BR112019024952A2 - Anel de pistão e método de manufaturar - Google Patents

Abstract

A presente invenção refere-se a um anel de pistão e um método de manufaturar um anel de pistão, para um pistão de um motor de combustão interna alternativa. O anel de pistão compreende um corpo que tem uma superfície circunferencial externa. Um revestimento tribológico é formado sobre a superfície circunferencial externa do corpo. O revestimento tribológico tem uma estrutura de camada dupla, e inclui uma camada de base relativamente dura, e uma camada de topo relativamente porosa sobrepondo a camada de base.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para “ANEL DE PISTÃO E MÉTODO DE MANUFATURAR”.

CAMPO TÉCNICO

[0001] A presente invenção refere-se, em geral, a um anel de pis- tão para um pistão de um motor alternativo, e mais particularmente, a um revestimento para um anel de pistão.

ANTECEDENTES

[0002] Um anel de pistão é um anel de extremidade aberta, que se encaixa em uma ranhura anular, formada em uma circunferência ex- terna de um pistão de um motor alternativo, tal como um motor de combustão interna. Um pistão típico é equipado com múltiplos anéis de pistão, incluindo um anel de compressão de topo, um anel de con- trole de óleo, e um anel raspador. Muitos anéis de pistão são traçados com um diâmetro mais relaxado do que aqueles do cilindro, em que eles serão dispostos. Quando dispostos dentro de um cilindro do mo- tor, os anéis de pistão são comprimidos, em torno do pistão, devido à força intrínseca da sua mola, que garante contato radial suficiente en- tre os anéis e uma parede interna do cilindro. Durante a operação do motor, o pistão se move para cima e para baixo dentro do cilindro, e a pressão radial exercida na parede do cilindro, pelos anéis do pistão, fornece uma vedação em torno do pistão, que isola a câmara de com- bustão do bloco do motor. A pressão de gás da câmara de combustão pode aumentar a capacidade de vedação dos anéis do pistão, forçan- do os anéis para fora e aumentando a pressão de contato radial, entre os anéis do pistão e a parede do cilindro.

[0003] Uma vedação hermética eficaz, entre o pistão e a parede interna do cilindro, é necessária para a operação eficiente do motor, e é a responsabilidade principal dos anéis de pistão do tipo compressão. Anéis de compressão são localizados mais próximo da câmara de combustão, e ajudam a evitar um fenômeno conhecido como “soprado por,” em que os gases de combustão vazam da câmara de combustão, passam os anéis de pistão, dentro do bloco do motor. Em adição, anéis de compressão também ajudam o controle de consumo de óleo, impedindo óleo em excesso, não necessários para lubrificação, viaja- rem na direção oposta do bloco do motor dentro da câmara de com- bustão. Para obter uma vedação eficaz, entre a câmara de combustão e o bloco do motor, os anéis de compressão devem constantemente e totalmente contatar a parede interna do cilindro. Entretanto, devido às tolerâncias de fabricação e às cargas térmica e mecânica conferidas sobre o motor, a forma dos anéis nem sempre pode combinar com aquela do cilindro em que elas são dispostas.

[0004] Depois da montagem inicial de um novo motor “verde”, os anéis do pistão podem não se harmonizar perfeitamente à forma do cilindro em que eles são dispostos. Em tal caso, os anéis do pistão de- vem se submeter a uma fase de amaciar ou contínua, em que os anéis são assentados para a parede do cilindro, por estarem fisicamente desgastados dentro da parede do cilindro, até uma vedação hermética eficaz ser estabelecida entre eles. Durante este período de amaciar inicial, pode ocorrer sopro por gás de combustão, e consumo de óleo em excesso pelo motor, devido aos intervalos ou variações locais na pressão de contato entre os anéis do pistão e a parede do cilindro. Por conseguinte, é desejável reduzir a duração da fase de amaciar inicial, de maneira que o motor alcance a sua eficiência de operação ideal o mais rápido possível.

[0005] Alguns métodos de melhorar o desempenho de amaciar do motor, têm envolvido aplicação anódica ou revestimentos desgastá- veis, para as superfícies de acoplamento, ou de contato de componen- tes deslizantes. Esses revestimentos anódicos são projetados para ser facilmente desgastados onde necessário, durante a operação inicial do motor, de maneira que os perfis de contato dos componentes deslizan-

tes rapidamente se adaptem uns aos outros, deixando pouca ou ne- nhuma folga entre eles. A fim de alcançar um nível desejado de capa- cidade de desgastar, tais revestimentos são frequentemente feitos de materiais poliméricos e/ou lubrificantes a seco, que podem ser pron- tamente desgastados e/ou transferidos de uma superfície de contato para outra. Entretanto, as porções desgastadas desses materiais poli- méricos e/ou lubrificantes a seco, podem contaminar o ambiente de operação do motor, e/ou podem estragar as superfícies de contato dos componentes deslizantes. Dessa maneira, permanece uma necessi- dade na técnica por um método melhorado, a fim de intensificar o de- sempenho da amaciar do motor.

