BRPI1102335A2

BRPI1102335A2 - elemento dotado de pelo menos uma superfÍcie de deslizamento com um revestimento para uso em um motor de combustço interna ou em um compressor

Info

Publication number: BRPI1102335A2
Application number: BRPI1102335-0A2A
Authority: BR
Inventors: Paulo Jose Da Rocha Mordente; Robert Richard Banfield; Jose Valentim Lima Sarabanda
Original assignee: Mahle Metal Leve Sa
Priority date: 2011-05-27
Filing date: 2011-05-27
Publication date: 2013-06-25
Also published as: US9777239B2; JP6335780B2; EP2716790A1; US20140323367A1; CN103930587A; JP2014523476A; WO2012162771A1; CN103930587B; EP2716790B1

Abstract

ELEMENTO DOTADO DE PELO MENOS UMA SUPERFÍCIE DE DESLIZAMENTO COM UM REVESTIMENTO PARA USO EM UM MOTOR DE COMBUSTçO INTERNA OU EM UM COMPRESSOR. A presente invenção refere-se a um elemento (1) que trabalha sob deslizamento de um motor de combustão interna e/ou compressor que sofre atrito e que recebe uni revestimento (4) cerâmico nitretado através de um processo HIPIMS. Tal revestimento (4) apresenta como particularidade o fato de conseguir dominar as tensões internas do revestimento (4) de forma independente de seu crescimento, permitindo realizar revestimentos (4) com espessuras superiores às convencionais resultando em um substancial aumento da resistência ao desgaste.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "ELEMENTO DOTADO DE PELO MENOS UMA SUPERFÍCIE DE DESLIZAMENTO COM UM REVESTIMENTO PARA USO EM UM MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA OU EM UM COMPRESSOR".

A presente invenção refere-se a um elemento que trabalha sob

deslizamento em motor de combustão interna que sofre atrito e que recebe um revestimento cerâmico à base de nitretos através deposição física na fase de vapor obtida através de plasma de elevado impulso por magnetron de modo a melhorar o desgaste através de menor tensão interna, elevada dureza e baixa porosidade.

Descrição do Estado da Técnica

Os motores de combustão interna compreendem inúmeros ele- mentos que sofrem atrito e que por esse motivo sofrem desgaste pelo fato de serem submetidos a severos esforços quando o motor está em funcio- namento.

Uma das formas de se garantir a resistência ao desgaste de um elemento que trabalha sob deslizamento, a fim de que ele apresente uma vida útil elevada e suficiente para os parâmetros de vida útil do motor, é al- cançada com a aplicação de uma ou mais camadas de revestimento sobre o metal base com o qual é constituído. O revestimento, desenvolvido especifi- camente para resistir ao desgaste e à abrasão, mantém as propriedades de desempenho do elemento que trabalha sob deslizamento mesmo após mi- lhões de ciclos de explosão do motor.

Em um motor de combustão interna, além de cilindros, pistões e anéis existem diversos elementos adicionais dotados de pelo menos uma superfície que trabalha sob deslizamento que também podem receber reves- timentos por forma a prolongar a vida útil da peça. Alguns desses elementos são bronzinas, componentes do trem de válvulas, tuchos, carnes, etc.

Nesse sentido, existem infindáveis técnicas utilizando as mais diversas composições de revestimento e inúmeros processos de aplicação, cada qual buscando otimizar as propriedades de desempenho e durabilida- de dos mais diversos tipos e configurações de elementos para uso em um motor de combustão interna dotados de uma superfície de deslizamento.

Os revestimentos mais relevantes do estado da técnica para a presente invenção são aqueles revestimentos cerâmicos compostos por ni- tretos gerados através de um processo de deposição física na fase de vapor (-Physical Vapor Deposition) doravante designado por PVD.

Revestimentos de nitretos formados através de processos PVD apresentam tensões internas que aumentam em função da espessura da camada (vide figura 1). Estas tensões são tipicamente compressivas e tor- nam-se mais compressivas na medida em que o filme cresce.

A figura 1 apresenta um gráfico que evidencia o aumento da tensão interna compressiva em um revestimento de nitreto de cromo (CrN) depositado a 450°C e com uma tensão de aceleração das partículas contra o substrato de 175 V., revestimento esse que foi obtido através do método de deposição de espirramento de material de uma superfície alvo (sputte- ring).

