BRPI0902339A2

BRPI0902339A2 - anel de pistão

Info

Publication number: BRPI0902339A2
Application number: BRPI0902339-9A
Authority: BR
Inventors: Juliano Avelar Araujo
Original assignee: Mahle Metal Leve Sa
Priority date: 2009-07-01
Filing date: 2009-07-01
Publication date: 2011-03-09
Also published as: WO2011000068A1; EP2449147B1; US20120126488A1; BRPI0902339B1; EP2449147A1

Abstract

ANEL DE PISTAO; A presente invenção refere-se a um anel de pistão, particular- mente idealizado para utilização em motores de combustão interna ou com- pressores, compreendendo pelo menos uma base (2) metálica à qual é apli cado, pelo processo de deposição física de vapor (PVD), um revestimento (3) de nitreto de cromo que compreende uma periodicidade (P), formada por pelo menos duas camadas (5,5') adjacentes, cada camada (5,5') exibindo uma fase preponderante de nitreto de cromo diferente da camada adjacente.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "ANEL DEPISTÃO"

A presente invenção refere-se a um anel de pistão, particular-mente para utilização em motores de combustão interna ou compressoresdiversos, dotado de uma pluralidade de camadas de revestimento seqüenci-ais compostas por nitreto de cromo. O anel resultante consegue com issoapresentar excelentes propriedades de resistência ao desgaste.

Descrição do estado da técnica

Os motores de combustão interna que operam segundo os ci-cios Otto e Diesel são utilizados para tracionar a imensa maioria dos veícu-los automotores e compreendem basicamente duas partes principais: umbloco de motor (no qual estão localizados um ou mais cilindros e o conjuntoda árvore de manivelas ou conjunto do virabrequim), ao qual são associadosum ou mais cabeçotes. O conjunto da árvore de manivelas é composto porpistões, bielas e pelo virabrequim.

O espaço definido entre a face superior do pistão, a parede docilindro e a base do cabeçote corresponde à câmara de combustão, sendoque nos motores Diesel, em geral, a(s) câmara(s) de combustão é(são) defi-nida(s) primordialmente por cavidade(s) provida(s) na(s) cabeça(s) do(s)pistão(ões).

No interior da(s) câmara(s) de combustão, o motor converte aenergia química produzida pela combustão da mistura (combustível e ar) emenergia mecânica capaz de imprimir movimento às rodas.

A fim de assegurar uma combustão homogênea e sem queimade óleo e ainda evitar a passagem em demasia de gases do cilindro para ocárter, faz-se necessária a utilização de anéis para prover uma boa vedaçãoda folga existente entre o pistão e a parede do cilindro.

Normalmente, os motores de 4 tempos mais modernos utilizamtrês anéis em cada pistão, sendo dois anéis de compressão e um anel deóleo. Os anéis de compressão têm a função de impedir a passagem dosgases da combustão para o interior do cárter, ao passo que o anel de óleotem a função de raspar o excesso de óleo da parede do cilindro e devolvê-loao cárter, controlando a espessura do 'filme' de óleo e impedindo sua quei-ma indevida.

Outra função importante dos anéis é servir de ponte de trans-missão de calor desde o pistão até a parede do cilindro / camisa, onde édissipado através do sistema de arrefecimento.

Via de regra, os anéis de pistão, notadamente os anéis de com-pressão, são formados por uma base metálica à qual é aplicada pelo menosuma camada de revestimento, que entra em contato com a parede do cilindro.

O papel da camada de revestimento é dos mais importantes,porque busca conferir ao anel propriedades de baixo atrito de deslizamento,grande resistência à escamação, dureza e tenacidade. Porém, muitas des-sas propriedades são antagônicas e um acréscimo em uma delas significauma perda de desempenho em outra, pelo que o tipo de revestimento a serutilizado vai ser escolhido em função do perfil de funcionamento do motor eaos esforços aos quais os anéis serão submetidos durante sua vida útil.

