta do targete evapora em linha reta com um ângulo de cerca de 90° em relação à superfície do target alcança pelo menos uma vez cada parte individual 144, 145A, 145B’, 145B’’ das partes da superfície 144, 145A, 145B a serem revestidas do pistão, e que nisso as superfícies selecionadas 144 e 145 do pistão são revestidas de maneira completa e satisfatória.

[00028] De acordo com uma outra variação preferida da presente invenção, o assento de substrato 130 é projetado de tal modo que as superfícies do pistão 140 que não devem ser revestidas sejam cobertas pelo próprio assento de substrato 130.

[00029] Em uma outra variação preferida para os ângulos alfa > 45°, os substratos são de tal modo fixados através de uma proteção no assento do substrato que são impedidos de caírem fora do assento, isto vale especificamente para revestimentos, onde os substratos a serem revestidos têm sua superfície de substrato viradas para baixo, ou seja, para ângulos α > 90°.

[00030] Concretamente, a presente invenção revela um processo para aumentar o rendimento e/ou a vida útil de pistões, sendo que o processo apresenta as seguintes etapas: a. Fixar pelo menos um pistão 140 com partes da superfície a serem revestidas 144, 145A, 145B em um assento de substrato 130 que é fixado em um dispositivo de fixação de substrato com a ajuda de um sistema de acoplamento 126, b. Introduzir o dispositivo de fixação de substrato com o pistão a ser revestido em uma área de revestimento da câmara de revestimento, c. Revestir as partes da superfície a serem revestidas 144, 145A, 145B,onde d. durante o revestimento, pelo menos uma fonte de revestimento PVD com target101 disposta em uma parede da câmara de revestimento é operada pelo menos temporariamente, a superfície do target 103 a ser evaporada é colocada pelo menos na maior parte paralelamente ao eixo vertical, e que as partes da superfície 144, 145A, 145B a serem revestidas são posicionadas com a ajuda do dispositivo de fixação, pelo menos temporariamente, na frente da superfície do target na área de revestimento 103, e e. Por meio de um sistema de rotação que ao mesmo tempo é executado como um sistema de acoplamento 126, ou que é disposto no sistema de acoplamento 126, ou que é executado como parte integrante do sistema de acoplamento 126, o assento de substrato 130 é colocado em movimento de rotação, pelo menos periodicamente, no seu próprio eixo de rotação G, e o eixo de rotação G forma com o eixo vertical um ângulo α superior a 10° e inferior a 180, de tal modo que cada parte das diversas partes da superfície 144, 145A, 145B é pelo menos uma vez alcançado por material de revestimento 102.

[00031] Um processo conforme descrito acima, onde o pistão 140 é um pistão para motores de combustão interna que apresenta cortes por baixo 145B a serem revestidos.

[00032] Um processo conforme descrito acima, onde o assento de substrato 130 é dimensionado de tal modo que cobre as superfícies a não serem revestidas do pistão 140, impedindo seu revestimento.

[00033] Um processo conforme descrito acima, onde o assento de substrato é dimensionado em forma de copo.

[00034] Um processo, conforme descrito acima, onde o dispositivo de fixação de substrato abrange um grande número de assentos com pistões a serem revestidos, onde cada pistão individual é girado ao redor de três eixos, e onde o terceiro eixo de rotação é respectivamente o próprio eixo de rotação G de cada assento de substrato 130.

[00035] O processo, conforme descrito acima, onde o dispositivo de fixação apresenta também os seguintes elementos: - um dispositivo rotativo 100 que pode ser girado no próprio eixo vertical, - pelo menos um, de preferência, vários eixos 110 dispostos radialmente no dispositivo rotativo 100 e giratórios em torno do próprio eixo vertical com corpos principais 125 dispostos ao longo da altura, onde estão dispostos pelo menos um, de preferência, vários assentos de substrato 130, e onde a rotação do dispositivo rotativo 100 corresponde à primeira rotação 1.R, a rotação dos eixos com os corpos principais 125 corresponde à segunda rotação 2.R, e a rotação de cada assento de substrato 130 no próprio eixo de rotação G corresponde à terceira rotação 3.R.

[00036] Um processo, conforme descrito acima, onde, para fins de evitar defeitos de camada devido a depósitos de partículas durante ou depois do revestimento, o ângulo α é selecionado superior a 90°.