SUMÁRIO

[0006] Um anel de pistão compreendendo um corpo, que tem uma superfície circunferencial externa é fornecido. Um revestimento triboló- gico é formado sobre a superfície circunferencial externa do corpo. O revestimento tribológico inclui uma camada de base, e uma camada de topo sobrepondo a camada de base. A camada de topo pode compre- ender um material baseado em nitreto de metal de transição, em que o metal de transição pode ser selecionado do grupo consistindo em titâ- nio (Ti), zircônio (Zr), vanádio (V), nióbio (Nb), cromo (Cr), molibdênio (Mo), tungstênio (W), e combinações dos mesmos. A camada de topo pode ter uma porosidade relativamente alta, e uma dureza Vickers re- lativamente baixa, quando comparada à porosidade e dureza Vickers da camada de base.

[0007] Em uma forma, a camada de base do revestimento pode compreender um material baseado em nitreto de metal de transição, e o metal de transição pode ser selecionado do grupo consistindo em titânio (Ti), zicônio (Zr), vanádio (V), nióbio (Nb), cromo (Cr), molibdê- nio (Mo), tungstênio (W), e combinações dos mesmos. Em outra for- ma, a camada de base pode compreender um material baseado em carbono tipo diamante (DLC).

[0008] A camada de topo do revestimento tribológico, pode definir uma parede de cilindro que engata a superfície do anel de pistão, e pode ter um contorno que exibe uma pluralidade de calhas (depres- sões) e saliências.

[0009] Uma camada nitretada pode ser formada em uma superfí- cie do exterior do corpo, e um revestimento intermediário pode ser de- positado na superfície exterior do corpo, entre a camada nitretada e o revestimento tribológico.

[0010] O revestimento tribológico pode ser depositado sobre uma superfície circunferencial externa do anel de pistão, através de um processo de deposição física a vapor (PVD). Pelo menos um parâme- tro de processo do processo de deposição a vapor físico, pode ser modificado parcialmente através do processo de deposição, de tal ma- neira que a camada de topo do revestimento tribológico exibe uma po- rosidade relativamente alta, e uma dureza Vickers relativamente baixa, quando comparada àquela da camada de base subjacente.

[0011] O anel de pistão, como descrito acima, pode ser usado em combinação com um pistão, e disposto dentro de um cilindro de um motor de combustão interna alternativo, para formar um lacre em torno do pistão, entre a câmara de combustão e o bloco do motor.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0012] A FIG. 1 é uma elevação lateral esquemática de um pistão, e uma montagem da barra de ligação a um motor de combustão inter- na alternativa;

[0013] A FIG. 2 é uma vista em perspectiva esquemática de um anel de pistão;

[0014] A FIG. 3 é uma vista de corte transversal esquemática do anel de pistão da FIG. 2, tirada ao longo da linha 3-3; e

[0015] A FIG. 4 é uma vista de corte transversal esquemática de uma porção de uma superfície de contato de um anel de pistão.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0016] O revestimento tribológico presentemente revelado pode ser formado em uma superfície de contato de um componente de des- lizamento, tal como um anel de pistão, para um pistão de um motor de combustão interna alternativa. Quando o revestimento tribológico é formado em uma superfície circunferencial externa de um anel de pis- tão, tal como um anel de compressão superior, o revestimento triboló- gico pode fornecer o anel de pistão, com desempenho superior a curto prazo e a longo prazo, quando comparado aos anéis de pistão da téc- nica anterior. Por exemplo, o revestimento tribológico presentemente revelado, pode possibilitar uma vedação hermética eficaz para ser formada em torno de um pistão, em uma quantidade de tempo relati- vamente curta, que pode ajudar a estabilizar o desempenho do motor, reduzindo o sopro do gás de combustão e o consumo de óleo em ex- cesso. Além disso, o revestimento tribológico pode fornecer o anel de pistão, com excelente resistência ao desgaste de temperatura alta, du- reza, e resistência de atrito baixa, através da vida do anel de pistão.

[0017] A FIG. 1 ilustra um pistão e a montagem da barra de liga- ção 10, para uso em um cilindro 12 de um motor de combustão interna alternativo (não mostrado). A montagem 10 tem um eixo central longi- tudinal A, e compreende um pistão 14 e uma barra de ligação 16. Quando disposta dentro do cilindro 12, uma câmara de combustão (não mostrada) é tipicamente localizada imediatamente acima de uma superfície superior do pistão 14, e um bloco do motor (não mostrado) contendo óleo lubrificante, é tipicamente localizado abaixo de uma su- perfície inferior do pistão 14.

[0018] O pistão 14 tem um corpo que inclui uma coroa superior 18 e uma borda inferior 20. Uma pluralidade de ranhuras anulares 22 é formada em torno de uma circunferência externa da coroa 18 do pistão

14, e são dimensionadas para acomodar anéis de pistão, por exemplo, um anel de compressão superior 24, um anel de compressão inferior 26, e um anel de controle de óleo 28. Cada um dos anéis de pistão 24, 26, 28 tem uma superfície engatando a parede de cilindro ou a super- fície de contato, em uma circunferência externa do mesmo, que é adaptada para contatar e deslizar ao longo de uma parede interna do cilindro 12. Um furo de pino 30 é formado na borda 20 do pistão 14, e é dimensionado para receber um pino do pistão 32, a fim de conectar o pistão 14 a uma extremidade pequena da barra de ligação 16.