Uma série de revestimentos sofisticados foram propostos poraqueles entendidos no assunto, cada qual buscando incrementar as propri-edades desejadas. Porém, nenhum dos revestimentos propostos até o pre-sente momento foi eficiente em aumentar, concomitantemente, as proprie-dades de absorção de estresse interno, elevada dureza e baixa espessura,o que reduz sobremaneira a ocorrência de escamação Çspalling').

Uma primeira técnica anterior está representada pela patentenorte-americana US 5,718,437, que refere-se a um anel raspador de óleodotado de um revestimento de Cr2N monocamada, com espessura entrecerca de 3pm e 30μιτι.

Segundo o documento, a camada de revestimento de Cr2N a-presenta uma dureza entre 1300 HV e 2000 HV e é aplicada pelo processocomumente conhecido pelos técnicos no assunto por ion plating.

Uma segunda técnica anterior desenvolvida está representadapelo caso de patente japonês JP9196173, que revela uma invenção muitosimilar à patente norte-americana comentada acima, qual seja, um anel ras-pador de óleo possuindo um revestimento de Cr2N monocamada, com es-pessura de cerca de 3pm a 30pm.

A patente norte-americana US 5,820,131 refere-se a um anel depistão dotado de um revestimento formado por uma única camada de Cr2Nou uma mistura de Cr2N e CrN, com espessura de 3μιτι a 30μιη e um per-centual de nitrogênio, em peso, entre 11% e 17%. A camada de revestimen-to é aplicada pelo processo de PVD (Physical Vapour Deposition) e sua du-reza oscila entre 1300 HV e 2000 HV.

A patente norte-americana US 5,743,536 refere-se a um anel depistão dotado de uma camada de revestimento formada por pelo menos umnitreto de cromo, aplicado por PVD. O nitreto de cromo compreende CrN,Cr2N ou uma mistura de CrN e Cr2N, em uma única fase. O documento es-pecifica ainda diversos valores de espessura e porosidade, além de exibirdiversos ensaios mecânicos em produtos dotados de revestimentos comdiversas configurações finais. Segundo alegado, o revestimento apresentaexcelentes propriedades de resistência à abrasão, escamação e queima.

Ainda, a patente norte-americana US 5,851,659, da mesma fa-mília da patente US 5,743,536, revela um produto muito similar.

Por fim, uma última técnica anterior representativa pode ser en-contrada na patente norte-americana US 6,631,907, que se refere a umaanel de pistão dotado de uma camada de revestimento composta por CrNou Cr2N, ou ainda um mistura de nitretos, aplicada por PVD. O documentocontempla ainda a aplicação de uma mistura de CrN com Cr2N e Cr metáli-co, e discorre fartamente acerca de percentuais em peso dos componentes.

Cumpre notar que todas as soluções do estado da técnica lan-çaram mão do uso de CrN ou Cr2N1 isoladamente ou misturados, para a ob-tenção de uma única camada de revestimento que apresentasse altos valo-res de resistência à abrasão, escamação e queima.

Porém, há um limite nesse incremento, que varia em função dopercentual de CrN ou Cr2N da camada nitretada e em função de eventuaisoutros elementos adicionados. Caso haja interesse em um incremento aindamaior dessas propriedades, a camada de revestimento nitretada única não émais uma solução viável, muito menos inovadora.

O anel de pistão objeto da presente invenção, ao apresentaruma constituição inovadora, leva adiante as propriedades apresentadas pelacamada de revestimento. Pela primeira vez, é proposto um revestimentomulticamadas (ou, para os técnicos no assunto, multilayer), composto poruma pluralidade de camadas nitretadas consecutivas, alternando em com-posição majoritária CrN e Cr2N.

O resultado é um revestimento com o melhor dos dois compo-nentes, por apresentar as propriedades desejáveis de cada variação de ni-treto de cromo, sem que os pontos fracos de cada qual sejam potencializados.