[00037] Um processo, conforme descrito acima, onde a terceira rotação 3.R é respectivamente executada através de uma coroa dentada que é parte integrante do sistema de acoplamento 126.

[00038] Um processo, conforme descrito acima, onde o assento de substrato 130 é ligado ao corpo principal 125 através de uma fixação de baioneta.

[00039] Um processo, conforme descrito acima, onde o pistão 140 no assento de substrato 130 é protegido contra queda por meio de um dispositivo de proteção.

[00040] Um processo, conforme descrito acima, onde como dispositivo de proteção é usado pelo menos um estribo, ou um fixador de baioneta ou um ímã.

Claims

1. Processo para aumentar o rendimento e/ou a vida útil de pistões, sendo que o processo apresenta as seguintes etapas: a. Fixar pelo menos um pistão (140) com partes da superfície a serem revestidas (144, 145A, 145B) em um assento de substrato (130) que é fixado em um dispositivo de fixação de substrato com a ajuda de um sistema de acoplamento (126), b. Introduzir o dispositivo de fixação de substrato com o pistão a ser revestido em uma área de revestimento da câmara de revestimento, c. revestir as partes da superfície a serem revestidas (144, 145A, 145B), caracterizado pelo fato de que, d. durante o revestimento, pelo menos uma fonte de revestimento PVD com target(101) disposta em uma parede da câmara de revestimento é operada pelo menos temporariamente, a superfície do target (103) a ser evaporada é colocada pelo menos na maior parte paralelamente ao eixo vertical, e que as partes da superfície (144, 145A, 145B) a serem revestidas são posicionadas, com a ajuda do dispositivo de fixação, pelo menos temporariamente, na frente da superfície do target na área de revestimento (103), onde e. por meio de um sistema de rotação que ao mesmo tempo é executado como um sistema de acoplamento (126), ou que é disposto no sistema de acoplamento (126), ou que é executado como parte integrante do sistema de acoplamento (126), o assento de substrato (130) é colocado em movimento de rotação, pelo menos periodicamente, no seu próprio eixo de rotação (G), e o eixo de rotação (G) forma com o eixo vertical um ângulo α superior a 10° e inferior a 180°, de tal modo que cada parte das diversas partes da superfície (144, 145A, 145B) é atingida por material de revestimento (102) pelo menos uma vez.

2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o pistão (140) é um pistão de motores de combustão interna que apresenta cortes por baixo (145B) a serem revestidos.

3. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o assento de substrato (130) é dimensionado de tal modo que cobre as superfícies a não serem revestidas do pistão (140), impedindo assim seu revestimento.

4. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o assento do substrato é projetado com forma de copo.

5. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de fixação de substrato compreende um grande número de assentos (130) com pistões (140) a serem revestidos, onde cada pistão individualmente é girado em torno de três eixos, e onde o terceiro eixo de rotação é respectivamente o próprio eixo de rotação (G) de cada assento de substrato (130).

6. Processo, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de fixação compreende também os seguintes elementos, - um dispositivo rotativo (100) que pode ser girado em torno do próprio eixo vertical, - pelo menos um, de preferência, vários eixos (110) dispostos radialmente no dispositivo rotativo (100) e que podem girar em redor do seu próprio eixo vertical com corpos principais (125) dispostos ao longo da altura, onde estão dispostos pelo menos um, de preferência, vários assentos de substrato (130), onde a rotação do dispositivo rotativo corresponde à primeira rotação (1.R), a rotação dos eixos com os corpos principais (125) corresponde à segunda rotação (2.R), e a rotação de cada assento de substrato (130) no próprio eixo de rotação (G) corresponde à terceira rotação (3.R).

7. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que, para fins de evitar defeitos de camada devido a depósitos de partículas, durante ou depois do revestimento, o ângulo α é selecionado superior a 90°.

8. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 5 a 7, caracterizado pelo fato de que a terceira rotação (3.R) é respectivamente executada por meio de uma coroa dentada que é parte integrante de um sistema de acoplamento (126).

9. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 6 a 8, caracterizado pelo fato de que o assento de substrato (130) é ligado ao corpo principal (125) por meio de uma fixação de baioneta.

10. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o pistão (140), no assento de substrato (130), é impedido de cair para fora através de um dispositivo de proteção.

11. Processo, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que como dispositivo de proteção é usado pelo menos um estribo, ou um fixador de baioneta ou um ímã.