BR112019024952B1 - PISTON RING AND MANUFACTURING METHOD - Google Patents
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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.The present invention relates to a piston ring and a method of manufacturing a piston ring, for a piston of an alternative internal combustion engine. The piston ring comprises a body having an outer circumferential surface. A tribological coating is formed on the outer circumferential surface of the body. The tribological coating has a double-layer structure, and includes a relatively hard base layer, and a relatively porous top layer overlying the base layer.
Description
[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.[0001] The present invention relates, in general, to a piston ring for a piston of a reciprocating engine, and more particularly, to a coating for a piston ring.
[0002] Um anel de pistão é um anel de extremidade aberta, que se encaixa em uma ranhura anular, formada em uma circunferência externa 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 controle 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 motor, 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 combustão do bloco do motor. A pressão de gás da câmara de combustão pode aumentar a capacidade de vedação dos anéis do pistão, forçando os anéis para fora e aumentando a pressão de contato radial, entre os anéis do pistão e a parede do cilindro.[0002] A piston ring is an open-ended ring that fits into an annular groove formed on an outer circumference of a piston of a reciprocating engine, such as an internal combustion engine. A typical piston is equipped with multiple piston rings, including a top compression ring, an oil control ring, and a scraper ring. Many piston rings are drawn with a looser diameter than those of the cylinder in which they will be arranged. When arranged inside an engine cylinder, the piston rings are compressed around the piston due to the intrinsic force of its spring, which guarantees sufficient radial contact between the rings and an internal wall of the cylinder. During engine operation, the piston moves up and down within the cylinder, and the radial pressure exerted on the cylinder wall by the piston rings provides a seal around the piston that isolates the combustion chamber from the block. of the engine. Gas pressure from the combustion chamber can increase the sealing ability of the piston rings by forcing the rings outward and increasing the radial contact pressure between the piston rings and the cylinder wall.
[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, viajarem na direção oposta do bloco do motor dentro da câmara de combustão. 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.[0003] An effective hermetic seal between the piston and the inner cylinder wall is necessary for efficient engine operation, and is the primary responsibility of compression-type piston rings. Compression rings are located closer to the combustion chamber, and help prevent a phenomenon known as “blown by,” in which combustion gases leak from the combustion chamber, past the piston rings, into the engine block. In addition, compression rings also help control oil consumption by preventing excess oil, not needed for lubrication, from traveling in the opposite direction from the engine block into the combustion chamber. To obtain an effective seal between the combustion chamber and the engine block, the compression rings must constantly and completely contact the inner cylinder wall. However, due to manufacturing tolerances and the thermal and mechanical loads imposed on the engine, the shape of the rings may not always match that of the cylinder in which they are arranged.
[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 devem 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.[0004] After the initial assembly of a new “green” engine, the piston rings may not perfectly harmonize with the shape of the cylinder in which they are arranged. In such a case, the piston rings must undergo a running-in or continuous phase, in which the rings are seated against the cylinder wall, as they are physically worn within the cylinder wall, until an effective hermetic seal is established between them. . During this initial break-in period, combustion gas blowing and excess oil consumption by the engine may occur, due to gaps or local variations in contact pressure between the piston rings and the cylinder wall. Therefore, it is desirable to reduce the duration of the initial break-in phase so that the engine reaches its optimum operating efficiency as quickly as possible.
[0005] Alguns métodos de melhorar o desempenho de amaciar do motor, têm envolvido aplicação anódica ou revestimentos desgastáveis, para as superfícies de acoplamento, ou de contato de componentes 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 nenhuma folga entre eles. A fim de alcançar um nível desejado de capacidade de desgastar, tais revestimentos são frequentemente feitos de materiais poliméricos e/ou lubrificantes a seco, que podem ser prontamente 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 necessidade na técnica por um método melhorado, a fim de intensificar o desempenho da amaciar do motor.[0005] Some methods of improving engine running-in performance have involved applying anodic or wearable coatings to the mating or contact surfaces of sliding components. These anode coatings are designed to be easily worn away where necessary during initial engine operation so that the contact profiles of the sliding components quickly adapt to each other, leaving little or no gap between them. In order to achieve a desired level of wearability, such coatings are often made of polymeric materials and/or dry lubricants, which can be readily worn and/or transferred from one mating surface to another. However, the worn portions of these polymeric materials and/or dry lubricants can contaminate the engine's operating environment, and/or can damage the contact surfaces of the sliding components. Therefore, there remains a need in the art for an improved method in order to enhance engine break-in performance.