[0019] As FIGS. 2 e 3 ilustram um anel de pistão 110, para um pis- tão de um motor de combustão interna alternativa, tal como o pistão 14 ilustrado na FIG. 1. O anel de pistão 110 compreende um corpo anular dividido 112, que tem uma superfície externa que inclui uma superfície superior 114, uma superfície inferior 116, e uma superfície circunfe- rencial interna 118, e uma superfície circunferencial externa 120, se estendendo entre as superfícies superior e inferior 114, 116. No corte transversal, o anel de pistão 110 ilustrado nas FIGS. 2 e 3 têm uma forma de pedra angular, com as superfícies superior e inferior cônicas 114, 116. Entretanto, o anel de pistão 110 pode exibir outras várias formas de corte transversal, por exemplo, retangular. Além disso, o perfil de corte transversal da superfície circunferencial externa 120, do anel de pistão 110, em geral pode ser reta, como ilustrado nas FIGS. 2 e 3, ou pode seguir uma via angulada, ou em forma de arco, entre as superfícies superior e inferior 114, 116. O corpo anular 112 pode ser feito de ferro fundido (por exemplo, ferro fundido cinzento ou nodular), aço (por exemplo, aço inoxidável), ou qualquer outro metal ferroso ou liga apropriados. O material do corpo anular 112 pode ser selecionado, baseado mediante as características de aplicação e desempenho de- sejadas do anel de pistão 110, e/ou mediante a composição de quais- quer camadas de revestimento superpostas.

[0020] Uma camada nitrificada de difusão 122 pode ser formada na superfície externa do corpo anular 112, embora isso não seja ne- cessariamente requerido. A camada nitrificada 122 pode ser formada por qualquer processo de nitretação conhecido. Por exemplo, a cama- da nitrificada 122 pode ser formada pelo aquecimento do corpo anular 112 para uma temperatura apropriada, e expondo o corpo anular 112 a um gás que contem nitrogênio, por exemplo, amônia (NH3). A camada nitretada 122 pode se estender da superfície externa do corpo anular 112 do anel de pistão 110, em uma profundidade na faixa de 10–170 µm. A atual profundidade da camada nitretada 122, na superfície ex- terna do corpo 112, pode ser selecionada com base no tamanho do anel de pistão 110, e também pode ser selecionada para conferir cer- tas propriedades mecânicas e/ou físicas desejáveis, para o anel de pistão 110, incluindo dureza alta, resistência ao desgaste, resistência a arranhões, e período de fadiga melhorado. Alternativamente, a super- fície externa do corpo anular 112 pode ser submetida a um tipo dife- rente de processo de tratamento de superfície termoquímica, para produzir um tipo diferente de camada de difusão, na superfície externa do corpo anular 112. Outros processos de tratamento de calor podem adicionalmente ou alternativamente ser realizados, a fim de aumentar a dureza das porções de superfície selecionadas do corpo anular 112, incluindo através de endurecimento, endurecimento com resfriamento isotérrmico, e/ou endurecimento da superfície de indução. Em alguns casos, dependendo da composição do corpo anular 112, tratamento de superfície adicional ou processos de endurecimento podem não ser realizados.

[0021] Com referência agora à FIG. 3, em uma forma, uma cama- da intermediária, ou revestimento intermediário 124, e um revestimen- to tribológico 126, são formados na superfície externa do corpo anular 112, sobre a camada nitritada opcional 122. O revestimento tribológico

126 pode ser formado sobre a superfície externa do corpo anular 112, sobre o revestimento intermediário 124 e/ou sobre uma ou mais outras camadas de revestimento, já presentes sobre a superfície externa do corpo anular 112. Ou o revestimento tribológico 126 pode ser formado diretamente sobre a superfície externa do corpo anular 112. Em tal caso, o revestimento intermediário 124 é omitido. Formando o revesti- mento tribológico 126, diretamente sobre a superfície externa do corpo anular 112, pode ou não pode incluir formar o revestimento tribológico 126 sobre a camada nitretada 122, ou algum outro tipo de camada de difusão. Isto vai depender de se o corpo anular 112 foi ou não foi sub- metido a um processo de nitretação, ou algum outro tipo de tratamento de superfície termoquímica, ou processo de tratamento por calor, an- tes da deposição do revestimento tribológico 126.

[0022] Na FIG. 3, o revestimento intermediário 124 e o revestimen- to tribológico 126, são formados sobre a superfície circunferencial ex- terna 120 do corpo anular 112. Em particular, o revestimento interme- diário 124 e o revestimento tribológico 126, são formados sobre a su- perfície circunferencial externa 120 do corpo anular 112, de tal manei- ra que o revestimento intermediário 124 e o revestimento tribológico 126, ambos, se estendem da superfície superior 114 para a superfície inferior 116 do corpo anular 112. Em outras modalidades, o revesti- mento intermediário 124 e/ou o revestimento tribológico 126, podem ser adicionalmente ou alternativamente formados, sobre uma ou mais outras superfícies externas do corpo anular 112, incluindo a superfície superior 114, a superfície inferior 116, e/ou a superfície circunferencial interna 118 do corpo 112. Além disso, na FIG. 3, o revestimento inter- mediário 124 é disposto entre a camada nitritada 122 e o revestimento tribológico 126, sobre a superfície circunferencial externa 120 do corpo anular 112. Entretanto, em outras modalidades, o revestimento inter- mediário 124 pode ser omitido, e o revestimento tribológico 126 pode ser formado, diretamente sobre a superfície circunferencial externa 120 do corpo anular 112.