As camadas de Cr2N conferem ao revestimento uma maior du-reza e resistência ao desgaste, ao mesmo tempo em que as camadas deCrN colaboram para que o revestimento apresente bons valores de ductili-dade. Com isso, as melhores propriedades de cada composto são potencia-lizadas.

O revestimento ora desenvolvido confere ao anel de pistão umamaior resistência ao desgaste e, concomitantemente, uma redução conside-rável nos valores de estresse interno, reduzindo a ocorrência de trincas norevestimento e a conseqüente escamação.Objetos da invenção

A presente invenção tem por objeto um anel de pistão, particu-larmente para utilização de motor de combustão interna ou compressor, do-tado de uma multiplicidade de camadas de revestimento de nitreto de cro-mo, nas fases CrN e Cr2N, de maneira a apresentar concomitantemente asantagônicas propriedades de dureza, resistência ao desgaste, ductilidade eredução de estresse interno.

A presente invenção tem por objeto também um anel de pistão,particularmente idealizado para utilização em motores de combustão internaou compressores, compreendendo pelo menos uma base metálica à qual éaplicado, pelo processo de deposição física de vapor, um revestimento denitreto de cromo formado por pelo menos duas camadas adjacentes queexibem diferentes fases preponderantes de nitreto de cromo.

Ainda, a presente invenção tem por objetivo um anel de pistão,particularmente para utilização de motor de combustão interna ou compres-sor, dotado de uma multiplicidade de camadas de revestimento de nitreto decromo, nas fases CrN e Cr2N, que apresentem menor espessura se compa-radas com a espessura do revestimento dos anéis da técnica anterior.

Finalmente, a presente invenção tem por objetivo o processo deaplicação de uma multiplicidade de camadas de revestimento de nitreto decromo nas fases CrN e Cr2N em um corpo de anel de pistão metálico, emuma única etapa de aplicação, por meio da variação da pressão do gás ni-trogênio no processo de deposição física de vapor.

Breve descrição da invenção

Os objetos da presente invenção são alcançados por um anel depistão, particularmente idealizado para utilização em motores de combustãointerna ou compressores, compreendendo pelo menos uma base metálica àqual é aplicado, pelo processo de deposição física de vapor, um revestimen-to de nitreto de cromo que compreende uma periodicidade, formada por pelomenos duas camadas adjacentes, cada camada exibindo uma fase prepon-derante de nitreto de cromo diferente da camada adjacente.

Descrição resumida dos desenhos

A presente invenção será, a seguir, mais detalhadamente des-crita com base em um exemplo de execução representado nos desenhos.

As figuras mostram:

Figura 1 - é uma vista esquemática em corte transversal do anelde pistão objeto da presente invenção montado no canalete de um pistão eem atrito com a parede de um cilindro.

Figura 2 - é uma fotografia metalográfica ampliada da secçãotransversal do anel de pistão objeto da presente invenção, permitindo a vi-sualização da base metálica e do revestimento multicamadas.

Descrição detalhada das figuras

O anel de pistão 1 objeto da presente invenção difere dos atu-almente existentes pelas características inovadoras e vantajosas de seu re-vestimento.

Inicialmente, cumpre notar que o anel 1 é preferivelmente umanel de compressão para uso em um motor de combustão interna que operasegundo o ciclo de 4 tempos, muito embora seja evidente que o anel podeassumir outras concretizações diversas, como um anel raspador de óleo, umanel de compressão de um motor de 2 tempos, um anel de um compressora pistão, ou ainda qualquer outra concretização necessária ou desejável,contanto que seu revestimento apresente as características e inovações oradefinidas.

Qualquer que seja sua constituição preferencial, o anel de pistãoobjeto da presente invenção compreende pelo menos uma base 2 metálicaà qual é aplicado, pelo processo de deposição física de vapor (PVD), umrevestimento 3 de nitreto de cromo que, conforme será descrito mais adian-te, compreende uma pluralidade de camadas de nitreto de cromo 5,5' arran-jadas de forma a formar pelo menos duas periodicidades P, onde cada peri-odicidade P é formada por pelo menos duas camadas 5,5' adjacentes. Ascamadas 5,5' adjacentes de cada periodicidade P exibem diferentes fasespreponderantes de nitreto de cromo.