[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 compreender um material baseado em nitreto de metal de transição, em que o metal de transição pode ser selecionado do grupo consistindo em titânio (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 relativamente baixa, quando comparada à porosidade e dureza Vickers da camada de base.[0006] A piston ring comprising a body having an outer circumferential surface is provided. A tribological coating is formed on the outer circumferential surface of the body. The tribological coating includes a base layer, and a top layer overlying the base layer. The top layer may comprise a transition metal nitride based material, wherein the transition metal may be selected from the group consisting of titanium (Ti), zirconium (Zr), vanadium (V), niobium (Nb), chromium (Cr), molybdenum (Mo), tungsten (W), and combinations thereof. The top layer may have a relatively high porosity, and a relatively low Vickers hardness, when compared to the porosity and Vickers hardness of the base layer.
[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 forma, a camada de base pode compreender um material baseado em carbono tipo diamante (DLC).[0007] In one form, the base layer of the coating may comprise a transition metal nitride-based material, and the transition metal may be selected from the group consisting of titanium (Ti), ziconium (Zr), vanadium (V ), niobium (Nb), chromium (Cr), molybdenum (Mo), tungsten (W), and combinations thereof. In another form, the base layer may comprise a diamond-like carbon (DLC) based material.
[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 (depressões) e saliências.[0008] The top layer of the tribological coating may define a cylinder wall that engages the surface of the piston ring, and may have a contour that exhibits a plurality of troughs (depressions) and protrusions.
[0009] Uma camada nitretada pode ser formada em uma superfí cie do exterior do corpo, e um revestimento intermediário pode ser depositado na superfície exterior do corpo, entre a camada nitretada e o revestimento tribológico.[0009] A nitrided layer can be formed on an exterior surface of the body, and an intermediate coating can be deposited on the exterior surface of the body, between the nitrided layer and the tribological coating.
[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 parâmetro de processo do processo de deposição a vapor físico, pode ser modificado parcialmente através do processo de deposição, de tal 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.[0010] The tribological coating can be deposited on an external circumferential surface of the piston ring, through a physical vapor deposition (PVD) process. At least one process parameter of the physical vapor deposition process may be partially modified through the deposition process such that the top layer of the tribological coating exhibits a relatively high porosity, and a relatively low Vickers hardness, when compared to that of the underlying base layer.
[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.[0011] The piston ring, as described above, can be used in combination with a piston, and arranged within a cylinder of a reciprocating internal combustion engine, to form a seal around the piston, between the combustion chamber and the engine block.
[0012] A FIG. 1 é uma elevação lateral esquemática de um pistão, e uma montagem da barra de ligação a um motor de combustão interna alternativa;[0012] FIG. 1 is a schematic side elevation of a piston, and connecting rod assembly to an reciprocating internal combustion engine;
[0013] A FIG. 2 é uma vista em perspectiva esquemática de um anel de pistão;[0013] FIG. 2 is a schematic perspective view of a piston ring;
[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[0014] FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the piston ring of FIG. 2, taken along line 3-3; It is
[0015] A FIG. 4 é uma vista de corte transversal esquemática de uma porção de uma superfície de contato de um anel de pistão.[0015] FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a portion of a piston ring contact surface.
[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 pistão, 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 técnica 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 relativamente curta, que pode ajudar a estabilizar o desempenho do motor, reduzindo o sopro do gás de combustão e o consumo de óleo em excesso. 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.[0016] The presently disclosed tribological coating can be formed on a contact surface of a sliding component, such as a piston ring, for a piston of an alternative internal combustion engine. When the tribological coating is formed on an outer circumferential surface of a piston ring, such as a top compression ring, the tribological coating can provide the piston ring with superior short-term and long-term performance when compared to prior art piston rings. For example, the presently disclosed tribological coating may enable an effective hermetic seal to be formed around a piston in a relatively short amount of time, which may help to stabilize engine performance by reducing combustion gas blowing and excessive oil consumption. Furthermore, tribological coating can provide the piston ring with excellent high temperature wear resistance, hardness, and low friction resistance throughout the life of the piston ring.