Este fenômeno de aumento da tensão interna compressiva em função do crescimento do revestimento deve-se ao fato de que no ambiente de plasma os íons positivos são atraídos por um campo elétrico e magnético para a superfície na qual cresce o revestimento, de modo que a energia de bombardeamento dos íons sobre o revestimento induz à geração de tensões compressivas nos filmes.

Ademais, os filmes de nitretos são crescidos em um ambiente que geralmente envolve algumas centenas de graus centígrados onde, após a deposição do revestimento sobre o substrato, ocorre o resfriamento do filme e, conseqüentemente, a existência de coeficientes de dilatação dife- rentes promove uma maior contração do substrato. Assim, a dilatação dife- rente entre os materiais do revestimento e do substrato promove a "forma- ção" de tensões interna compressivas nos filmes de nitretos.

A existência de tais tensões internas compressivas traz vários inconvenientes limitando por um lado a espessura dos revestimentos e, por outro lado, diminuindo à carga de trabalho que tais elementos dotados de revestimento podem suportar. Note-se que como as tensões internas são compressivas elas somam aos valores de carregamento a que estão sujei- tos os elementos.

Como resultado, todo revestimento ao ser solicitado por um car- regamento externo (devido à aplicação como um componente de maquina ou de motor de combustão interna, por exemplo) será submetido à geração de tensões devido ao carregamento e então quanto mais próximo do valor neutro (ou tensão interna nula) for à tensão inicial do revestimento maior será o carregamento que este suportará até atingir uma tensão que provo- que a ruptura do revestimento (nucleação de trinca e crescimento destas). Inclusive, quando os valores da tensão interna compressiva e de carrega- mento ultrapassam os valores limite que o revestimento pode receber, ocor- re o desplacamento do revestimento, o que pode provocar severos danos no equipamento.

No tocante ao crescimento de revestimentos, observe-se que al- guns revestimentos, por exemplo, TiN, apresentam limitação no crescimento do revestimento devido à elevada tensão deste e conseqüentemente não é possível crescer o revestimento a espessuras superiores a 2 ou 3 microme- tros (pm).

Outra condição que também afeta a resistência do filme é a pre- sença de poros no revestimento. Poros são regiões presentes no revesti- mento que apresentam defeito devido à baixíssima coesão localizada do material. Assim, os poros atuam como concentradores de tensões em maior ou menor escala dependendo da geometria e quantidade de poros. Natu- ralmente que uma elevada taxa de porosidade prejudica a resistência ao desgaste de um revestimento.

Nesse contexto, o paradigma atual em revestimentos cerâmicos nitretados é refletido pela seguinte relação entre as variáveis que interagem no revestimento. Uma maior espessura de camada gera maiores tensões internas de compressão o que se agrava com a taxa de porosidade do re- vestimento. Esta relação acaba limitando os valores de dureza e conseqüen- te resistência ao desgaste das soluções apontadas pelo estado da técnica.

Exemplo disso são os documentos norte-americanos US 5,449,547 e US 6,270,081 que descrevem anéis de pistão dotados, respec- tivamente, de revestimentos de CrCN/CrON e CrN. Note-se que a dureza destes revestimentos encontra-se limitada a 2200 HV e 1800HV, respecti- vamente, sendo que o segundo documento menciona taxas de porosidade superiores a 3%.

Por sua vez, o documento norte-americano US 6,372,369 revela revestimentos para anéis de pistão de CrN e TiN com durezas que se en- contram entre os 1300 e 2300HV. Note-se que dificilmente o valor de dureza é superior a 2300HV quando se fala de revestimentos monocamada nitreta- dos, sendo este teto de dureza umas das limitações decorrentes da relação paradigmática existente para este tipo de revestimentos.

Infelizmente, os atuais revestimentos de elementos que traba- lham sob deslizamento não apresentam um desempenho de resistência ao desgaste adequado quando solicitados a severas condições de trabalho. Tal realidade indica que os atuais revestimentos por PVD não irão funcionão corretamente nas próximas gerações de motores, em especial naqueles mo- tores com recirculação dos gases de escape (Exhaust Gas Recirculation - EGR) e redução catalítica seletiva (Selective Catalytic Reduction - SCR), motores esses que serão usados em gerações futuras com o intuito de re- duzir às taxas de emissão de poluentes.