[0023] O revestimento intermediário 124 pode ajudar a melhorar a adesão do revestimento tribológico 126 à superfície externa do corpo anular 112, e pode compreender pelo menos um de cromo (Cr), níquel (Ni), cobalto (Co), titânio (Ti), e vanádio (V). Em uma forma, o revesti- mento intermediário 124 pode consistir essencialmente de cromo ele- mentar (Cr). O revestimento intermediário 124 pode ser formado sobre a superfície externa do corpo anular 112, por um processo de pulveri- zação térmica (por exemplo, um processo de pulverização de chama, um processo oxi-combustível de alta velocidade (HVOF), ou um pro- cesso de pulverização de plasma, um processo de deposição de vapor físico (PVD), ou através de qualquer outro processo apropriado. Uma espessura apropriada para o revestimento intermediário 124 pode ser na faixa de 1–10 µm, medida na direção radial do anel de pistão 110. Entretanto, em outras formas, a espessura do revestimento intermedi- ário 124 pode ser de alguma forma mais ou menos do que esta quan- tidade, dependendo do método de aplicação usado para formar o re- vestimento intermediário 124, sobre a superfície externa do corpo anu- lar 112.

[0024] O revestimento tribológico 126 pode ter uma estrutura de camada dupla, e pode incluir uma relativamente dura camada de base 128, e uma relativamente porosa camada de topo 130. As proprieda- des físicas e mecânicas da camada de topo 130, e a camada de base 128, podem ser configuradas para fornecer o anel de pistão 110, com uma combinação de excelente desempenho a curto prazo e a longo prazo. Por exemplo, as propriedades físicas e mecânicas da camada de topo 130, podem ser configuradas para fornecer o anel de pistão 110 com excelente desempenho, durante a fase de amaciar inicial do anel de pistão 110, e a camada de base 128 pode ser configurada pa-

ra manter a resistência ao desgaste em temperatura alta, e resistência de atrito baixa do anel de pistão 110 por uma duração prolongada. Mais especificamente, foi descoberto que excelente desempenho a curto prazo e a longo prazo, do anel de pistão 110, pode ser realizado diminuindo a dureza e aumentando a porosidade (ou diminuindo a densidade) da camada de topo 130 do revestimento tribológico 126, em relação à dureza e porosidade (ou densidade) da camada de base

128. Aumentando a porosidade e diminuendo a dureza da camada de topo 130 pode, por sua vez, reduzir o estresse interno da camada de topo 130, em relação ao estresse interno da camada de base 128.

[0025] Sem pretender estar limitado pela teoria, acredita-se que a dureza relativamente baixa da camada de topo 130, pode melhorar o desempenho de amaciar do anel de pistão 110, possibilitando a forma da superfície de contato do anel de pistão 110, para mais prontamente se adaptar à forma da parede interna do cilindro 12, durante a opera- ção inicial do motor, de tal maneira que o anel de pistão 110 pode ser instalado para a parede interna do cilindro 12, em uma quantidade de tempo relativamente curta. Ao mesmo tempo, a dureza relativamente alta da camada de base 128, pode fornecer o anel de pistão 110 com excelente resistência ao desgaste a longo prazo.

[0026] A porosidade aumentada (ou densidade diminuída) da ca- mada de topo 130 do revestimento tribológico 126, em relação à poro- sidade da camada de base 128, pode fornecer a superfície de contato do anel de pistão 110 com um contorno relativamente bruto (áspero).

[0027] Mais especificamente, a superfície da camada de topo 130 do revestimento tribológico 126, pode ter um contorno que exibe uma pluralidade de calhas e saliências ou platôs. Sem pretender estar limi- tado pela teoria, acredita-se que as calhas formadas ao longo da su- perfície da camada de topo 130, podem possibilitar a superfície de contato do anel de pistão 110 reter uma quantidade significativa de lubrificante líquido (por exemplo, óleo), que pode ajudar a formar uma vedação, e reduzir a fricção entre a superfície de contato do anel 110 e a parede interna do cilindro 12, durante a operação do motor. Além disso, o lubrificante retido na superfície de contato do anel de pistão 110, pode reduzir o desgaste entre as superfícies de contato do anel de pistão 110, e a parede interna do cilindro 12, durante a operação inicial do motor, ainda intensificando o desempenho de amaciante do anel de pistão 110. Ao mesmo tempo, a densidade relativamente alta da camada de base 128, pode fornecer o anel de pistão 110 com uma superfície de contato relativamente suave no decorrer do tempo, que pode fornecer o anel de pistão 110 com excelente comportamento de atrito a longo prazo.

[0028] A proporção de dureza Vickers da camada de topo 130, pa- ra a dureza Vickers da camada de base 128, pode ser na faixa de 0,5:1 a 0,7:1. A dureza Vickers ou microdureza da camada de base 128, e a camada de topo 130, podem ser medidas de acordo com ASTM E-384, usando um identificador e diamante piramindal de 136°, em uma seção transversal polida do anel de pistão 110. Em uma for- ma, a dureza Vickers da camada de topo 130 pode ser maior do que ou igual a 800 HV, 900 HV, ou 950 HV; menos do que ou igual a 1200 HV, 1100 HV, ou 1050 HV; ou entre 800–1200 HV, 900–1100 HV, ou 950–1050 HV, e a dureza Vickers da camada de base 128 pode ser maior do que ou igual a 1300 HV, 1400 HV, ou 1450 HV; menos do que ou igual a 2500 HV, 1700 HV, 1600 HV, ou 1550 HV; ou entre 1300–2500 HV, 1300–1700 HV, 1400–1600 HV, ou 1450–1550 HV. O estresse interno reduzido da camada de topo 130 pode ajudar a redu- zir ou eliminar o fracionamento do revestimento tribológico 126.