[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 longitudinal 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 superfície inferior do pistão 14.[0017] FIG. 1 illustrates a piston and connecting rod assembly 10, for use in a cylinder 12 of a reciprocating internal combustion engine (not shown). Assembly 10 has a central longitudinal axis A, and comprises a piston 14 and a connecting bar 16. When disposed within the cylinder 12, a combustion chamber (not shown) is typically located immediately above an upper surface of the piston 14. and an engine block (not shown) containing lubricating oil, is typically located below a lower surface of the piston 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 superfície 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.[0018] The piston 14 has a body that includes an upper crown 18 and a lower edge 20. A plurality of annular grooves 22 are formed around an outer circumference of the crown 18 of the piston 14, and are sized to accommodate piston rings , for example, an upper compression ring 24, a lower compression ring 26, and an oil control ring 28. Each of the piston rings 24, 26, 28 has a surface engaging the cylinder wall or the surface of contact, on an outer circumference thereof, which is adapted to contact and slide along an inner wall of the cylinder 12. A pin hole 30 is formed in the edge 20 of the piston 14, and is sized to receive a piston pin 32 , in order to connect the piston 14 to a small end of the connecting bar 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 desejadas do anel de pistão 110, e/ou mediante a composição de quaisquer camadas de revestimento superpostas.[0019] FIGS. 2 and 3 illustrate a piston ring 110, for a piston of an alternative internal combustion engine, such as the piston 14 illustrated in FIG. 1. The piston ring 110 comprises a divided annular body 112, which has an outer surface that includes an upper surface 114, a lower surface 116, and an inner circumferential surface 118, and an outer circumferential surface 120, extending between the upper and lower surfaces 114, 116. In cross section, the piston ring 110 illustrated in FIGS. 2 and 3 have a keystone shape, with conical upper and lower surfaces 114, 116. However, the piston ring 110 may exhibit various other cross-sectional shapes, e.g., rectangular. Furthermore, the cross-sectional profile of the outer circumferential surface 120 of the piston ring 110 may generally be straight, as illustrated in FIGS. 2 and 3, or it may follow an angled, or arc-shaped, path between the upper and lower surfaces 114, 116. The annular body 112 may be made of cast iron (e.g., gray or nodular cast iron), steel ( e.g. stainless steel), or any other suitable ferrous metal or alloy. The material of the annular body 112 may be selected based upon the desired application and performance characteristics of the piston ring 110, and/or upon the composition of any superimposed coating layers.
[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 camada 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 externa do corpo 112, pode ser selecionada com base no tamanho do anel de pistão 110, e também pode ser selecionada para conferir certas 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 superfície externa do corpo anular 112 pode ser submetida a um tipo diferente 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.[0020] A nitrified diffusion layer 122 may be formed on the outer surface of the annular body 112, although this is not necessarily required. The nitrified layer 122 can be formed by any known nitriding process. For example, the nitrified layer 122 may be formed by heating the annular body 112 to an appropriate temperature, and exposing the annular body 112 to a nitrogen-containing gas, for example, ammonia (NH3). The nitrided layer 122 may extend from the outer surface of the annular body 112 of the piston ring 110 to a depth in the range of 10-170 μm. The actual depth of the nitrided layer 122 on the outer surface of the body 112 may be selected based on the size of the piston ring 110, and may also be selected to impart certain desirable mechanical and/or physical properties to the piston ring 110. , including high hardness, wear resistance, scratch resistance, and improved fatigue period. Alternatively, the outer surface of the annular body 112 may be subjected to a different type of thermochemical surface treatment process to produce a different type of diffusion layer on the outer surface of the annular body 112. Other heat treatment processes may additionally or alternatively be carried out in order to increase the hardness of selected surface portions of the annular body 112, including through hardening, isothermal cooling hardening, and/or induction surface hardening. In some cases, depending on the composition of the annular body 112, additional surface treatment or hardening processes may not be carried out.
[0021] Com referência agora à FIG. 3, em uma forma, uma cama da intermediária, ou revestimento intermediário 124, e um revestimento 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 revestimento 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 submetido a um processo de nitretação, ou algum outro tipo de tratamento de superfície termoquímica, ou processo de tratamento por calor, antes da deposição do revestimento tribológico 126.[0021] Referring now to FIG. 3, in one form, an intermediate bed, or intermediate coating 124, and a tribological coating 126, are formed on the outer surface of the annular body 112, over the optional nitrite layer 122. The tribological coating 126 may be formed on the outer surface of the annular body 112, on the intermediate coating 124 and/or on one or more other coating layers already present on the outer surface of the annular body 112. Or the tribological coating 126 may be formed directly on the outer surface of the annular body 112 In such a case, the intermediate coating 124 is omitted. Forming the tribological coating 126 directly on the outer surface of the annular body 112 may or may not include forming the tribological coating 126 on the nitrided layer 122, or some other type of diffusion layer. This will depend on whether or not the annular body 112 has been subjected to a nitriding process, or some other type of thermochemical surface treatment, or heat treatment process, prior to deposition of the tribological coating 126.