Assim, os métodos convencionais apresentadas pelo estado da técnica não revelam uma solução técnic que permita obter um revestimento cerâmico nitretado de elevadas propriedades que alie simultaneamente a possibilidade de se fazer crescer um filme mantendo as tensões internas compressivas reduzidas e uma taxa de porosidade reduzida, capaz de per- mitir uma extraordinária resistência ao desgaste. Objetivos da Invenção

A presente invenção tem por objetivo prover um elemento que trabalha sob deslizamento para uso em um motor de combustão interna do- tado de um revestimento à base de nitretos que seja capaz de proporcionar um aumento da resistência ao desgaste.

A presente invenção tem também por objetivo prover um ele- merito que trabalha sob deslizamerito com um revestimento a base de nitre- tos que possibilite um aumento da sua espessura sem aumento das tensdes internas compressivas, simultaneamente com uma taxa de porosidade muito reduzida.

Breve Descricao da Invencao

Os objetivos da presente invengao sao alcangados atraves de um elemento dotado de pelo menos uma superficie de deslizamento para uso em um motor de combustao interna, ο elemento compreendendo uma base de uma dada Iiga metalica e pelo menos uma superficie externa dota- da de um revestimento ceramico duro gerado pela deposigao fisica na fase de vapor, em que ο elemento compreende uma porosidade com uma taxa inferior a 2% em volume, uma dureza Vickers na faixa de 1500 a 3000 HV e uma tensao interna compressiva inferior a 500MPa. Descricao Resumida dos Desenhos A presente invengao sera, a seguir, mais detalhadamente des-

crita com base em um exemplo de execugao representado nos desenhos. As figuras mostram:

Figura 1 - e um grafico que mostra uma relagao entre ο aumento da tensao interna compressiva em um revestimento de nitreto de cromo; Figura 2 - e um grafico que mostra ο coeficiente de desgaste

(m3/Nm) de um revestimento de nitreto de cromo em fungao de diferentes tipos de deposigao PVD realizados a uma velocidade de 10 cm/minuto;

Figura 3 - e uma figura de dois elementos que trabalham sob deslizamento onde um deles e dotado de um revestimento de nitreto de cromo com morfologia equiaxial da presente invengao. Descripao Detalhada das Figuras

A presente invengao refere-se a inovadora possibilidade de se conseguir dominar as tensdes internas de um revestimento de forma inde- pendente da sua espessura, permitindo assim realizar revestimentos com espessuras superiores as convencionais e aumentar a resistencia ao des- gaste de tais revestimentos ceramicos nitretados atraves de um processo

PVD. As propriedades de um revestimento depositado pelo processo de deposigao fisica na fase de vapor (PVD) variam bastante em fungao da energia aplicada aos ions positivos, por exemplo, Cr+ e N+, durante ο pro- cesso de deposigao.

Conforme foi discutido, os atuais processos de revestimento ce-

ramicos nitretados em elementos 1 que trabalham sob deslizamento em mo- tores de combustao interna apresentam Iimitag5es no tocante ao desempe- nho tribologico por conta de suas altas tensoes internas compressivas.

A presente invengao oferece solugao a esta paradigmatica pro- blematica ao conseguir promover ο crescimento de um revestimento 4 sem aumentar a tensao interna compressiva do revestimento 4.

Note-se que os elementos 1 que trabalham sob deslizamento podem ser compreendidos por diversos componentes de um motor que so- fram contato, resultando entre eles uma relagao de atrito. Assim, ο revesti- mento 4 da presente invengao pode ser aplicado a um de dois elementos ou simultaneamente aos dois elementos que irao interagir mutuamente.

O elemento 1 que trabalha sob deslizamento da presente inven- gao compreende uma base 2 de uma dada Iiga metalica e uma superficie externa 3 que receber ο revestimento 4 (vide figura 3). A base 2 pode ser constituida de uma Iiga ferrosa ou de um ago, tal como, por exemplo, um ago contendo 10 a 17% de cromo (ago inoxidavel), aluminio, entre outras.

Exemplos de elementos 1 que trabalham sob deslizamento da presente invengao sao encontrados em aneis de pistao, tanto de compres- sao como de oleo, cilindros e camisas de cilindros, pist5es, bronzinas de mancal e segment。，tuchos e cames dentre iniimeros outros.

O revestimento 4 da presente invengao tern por base a deposi- Qao de um revestimento 4 em pelo menos uma superficie de um elemento 1 que trabalha sob deslizamento atraves de um processo PVD1 mais concre- tamente atraves de plasma de elevado impulso por espirramento de materi- al alvo (High Power Impulse Magnetron Sputtering), doravante designado como HIPIMS.