[0029] Em uma forma, a camada de base 128 e a camada de topo 130 podem compreender um ou mais nitretos de metal de transição dos Grupos 4, 5, e/ou 6. Por exemplo, a camada de base 128 e a ca-

mada de topo 130 podem compreender nitretos de titânio (Ti), zircônio (Zr), vanádio (V), nióbio (Nb), cromo (Cr), molibdênio (Mo), e/ou tungs- tênio (W). Em um exemplo específico, ambas, a camada de base 128 e a camada de topo 130, podem compreender um material baseado em nitreto de cromo (Cr–N), de tal maneira que o material pode forne- cer o anel de pistão 110, com excelente resistência ao desgaste, e baixa resistência de atrito, entre a superfície de contato 120 do anel de pistão 110 e a parede interna do cilindro 12. O termo “material basea- do em nitreto de cromo”, como usado aqui no presente, amplamente inclui qualquer material ou liga em que cromo (Cr) e nitrogênio (N), que são os constituintes predominantes do material, com base no peso to- tal do material. Isto pode incluir materiais que têm mais do que 50% em peso de nitreto de cromo, como também aqueles que têm menos do que 50% em peso de nitreto de cromo, desde que cromo (Cr) e ni- trogênio (N) sejam os dois maiores constituintes do material. Em uma forma, a composição total do revestimento tribológico 126 pode incluir 40–70% em cromo (Cr) e 30–60% em nitrogênio (N). Em uma forma, o material baseado em nitreto de cromo pode consistir essencialmente de proporções estoiquiométricas de nitreto de cromo (por exemplo, CrN e/ou Cr2N) e pode incluir uma mistura de CrN e Cr2N.

[0030] A composição química da camada de base 128 pode ser a mesma, ou diferente daquela da camada de topo 130. Por exemplo, em uma forma, a camada de topo 130 pode compreender um material baseado em nitreto de cromo, e a camada de base 128 pode compre- ender um carbono amorfo, ou material baseado em carbono do tipo diamante (DLC). Em tal caso, a camada de base 128 pode ter uma dureza Vickers na faixa de 1800–2500 HV, e também a relação da du- reza Vickers da camada de topo 130, para a dureza Vickers da cama- da de base 128, pode ser na faixa de 0,2:1 a 0,6:1.

[0031] A camada de topo 130 do revestimento tribológico 126 é distinguível dos revestimentos anódicos ou desgastáveis, que são tipi- camente feitos de materiais poliméricos, e/ou lubrificantes secos, e são designados paras ser prontamente desgastados e facilmente transferi- dos de uma superfície de contato para outra. Como tal, a camada de topo do revestimento tribológico 126 preferivelmente não inclui quais- quer materiais poliméricos ou lubrificantes secos. Como usado aqui no presente, o termo “material polimérico” significa qualquer material que compreende ou contém um polímero, e pode incluir materiais compósi- tos, que incluem uma combinação de um polímero e um material não polimérico. O termo “polímero” é usado em seu amplo sentido a fim de denotar ambos, homopolímeros e heteropolímeros. Homopolímeros são feitos de um único tipo de polímero, enquanto heteropolímeros (conhecidos também como copolímeros) são feitos de dois (ou mais) tipos diferentes de monômeros. Alguns exemplos de materiais polimé- ricos, que preferivelmente estão ausentes do revestimento tribológico 126, incluem: acetais; acrílicos; acrilonitrila-butadieno-estireno; alquídi- cos; ftalato de dialilo; epóxi; fluorocarbonos; melamina-formaldeído; resinas de nitrila; fenólicos; poliamidas; poliamida-imida; poli(aril éter); policarbonato; poliésteres; poliimidas; polimetilpenteno; poliolefinas, incluindo polietileno e polipropileno; óxido de polifenileno; sulfeto de polifenileno; poliuretanos; silicones; estirênicos; sulfonas; copolímeros em bloco; formaldeído de ureia; e vinis. Alguns exemplos de lubrifican- tes secos, que são preferivelmente ausentes do revestimento tribológi- co 126 incluem: grafite, dissulfeto de molibdênio (MoS2), dissulfeto de tungstênio (WS2), silicatos, fluoretos, argilas, óxidos de titânio, nitreto de boro, e talco.

[0032] O revestimento tribológico 126 pode ter uma espessura to- tal na faixa de cerca de 5–100 µm, medida na direção radial do anel de pistão 110. Por exemplo, a espessura total do revestimento tribológico 126 pode ser maior do que ou igual a 20 µm, 30 µm, ou 40 µm; menos do que ou igual a 100 µm, 80 µm, ou 60 µm; ou entre 20–100 µm, 30– 80 µm, ou 40–60 µm. A espessura total do revestimento tribológico 126 pode ser um tanto mais ou menos do que essas quantidades, de- pendendo da aplicação particular de uso. A espessura da camada de topo 130 pode ser menor do que aquela da camada de base 128, e pode ser responsável por aproximadamente 5% a 50% da espessura total do revestimento tribológico 126, ou aproximadamente 5% a 30% da espessura total do revestimento tribológico 126. A espessura da camada de topo 130 pode ser maior do que ou igual a 5 µm, 8 µm, ou 11 µm; menos do que ou igual a 25 µm, 20 µm, ou 16 µm; ou entre 5– 25 µm, 8–20 µm, ou 11–16 µm, e a espessura da camada de base 128 pode ser maior do que ou igual a 25 µm, 30 µm, ou 32 µm; menos do que ou igual a 50 µm, 40 µm, ou 35 µm; ou entre 25–50 µm, 30–40 µm, ou 32–35 µm. A proporção de espessura da camada de topo 130 para a espessura da camada de base 128, pode variar dependendo da aplicação do anel de pistão 110 e dos parâmetros operacionais do mo- tor.