[0022] Na FIG. 3, o revestimento intermediário 124 e o revestimen to tribológico 126, são formados sobre a superfície circunferencial externa 120 do corpo anular 112. Em particular, o revestimento intermediário 124 e o revestimento tribológico 126, são formados sobre a superfície circunferencial externa 120 do corpo anular 112, de tal maneira 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 revestimento 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 intermediário 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.[0022] In FIG. 3, the intermediate coating 124 and the tribological coating 126 are formed on the outer circumferential surface 120 of the annular body 112. In particular, the intermediate coating 124 and the tribological coating 126 are formed on the outer circumferential surface 120 of the annular body 112, such that the intermediate coating 124 and the tribological coating 126 both extend from the upper surface 114 to the lower surface 116 of the annular body 112. In other embodiments, the intermediate coating 124 and/or the tribological coating 126, may be additionally or alternatively formed on one or more other external surfaces of the annular body 112, including the upper surface 114, the lower surface 116, and/or the inner circumferential surface 118 of the body 112. Furthermore, in FIG. 3, the intermediate coating 124 is disposed between the nitrided layer 122 and the tribological coating 126, on the outer circumferential surface 120 of the annular body 112. However, in other embodiments, the intermediate coating 124 may be omitted, and the tribological coating 126 can be formed directly on the outer circumferential surface 120 of the annular body 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 revestimento intermediário 124 pode consistir essencialmente de cromo elementar (Cr). O revestimento intermediário 124 pode ser formado sobre a superfície externa do corpo anular 112, por um processo de pulverização térmica (por exemplo, um processo de pulverização de chama, um processo oxi-combustível de alta velocidade (HVOF), ou um processo 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 intermediário 124 pode ser de alguma forma mais ou menos do que esta quantidade, dependendo do método de aplicação usado para formar o revestimento intermediário 124, sobre a superfície externa do corpo anular 112.[0023] The intermediate coating 124 may help improve the adhesion of the tribological coating 126 to the outer surface of the annular body 112, and may comprise at least one of chromium (Cr), nickel (Ni), cobalt (Co), titanium (Ti ), and vanadium (V). In one form, the intermediate coating 124 may consist essentially of elemental chromium (Cr). The intermediate coating 124 may be formed on the outer surface of the annular body 112 by a thermal spray process (e.g., a flame spray process, a high-velocity oxy-fuel (HVOF) process), or a spray process. plasma, a physical vapor deposition (PVD) process, or through any other appropriate process. A suitable thickness for the intermediate coating 124 may be in the range of 1-10 μm, measured in the radial direction of the piston ring 110. However, in other forms, the thickness of the intermediate coating 124 may be somewhat more or less than this amount, depending on the application method used to form the intermediate coating 124, on the outer surface of the annular body 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 propriedades 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.[0024] The tribological coating 126 may have a double-layer structure, and may include a relatively hard base layer 128, and a relatively porous top layer 130. The physical and mechanical properties of the top layer 130, and the base 128, can be configured to provide piston ring 110, with a combination of excellent short-term and long-term performance. For example, the physical and mechanical properties of the top layer 130 may be configured to provide the piston ring 110 with excellent performance during the initial running-in phase of the piston ring 110, and the base layer 128 may be configured to - to maintain high temperature wear resistance and low frictional resistance of the piston ring 110 for a prolonged duration. More specifically, it has been discovered that excellent short-term and long-term performance of the piston ring 110 can be accomplished by decreasing the hardness and increasing the porosity (or decreasing the density) of the top layer 130 of the tribological coating 126, relative to to the hardness and porosity (or density) of the base layer 128. Increasing the porosity and decreasing the hardness of the top layer 130 can, in turn, reduce the internal stress of the top layer 130, relative to the internal stress of the top layer 130. 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 operação 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.[0025] Without wishing to be bound by theory, it is believed that the relatively low hardness of the top layer 130 can improve the softening performance of the piston ring 110 by enabling the shape of the contact surface of the piston ring 110 to more readily adapt to the shape of the inner wall of the cylinder 12 during initial engine operation, such that the piston ring 110 can be installed onto the inner wall of the cylinder 12 in a relatively short amount of time. At the same time, the relatively high hardness of the base layer 128 can provide the piston ring 110 with excellent long-term wear resistance.