O novo metodo de deposigao HIPIMS para elementos 1 que tra- balham sob deslizamento permite ionizar ο material, geralmente metalico (Cr, Ti, Mo, Nb, Al, etc.), antes da conversao em nitreto. Por sua vez, a ace- Ieragao dos ions metalicos com alta energia contra a superficie do revesti- mento 4 permite obter, de modo surpreendente, ο relaxamento do revesti- mento 4 durante ο seu crescimento sem perda de sua dureza.

Note-se que este comportamento (elevada dureza e baixa ten- s5es internas do revestimento) nao e obvio, sendo inclusive antagonico em relagao ao estado da tecnica. De todo ο modo, esse e um resultado alta- mente desejado para obtengao de extraordinaria resistencia ao desgaste. Um revestimento ao ser solicitado por um carregamento externo (devido a aplicagao como um componente de maquina ou de motor de combustao interna, por exemplo) sera submetido a geragao de tens5es decorrentes do carregamento e, portanto, quanto menor for a tensao inicial do revestimento, maior sera ο carregamento que este conseguira suportar ate atingir uma tensao que provoque a ruptura do revestimento 4 (nucleagao de trincas e crescimento destas).

Um exemplo preferencial da presente invengao pode ser com- preendido atraves da figuras 3. Supondo-se que a figura trata de um anel de pistao e de um cilindro de um motor de combustao interna (ambos os ele- mentos que trabalham sob deslizamento 1), pode-se revestir apenas um ou os dois elementos 1 que trabalham sob deslizamento. No caso concreto vamos deter-nos com um exemplo classico em que um anel de pistao, para montagem em qualquer um de seus caneletes, recebe ο revestimento 4 da presente invengao na superficie que ira contatar a parede do cilindro. De modo preferencial, mas nao obrigatorio, ο revestimento 4 ce-

ramico e de nitreto de cromo, sendo que poderao ser utilizados outros ele- mentos metalicos para a formagao do revestimento ceramico, entre eles ο titanio, molibdenio, niobio, aluminio, etc., ou uma mistura deles.

O revestimento 4 e depositado pelo processo de plasma de ele- vado impulso por espirramento de material alvo (HIPIMS) com a base 2 (substrato) polarizada com potencial negativo, sendo possivel alcangar valo-

res de tensao interna compressiva entre O e 500MPa, sendo que preferivel- mente os valores deverao encontrar-se entre O e 200MPa. As particulares caracteristicas do processo de deposigao HIPIMS permitem alcangar uma dureza Vickers que se encontra entre os 10OOHVe os 3000HV. Note-se que esta amplitude e superior aos valores do estado da tecnica, sendo que ο valor de 3000HV e surpreendentemente elevado. Adicionalmente1 a presen- te invengao consegue promover espessuras de revestimento 4 que se situ- am entre os δμιτι e os 100μιη, valor francamente elevado quando compara- do com ο estado da tecnica, ainda para mais naqueles casos em que ο re- vestimento e a base de nitreto de titanio, revestimento esse que normalmen- te apresenta espessura Iimitada devido a sua elevada tensao.

Como conseqiiencia natural da elevada energia dos ions que formam ο revestimento 4，particularidade do processo HIPIMS, ocorre uma significativa densificagao do revestimento 4, resultando em uma redugao da porosidade e uma excelente adesao dos ions na base 2. Valores de porosi- dade apresentam-se abaixo dos 2% em volume, sendo que a faixa prefe- rencial para a presente invengao encontra-se abaixo de 0,5%, valor real- mente reduzido em relagao ao estado da tecnica quando se leva em consi- deragao que simultaneamente os valores de dureza e tensao interna sao excelentes.

Adicionalmente1 este processo permite outra vantagem, possibi-

Iitando ο crescimento do revestimento 4 Iivre de goticulas (micro particulas). ConseqCientemente, ο processo HIPIMS para deposigao de revestimentos 4 permite alcangar propriedades tribologicas excelentes tais como resistericia ao desgaste e ao destacamento. A observagao do grafico da figura 2 deixa claramente evidente a

diferenga de resultados obtidos pelos diferentes processos PVD. A figura 2 mostra resultados de testes do coeficiente de desgaste de um revestimento de nitreto de cromo em fungao de diferentes metodos de deposigao do es- tado da tecnica, sao citados a deposigao via espirramento de material alvo com magnetron desbalanceado (UBM) e Arco catodico (Arc) frente HIPIMS da presente invengao. E evidente que ο atual processo consegue resultado

de resistencia ao desgaste superior em mais do dobro em relagao ao estado da tecnica, nao deixando margem para diividas de que apesar de surpreen- dente, ο revestimento 4 HIPIMS da presente invengao e capaz de gerar re- sultados muito positivos para elementos 1 que trabalham sob deslizamento para uso em motores de combustao interna.