[0033] O revestimento tribológico 126 pode ser formado sobre a superfície externa do corpo anular 112, através de qualquer técnica de deposição apropriada. Por exemplo, o revestimento tribológico 126 pode ser formado sobre a superfície externa do corpo anular 112, através de deposição a vapor físico (PVD) (por exemplo, arco catódico ou desintegração catódica), deposição de vapor químico, deposição a vácuo, ou deposição de pulverização.

[0034] Em uma forma, o revestimento tribológico 126 pode ser formado sobre a superfície externa do corpo anular 112, através de um processo de deposição de vapor físico do arco catódico, que inclui: (i) posicionar o corpo anular 112 em uma câmara de deposição, incluindo um anodo e pelo menos um material de fonte de catódio sólida; (ii) evacuar a câmara de deposição; (iii) introduzir um gás de processo dentro da câmara de deposição; (iv) atacando e mantendo um arco elétrico entre a superfície do material da fonte de catódio e o anodo, de maneira que porções do material da fonte de catódio são vaporiza- das; e (v) depositando o material da fonte de catódio vaporizado sobre a superfície externa do corpo anular 112.

[0035] O material da fonte de catódio sólida pode compreender cromo elementar puro (Cr), e o gás do processo pode compreender um gás contendo nitrogênio reativo. Em tal caso, o cromo vaporizado pode reagir com gás de nitrogênio, na câmara de deposição, para for- mar compostos de nitreto de cromo, que podem ser depositados sobre a superfície externa do corpo anular 112, a fim de formar o revestimen- to tribológico 126. A pressão de operação dentro da câmara de depo- sição, durante o processo de deposição, pode ser na faixa de 0–0,1 mbar, e pode ser controlada por ajuste apropriado para a taxa de fluxo de um gás inerte (por exemplo, argônio (Ar)), e/ou a taxa de fluxo do gás de nitrogênio, que é introduzido dentro da câmara de deposição, como um constituinte do gás contendo nitrogênio reativo. Uma volta- gem negativa, na faixa de 0 volts a -150 volts (referida como uma vol- tagem de polarização), pode ser aplicada ao corpo anular 112, durante o processo de deposição, a fim de ajudar a acelerar os íons positiva- mente carregados, a partir do material da fonte de catódio sólido para a superfície externa do corpo anular 112. A duração do processo de deposição pode ser controlada ou ajustada, para realizar um revesti- mento tribológico 126 que tem a espessura desejada. Em uma forma, o processo de deposição pode ser realizado em uma taxa de deposi- ção de 2–4 µm por hora, e por uma duração de 6–24 horas.

[0036] Diversos parâmetros do processo podem ser variados, ou modificados parcialmente, através do processo de deposição, a fim de realizar a estrutura de camada dupla do revestimento tribológico 126. Por exemplo, a camada de base 128 pode ser formada durante um primeiro estágio do processo de deposição. Então, depois da deposi- ção da camada de base 128, certos parâmetros do processo podem ser trocados para iniciar um segundo estágio do processo de deposi- ção, em que a camada de topo 130 é formada diretamente e sobre a camada de base 128. A deposição da camada de topo 130 e da ca- mada de base 128 do revestimento tribológico 126, pode ser realizada modificando certos parâmetros do processo parcialmente, através do processo de deposição física do arco catódico, sem ter que comprar equipamento de manufatura adicional, e sem ter que estender a dura- ção toda do processo de manufatura do anel de pistão 110. Em uma forma, o primeiro estágio do processo de deposição, pode ser realiza- do em uma primeira pressão de operação, e o segundo estágio do processo de deposição pode ser realizado em uma segunda pressão de operação, maior do que a primeira pressão de operação. Por exemplo, a pressão de operação do nitrogênio pode ser ajustada e aumentada durante o processo de deposição, a fim de alcançar a ca- racterística desejada em ambas, a base e as camadas de topo 128,

130. Em um exemplo específico, a pressão de operação durante o primeiro estágio do processo de deposição, pode ser em torno de 0,03 mbar, e a pressão de operação durante o segundo estágio do proces- so de deposição pode ser em torno de 0,05 mbar. Aumentando a pressão da operação, durante o segundo estágio do processo de de- posição, pode aumentar a porosidade, e também pode diminuir a du- reza do material de nitreto de cromo, que está sendo depositado sobre a superfície externa do corpo anular 112. Aumentando a pressão da operação durante o segundo estágio do processo de deposição, pode resultar na emissão de gotículas relativamente grandes do material da fonte catódica, que podem ser depositadas sobre a superfície externa do corpo anular 112, sobre a camada de base 128, e podem modificar o tamanho das partículas ou grãos formados dentro da camada de to-

po 130, fornecendo uma característica combinada de dureza mais bai- xa e porosidade aumentada.