[0026] A porosidade aumentada (ou densidade diminuída) da ca mada de topo 130 do revestimento tribológico 126, em relação à porosidade da camada de base 128, pode fornecer a superfície de contato do anel de pistão 110 com um contorno relativamente bruto (áspero).[0026] The increased porosity (or decreased density) of the top layer 130 of the tribological coating 126, relative to the porosity of the base layer 128, can provide the piston ring contact surface 110 with a relatively rough (rough) contour. ).
[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 limitado pela teoria, acredita-se que as calhas formadas ao longo da superfície 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.[0027] More specifically, the surface of the top layer 130 of the tribological coating 126 may have a contour that exhibits a plurality of troughs and protrusions or plateaus. Without wishing to be bound by theory, it is believed that the troughs formed along the surface of the top layer 130 may enable the piston ring contact surface 110 to retain a significant amount of liquid lubricant (e.g., oil), which can help form a seal, and reduce friction between the ring contact surface 110 and the inner wall of the cylinder 12, during engine operation. Furthermore, the lubricant retained on the piston ring contact surface 110 can reduce wear between the piston ring contact surfaces 110 and the inner cylinder wall 12 during initial engine operation, further enhancing performance. of softener of the piston ring 110. At the same time, the relatively high density of the base layer 128, can provide the piston ring 110 with a relatively smooth contact surface over time, which can provide the piston ring 110 with excellent long-term friction behavior.
[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 forma, 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 reduzir ou eliminar o fracionamento do revestimento tribológico 126.[0028] The ratio of Vickers hardness of the top layer 130 to the Vickers hardness of the base layer 128 can be in the range of 0.5:1 to 0.7:1. The Vickers hardness or microhardness of the base layer 128, and the top layer 130, can be measured in accordance with ASTM E-384, using a 136° pyramidal diamond identifier, on a polished cross section of the piston ring 110. In one form, the Vickers hardness of the top layer 130 may be greater than or equal to 800 HV, 900 HV, or 950 HV; less than or equal to 1200 HV, 1100 HV, or 1050 HV; or between 800-1200 HV, 900-1100 HV, or 950-1050 HV, and the Vickers hardness of the base layer 128 may be greater than or equal to 1300 HV, 1400 HV, or 1450 HV; less than or equal to 2500 HV, 1700 HV, 1600 HV, or 1550 HV; or between 1300-2500 HV, 1300-1700 HV, 1400-1600 HV, or 1450-1550 HV. The reduced internal stress of the top layer 130 can help reduce or eliminate fractionation of the tribological coating 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 fornecer 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 baseado 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 total 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 nitrogênio (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.[0029] In one form, the base layer 128 and the top layer 130 may comprise one or more transition metal nitrides from Groups 4, 5, and/or 6. For example, the base layer 128 and the ca. - top layer 130 may comprise nitrides of titanium (Ti), zirconium (Zr), vanadium (V), niobium (Nb), chromium (Cr), molybdenum (Mo), and/or tungsten (W). In a specific example, both the base layer 128 and the top layer 130 may comprise a chromium nitride (Cr-N) based material such that the material may provide the piston ring 110 with excellent wear resistance, and low frictional resistance, between the contact surface 120 of the piston ring 110 and the inner wall of the cylinder 12. The term "chromium nitride-based material", as used herein at present, broadly includes any material or alloy in which chromium (Cr) and nitrogen (N), which are the predominant constituents of the material, based on the total weight of the material. This may include materials that have more than 50% by weight chromium nitride, as well as those that have less than 50% by weight chromium nitride, provided that chromium (Cr) and nitrogen (N) are the two major constituents of the material. In one form, the total composition of tribological coating 126 may include 40-70% chromium (Cr) and 30-60% nitrogen (N). In one form, the chromium nitride-based material may consist essentially of stoichiometric proportions of chromium nitride (e.g., CrN and/or Cr2N) and may include a mixture of CrN and 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 compreender 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 dureza Vickers da camada de topo 130, para a dureza Vickers da camada de base 128, pode ser na faixa de 0,2:1 a 0,6:1.[0030] The chemical composition of the base layer 128 may be the same as, or different from, that of the top layer 130. For example, in one form, the top layer 130 may comprise a chromium nitride-based material, and the base 128 may comprise an amorphous carbon, or diamond-like carbon (DLC)-based material. In such a case, the base layer 128 may have a Vickers hardness in the range of 1800-2500 HV, and also the ratio of the Vickers hardness of the top layer 130 to the Vickers hardness of the base layer 128 may be in the range of 0.2:1 to 0.6:1.