A base 2 é composta por qualquer material metálico adequado àmissão e pode apresentar diversos formatos de secção transversal, em fun-ção das características do anel 1 e das condições de trabalho segundo asquais operará.

Preferivelmente, utiliza-se aço inoxidável, aço carbono ou ferrofundido na composição da base 2, em qualidades diversas, porém é eviden-te que outros materiais, se necessário ou desejável, podem substitui-lo. Maispreferivelmente, a base 2 é composta por aço com 10 a 17 % de Cromo. Épossível ainda que o aço utilizado sofra um processo de nitretação.

À base 2 é aplicado o revestimento 3 de nitreto de cromo queconfere ao anel 1 propriedades de maior resistência ao desgaste e, conco-mitantemente, uma redução considerável nos valores de estresse interno,reduzindo a ocorrência de trincas no revestimento e a conseqüente escama-ção.Tal e qual mencionado acima, o revestimento 3 compreendeuma pluralidade de camadas de nitreto de cromo 5,5' arranjadas de forma aformar uma periodicidade P. Logo, a periodicidade P compreende pelo me-nos duas camadas 5,5' adjacentes, obrigatoriamente de constituição diver-sa, ou seja, cada qual exibindo uma fase preponderante de nitreto de cromo.Assim, o revestimento 3 terá pelo menos quatro camadas 5,5'.

Uma primeira qualidade de camada 5 compreende o nitreto decromo na forma, ou fase, de CrN (ilustrada como as camadas mais claras nafigura 2), cuja principal característica mecânica é uma maior ductilidade.

A segunda qualidade de camada 5' compreende nitreto de cro-mo na forma, ou fase, de Cr2N (ilustrada como as camadas mais escuras nafigura 2), tendo como principal característica mecânica a elevada dureza.

É importante notar que se trata de fases preponderantes de ni-treto de cromo, isto é, a primeira qualidade de camada 5 é composta pre-ponderantemente por CrN (embora, evidentemente, haja um percentual re-duzido de Cr2N e/ou de outros compostos/elementos em sua composição)ao passo que a segunda qualidade de camada 5' é composta preponderan-temente por Cr2N, não obstante certamente haja um percentual reduzido deCrN e/ou de outros compostos/elementos em sua composição.

Por tudo o acima exposto, resta claro que a periodicidade Ppossui pelo menos uma camada 5 composta preponderantemente por CrN euma camada 5' composta preponderantemente por Cr2N.

De modo preferível, tal e qual ilustrado na figura 2, a primeiraqualidade de camada 5 deve, obrigatoriamente, estar posicionada adjacen-temente à segunda qualidade de camada 5'. Com isso, consegue-se garan-tir que as camadas de revestimento 5,5' estão intercaladas sem repetição.

Alternativamente, entretanto, pode-se conceber um anel 1 deacordo com os ensinamentos da presente invenção no qual pode haver du-as camadas de igual qualidade adjacentes, dependendo das qualidades deresistência e ductilidade que se deseja conferir ao revestimento 3.

Conforme pode ser claramente visto na figura 2, o revestimento3 da concretização preferível do anel 1 compreende oito camadas de nitretode cromo 5,5', onde as qualidades das camadas de revestimento 5,5' estãointercaladas sem repetição.

Caso necessário ou desejável, as camadas 5,5' podem compre-ender um ou mais elementos químicos adicionais, em proporções variadas ecalculadas em função da propriedade mecânica que se deseja almejar.

Preferivelmente, os elementos químicos adicionais, se presen-tes, são aqueles selecionados dentre o grupo constituído por Oxigênio (O)ou Carbono (C) em um percentual não superiora 10% em massa.

Esses elementos químicos podem estar presentes, dentro dafaixa apontada, em pelo menos uma das camadas 5,5', em algumas delasou em todas, em função das propriedades mecânicas do revestimento quese deseja obter.