[0037] Uma voltagem de polarização pode ser aplicada para o corpo anular 112, durante o primeiro estágio do processo de deposi- ção, mas não pode ser aplicada para o corpo anular 112, durante o segundo estágio do processo de deposição. Em um exemplo específi- co, uma voltagem de polarização de cerca de 50 volts pode ser aplica- da para o corpo anular 112, durante o primeiro estágio do processo de deposição. Aplicando uma voltagem de polarização para o corpo anu- lar 112, durante o primeiro estágio do processo de deposição (mas não no segundo estágio), pode resultar na formação de uma camada de base relativamente dura 128, e uma camada de topo relativamente mole 130. Em outro exemplo, uma voltagem de polarização pode ser aplicada para o corpo anular 112, durante ambos, o primeiro e o se- gundo estágios do processo de deposição. Em tal caso, a voltagem de polarização aplicada para o corpo anular 112, durante o primeiro está- gio do processo de deposição, pode ser diferente da voltagem de pola- rização aplicada para o corpo anular 112, durante o segundo estágio do processo de deposição. Trocando a voltagem de polarização entre o primeiro e o segundo estágios do processo de deposição, pode pos- sibilitar a camada de topo 130 ser formada com dureza mais baixa e porosidade aumentada, quando comparada àquela da camada de ba- se 128.

[0038] Além disso para a pressão de operação e a voltagem de polarização, um ou mais outros parâmetros do processo podem ser modificados, ou trocados parcialmente, através do processo de depo- sição, a fim de diferenciar as propriedades químicas e/ou mecânicas da camada de topo 130 e da camada de base 128, e dessa maneira melhorar o desempenho a curto prazo e/ou a longo prazo do anel de pistão 110. Alguns exemplos de parâmetros de processo adicionais,

que podem ser modificados durante a deposição, podem incluir qual- quer um dos vários parâmetros do processo, incluindo corrente de ar- co, temperatura do processo, e tempo do processo.

[0039] Depois da deposição do revestimento tribológico 126, a su- perfície da camada de topo 130 pode ter um contorno, que exibe uma pluralidade de vales e picos. Em tal caso, a superfície circunferencial externa do anel de pistão 110, pode ser moída e dobrada para trans- formar os picos em ressaltos ou platôs relativamente planos, que po- dem ajudar a impedir arranhões da parede interna do cilindro 12, du- rante a fase de execução.

[0040] A FIG. 4 é uma vista de corte transversal esquemática de uma porção do anel de pistão 110, ilustrando a morfologia da camada nitretada de difusão 122, o revestimento intermediário 124, e o reves- timento tribológico 126, formados em e sobre a superfície circunferen- cial externa 120 do corpo anular 112 do anel de pistão 110 em 500 ve- zes de magnificação. O revestimento tribológico ilustrado na FIG. 4 pode ser produzido, usando um processo físico de deposição a vapor de arco catódico. Como mostrado, uma transição gradativa na micro- estrutura do revestimento tribológico 126, pode ter lugar entre a cama- da de base 128, e a camada de topo 130 se sobrepondo, como um resultado de uma modificação passo a passo, dos parâmetros do pro- cesso de deposição, parcialmente através do processo de deposição.

[0041] Deve ser compreendido que o acima mencionado, é uma descrição de uma ou mais modalidades exemplares preferidas da in- venção. A invenção não é limitada à(s) modalidade(s) em particular descrita(s) aqui no presente, mas em vez disso é definida somente pe- las reivindicações abaixo. Além disso, as afirmações contidas na des- crição anterior se referem às modalidades particulares, e não devem ser consideradas como limitações do escopo da invenção, ou na defi- nição dos termos usados nas reivindicações, exceto onde um termo ou frase está expressamente definido acima. Várias outras modalidades, e várias mudanças e modificações para a(s) modalidade(s) revela- da(s), se tornarão evidentes para aqueles versados na técnica. Todas as tais outras modalidades, mudanças, e modificações são destinadas a vir dentro do escopo das reivindicações em anexo.

[0042] Com usados neste relatório descritivo e nas reivindicações, os termos “por exemplo,” “por ex.,” “em um exemplo,” “de maneira que,” e “como,” e os verbos “compreendendo” “tendo,” “incluindo,” e suas outras formas de verbo, quando usados em conjunto com uma listagem de um ou mais componentes ou outros itens, deve cada um ser considerado como extremidade aberto, significando que a listagem não é para ser considerada como excluindo outros, componentes adi- cionais ou itens. Outros termos devem ser considerados usando seu mais amplo significado razoável, a menos que eles sejam usados em um contexto que exija uma interpretação diferente.

Claims (19)

REIVINDICAÇÕES

1. Anel de pistão, caracterizado pelo fato de que compre- ende: um corpo que tem uma superfície circunferencial externa; e um revestimento tribológico sobrepondo a superfície circun- ferencial externa do corpo, que inclui uma camada de base e uma ca- mada de topo sobrepondo a camada de base, em que a camada de topo compreende um material basea- do em nitreto de metal de transição, o metal de transição sendo sele- cionado do grupo consistindo em titânio (Ti), zicônio (Zr), vanádio (V), nióbio (Nb), cromo (Cr), molibdênio (Mo), tungstênio (W), e combina- ções dos mesmos, e em que a camada de topo tem uma porosidade relativa- mente alta, e uma dureza Vickers relativamente baixa, quando compa- rada à porosidade e dureza Vickers da camada de base.