[0031] A camada de topo 130 do revestimento tribológico 126 é distinguível dos revestimentos anódicos ou desgastáveis, que são tipicamente feitos de materiais poliméricos, e/ou lubrificantes secos, e são designados paras ser prontamente desgastados e facilmente transferidos de uma superfície de contato para outra. Como tal, a camada de topo do revestimento tribológico 126 preferivelmente não inclui quaisquer 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 compósitos, 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 lubrificantes 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.[0031] The top layer 130 of the tribological coating 126 is distinguishable from anodic or wearable coatings, which are typically made of polymeric materials, and/or dry lubricants, and are designed to be readily worn off and easily transferred from a contact surface to other. As such, the top layer of tribological coating 126 preferably does not include any polymeric materials or dry lubricants. As used herein, the term “polymeric material” means any material that comprises or contains a polymer, and may include composite materials, which include a combination of a polymer and a non-polymeric material. The term “polymer” is used in its broadest sense to denote both homopolymers and heteropolymers. Homopolymers are made from a single type of polymer, while heteropolymers (also known as copolymers) are made from two (or more) different types of monomers. Some examples of polymeric materials, which are preferably absent from tribological coating 126, include: acetals; acrylics; acrylonitrile-butadiene-styrene; alkyds; diallyl phthalate; epoxy; fluorocarbons; melamine-formaldehyde; nitrile resins; phenolics; polyamides; polyamide-imide; poly(aryl ether); polycarbonate; polyesters; polyimides; polymethylpentene; polyolefins, including polyethylene and polypropylene; polyphenylene oxide; polyphenylene sulfide; polyurethanes; silicones; styrenics; sulfones; block copolymers; urea formaldehyde; and vinyls. Some examples of dry lubricants that are preferably absent from tribological coating 126 include: graphite, molybdenum disulfide (MoS2), tungsten disulfide (WS2), silicates, fluorides, clays, titanium oxides, boron nitride, and talc. .
[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, 3080 μm, ou 40-60 μm. A espessura total do revestimento tribológico 126 pode ser um tanto mais ou menos do que essas quantidades, dependendo 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 525 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 motor.[0032] The tribological coating 126 may have a total thickness in the range of about 5-100 μm, measured in the radial direction of the piston ring 110. For example, the total thickness of the tribological coating 126 may be greater than or equal to at 20 μm, 30 μm, or 40 μm; less than or equal to 100 μm, 80 μm, or 60 μm; or between 20-100 μm, 3080 μm, or 40-60 μm. The total thickness of the tribological coating 126 may be somewhat more or less than these amounts, depending on the particular application of use. The thickness of the top layer 130 may be less than that of the base layer 128, and may account for approximately 5% to 50% of the total thickness of the tribological coating 126, or approximately 5% to 30% of the total thickness of the coating. tribological 126. The thickness of the top layer 130 may be greater than or equal to 5 μm, 8 μm, or 11 μm; less than or equal to 25 μm, 20 μm, or 16 μm; or between 525 μm, 8-20 μm, or 11-16 μm, and the thickness of the base layer 128 may be greater than or equal to 25 μm, 30 μm, or 32 μm; less than or equal to 50 μm, 40 μm, or 35 μm; or between 25-50 μm, 30-40 μm, or 32-35 μm. The ratio of thickness of the top layer 130 to the thickness of the base layer 128 may vary depending on the application of the piston ring 110 and the operating parameters of the engine.
[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.[0033] The tribological coating 126 can be formed on the outer surface of the annular body 112, through any appropriate deposition technique. For example, the tribological coating 126 may be formed on the outer surface of the annular body 112 by physical vapor deposition (PVD) (e.g., cathodic arc or cathodic disintegration), chemical vapor deposition, vacuum deposition, or deposition. of spraying.