Em fungao dos excelentes resultados obtidos, a presente tecno-

Iogia alcanga ο padrao necessario para funcionamento nas proximas gera- goes de motores, em especial naqueles motores com recirculagao dos ga- ses de escape {Exhaust Gas Recirculation - EGR) e redugao catalitica sele- tiva (Selective Catalytic Reduction - SCR), contribuindo assim para a redu- gao da emissao de poluentes.

Resta assim claro que ο revestimento 4 da presente invengao propoe uma inesperada relagao entre ο crescimento de um revestimento e a sua tensao interna, pois consegue simultaneamente obter um revestimento de elevadas propriedades tribologicas e com espessuras nao normalmente praticada pelas tecnicas convencionais, garantindo assim uma resistencia ao desgaste superior a qualquer revestimento obtido por processo PVD do estado da tecnica.

Tendo sido descrito um exemplo de concretizagao preferido, de- ve ser entendido que ο escopo da presente invengao abrange outras possi- veis variagoes, sendo Iimitado tao-somente pelo teor das reivindicagees a-

pensas, ai incluidos os possiveis equivalentes.

Claims

1. Elemento dotado de pelo menos uma superficie de desliza- mento com um revestimento para uso em um motor de combustao interna, ο element。(1) compreendendo uma base (2) de uma dada Iiga metalica e pelo menos uma superficie externa (3) dotada de um revestimento (4) cera- mico duro gerado pela deposigao fisica na fase de vapor, ο element。(1) sendo caracterizado pelo fato de que compreende uma porosidade com uma taxa inferior a 2% em volume, uma dureza Vickers na faixa de 1500 a 3000 HV e uma tensao interna compressiva inferior a 500MPa.

2. Elemento de acordo com a reivindicagao 1, caracterizado pelo fato de que ο revestimento (4) ceramico e compreendido por nitretos forma- dos por pelo menos um dos elementos entre cromo, titanio, niobio, molibde- nio ou aluminio.

3. Element。de acordo com as reivindicagoes 1 e 2’ caracteriza- do pelo fato de que ο revestimento (4) e dotado de uma porosidade com uma taxa inferior a 0,5% em volume.

4. Elemento de acordo com as reivindicagoes 1 a 3，caracteriza- do pelo fato de que ο revestimento (4) compreende uma tensao interna compressiva inferior a 200MPa.

5. Element。de acordo com as reivindicagoes 1 a 4, caracteriza- do pelo fato de que ο revestimento (4) e constituido de uma espessura na faixa de 5 a 100 μηπ.

6. Elemento de acordo com as reivindicagoes 1 a 5’ caracteriza- do pelo fato de que a deposigao fisica na fase de vapor e obtida atraves de plasma de elevado impulso por espirramento de material alvo (HIPIMS) e a base (2) sendo polarizada com potencial negativo.

7. Elemento de acordo com as reivindicagoes 1 a 6，caracteriza- do pelo fato de que ο material base (2) e ferro fundido.

8. Elemento de acordo com as reivindicagoes 1 a 6, caracteriza- do pelo fato de que ο material base (2) e ago.

9. Elemento de acordo com as reivindicag5es 1 a 6’ caracteriza- do pelo fato de que ο material base (2) e aluminio.

10. Elemento de acordo com as reivindicag5es 1 a 9, caracteri- zado pelo fato de que e um anel de pistao.

11. Elemento de acordo com as reivindicagoes 1 a 9, caracteri- zado pelo fato de que e um tucho.

12. Elemento de acordo com as reivindicagoes 1 a 9, caracteri- zado pelo fato de que e uma valvula.

13. Elemento de acordo com as reivindicagdes 1 a 9，caracteri- zado pelo fato de que e um came.

14. Elemento de acordo com as reivindicagdes 1 a 9，caracteri- zado pelo fato de que e uma bronzina de mancal ou de segmento.