2. Anel de pistão, de acordo com a reivindicação 1, caracte- rizado pelo fato de em que a proporção de dureza Vickers da camada de topo, para a dureza Vickers da camada de base, pode ser na faixa de 0,2:1 a 0,7:1.

3. Anel de pistão, de acordo com a reivindicação 1, caracte- rizado pelo fato de que a camada de topo tem uma dureza Vickers na faixa de 800–1200 HV, e a camada de base tem uma dureza Vickers na faixa de 1300–2500 HV.

4. Anel de pistão, de acordo com a reivindicação 1, caracte- rizado pelo fato de que a camada de base compreende um material baseado em nitreto de metal de transição, o metal de transição sendo selecionado do grupo consistindo em titânio (Ti), zicônio (Zr), vanádio (V), nióbio (Nb), cromo (Cr), molibdênio (Mo), tungstênio (W), e combi- nações dos mesmos, e em que a camada de base tem uma dureza Vickers na faixa de 1300–1700 HV.

5. Anel de pistão, de acordo com a reivindicação 4, caracte- rizado pelo fato de que a proporção da dureza Vickers da camada de topo, para a dureza Vickers da camada de base, pode ser na faixa de 0,5:1 a 0,7:1.

6. Anel de pistão, de acordo com a reivindicação 1, caracte- rizado pelo fato de que a camada de base compreende um material baseado em carbono o tipo diamante (DLC), que tem uma dureza Vic- kers na faixa de 1800–2500 HV.

7. Anel de pistão, de acordo com a reivindicação 6, caracte- rizado pelo fato de que a proporção da dureza Vickers, da camada de topo para a dureza Vickers da camada de base, pode ser na faixa de 0,2:1 a 0,6:1.

8. Anel de pistão, de acordo com a reivindicação 1, caracte- rizado pelo fato de que a camada de topo compreende um material baseado em nitreto de cromo.

9. Anel de pistão, de acordo com a reivindicação 8, caracte- rizado pelo fato de que a camada de base compreende um material baseado em nitreto de cromo.

10. Anel de pistão, de acordo com a reivindicação 9, carac- terizado pelo fato de que o material baseado em nitreto de cromo, compreende 40–70% de cromo (Cr) e 30–60% de nitrogênio (N).

11. Anel de pistão, de acordo com a reivindicação 1, carac- terizado pelo fato de que a camada de topo tem uma espessura na faixa de 5–25 µm, e a camada de base tem uma espessura na faixa de 25–50 µm, e em que a espessura da camada de topo é menor do que a espessura da camada de base.

12. Anel de pistão, de acordo com a reivindicação 1, carac- terizado pelo fato de que o revestimento tribológico tem uma espessu- ra na faixa de 5–100 µm.

13. Anel de pistão, de acordo com a reivindicação 1, carac-

terizado pelo fato de que o revestimento tribológico não compreende um material polimérico, ou um lubrificante seco.

14. Anel de pistão, de acordo com a reivindicação 1, carac- terizado pelo fato de que o corpo compreende um corpo anular dividi- do.

15. Anel de pistão, de acordo com a reivindicação 1, carac- terizado pelo fato de que a camada de topo do revestimento tribológico define uma parede de cilindro, que engata a superfície do anel de pis- tão, e tem um contorno que exibe uma pluralidade de vales e ressal- tos.

16. Anel de pistão, de acordo com a reivindicação 1, carac- terizado pelo fato de que a camada de topo do revestimento tribológico possibilita uma vedação hermética eficaz, para ser estabelecida entre o anel de pistão e uma parede interna de um cilindro, durante uma fa- se de amaciar inicial da operação do motor.

17. Anel de pistão, de acordo com a reivindicação 1, carac- terizado pelo fato de que a camada de base do revestimento tribológi- co, fornece anel de pistão com resistência ao desgaste da temperatura alta a longo prazo e resistência de atrito baixa.

18. Anel de pistão, de acordo com a reivindicação 1, carac- terizado pelo fato de que compreende: uma camada nitretada formada em uma superfície externa do corpo; e um revestimento intermediário formado na superfície circun- ferencial externa do corpo, entre a camada nitretada e o revestimento tribológico.

19. Método de manufaturar um anel de pistão, caracteriza- do pelo fato de que compreende: fornecer um corpo anular dividido, que tem uma superfície externa que inclui uma superfície superior, uma superfície inferior, uma superfície circunferencial interna, e uma superfície circunferencial ex- terna, se estendendo entre as superfícies superior e inferior; expor o corpo anular dividido a uma atmosfera contendo ni- trogênio, por um tempo suficiente para produzir uma camada nitretada, ao longo da superfície externa do corpo; depositar uma intercamada de cromo sobre a superfície cir- cunferencial externa do corpo anular; e depositar um revestimento tribológico, que inclui uma ca- mada de base, e uma camada de topo sobrepondo a camada de base, sobre a superfície circunferencial externa do corpo anular, sobre a in- tercamada de cromo, em que o revestimento tribológico é depositado sobre a su- perfície circunferencial externa do corpo anular, por um processo de deposição a vapor física, e em que pelo menos um parâmetro de processo, do proces- so de deposição a vapor física, é modificado parcialmente através da deposição do revestimento tribológico, de maneira que a camada de topo do revestimento tribológico exibe uma porosidade relativamente alta, e uma dureza Vickers relativamente baixa, quando comparada àquela da camada de base subjacente.