[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 vaporizadas; e (v) depositando o material da fonte de catódio vaporizado sobre a superfície externa do corpo anular 112.[0034] In one form, the tribological coating 126 may be formed on the outer surface of the annular body 112, through a cathodic arc physical vapor deposition process, which includes: (i) positioning the annular body 112 in a chamber deposition, including an anode and at least one solid cathode source material; (ii) evacuate the deposition chamber; (iii) introducing a process gas into the deposition chamber; (iv) striking and maintaining an electrical arc between the surface of the cathode source material and the anode, so that portions of the cathode source material are vaporized; and (v) depositing the vaporized cathode source material onto the outer surface of the annular body 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 formar compostos de nitreto de cromo, que podem ser depositados sobre a superfície externa do corpo anular 112, a fim de formar o revestimento tribológico 126. A pressão de operação dentro da câmara de deposição, 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 voltagem 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 positivamente 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 revestimento tribológico 126 que tem a espessura desejada. Em uma forma, o processo de deposição pode ser realizado em uma taxa de deposição de 2-4 μm por hora, e por uma duração de 6-24 horas.[0035] The solid cathode source material may comprise pure elemental chromium (Cr), and the process gas may comprise a reactive nitrogen-containing gas. In such a case, the vaporized chromium may react with nitrogen gas in the deposition chamber to form chromium nitride compounds, which may be deposited on the outer surface of the annular body 112 to form the tribological coating 126. Operating pressure within the deposition chamber, during the deposition process, may be in the range of 0-0.1 mbar, and may be controlled by appropriate adjustment to the flow rate of an inert gas (e.g., argon (Ar). )), and/or the flow rate of the nitrogen gas, which is introduced into the deposition chamber, as a constituent of the reactive nitrogen-containing gas. A negative voltage, in the range of 0 volts to -150 volts (referred to as a bias voltage), may be applied to the annular body 112 during the deposition process in order to help accelerate the positively charged ions to from the solid cathode source material to the outer surface of the annular body 112. The duration of the deposition process can be controlled or adjusted, to realize a tribological coating 126 that has the desired thickness. In one form, the deposition process can be carried out at a deposition rate of 2-4 μm per hour, and for a duration of 6-24 hours.
[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 deposição da camada de base 128, certos parâmetros do processo podem ser trocados para iniciar um segundo estágio do processo de deposição, 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 camada 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 duração toda do processo de manufatura do anel de pistão 110. Em uma forma, o primeiro estágio do processo de deposição, pode ser realizado 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 característica 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 processo de deposição pode ser em torno de 0,05 mbar. Aumentando a pressão da operação, durante o segundo estágio do processo de deposição, pode aumentar a porosidade, e também pode diminuir a dureza 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 baixa e porosidade aumentada.[0036] Various process parameters can be varied, or partially modified, through the deposition process, in order to realize the double-layer structure of the tribological coating 126. For example, the base layer 128 can be formed during a first stage of the deposition process. Then, after deposition of the base layer 128, certain process parameters may be changed to initiate a second stage of the deposition process, in which the top layer 130 is formed directly and on top of the base layer 128. Deposition of the base layer 128 of top layer 130 and base layer 128 of tribological coating 126, can be accomplished by modifying certain process parameters partially, through the physical cathodic arc deposition process, without having to purchase additional manufacturing equipment, and without having to extend the duration of the piston ring 110 manufacturing process. In one form, the first stage of the deposition process may be carried out at a first operating pressure, and the second stage of the deposition process may be carried out at a second operating pressure. , greater than the first operating pressure. For example, the operating pressure of nitrogen can be adjusted and increased during the deposition process in order to achieve the desired characteristic in both the base and top layers 128, 130. In a specific example, the operating pressure during the first stage of the deposition process, it may be around 0.03 mbar, and the operating pressure during the second stage of the deposition process may be around 0.05 mbar. Increasing the operating pressure during the second stage of the deposition process may increase the porosity, and may also decrease the hardness of the chromium nitride material being deposited on the outer surface of the annular body 112. Increasing the operating pressure operation during the second stage of the deposition process, may result in the emission of relatively large droplets of material from the cathode source, which may be deposited on the outer surface of the annular body 112, on the base layer 128, and may modify the size of the particles or grains formed within the top layer 130, providing a combined characteristic of lower hardness and increased porosity.