Com o presente revestimento 3, composto por uma pluralidadede camadas de CrN e Cr2N, consegue-se um anel de pistão que apresentaum melhor desempenho/comportamento em situações de operação maiscríticas, devido ao fato de apresentar melhores propriedades de resistênciaao desgaste e, ao mesmo tempo, uma redução considerável nos valores deestresse interno.

Com o uso do revestimento 3, o anel resultante apresenta umaredução nos valores de estresse interno ao redor de 50%, traduzindo-se emuma resistência muito maior ao fenômeno de escamação, no qual pequenasporções do revestimento são desplacadas devido à ocorrência de microtrin-cas devido ao acúmulo de tensões e à pouca ductilidade. O grande incon-veniente técnico estrutural é que a escamação tende ocorrer em determina-das partes do anel, enquanto em outras partes o revestimento permaneceintacto ou pouco danificado mesmo ao final da vida útil da peça.

Essa redução nos valores de estresse interno traz a reboque asvantagens de possibilitar um aumento na energia de adesão das camadasentre si e reduzir a espessura do revestimento, possível uma vez que a re-dução na escamação é grande e assim consegue-se garantir que, mesmocom uma espessura reduzida, haverá revestimento 3 durante toda a vidaoperacional do anel.As diversas camadas 5,5' do revestimento 3 são aplicadas porum processo conhecido pelos técnicos no assunto como deposição física devapor (em inglês, physical vapour deposition - PVD).

O processo de deposição "PVD" envolve processos puramentefísicos, tais como temperatura elevada, evaporação a vácuo ou bombarde-amento por plasma. Adicionalmente, pode-se adicionar um gás, como porexemplo o Nitrogênio (N2), de maneira que esse combine com o materialmetálico que está sendo depositado e forme nitretos, que é o caso específi-co da presente invenção. Entre os processos utilizados para evaporar o ma-terial metálico da fonte (catodo-alvo) um dos mais conhecidos é o arco cató-dico, onde um arco elétrico de alta potência é dirigido à fonte de material,evaporando-o e gerando íons que são depositados na peça. Em presençade gases como o Nitrogênio, o nitreto do material metálico é depositado napeça.

Ou seja, o processo de deposição por arco catódico, ou Arco-PVD é uma técnica de deposição física de vapor onde um arco elétrico éusado para vaporizar material de um catodo-alvo. O material vaporizado en-tão condensa sobre um substrato, formando um filme fino.

Em essência, o controle da pressão do gás Nitrogênio (N2) pos-sibilita a produção das camadas 5,5' seqüencialmente. As camadas com-postas por CrN têm um percentual de átomos de Nitrogênio entre 22% e25% em peso, ao passo que, nas camadas compostas por Cr2N1 o percen-tual de átomos de Nitrogênio está entre 12% e 16% em peso.

No caso do revestimento 3 da presente invenção, nas duas fa-ses do nitreto de cromo, a maior dureza é obtida com a composição Cr2N ea maior ductilidade, por sua vez, é conseguida com o uso da composiçãoCrN. A combinação dessas duas composições na forma das camadas 5,5'tal como mencionado acima trouxe vantagens surpreendentes, notadamenteno benefício apresentado ao revestimento 3 como um todo pela sua maiorcapacidade de absorção de estresse interno. As camadas 5 de CrN, maisdúcteis, absorvem os esforços e deformam, diminuindo as forças de defor-mação às quais as camadas 5' mais rígidas de Cr2N são submetidas, o queocasiona uma menor tendência ao aparecimento de microtrincas nestas. Oresultado é um incremento considerável no desempenho do anel.

Ainda, como uma maior dureza é obtida com a camada de Cr2N1pode-se reduzir a espessura do revestimento sem prejuízo na resistência aodesgaste.