[0037] Uma voltagem de polarização pode ser aplicada para o corpo anular 112, durante o primeiro estágio do processo de deposição, mas não pode ser aplicada para o corpo anular 112, durante o segundo estágio do processo de deposição. Em um exemplo específico, uma voltagem de polarização de cerca de 50 volts pode ser aplicada para o corpo anular 112, durante o primeiro estágio do processo de deposição. Aplicando uma voltagem de polarização para o corpo anular 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 segundo estágios do processo de deposição. Em tal caso, a voltagem de polarização aplicada para o corpo anular 112, durante o primeiro estágio do processo de deposição, pode ser diferente da voltagem de polarização 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 possibilitar a camada de topo 130 ser formada com dureza mais baixa e porosidade aumentada, quando comparada àquela da camada de base 128.[0037] A bias voltage can be applied to the annular body 112 during the first stage of the deposition process, but cannot be applied to the annular body 112 during the second stage of the deposition process. In a specific example, a bias voltage of about 50 volts may be applied to the annular body 112 during the first stage of the deposition process. Applying a bias voltage to the annular body 112, during the first stage of the deposition process (but not in the second stage), may result in the formation of a relatively hard base layer 128, and a relatively soft top layer 130. In As another example, a bias voltage may be applied to the annular body 112 during both the first and second stages of the deposition process. In such a case, the bias voltage applied to the annular body 112 during the first stage of the deposition process may be different from the bias voltage applied to the annular body 112 during the second stage of the deposition process. By switching the bias voltage between the first and second stages of the deposition process, it may enable the top layer 130 to be formed with lower hardness and increased porosity, when compared to that of the base layer 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 deposição, 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 qualquer um dos vários parâmetros do processo, incluindo corrente de arco, temperatura do processo, e tempo do processo.[0038] In addition to the operating pressure and bias voltage, one or more other process parameters can be modified, or partially exchanged, through the deposition process, in order to differentiate the chemical and/or mechanical properties of the layer of top layer 130 and base layer 128, and thereby improve the short-term and/or long-term performance of the piston ring 110. Some examples of additional process parameters, which may be modified during deposition, may include any one of several process parameters, including arc current, process temperature, and process time.
[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 transformar os picos em ressaltos ou platôs relativamente planos, que podem ajudar a impedir arranhões da parede interna do cilindro 12, durante a fase de execução.[0039] After deposition of the tribological coating 126, the surface of the top layer 130 may have a contour, which exhibits a plurality of valleys and peaks. In such a case, the outer circumferential surface of the piston ring 110 can be ground and bent to transform the peaks into relatively flat bosses or plateaus, which can help prevent scratching of the inner wall of the cylinder 12 during the running phase.
[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 revestimento tribológico 126, formados em e sobre a superfície circunferen- cial externa 120 do corpo anular 112 do anel de pistão 110 em 500 vezes 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 camada de base 128, e a camada de topo 130 se sobrepondo, como um resultado de uma modificação passo a passo, dos parâmetros do processo de deposição, parcialmente através do processo de deposição.[0040] FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a portion of the piston ring 110, illustrating the morphology of the nitrided diffusion layer 122, the intermediate coating 124, and the tribological coating 126, formed in and on the outer circumferential surface 120 of the annular body 112 of the piston ring 110 at 500 times magnification. The tribological coating illustrated in FIG. 4 can be produced using a physical cathodic arc vapor deposition process. As shown, a gradual transition in the microstructure of the tribological coating 126 may take place between the base layer 128 and the overlapping top layer 130, as a result of a step-by-step modification of the deposition process parameters. , partially through the deposition process.
[0041] Deve ser compreendido que o acima mencionado, é uma descrição de uma ou mais modalidades exemplares preferidas da invenção. A invenção não é limitada à(s) modalidade(s) em particular descrita(s) aqui no presente, mas em vez disso é definida somente pelas reivindicações abaixo. Além disso, as afirmações contidas na descrição anterior se referem às modalidades particulares, e não devem ser consideradas como limitações do escopo da invenção, ou na definição 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.[0041] It should be understood that the above is a description of one or more preferred exemplary embodiments of the invention. The invention is not limited to the particular embodiment(s) described herein, but rather is defined solely by the claims below. Furthermore, the statements contained in the foregoing description relate to particular embodiments, and should not be construed as limiting the scope of the invention, or defining terms used in the claims, except where a term or phrase is expressly defined above. Various other modalities, and various changes and modifications to the disclosed modality(s), will become apparent to those skilled in the art. All such other embodiments, changes, and modifications are intended to come within the scope of the appended claims.
[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 adicionais 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.[0042] As used in this specification and in the claims, the terms “for example,” “for example,” “in an example,” “so that,” and “as,” and the verbs “comprising” “having ,” “including,” and its other verb forms, when used in conjunction with a listing of one or more components or other items, shall each be considered open-ended, meaning that the listing is not to be considered as excluding others. , additional components or items. Other terms should be considered using their broadest reasonable meaning unless they are used in a context that requires a different interpretation.
Claims (17)
Applications Claiming Priority (3)
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|---|---|---|---|
| US15/612,062 | 2017-06-02 | ||
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