A concretização preferível do anel 1, ilustrada na figura 2, apre-senta uma dureza superficial da ordem de 1700 a 2.500 HV1 sendo preferi-velmente em torno de 2100 HV1 com um estresse interno de -1000 N/mm2.De maneira preferível, a espessura do revestimento (3) apresenta valores nafaixa de 10 a 60 mícrons, ou seja, apresenta espessura muito reduzida (na-nolayer).

De maneira opcional, pode ser provida uma camada de adesãocomposta por cromo, níquel ou cobalto posicionada entre a base 2 e o re-vestimento 3.

Adicionalmente, foi realizado um ensaio em equipamento deriscamento ("Scratch Tester") que avalia a resistência à delaminação do re-cobrimento. O resultado deste teste é alcançado aplicando-se uma ForçaNormal a um sistema recobrimento-substrato ao mesmo tempo em que aamostra é movida a uma velocidade constante. A carga mais baixa na qual aprimeira falha ocorre é chamada de Carga Crítica (Lc). O equipamento utili-zado provê dados para referência cruzada da carga crítica gravando aomesmo tempo os efeitos de: variação de força tangencial, profundidade depenetração do endentador e detecção de emissão acústica. A análise mi-croscópica de cada risco é feita após o teste para confirmação da ocorrênciada falha. Quanto maior a carga que ocorre a falha, mais resistente é o reco-brimento à delaminação.

Nos testes de scratch, que medem a resistência do revestimentoà delaminação, a primeira delaminação somente foi alcançada com a apli-cação de uma carga de 29N, consideravelmente superior à carga limite de17N suportada por um anel do estado da técnica dotado de revestimento deCrN/Cr2N monocamada.

Preferivelmente, o revestimento 3 é aplicado por toda a superfí-cie externa do anel 1, mas nada impede que seja aplicado em partes deter-minadas, removido parcialmente ou ainda que, por sobre ele, aplique-se ou-tra qualidade de revestimento qualquer. Um anel de pistão assim configura-do continua incluído no escopo de proteção das reivindicações.

Tendo sido descrito exemplos de concretização preferidos, deveser entendido que o escopo da presente invenção abrange outras possíveisvariações, sendo limitado tão-somente pelo teor das reivindicações apensas,aí incluídos os possíveis equivalentes.

Claims

1. Anel de pistão, particularmente idealizado para utilização emmotores de combustão interna ou compressores, compreendendo pelo me-nos uma base (2) metálica à qual é aplicado, pelo processo de deposiçãofísica de vapor (PVD), um revestimento (3) de nitreto de cromo, caracteriza-do pelo fato de que o revestimento (3) compreende uma periodicidade (P)1formada por pelo menos duas camadas (5,5') adjacentes, cada camada(5,5') exibindo uma fase preponderante de nitreto de cromo diferente da ca-mada adjacente.

2. Anel de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fatode que as fases preponderantes de nitreto de cromo podem apresentar aconstituição preponderante de CrN ou Cr2N.

3. Anel de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fatode que cada periodicidade (P) é composta por somente duas camadas adja-centes (5,5'), cada qual com sua fase preponderante de nitreto de cromo.

4. Anel de acordo com a reivindicação 1, 2 ou 3, caracterizadopelo fato de que a pluralidade de camadas (5,5') contém um elemento quí-mico adicional selecionado dentre o grupo constituído por Oxigênio ou Car-bono em um percentual não superior a 10% em massa.

5. Anel de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fatode que a dureza Vickers do revestimento apresenta valores entre 1.700 e 2.500 HV.

6. Anel de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fatode que a espessura do revestimento (3) apresenta valores na faixa de 10 a 60 mícrons.

7. Anel de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fatode que o revestimento (3) é nanolayer.

8. Anel de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fatode que a base (2) é composta por aço com 10 a 17 % de Cromo.

9. Anel de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fatode que a base (2) é composta por ferro fundido.

10. Anel de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelofato de que o aço constituinte da base (2) passa por um processo de nitretação.

11. Anel de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que é provida uma camada de adesão composta por cromo, níquelou cobalto posicionada entre a base (2) e o revestimento (3).